Исполнительное устройство для прецизионного позиционирования исполнительного элемента

Авторы патента:

Кудря Артем Владимирович (RU)

Краевский Иван Стефанович (RU)

Горбатенко Николай Иванович (RU)

Гречихин Валерий Викторович (RU)

B25J11/00 - Манипуляторы, не отнесенные к другим рубрикам

Владельцы патента RU 2630074:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" (RU)

Изобретение относится к мехатронике и может быть использовано в промышленных системах управления технологическими процессами, в узлах медицинской техники, в прецизионных системах позиционирования, в устройствах активной и адаптивной оптики. Исполнительное устройство содержит систему управления 1, управляемый источник тока 2, исполнительный элемент 12, датчик определения положения исполнительного элемента 3 и магнитную подсистему 16, включающую первый и второй активные элементы, выполненные из ферромагнитного материала с эффектом памяти формы, и датчик температуры активных элементов 15. Магнитная подсистема выполнена в виде по крайней мере двух сдвоенных катушек 6-11 для каждого активного элемента. Управляемый источник тока выполнен многоканальным с возможностью независимого формирования импульсов тока в каждой сдвоенной катушке. Изобретение обеспечивает повышение точности позиционирования и быстродействия, а также уменьшение габаритных размеров устройства. 6 ил.

Известно исполнительное устройство, предназначенное для перемещения исполнительного элемента, содержащее магнитную подсистему представленную в виде разомкнутого магнитопровода, с возбуждающей катушкой, в воздушном зазоре которого располагается термомагнитомеханический преобразователь далее - активный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с памятью формы (ФМПФ), а также исполнительный элемент, используемый для воздействия на объект управления. Исполнительное устройство способно перемещать объект в одном направлении за счет магнитоуправляемого эффекта памяти формы, для перемещения объекта в обратном направлении необходимо приложить внешнюю нагрузку. [см. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, N. Chaillet, and С.Lexcellent, "Nonlinear hamiltonian modelling of magnetic shape memory alloy based actuators," Sensors & Actuators A, vol. 141, pp. 536-547, 2008].

Недостатками данного устройства являются большие габаритные размеры, низкое быстродействие, необходимость дополнительного потребления энергии для удержания исполнительного элемента в заданном положении, использование внешнего механического воздействия для сжатия активного элемента, не учитывается влияние температуры на свойства активного элемента.

Известно двухтактное исполнительное устройство, предназначенное для перемещения объектов в миллиметровом диапазоне с разрешающей способностью в несколько микрометров, содержащее магнитную подсистему включающую первый и второй активный элемент выполненные из ФМПФ, управляемый источник тока, систему регулирования на основе пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) и пропорционально-интегрирующих регуляторов, датчик определения положения исполнительного элемента и исполнительный элемент. Первый активный элемент способен удлиняется под воздействием внешнего магнитного поля и перемещать исполнительный элемент в прямом направлении, при этом сжимая второй активный элемент. Второй активный элемент способен удлиняется под воздействием внешнего магнитного поля и перемещать исполнительный элемент в обратном направлении, при этом сжимая второй активный элемент. Под исполнительным элементом подразумевается элемент конструкции устройства передающий механическое воздействие на объект управления. Магнитная подсистема исполнительного устройства, представляет собой два независимых разомкнутых магнитопровода, с возбуждающими катушками, в воздушном зазоре каждого находится по одному активному элементу. [см. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, С. Lexcellent, and N. Chaillet, "Multistable actuator based on magnetic shape memory alloy," in ACTUATOR 2006, 10th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 2006, pp. 787-790.].

Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие, большие габаритные размеры, не учитывается влияние температуры на свойства активного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа двухтактное исполнительное устройство. [A. Hubert, N. Calchand, Y. Le Gorrec, J.-Y. Gauthier, "Magnetic Shape Memory Alloys as smart materials for micro-positioning devices" in "Advanced Electromagnetics Symposium, AES'12., TELECOM PARISTECH, Paris: France (2012)"].

