МАНИПУЛЯТОР "ЧЕРЕПАХА ПРОХОРОВА" Российский патент 2002 года по МПК G06F3/33 G09G5/08 G06K11/18 

1.2 Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам ввода информации в компьютер.

1.3. Уровень техники
Известен ряд конструкций двух- и трехкоординатных манипуляторов типа "мышь". Например, некоторые конструкции описаны в публикациях [1] -[6].

Конструкция [1] включает перемещаемый оператором рукой по опорной поверхности корпус, в котором установлен двухкоординатный датчик перемещения, состоящий из шара, который находится в гнезде корпуса и соприкасается с опорной поверхностью под действием своего 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, а также подпружиненного ролика, прижимающего шар к валикам.

Одним из недостатков этой конструкции является уязвимость к загрязнениям, поскольку шар с одной стороны соприкасается с опорной поверхностью, а с другой - с валиками, а для правильной работы манипулятор должен иметь возможность беспрепятственно совершать сложные вращения, когда мгновенная ось его вращения может находиться под любым углом к валикам, загрязненность же валиков может влиять на его движение.

Недостатком конструкции является и невозможность работы ее в условиях вибраций, негоризонтальности опорной поверхности и невесомости.

Еще один недостаток данной конструкции - отсутствие измерения поворота манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности.

1.4. Сущность изобретения
Изобретение относится к устройствам ввода информации в компьютер.

1. Задачи упрощения конструкции, преодоления влияния загрязненности опорной поверхности на работоспособность манипулятора, обеспечения работоспособности манипулятора в условиях вибраций и невесомости, а также простоты измерения, наряду с поступательными движениями, поворота манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности, решены в изобретении по п. 1 формулы изобретения путем использования независимых колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений по опорной поверхности, каждый из которых измеряет компоненту перемещения некоторой связанной с датчиком "точки измерения" вдоль некоторого связанного с датчиком "направления измерения", параллельного опорной поверхности, и нечувствителен к компоненте перемещения точки измерения в направлении, перпендикулярном направлению измерения. Каждый из колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений включает специальный колесоподобный элемент (КЭ) с осью вращения, параллельной или наклонной к опорной поверхности, обладающий способностью перемещаться по опорной поверхности в двух направлениях: не только катиться (в широком смысле) подобно обычному колесу в направлении, перпендикулярном оси вращения КЭ, но и перемещаться в направлении, перпендикулярном направлению его возможного качения; при этом происходит или качение с поворотом вокруг оси его оси, или перемещение без такого поворота в направлении, перпендикулярном возможному направлению качения, или сочетание этих движений, то есть перемещение в произвольном направлении. Кроме КЭ, колесный однокоординатный датчик линейных перемещений содержит датчик поворота КЭ, регистрирующий поворот КЭ относительно оси его оси. Измерения датчика поворота КЭ характеризуют значение компоненты перемещения точки измерения вдоль направления возможного качения, так что направление возможного качения является "направлением измерения" колесного однокоординатного датчика линейных перемещений.

Манипулятор состоит из корпуса и нескольких КЭ на осях, поворот всех или части КЭ регистрируется датчиками поворота. КЭ могут выполнять как измерительные функции (измерительные КЭ) в составе колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений, так и служить опорами при перемещении манипулятора по опорной поверхности (опорные КЭ).

В зависимости от количества используемых колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений возможно измерение манипулятором линейных перемещений (если использован один колесный однокоординатный датчик линейных перемещений), двух координат перемещения манипулятора по опорной поверхности (при использовании двух колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений), а также и поворотов манипулятора относительно прямой, перпендикулярной опорной поверхности (при использовании трех и более колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений).

2. Задача измерения наряду с поступательными перемещениями также и поворота манипулятора вокруг оси, перпендикулярной опорной поверхности, решена в изобретении по п.2 формулы изобретения посредством использования в конструкции трех КЭ, два из которых - равновеликие с параллельными направлениями возможного качения, направление возможного качения третьего не параллельно (например, перпендикулярно) направлениям возможного качения первых двух. Оси 1-го и 2-го КЭ соединены с механическим дифференциалом, поворот которого, а также повороты 1-го и 3-го КЭ измеряются датчиками поворота. При движении манипулятора показания датчиков поворота 1-го и 3-го КЭ отражают линейное перемещение манипулятора. Показание датчика поворота выходной оси дифференциала отражает поворот манипулятора вокруг оси, перпендикулярной опорной поверхности. Выходы трех датчиков поворота являются выходом устройства.

1.5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Несколько примеров возможных инженерных решений колесного однокоординатного датчика линейных перемещений представлены на фиг. 1 - фиг. 10.

На всех чертежах обозначены: 1 - корпус, 2 - КЭ, 3 - ось КЭ, 4 - датчик поворота КЭ, 5 - крепление оси КЭ к корпусу.

