РЕГИСТРАТОР ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к области компьютерной техники и, в частности, к технике обучения механических роботов путем автоматической записи программы трехмерных перемещений исполнительных механизмов робота и может быть использовано как в быту, так и в промышленных технологических линиях широкого профиля, например, в металлообработке, микроэлектронике, а также в хирургии и микрохирургии.

Аналогом регистратора пространственных перемещений является проволочный реостат [1] где в качестве объекта перемещения следует рассматривать руку оператора, регулирующего сопротивление реостата с помощью подвижного контакта реостата своеобразного датчика перемещений, который скользит по проволочному сопротивлению катушки реостата-аналогу позиционно-чувствительного детектора (ПЧД) перемещений (один виток катушки один элемент "ПЧД"). В этом случае переменную величину сопротивления реостата (или падения напряжения на реостате) следует рассматривать в качестве сигнала ПЧД перемещения.

Недостатком такого устройства является наличие фиксированной траектории движения датчика перемещений (обычно это отрезок прямой или дуга окружности), что не позволяет выполнить трехмерную регистрацию поступательных перемещений произвольного объекта.

Прототипом регистратора пространственных перемещений является компьютерный регистратор перемещений "компьютерный блокнот" [2] где в качестве датчика перемещений использован карандаш "сигналы" которого ориентированы в направлении позиционно-чувствительного детектора перемещений - двухмерного "листа" компьютерного блокнота.

В этом устройстве возможность регистрации перемещений ограничена пределами двухмерных перемещений датчика перемещений по поверхности "листа". Введение в пpототипе второго позиционного детектора перемещений, например, второго "листа", расположенного в плоскости, перпендикулярной первого, не решает задачу регистрации трехмерных перемещений таким устройством, поскольку в прототипе не учтена необходимость одновременной регистрации координат двумя позиционно-чувствительными детекторами.

Техническим результатом изобретения является компьютерная регистрация трехмерных перемещений макроскопического объекта при его финитных поступательных перемещениях.

Технический результат достигается тем, что в известный регистратор пространственных перемещений, содержащий датчик направленных сигналов перемещения, ориентированный в направлении позиционно-чувствительного детектора перемещений, выход которого подсоединен к входу координатно-регистрирующего блока, дополнительно введен второй позиционно-чувствительный детектор перемещений, выход которого также подсоединен к входу координатно-регистрирующего блока, а датчик направленных сигналов перемещения выполнен в виде датчика одновременных пар сигналов перемещения с питающим генератором сигналов.

Указанный результат достигается также тем, что координатно-регистрирующий блок содержит группу линейных схем пропускания с анализирующими и управляющими входами, причем к каждому из управляющих входов подсоединен один элемент первого позиционно-чувствительного детектора перемещений, и группу схем линейных сумматоров, каждая из которых имеет по два входа, к первым из них подсоединены общей шиной все элементы первого позиционно-чувствительного детектора, а к вторым входам подсоединено по одному элементу от второго позиционно-чувствительного детектора, и все выходы линейных сумматоров соединены общей шиной со всеми анализирующими входами линейных схем пропускания.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства: 1 - датчик одновременных пар сигналов перемещения; 2 питающий импульсный генератор сигналов; 3, 4 позиционно-чувствительные детекторы перемещения; 5 координатно-регистрирующий блок; 6 интерфейс и компьютер, платы позиционно-чувствительных детекторов 3 и 4 расположены во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

В качестве излучателя датчика одновременных пар сигналов (ДОПС) перемещений установлен арсенид-галлиевый инжекционный минилазер, с линейными размерами 3 мм и мощностью излучения до 50 милливатт (при непрерывном режиме генерации) в инфракрасной области длин волн вблизи 0,84 мкм. Импульсное питание лазера (с длительностью импульса (2-5.10^-4 с ) подано от стандартного генератора прямоугольных импульсов с частотой следования до 10³ имп/с. Для фокусировки лазерного луча установлен телескопический минипрожектор зеркального типа диаметром 3,5 мм, длиной 4,5 мм; для раздвоения луча на два взаимно перпендикулярных луча на выходе прожектора установлено полупрозрачное зеркало диаметром 3,1 мм под углом 45^o к направлению лазерного луча, фиг. 2.

Позиционный детектор 3 выполнен из 9 фотоприемных матриц фоторезистивного типа (сернистый свинец) с линейными размерами элементов 3,5х3,5 м² (9 матриц по 32х32 элемента, три ряда по три матрицы плотно установлены на общей плате позиционного детектора). Второй позиционный детектор 4 (с аналогичным числом и параметрами фотоприемным матриц) установлен в плоскости, перпендикулярной первому, элементы его "строк" включены параллельно так, что он образует только строчную матрицу типа 1х96 элементов.

Выход каждого элемента (или строки) позиционного детектора поступает на формирующий триггер (который выдает стандартный сигнал 15 милливольт, длительностью 2.20^-4с). Выходы с формирующих триггеров поданы на входы координатно-регистрирующего блока 5.

На фиг. 3 приведена схема координатно-регистрирующего блока 5 (фиг. 1) с подключенными к ней (через предусилители и формирующие триггеры не показано) элементами позиционно-чувствительных детекторов 3 и 4 (фиг. 1). В этой схеме функционально-эквивалентные элементы координатно-регистрирующего блока расположены в вертикальных рядах, один под другим: 3 ряд элементов ПЧД-3; 4 ряд элементов ПЧД 4; 5-1-ряд линейных сумматоров; 5-2-ряд линейных схем пропускания. Наличие элементов развязки в схеме фиг. 3 (эмиттерные повторители сигнала) указано с помощью стрелок, обозначающих направление передачи сигнала.