Двухтактное исполнительное устройство, предназначенное для перемещения объектов в миллиметровом диапазоне с разрешающей способностью в несколько микрометров, содержащее магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы выполненный из ФМПФ, исполнительный элемент, датчик определения положения исполнительного элемента, управляемый источник тока и систему управления. Первый активный элемент выполнен с возможностью удлинения и перемещения исполнительного элемента, выполненного из немагнитного материала, в прямом направлении, при воздействии на него магнитного поля. Второй активный элемент расположен напротив первого и способен перемещать исполнительный элемент в обратном направлении, при воздействии на него магнитного поля. Магнитная подсистема представляет собой два независимых разомкнутых магнитопровода, с возбуждающими катушками, в воздушном зазоре каждого находится по одному активному элементу. Управляемый источник тока с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) содержит датчик тока, при этом регулирование тока в намагничивающих катушках осуществляется с помощью ПИД регулятора. Определение положения исполнительного элемента производится с помощью датчика, а результат обрабатывается в системе управления, причем с помощью той же системы управления формируются управляющие сигналы для управляемого источника тока. Недостатками данного устройства являются:

1. Невысокая точность позиционирования исполнительного элемента, обусловленная низкой разрешающей способностью двухтактного исполнительного устройства, из-за воздействия одновременно на весь объем каждого активного элемента, а также из-за значительной нелинейности физических процессов в магнитной подсистеме.

2. Низкое быстродействие прототипа, обусловленное структурой магнитной подсистемы, содержащей магнитопровод из магнитомягкого материала и требующего значительных временных затрат на перемагничивание, в том числе и магнитопровода.

3. Большие габаритные размеры, магнитной подсистемы, и как следствие устройства в целом.

Задачей изобретения является повышение точности позиционирования и быстродействия, а также уменьшение габаритных размеров исполнительного устройства.

Техническим результатом изобретения является уменьшение времени отклика магнитной подсистемы и повышение разрешающей способности исполнительного устройства для прецизионного позиционирования исполнительного элемента.

В свою очередь уменьшение времени отклика магнитной подсистемы увеличивает быстродействие. Использование магнитной подсистемы состоящей из нескольких сдвоенных катушек, а так же учет влияния температуры на свойства активного элемента из ФМПФ, позволяет создавать импульсные магнитные поля достаточной мощности для локальной активации эффекта памяти формы, а не во всем объеме сразу, что повышает разрешающую способность, что в итоге приводит к увеличению точности позиционирования исполнительного элемента. Уменьшение габаритных размеров обусловлено использованием оригинальной распределенной магнитной подсистемы, отличительной особенностью которой является использование сдвоенных катушек не содержащих магнитопроводы.

Заявленный технический результат достигается с помощью исполнительного устройства содержащего магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы из ФМПФ, исполнительный элемент, многоканальный управляемый импульсный источник тока, систему управления, а также датчики температуры активных элементов и определения положения исполнительного элемента. Первый и второй активные элементы, имеют форму параллелепипеда, одна из сторон которого намного больше двух других, и выполнены из ферромагнитного материала с эффектом памяти формы. Первый активный элемент выполнен с возможностью перемещения исполнительного элемента в прямом направлении, при воздействии на него магнитного поля. Второй активный элемент выполнен с возможностью перемещения исполнительного элемента в обратном направлении, при воздействии на него магнитного поля. Магнитная подсистема исполнительного устройства предназначена для создания локального импульсного магнитного поля, с напряженностью/индукцией достаточной для активации эффекта памяти формы в выбранном активном элементе, причем, для намагничивания каждого активного элемента используется распределенная намагничивающая система, состоящая из, по крайней мере, двух сдвоенных катушек, без ферромагнитных сердечников, размещенных вдоль длиннейшей стороны активного элемента. Предлагаемая магнитная подсистема позволяет создавать магнитное поле с заданными параметрами, локально или во всем объеме активного элемента сразу. Для формирования неоднородного магнитного поля используется управляемый многоканальный импульсный источник тока, способный формировать импульсы достаточной амплитуды и длительности для активации магнитомеханических процессов в объеме активного элемента. Импульсы имеют высокую скважность для исключения нагрева активного элемента и проводящей среды магнитной подсистемы, подаются независимо в любую сдвоенную катушку распределенной магнитной подсистемы в любой комбинации зависящей от процесса позиционирования. Информация, получаемая от датчика температуры активных элементов, используется для корректировки управляющих импульсов, амплитуды и длительности, в заданном диапазоне температур. Повышение точности позиционирования исполнительного элемента достигается тем, что каждый активный элемент в любой момент времени управляемым образом удлиняется независимо, при этом учитывается влияние температуры. Датчик определения положения используется для корректировки позиции исполнительного элемента. На фиг. 1 изображен пример сдвоенной катушки.

На фиг. 2 представлена структурная схема исполнительного устройства для прецизионного позиционирования исполнительного элемента.

Изображение на фиг. 3 поясняет алгоритм работы исполнительного устройства.

На фиг. 4 представлен график показывающий зависимость между относительным удлинением активного элемента, температурой и количеством импульсов (длительность импульса 50 мкс).