В варианте исполнения фиг.1 КЭ выполнен в виде обычного колеса, периферийная часть которого изготовлена из материала, обладающего малым коэффициентом трения относительно опорной поверхности, например из фторопласта, капрона, полированной стали и т.п. При этом перемещение в направлении, перпендикулярном направлению возможного качения, происходит за счет проскальзывания КЭ относительно опорной поверхности при перемещении его в этом направлении. Поворот КЭ измеряется датчиком, измеряющим поворот оси КЭ. В варианте фиг.2 датчик поворота КЭ измеряет поворот КЭ непосредственно.

В варианте исполнения фиг.3 КЭ выполнен в виде обычного колеса, периферийная часть которого изготовлена из мягкого упругого материала, соприкасающегося с опорной поверхностью с маленьким давлением, например из поролона. При этом перемещение в направлении, перпендикулярном направлению возможного качения, происходит за счет проскальзывания КЭ относительно опорной поверхности при перемещении его в этом направлении.

В варианте исполнения фиг.4 КЭ выполнен в виде обычного колеса, периферийная часть которого изготовлена в виде части гибкого тонкого диска, например из резины. При этом при перемещении КЭ относительно опорной поверхности в направлении, перпендикулярном направлению возможного качения, часть диска, примыкающая к точке соприкосновения его с опорной поверхностью, отгибается в сторону, противоположную направлению перемещения КЭ, не препятствуя этому перемещению. В варианте фиг.5 те же функции выполняют закрепленные на периферии КЭ "щетинки" 6.

В варианте исполнения фиг. 6 КЭ выполнен в виде обычного колеса, закрепленного на оси подвижно, например на резиновой шайбе или карданном подвесе 7, с элементами упругости, обеспечивающими при отсутствии внешних сил его симметричное относительно оси положение с возможностью поворота (наклона) относительно произвольной оси, проходящей через центр его подвеса на оси и перпендикулярной оси КЭ. При этом при перемещении КЭ относительно опорной поверхности в направлении, перпендикулярном направлению возможного качения, диск наклоняется, не препятствуя этому перемещению. В варианте исполнения фиг. 7 в отличие от предыдущего крепление 8 колеса на оси обеспечивает возможность наряду с наклонами и его радиального смещения (в направлении от точки касания КЭ с опорной поверхностью к оси КЭ), упругость этого подвеса обеспечивает прижим к опорной поверхности.

На фиг. 8-11 представлены вариант КЭ с наклонным расположением КЭ и с датчиком поворота КЭ, сопряженным с осью КЭ (фиг. 8), с измерением поворота КЭ с помощью фрикционного зацепления измерительного валика 9 (фиг.9), с КЭ, имеющим грибовидную форму и имеющим эластичный край 10 (фиг. 10), с "щетинками" 10 на периферийной части КЭ (фиг.11).

На фиг. 12-17 представлены несколько из возможных вариантов исполнения манипуляторов на базе КЭ: с фрикционным измерением поворота КЭ (фиг. 12), с двумя КЭ, выполняющими опорную функцию совместно с упором корпуса 10 (фиг. 13), с тремя КЭ, выполняющими опорную функцию (фиг. 14), манипулятор (фиг. 15), манипулятор, опирающийся на упоры корпуса 10 с КЭ с гибким диском (фиг. 16), манипулятор, в котором два из КЭ выполнены в форме валиков, один из которых выполняет измерительную функцию и оба - опорную (фиг. 17).

При движении манипулятора в направлении, перпендикулярном направлению возможного качения КЭ, положение этого КЭ относительно корпуса манипулятора не меняется в силу свойств КЭ. При движении манипулятора в направлении возможного качения КЭ, этот КЭ поворачивается, этот поворот, связанный с величиной перемещения точки измерения относительно опорной поверхности, регистрируется датчиком поворота. При произвольном движении датчик поворота КЭ регистрирует величину компоненты перемещения в направлении возможного качения этого КЭ. Выходы датчиков поворота КЭ являются выходом устройства.

Корпус манипулятора может опираться на опоры на его нижней части, либо на измерительные КЭ, либо на измерительные КЭ и опоры корпуса или опорные КЭ. Корпус опирается на опоры в случае, когда КЭ выполнены из упругого материала, либо КЭ содержат элементы упругости, либо оси КЭ закреплены в корпусе на упругом подвесе.

При использовании в манипуляторе одного или двух колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений показания датчиков поворота КЭ, входящих в состав колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений, могут непосредственно использоваться в прикладных программах, с которыми используется манипулятор.

При использовании в манипуляторе трех (или более) колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений их показания удобнее использовать после предварительного преобразования показаний 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 колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений манипулятора для случая, когда использованы три колесных однокоординатных датчика линейных перемещений. Будем считать, что выполнены два условия: (1) направления измерения 1-го и 2-го колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений не параллельны, (2) направления измерения трех колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений не пересекаются в одной точке. Построения поясняются на фиг. 18.

