манипулятор "самоходная черепаха прохорова wonderturtle" (варианты)

Формула изобретения

1. Манипулятор графической информации, содержащий корпус с датчиками поворота, отличающийся тем, что на осях, закрепленных в корпусе, установлены один или несколько двухкоординатных колесоподобных элементов, выполненных с возможностью перемещения по опорной поверхности в произвольном направлении без проскальзывания и состоящих из остова-рамы и опорных тел вращения, контактирующих с опорной поверхностью при движении и образующих периферийную часть двухкоординатного колесоподобного элемента, при этом опорные тела вращения установлены на остове-раме с возможностью поворота относительно своих осей вращения и обеспечивают возможность перемещения двухкоординатного колесоподобного элемента вдоль оси вращения остова-рамы, остов-рама установлен с возможностью поворота относительно оси вращения двухкоординатного колесоподобного элемента; датчики поворота выполнены с возможностью регистрации поворота всех или части двухкоординатных колесоподобных элементов, при этом все или часть двухкоординатных колесоподобных элементов снабжены двигателями или/и управляемыми тормозными устройствами.

2. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что на осях, закрепленных в его корпусе, установлены по крайней мере два двухкоординатных колесоподобных элемента и по меньшей мере два из двухкоординатных колесоподобных элементов установлены на общей оси.

3. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что его корпус выполнен в виде основания и подвижной верхней части, выполненной с возможностью перемещения относительно основания двигателями или/и торможения относительно основания корпуса управляемыми тормозными устройствами, при этом подвижная верхняя часть корпуса может быть выполнена с возможностью регистрации ее положения относительно основания датчиками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам ручного ввода информации в компьютер.

Уровень техники

Известен ряд конструкций двух- и трехкоординатных манипуляторов типа "мышь", например, некоторые конструкции описаны в

[1] Патент России SU 1737473 A1 от 30.05.92.

[2] Прохоров В. В. Трехкоординатный манипулятор графической информации "черепаха". Патент России RU 2123201 С1, 31.03.97.

[3] Olson, L.T. Inertial mouse system. Patent US 4787051, Nov.22, 1988.

[4] Lawrence, James G.; Diaz, Oscar R.; Erdmann (Jr.), Robert E. Point and select device. Patent US 4939508A, July 07, 1990 (Oct. 31, 1988).

[5] Glynn, B. J. Computer apparatus input device for three-dimensional information. Patent US 5181181, Sep. 27, 1990.

[6] Gorniak, A.M. System and apparatus for providing three dimensions of input into a host processor. Patent US 4961138, Oct. 2, 1990.

Конструкция [1] включает перемещаемый оператором рукой по столу корпус, в котором установлен двухкоординатный датчик перемещения, состоящий из шара, расположенного в гнезде корпуса и соприкасающегося с рабочей поверхностью под действием собственного веса, кинематически связанных с шаром двух валиков, величина угла поворота каждого из которых регистрируется датчиком, с каждым из валиков соединены флажки, направление отклонения которых регистрируется еще двумя датчиками.

Одним из недостатков этой конструкции является отсутствие возможности использования обратной связи от компьютера к оператору в виде создания компьютером управляемого повышения сопротивления перемещению манипулятора оператором или инициируемого компьютером перемещения манипулятора по опорной поверхности без усилий оператора.

Сущность изобретения

Изобретение относится к устройствам ручного ввода информации в компьютер.

Задача создания механической обратной связи от компьютера к оператору решена в изобретении по п. 1 формулы изобретения путем использования "двухкоординатных колесоподобных элементов" (2кКЭ) на осях, закрепленных в корпусе манипулятора. 2кКЭ обладает способностью не только катиться (в широком смысле), подобно обычному колесу, в направлении, перпендикулярном оси вращения 2кКЭ (направлении возможного качения), но и перемещаться по опорной поверхности в произвольном направлении относительно оси вращения 2кКЭ, в том числе - в направлении, перпендикулярном направлению его возможного качения, причем, все такие движения для 2кКЭ происходят без проскальзывания. Направление возможного качения является "рабочим направлением" 2кКЭ. Каждый из этих 2кКЭ может совместно с датчиком поворота участвовать в измерении компоненты перемещения некоторой связанной с 2кКЭ "рабочей точки" вдоль связанного с 2кКЭ "рабочего направления", параллельного опорной поверхности, и нечувствителен к компоненте перемещения точки измерения в направлении, перпендикулярном рабочему направлению. Каждый из этих 2кКЭ или часть их совместно с двигателем или (и) с тормозным устройством создает приложенный к "рабочей точке" направленный вдоль "рабочего направления" вектор движущей или тормозящей силы.