На фиг. 5 представлен график, показывающий динамку относительного удлинения при длительность импульса 0,5 мс, при этом большая относительная деформация обусловленная подтягиванием новых участков активного элемента в область действия сдвоенной катушки.

На фиг. 6 представлена схема механического соединения исполнительного элемента с активными элементами и их ограничителями, где L исходная длинна активного элемента.

Устройство позиционирования исполнительного элемента содержит систему управления 1, многоканальный управляемый импульсный источник тока 2, датчик определения положения исполнительного элемента 3, датчик температуры активных элементов 15, магнитную подсистему 16, состоящую из совокупности сдвоенных катушек 6-11 (не менее двух сдвоенных катушек для каждого активного элемента), первого активного элемента 4 и второго активного элемента 5, также устройство позиционирования исполнительного элемента содержит ограничитель для первого активного элемента 13, ограничитель для второго активного элемента 14, исполнительный элемент 12.

Система управления 1 предназначена для сбора информации со всех датчиков и формирования управляющих сигналов для управляемого многоканального импульсного источника тока 2, может быть создана, например, на основе микроконтроллера, микропроцессора или промышленного компьютера.

Проведенный поиск среди средств того же назначения, что и заявляемое, не выявил тождественных технических решений в отношении всей совокупности существенных признаков предполагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».

Анализ уровня техники позволил установить, что присущие предлагаемому изобретению отличительные признаки такие, как наличие, по крайней мере, двух сдвоенных катушек в магнитной подсистеме 16 исполнительного устройства для каждого активного элемента 4, 5, возможность индивидуального управления сдвоенными катушками магнитной подсистемы 16, посредствам использования многоканального управляемого импульсного источника тока 2 и учет влияния температуры, с помощью датчика температуры активных элементов 15, на свойства активного элемента (4, 5), при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое исполнительное устройство для прецизионного позиционирования исполнительного элемента выше указанные блоки проявляют новые свойства, заключающиеся в уменьшение времени отклика магнитной подсистемы, что обеспечивает увеличение скорости позиционирования исполнительного элемента, т.е. быстродействия устройства позиционирования, повышению разрешающей способности и, как следствие, точности позиционирования, уменьшению габаритных размеров. Это позволяет сделать положительный вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».

Устройство работает следующим образом.

Система управления 1, на основе информации, полученной от датчика температуры активных элементов 15 и датчика определения положения исполнительного элемента 3, формирует управляющие сигналы для многоканального управляемого импульсного источника тока 2, создающего импульсы тока с заданными параметрами в сдвоенных катушках 6-8 распределенной магнитной подсистемы 16, для движения исполнительного элемента 12 в прямом направлении, соответственно, для движения в обратном направлении импульсы тока формируются в сдвоенных катушках 9-11 магнитной подсистемы 16. Импульсное магнитное поле в ограниченном объеме активного элемента инициирует структурный фазовый переход, за счет которого выбранный активный элемент (4 или 5) удлиняется (принимает исходную форму) при этом сжимая (деформируя) противостоящий.

Многоканальный импульсный источник тока 2, может создавать ток одновременно во всех сдвоенных катушках 6-8 или 9-11, или индивидуально в зависимости от требуемой величины перемещения. Для увеличения разрешающей способности используются импульсы тока длительностью до 50 мкс, при этом стоит учитывать влияние температуры активных элементов (фиг. 4). При последовательном удлинении активного элемента (4 или 5) для уже деформированных сегментов формируется синхронные импульсы удерживающего магнитного поля, фиг. 3 поясняет принцип управления формой активного элемента (4 или 5) с помощью магнитной подсистемы. В случае, когда на исполнительный элемент не действует внешняя сила достаточная для упругой деформации активных элементов, его фиксация происходит за счет механического гистерезиса ФМПФ и не требует дополнительных затрат энергии. Исполнительный элемент 12 выполнен из немагнитного материала и может иметь произвольную форму или размеры, при этом активные элементы (4 и 5) установлены таким образом, чтобы удлинение одного из них непременно сжимало противостоящий (фиг. 6), при этом ограничители 13, 14 выполнены из немагнитного материала и используются для опоры активных элементов (4 и 5 соответственно). Датчик определения положения исполнительного элемента 3 определяет его положение с точностью до нанометров и передает эту информацию в систему управления 1 для формирования управляющих сигналов.

Исполнительное устройство для прецизионного позиционирования исполнительного элемента, содержащее систему управления, управляемый источник тока, исполнительный элемент, датчик определения положения исполнительного элемента и магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы, выполненные из ферромагнитного материала с эффектом памяти формы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик температуры активных элементов, а магнитная подсистема выполнена в виде по крайней мере двух сдвоенных катушек для каждого активного элемента, причем управляемый источник тока выполнен многоканальным с возможностью независимого формирования импульсов тока в каждой сдвоенной катушке.