Пусть в системе координат, связанной с манипулятором, точки измерения 1-го, 2-го и 3-го колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений характеризуются векторами соответственно (это двумерные вектора). Пусть единичные векторы направлений измерения этих датчиков- Пусть ds₁, ds₂, ds₃- показания (либо приращения показаний) этих датчиков при малом перемещении манипулятора.

Пусть произвольная фиксированная относительно манипулятора в данный момент времени точка опорной поверхности. Поскольку в силу вышеуказанных свойств колесного однокоординатного датчика линейных перемещений i-й датчик измеряет проекцию перемещения точки измерения относительно опорной поверхности на 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 манипулятором, dω- поворот манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности. (...,...) обозначает скалярное, а (...x...) - 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 ϕ_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 колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений.

Если Oху - связанная с манипулятором система координат в опорной плоскости, то могут быть вычислены величины

где du_x и du_у - составляющие поступательного движения точки манипулятора в системе координат Оху; dω- элемент вращательного движения манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности; k_1x, k_1у, k_2x, k_2у, k_3x, k_3y, l₁, l₂, l₃ - фиксированные для данного манипулятора константы, определяемые размещением и ориентацией колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений на манипуляторе, а также выбором системы координат.

Таким образом, каждая из компонент движения манипулятора - поступательного по опорной поверхности и поворота относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности, - может быть вычислена умножением показаний колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений 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.

В случае если в манипуляторе используются более трех колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений, вычисление компонент перемещения манипулятора может производиться, например, следующим образом. Для всех различных троек колесных однокоординатных датчиков линейных перемещений, для которых выполнены условия, что направления измерения этих датчиков не пересекаются в одной точке и не все направления измерения параллельны, по измерениям этой тройки датчиков возможно производить вычисления поступательных и вращательной компонент перемещения манипулятора. По получаемым для каждой из таких троек значениям можно вычислять средние поступательную и вращательную компоненты перемещения манипулятора.

В конструкции фиг. 19 оси 3 и 6 двух из КЭ соединены с механическим вычитателем углов - дифференциалом 7. Поворот выходной оси дифференциала регистрируется датчиком 8.

Источники информации
1. Патент России SU 1737473 А1 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. Gomiak A. M. System and apparatus for providing three dimensions of input into a host processor. Patent US 4961138, Oct. 2,1990.

Изобретение относится к устройствам ввода информации в компьютер. Техническим результатом является упрощение конструкции, преодоление влияния на работоспособность устройства загрязненности опорной поверхности, обеспечение работоспособности устройства в условиях вибраций и невесомости, а также простота измерения, наряду с поступательными движениями, обеспечение возможности поворота манипулятора относительно оси, перпендикулярной опорной поверхности. Для этого заявленное устройство содержит колесоподобные элементы, оси вращения которых расположены параллельно либо наклонно к опорной поверхности, при этом каждый из колесоподобных элементов выполнен с возможностью перемещения по опорной поверхности в любом направлении. 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Манипулятор графической информации, содержащий перемещаемый по опорной поверхности корпус с установленным на нем по крайней мере одним колесоподобным элементом (КЭ), оси вращения колесоподобных элементов расположены параллельно либо наклонно к опорной поверхности, каждый из КЭ выполнен с возможностью соприкосновения с опорной поверхностью при движении и возможностью перемещения по опорной поверхности в любом направлении, при котором происходит или качение с поворотом вокруг оси его оси, или перемещение без такого поворота в направлении, перпендикулярном возможному направлению качения, или сочетание этих движений, углы поворота всех или части КЭ регистрируются датчиками поворота. 2. Манипулятор по п. 1, в котором КЭ изготовлен в виде диска из материала, обладающего малым трением с опорной поверхностью (например, из капрона). 3. Манипулятор по п. 1, в котором по крайней мере соприкасающаяся с опорной поверхностью при движении область КЭ изготовлена из упругого материала с возможностью изгибания при контакте с опорной поверхностью таким образом, что каждая из точек соприкосновения ее с опорной поверхностью может перемещаться относительно КЭ в любую сторону в направлении, перпендикулярном возможному направлению качения КЭ. 4. Манипулятор по п. 1, в котором КЭ на своей периферии имеет подвижные элементы, выступы или "щетинки", выполненные с возможностью перемещения таким образом, что каждая из точек соприкосновения ее с опорной поверхностью может перемещаться относительно КЭ в любую сторону в направлении, перпендикулярном возможному направлению качения КЭ. 5. Манипулятор по п. 1, в котором ось КЭ параллельна опорной поверхности, а КЭ имеет вид колеса, закрепленного на оси на упругом подвесе с возможностью наклона по отношению к этой оси в любую сторону и, возможно, перемещения в аксиальном направлении. 6. Манипулятор по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что он содержит дополнительно механическое устройство вычитания углов - дифференциал, кинематически соединенный с осями двух равновеликих КЭ с параллельными направлениями возможного качения, угол поворота выходной оси дифференциала регистрируется датчиком поворота.