В координатно-регистрирующем блоке фиг. 3 число линейных сумматоров 5-1 равно числу элементов в позиционно-чувствительном детекторе 4, а число линейных схем пропускания 5-2 равно числу элементов в позиционно-чувствительном детекторе 3, причем числа элементов в различных позиционно-чувствительных детекторах выбраны независимыми.

Работа устройства, регистратора трехмерных перемещений рассмотрена на примере регистрации непоступательных перемещений двойного маятника, совершающего независимые колебания (малые колебания) во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Проекция колебаний на горизонтальную плату ПЧД-3 и вертикальную плату ПЧД-4 описывают фигуры Лиссажу различного порядка. Объем наблюдаемого пространства (вместе с маятником), представляющий собой куб с длиной ребра 36 см, две грани которого вмещают чувствительные поверхности ПЧЛ-3 и ПЧД-4, обращенные внутрь объема, плотно экранирован от освещения с помощью подвижных светонепроницаемых шторок черного цвета. ДОПС-1 (фиг. 1) закреплен в нижней точке маятника с помощью клея (сургуча, пицеина или пластелина) так, что его вертикальный луч ориентирован в направлении горизонтального ПЧД-3, а горизонтальный в направлении ПЧД-4.

1. Генератор сигналов 2 (фиг. 1) выключен, ДОПС-1 не излучает одновременных сигналов, движение маятника не регистрируется.

2. Генератор сигналов 2 включен. ДОПС-1 излучает одновременные пары сигналов, которые в зависимости от положения маятника в различные моменты времени, регистрируются в различных элементах ПЧД-3 и ПЧД-4 одновременно: усиливаются, формируются и поступают на входы координатно-регистрирующего блока также одновременно. При этом выходной сигнал в координатно-регистрирующем блоке возникает только на выходе той линейной схемы пропускания, которая управляется сработавшим элементом ПЧД-4, а координата элемента, сработавшего в ПЧД-3 кодируется величиной амплитуды сигнала на выходе сработавшего линейного сумматора. Сигнал на выходе линейного сумматора возникает лишь в том случае, когда на оба его входа поступают одновременные сигналы. Поэтому неодновременные сигналы, зарегистрированные в элементах ПЧД-3 и ПЧД-4 не анализируются в координатно-регистрирующем блоке и в компьютер 6 не поступают, т.к. условие одновременности регистрации координат способствует повышению помехозащищенности устройства. Результат анализа одновременных сигналов поступает в память компьютера 6. После остановки маятника генератор сигналов 2 выключают, процедура регистрации трехмерных перемещения выполнена.

Цифровая информация, зарегистрированная в памяти компьютера, представляет собой временную последовательность трехмерных координат подвижного датчика перемещений. Наличие такой информации позволяет:
1/ многократно воспроизводить, дублировать или размножать (уникальные/перемещения /или их часть) с помощью исполнительных механизмов (роботов);
2/ изменять при воспроизведении перемещений (уменьшать или увеличивать /линейный и/или/ временной масштаб зарегистрированных перемещений;
3/ располагая информацией о траектории перемещения одной точки объекта, рассчитать траекторию перемещения других его точек;
4/ выполнять различную математическую обработку зарегистрированных перемещений (модуляция, интерполяция, корректировка искажений, функциональная аппроксимация, физическое моделирование траектории и др.).

Кроме того, возможно выполнение других операций, представляющих интерес в области автоматизации программирования механических роботов:
1/ регистрацию перемещений, совершаемых вне объема наблюдаемого пространства (высокая оснащенность объекта, высокая температура, уровень радиации, значительные амплитуды перемещений и др.) выполняют с помощью механического манипулятора (пантографа).

2/ для регистрации перемещений нескольких независимых объектов используют несколько датчиков ДОПС. С этой целью выполнено питание различных ДОПС от генератора 2 (фиг. 1) через группу электронных реле, управляемую дешифратором, что обеспечивает питание датчиков в порядке циклической временной последовательности;
3/ известны устройства с обратной силовой связью, которые применяются например, в процессах обучения (для передачи осязательных ощущений от хирурга к студенту и др).

Регистратор трехмерных перемещений может быть использован в сочетании с такими устройствами для автоматической записи координатно-силовой информации.

Использование: компьютерная техника. Сущность изобретения: регистратор пространственных перемещений содержит датчик одновременных пар сигналов перемещения с питающим генератором сигналов и два позиционно-чувствительных детектора перемещений. Каждый из детекторов подсоединен к координатно-регистрирующему блоку. Последний выполнен особым образом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1 1. Регистратор пространственных перемещений, содержащий датчик направленных сигналов перемещения, ориентированный в направлении позиционно-чувствительного детектора перемещений, выход которого подсоединен к входу координатно-регистрирующего блока, отличающийся тем, что дополнительно введен второй позиционно-чувствительный детектор перемещений, выход которого также подсоединен к входу координатно-регистрирующего блока, а датчик направленных сигналов перемещения выполнен в виде датчика одновременных пар сигналов перемещения с питающим генератором сигналов.2 2. Регистратор по п.1, отличающийся тем, что координатно-регистрирующий блок содержит группу линейных схем пропускания с анализирующими и управляющими входами, причем к каждому из управляющих входов подсоединен один элемент первого позиционно-чувствительного детектора перемещений, и группу схем линейных сумматоров, каждая из которых имеет по два входа, к первым из них подсоединены общей шиной все элементы первого позиционно-чувствительного детектора, а к вторым входам подсоединено по одному элементу от второго позиционно-чувствительного детектора, и все выходы линейных сумматоров соединены общей шиной со всеми анализирующими входами линейных схем пропускания.