Изобретение относится к манипулятору (1) для динамического позиционирования основы (2), подлежащей обработке, способу термического напыления для нанесения функционального структурированного слоя (20) покрытия на основу (2) и к устройству для его осуществления.

Роботизированная система удаления зубов // 2606271

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к стоматологии хирургической, предназначено для удаления зубов и их корней. Роботизированная система удаления зубов содержит основание, к которому неподвижно крепятся по восемь пар с каждой стороны телескопические гидроцилиндры, к концевым штокам которых неподвижно закреплены кожухи движущих механизмов, к которым неподвижно закреплены шестерни поворота.

Устройство для позиционирования исполнительного органа // 2605059

Изобретение относится к станкостроению, а именно к манипуляторам, предназначенным для использования в прецизионных станках и измерительных машинах. Устройство для позиционирования исполнительного органа 6 внутри рабочей зоны 7 содержит базовую раму 1 и платформу 4 для размещения исполнительного органа 6 с рабочей точкой 8.

Нога шагающего аппарата // 2594316

Изобретение относится к движителям транспортных средств, взаимодействующим с поверхностью дороги, и может применяться на аппаратах, предназначенных для передвижения по пересеченной местности.

Ползающий мобильный робот // 2567944

Изобретение относится к робототехнике и может найти применение в отраслях деятельности, связанных с риском для здоровья или жизни человека, в агрессивных средах, где необходимо применение многофункциональных, дистанционно управляемых робототехнических мобильных устройств.

Микросистемный космический робот-инспектор (варианты) // 2566454

Изобретение относится к области микроробототехники, в которой основными подвижными элементами конструкции являются устройства микросистемной техники, выполненные по технологиям микрообработки кремния.

Универсальный общевойсковой экзоскелет // 2552703

Изобретение относится к области военной робототехники и может быть использовано для пропорционального увеличения усилий при движениях военнослужащего, выполняющего боевую задачу, а также в повседневной жизни для перемещения грузов.

Манипулятор для прецизионного позиционирования // 2547981

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для автоматизации основных и вспомогательных операций, например, в часовой промышленности или в производстве изделий электронной техники.

Робототехническая система // 2535837

Изобретение относится к робототехнике, в частности к манипуляционным системам. Робототехническая система содержит основание, гибкое звено, выполненное в виде набора последовательно расположенных и контактирующих друг с другом сферическими поверхностями дисков, кинематически связанных пропущенным через центральные отверстия дисков центрирующим тросом, натянутым упругим элементом.

Устройство ориентации образца для нанотехнологического комплекса // 2533075

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в автоматизированных транспортных системах передачи и позиционирования образца в вакууме и контролируемой газовой среде.

Способ реабилитации и социализации учащихся с инвалидностью и ограниченными возможностями здоровья в условиях инклюзивного профессионального образования // 2632770

Изобретение относится к области педагогики, в частности к педагогике профессионально-технического образования и среднего специального образования (инклюзивное образование), социальной педагогике, и может быть использовано для реабилитации и социализации молодых инвалидов с сохранным интеллектом и людей с ограниченными возможностями здоровья (ОВЗ). Реабилитация и социализации юношей и девушек с инвалидностью или ОВЗ основаны на роботометоде и включают совместное обучение учащихся с инвалидностью или ОВЗ и их здоровых сверстников рабочим профессиям в условиях инклюзивного профессионального обучения лицея или колледжа. Проводят серию уроков по выбранной рабочей профессии мастером производственного обучения. Причем каждый урок включает постановку целей и задач урока, инструктаж по технике безопасности, объяснение новой темы с демонстрацией учащимся конкретных трудовых операций по выбранной рабочей профессии. Осуществляют проведение оздоровительных пауз, психологическое тестирование и диагностику самочувствия, активности и настроения учащихся во время урока, постоянное ведение диалога с учащимися путем одобрения их действий и указания на недостатки, а также подведение итогов урока и объяснение домашнего задания на следующий урок. Причем в процессе обучения используют реального человекоподобного робота-тьютора или виртуального человекоподобного робота-тьютора в виде 3D-модели, который восполняет умственные и физические недостатки учащихся с инвалидностью или ОВЗ. Способ позволяет освоить инвалидам и учащимся с ОВЗ рабочие профессии, восполнить умственные и физические недостатки учащихся за счет привлечения к обучению реального человекоподобного робота-тьютора или виртуального человекоподобного робота-тьютора в виде 3D-модели. 2 з. п. ф-лы, 2 ил., 3 пр.