В зависимости от количества используемых 2кКЭ с датчиками поворота возможно измерение манипулятором линейных перемещений (если использован 1 2кКЭ с датчиком поворота), двух координат перемещения манипулятора по опорной поверхности (при использовании 2-х 2кКЭ с датчиками поворота), а также и поворотов манипулятора относительно прямой, перпендикулярной опорной поверхности (при использовании 3-х и более элементов 2кКЭ с датчиками поворота).

В изобретении по п. 2 формулы решается задача уменьшения количества двигателей при необходимости только поступательного перемещения манипулятора посредством установки нескольких 2кКЭ одинакового размера на общую ось.

Задача увеличения количества факторов воздействия на оператора в обратной связи от компьютера к оператору решается в изобретении по п.3 формулы посредством выполнения верхней части корпуса подвижной и применения исполнительных устройств (двигателей), позволяющих перемещать верхнюю часть корпуса относительно основания, и (или) управляемых тормозных устройств, затрудняющих ее перемещение. При этом положение подвижной верхней части корпуса относительно основания может регистрироваться дополнительно установленными на корпусе датчиками.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Некоторые из возможных инженерных решений 2кКЭ, на которых базируется устройство, представлены на фиг.1-4.

2кКЭ состоит из остова-рамы 1, оси вращения остова-рамы 3 и некоторого количества опорных тел вращения 2, которые могут свободно вращаться вокруг осей, закрепленных на периферии остова-рамы перпендикулярно оси вращения остова-рамы. При описанной конструкции 2кКЭ может за счет вращения остова-рамы вокруг оси вращения остова-рамы перемещаться в направлении, перпендикулярном оси вращения остова-рамы; при этом опорные тела вращения неподвижны относительно остова-рамы. С другой стороны, 2кКЭ может перемещаться по опорной поверхности в направлении вдоль оси вращения остова-рамы за счет вращения опорного тела вращения, соприкасающегося с опорной поверхностью, вокруг своей оси (всех таких опорных тел вращения вокруг своих осей, если их несколько), при этом остов-рама не поворачивается относительно вращения остова-рамы. При движении устройства в произвольном направлении могут вращаться и остов-рама, и опорные тела вращения.

Одно возможное инженерное решение устройства "Манипулятор "Самоходная черепаха Прохорова Wonder Turtle"" представлено на фиг.5. В данном случае применены 3 элемента 2кКЭ 2 на осях 3, с которыми соединены двигатель и датчик поворота и (или) управляемое тормозное устройство 4; оси 3 установлены на корпусе с возможностью вращения на опорах 6.

В зависимости от количества используемых 2кКЭ с датчиками поворота возможно измерение манипулятором линейных перемещений (если использован 1 2кКЭ с датчиком поворота), двух координат перемещения манипулятора по опорной поверхности (при использовании 2-х элементов 2кКЭ с датчиками поворота), а также и поворотов манипулятора относительно прямой, перпендикулярной опорной поверхности (при использовании 3-х и более элементов 2кКЭ с датчиками поворота).

При использовании в манипуляторе 1-го или 2-х элементов 2кКЭ с датчиками поворота показания датчиков могут непосредственно использоваться в прикладных программах, с которыми используется манипулятор.

При использовании в манипуляторе 3-х или более элементов 2кКЭ с датчиками поворота показания датчиков можно использовать непосредственно либо после предварительного преобразования показаний датчиков дополнительным программным модулем компьютера, совместно с которым используется манипулятор, или встроенным в манипулятор микроконтроллером, в компоненты поступательного перемещения манипулятора и его поворот относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности.

Покажем принципиальную возможность вычисления компонент поступательного движения и поворота манипулятора по показаниям датчиков манипулятора для случая, когда в манипуляторе использованы три элемента 2кКЭ с датчиками поворота. Будем считать, что для однокоординатных колесных датчиков, образуемых 2кКЭ с датчиками поворота, выполнены 2 условия: (1) рабочие направления 1-го и 2-го 2кКЭ не параллельны, (2) прямые, проходящие через рабочие точки 2кКЭ в рабочем направлении, не пересекаются в одной точке. Построения поясняются на фиг.6.