Робот промышленный // 2634392

Изобретение относится к области промышленной робототехники и может быть использовано при проектировании роботов с внешними магнитными системами, а также может использоваться для механизации и технологических операций. Робот содержит основание, платформу с рукой и схватом, внешнюю магнитную систему с обмотками, выполненную в виде индуктора с цилиндрическим зазором, при этом на платформе и основании расположены сферические шарниры. Между сферическими шарнирами основания и платформы установлены приводы поступательного перемещения. Приводы поступательного перемещения выполнены в виде подвижного и неподвижного штоков, соединенных сферическими шарнирами соответственно с платформой и основанием, и четырех жестких токопроводящих шин, соединенных между собой с помощью подшипников и гибких токопроводящих элементов. При этом две жесткие токопроводящие шины в месте их перегиба соединены с подвижным штоком, а две другие жесткие токопроводящие шины в месте их перегиба соединены с неподвижным штоком. Изобретение позволяет увеличить зону обслуживания и уменьшить массу робота. 4 ил.

Способ укладки в контейнер брикетов, полученных прессованием размещенных в бочках твердых радиоактивных отходов // 2635144

Изобретение относится к области упаковки твердых радиоактивных отходов (ТРО) с использованием комплекса для упаковки в контейнер брикетов, полученных прессованием бочек с ТРО. Способ включает размещение брикетов на столе-накопителе с помощью манипулятора с системой программного управления, после чего запоминают габариты и положение в пространстве и на столе-накопителе каждого из брикетов, сканируют размеры полости контейнера, определяют из размещенных на столе-накопителе подходящие по размеру брикеты для плотной укладки в контейнер и укладывают брикеты в контейнер в определенном порядке с помощью манипулятора. При этом используют систему технического зрения, связанную с системой программного управления манипулятора и содержащей телекамеру. Перед укладкой брикетов в контейнер дополнительно определяют наклон основания каждого брикета и при укладке брикетов в контейнер обеспечивают ориентирование наклона брикетов в сторону стенки контейнера или предыдущего ряда с опиранием на них. Использование изобретения позволяет повысить скорость укладки и точность позиционирования укладываемых брикетов, что обеспечивает повышение производительности, надежности процесса укладки и плотности укладки спрессованных брикетов ТРО в контейнер. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

С-образная стержневая конструкция, выполненная с возможностью обеспечения компенсации отклонения, и связанный способ // 2640696

Предоставлены С-образная стержневая конструкция, роботизированная система и связанный способ для того, чтобы реагировать на нагрузки, приложенные к С-образной стержневой конструкции во время активации рабочего инструмента, и компенсировать их. С-образная стержневая конструкция содержит множество звеньев и множество штифтов, соединяющих указанные звенья для формирования конфигурации в виде фермы, соединенной штифтами. Конфигурация в виде фермы, соединенной штифтами, чувствительна к нагрузке, передаваемой в ответ на активацию инструмента, таким образом, что каждое звено находится в сжатии или растяжении. С-образная стержневая конструкция также содержит множество гидравлических цилиндров, соединенных со звеньями таким образом, что каждый гидравлический цилиндр проходит параллельно соответствующему звену. Первый гидравлический цилиндр работает в режиме сжатия в ответ на деформацию, связанную с активацией инструмента. Второй гидравлический цилиндр работает в режиме растяжения в ответ на работу первого гидравлического цилиндра в режиме сжатия. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Бионический экзоскелет // 2645804

Изобретение относится к области робототехники, а именно к устройствам, обеспечивающим увеличение грузоподъемности, а также скорости и силы движений оператора, и может быть использовано для военных, медицинских и гражданских целей. Экзоскелет содержит каркас, расположенные в нем нити интерметаллида с памятью формы с прямой первоначальной формой и с г-образной первоначальной формой и генератор электрического тока, соединенный с данными нитями. В качестве генератора электрического тока он содержит преобразователи механического движения в электрический ток, выполненные в виде неподвижного электрода, расположенного со стороны внешней поверхности каркаса экзоскелета, и подвижного электрода, рабочие поверхности электродов обращены друг к другу и выполнены из материалов, имеющих различную электронную проводимость, нити интерметаллида с памятью формы размещены в гибкой теплоэлектроизолирующей оболочке. Изобретение обеспечивает повышение точности повторения движений, возможность настраиваться под анатомию и двигательную особенность конкретного оператора, исключение источника питания и микрокомпьютера из конструкции экзоскелета. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.