Пусть в системе координат, связанной с основанием манипулятора, рабочие точки 1-го, 2-го и 3-го 2кКЭ характеризуются векторами соответственно (это двумерные вектора). Пусть единичные векторы рабочих направлений этих 2кКЭ - Пусть ds₁, ds₂, ds₃ - показания (либо приращения показаний) датчиков поворота этих 2кКЭ при малом перемещении манипулятора.

Пусть - произвольная фиксированная относительно основания манипулятора в данный момент времени точка опорной поверхности. Поскольку в силу вышеуказанных свойств 2кКЭ i-й датчик измеряет проекцию перемещения рабочей точки относительно опорной поверхности на рабочее направление то для любого i имеет место соотношение где - проекция указанного векторного произведения на ось, перпендикулярную опорной поверхности, - перемещение точки относительно опорной поверхности в системе координат, связанной с основанием манипулятора, d - поворот основания манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности. (. ..,...) обозначает скалярное, а (...х...) - векторное произведение векторов.

Выберем в качестве точки точку пересечения двух прямых, одна из которых проходит через , в направлении а другая проходит через в направлении Тогда получаем уравнения:



Обозначим _ij - угол между то есть Тогда из предыдущего уравнения получаем:



Таким образом, выше получено (с точностью до обозначений), что



где - фиксированные для данного манипулятора параметры, определяемые размещением и ориентацией 2кКЭ.

Если Оху - связанная с основанием манипулятора система координат в плоскости опорной поверхности, то могут быть вычислены величины



где du_x и du_y - составляющие поступательного движения точки манипулятора в системе координат Оху; d - элемент вращательного движения основания манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности; k_1x, k_1y, k_2x, k_2y, k_3x, k_3y, l₁, l₂, l₃ - фиксированные для данного манипулятора константы, определяемые размещением и ориентацией 2кКЭ на манипуляторе, а также выбором системы координат.

Таким образом, каждая из компонент движения основания манипулятора - поступательного по опорной поверхности и поворота относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности, - может быть вычислена умножением показаний однокоординатных колесных датчиков на некоторые коэффициенты и последующим суммированием. Эти вычисления могут быть выполнены, например, в программе компьютера, с которым используется манипулятор, либо в микроконтроллере, встроенном в сам манипулятор, поскольку команды умножения на число и сложения чисел входят в состав всех распространенных средств программирования микропроцессоров.

При применении в манипуляторе более 3-х 2кКЭ с датчиками поворота вычисление компонент перемещения основания манипулятора может производиться, например, следующим образом. Для всех различных троек однокоординатных колесных датчиков, для которых выполнены условия, что рабочие направления этих датчиков не пересекаются в одной точке и не все рабочие направления параллельны, по измерениям этой тройки датчиков возможно производить вычисления поступательных и вращательной компонент перемещения основания манипулятора. По получаемым для каждой из таких троек значениям можно вычислять средние поступательную и вращательную компоненты перемещения основания манипулятора.

Управление двигателями, соединенными в устройстве с 2кКЭ, создает усилие, препятствующее или способствующее перемещению манипулятора, причем, при наличии 1-го 2кКЭ с двигателем возможно создание усилия в одном направлении, при наличии 2-х 2кКЭ с двигателями (если направления их возможного качения не параллельны) возможно создание усилия в любом направлении на опорной поверхности, при наличии 3-х 2кКЭ с двигателями возможно создание усилия в любом направлении на опорной поверхности (если направления качения по крайней мере 2-х из 2кКЭ с двигателями не параллельны) и вращательного момента относительно прямой, перпендикулярной опорной поверхности (если к тому же по крайней мере для 2-х 2кКЭ направления качения не пересекаются в одной точке).

На фиг.6 изображен вариант исполнения устройства по п.2 формулы изобретения.

На фиг.7 поясняются кинематические соотношения между положением манипулятора и перемещениями датчиков.

На фиг.8 изображен вариант исполнения устройства по п.3 формулы. В этом варианте устройства использованы 3 двигателя или электромагнита или (и) управляемого тормозного устройства 5, которые могут перемещать верхнюю часть корпуса относительно основания.