Интерфейс управления РТК человеком-оператором на базе кистевого экзоскелета
Развитие систем управления в роботостроении. Создание кистевого экзоскелета для управления антропоморфным схватом, повторяющим человеческую кисть. Этапы проектирования конструкции экзоскелета в программном пакете Blender, разработка печатной платы.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.01.2021 |
| Размер файла | 4,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.Allbest.Ru/
Размещено на http://www.Allbest.Ru/
Размещено на http://www.Allbest.Ru/
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Факультет «Специальное машиностроение»
Интерфейс управления РТК человеком-оператором на базе кистевого экзоскелета
Килов А.А. студент 4 курса
Россия, г. Москва
Аннотация
Данная статья посвящена разработке кистевого экзоскелета для управления антропоморфным схватом, работа содержит этапы проектирование конструкции экзоскелета и разработки печатной платы системы управления.
Ключевые слова: робототехника, антропоморфный схват, энкодер, кистевой экзоскелет, силовая обратная связь.
Annotation
This article is devoted to the development of carpal exoskeleton to control the anthropomorphic gripper, the work contains the stages of designing the design of the exoskeleton and the development of the printed circuit board of the control system.
Key words: robotics, anthropomorphic gripper, encoder, wrist exoskeleton, force feedback.
Одно из ключевых мест в роботостроении занимают системы управления. Развитие электроприводов и вычислительной техники позволило создать устройства, довольно точно повторяющие анатомию и кинематику человеческого тела. Одним из таких является кистевой антропоморфный схват - устройство повторяющее человеческую кисть. Наиболее целесообразной системой управления такими схватами является метод бионического копирования. Сутью метода является точное копирование движений человека, в нашем случае движений кисти. Это довольно удобно, так как человек - оператор может находиться на достаточно большом расстоянии от зоны выполнения работ, где ему может угрожать опасность от самых низких уровней (световое и шумовое воздействие), до смертельных (радиация, биологической заражение и т.д.). Также удобным фактором является то, что задачи можно выполнять с масштабированием (например, сантиметровое смещение руки оператора эквивалентно пятисантиметровому смещению манипулятора). Самой распространенной конструкцией для данного метода управления являются экзоскелеты, которые одеваются на кисть. Помимо этого, экзоскелет может быть снабжен силовой обратной связью, добавляя тактильные ощущения, что в свою очередь существенно повысит точность работ.
В настоящее время существует множество подобных проектов, как любительских, так и коммерческих. Одним из таких являются перчатки Haptix Glove от компании HaptiX, основанные на микропневматике. Несмотря на широкий спектр возможностей данного устройства у него имеется один существенный недостаток - габариты и вес. Перчатки довольно громоздки, что снижает ловкость кисти и имеют большой вес, из-за чего невозможно длительное использование устройства [1]. Другим примером являются перчатки Cobra Glove компании Synertial. Для отслеживания движений пальцев и кисти они используют акселерометры. Перчатки являются легкими и удобными, однако не имеют силовой обратной связи, что добавило бы тактильное ощущение и повысило точность работ [2].
На рис. 1 представлена функциональная схема разрабатываемого устройства. Для отслеживания движений пальцев используются энкодеры. В качестве объекта управления выбран виртуальный антропоморфный схват, спроектированный в программе для 3д моделирования. Данные полученные с энкодеров передаются объекту управления. Далее от объекта управления поступают данные о его взаимодействии с предметом. На основе этих данных формируется сигнал управления приводом, который посредством троса создает сопротивление движению пальца тем самым реализуя силовую обратную связь. Для регулирования привода используется датчик силы нажатия, расположенный на кончике пальца.
Рис. 1 Функциональна схема кистевого экзоскелета
Исходя из обзора аналогов, главной сложностью, связанной с разработкой кистевого экзоскелета с силовой обратной связью, является следующее:
• размер и вес - достаточно маленьким чтобы поместиться на кисти и легким настолько на сколько возможно для портативности;
• гибкость механизма - обеспечить достаточную ловкость кисти без стеснения ее движений;
• адаптивность - универсальный, для использования как в при чувствительных работах, так и при больших нагрузках.
Рис. 2 Общий вид конструкции
роботостроение экзоскелет антропоморфный схват
Поскольку в качестве датчика положения используется энкодер на основе эффекта «Холла», то необходимо разместить над датчиком магнит с диаметральной намагниченностью. В связи с этим на конструкцию накладываются определенные требования. В соответствии требованиями к конструкции, а также из соображений простоты ее изготовления, была предложена следующая конструкция, представленная на рис. 2.
Чтобы облегчить и упростить конструкцию перчатки, движения фаланг пальцев объединены с помощью одного привода. Привод состоит из двигателя и редуктора. Трос закреплен на выходном валу привода и проложен вдоль экзоскелета до кончика пальца. Передача движения осуществляется с помощью троса, поскольку такой способ передачи может обеспечить достаточное усилие на сложном пути и позволит расположить привод на расстоянии от пальца, чтобы не стеснять его движения. К тому же трос является компактным, легким и простым для передачи движения. Силовая обратная связь действует только в одном направлении, при сгибании пальцев. При вращении привода трос натягивается, тем самым создавая нагрузку на палец. При обратном движении привод следует за движениями пальца.
Данная конструкция состоит из четырех основных частей, которые соединяются между собой посредством подшипника. Во внутреннем диаметре подшипника располагается магнит, а непосредственно под ним плата с энкодером (рис. 3). Такая конструкция является легко реализуемой, а также удовлетворяет всем требованиям.
Рис. 3. Конструкция узла соединения
Кинематику механизма можно рассмотреть на упрощенной схеме, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Кинематическая схема конструкции
Стоит заметить, что и конец механизма, и кончик пальца соединены вместе, поэтому они принимаются как 1 звено. В общей сложности имеем 6 звеньев (1 основание, 3 звена пальца, 2 звена механизма), свободные звенья могут вращаться друг относительно друга. В соответствии с формулой Граблера [3] количество степеней свободы конструкции будет:
где:
F - число степеней свободы системы; п - количество звеньев;
Д - количество кинематических пар с 1 степенью свободы;
2 - количество кинематических пар с 2 степенями свободы; в нашем случае п = 6,= 6, [2 = 0.
Из рис. 4 могут быть получены следующие выражения:
где:
Bt-гBt - длина i-го звена механизма;
А--±At - длина i-го звена пальца;
O-i - угол i-го сустава механизма;
После решения уравнений (2) - (4) получим:
где:
Уравнения (5)-(7) показывают, что если известны углы а1, а2, а3, то можно точно посчитать положение пальца.
На основе созданной конструкции была распечатана на 3д принтере и собрана модель, которая показана на рис. 5
Рис. 5 Собранная модель
В ходе работы была сформирована принципиальная электрическая схема. На основе принципиальной схемы спроектирована плата. Минимизация габаритов платы была достигнута за счет плотного расположения элементов. Проектирование печатной платы осуществлялось с помощью программного пакета Altium Designer 17.1 (рис. 6).
Рис. 6 Плата управления
В ходе работы была спроектирована конструкция кистевого экзоскелета с силовой обратной связью, а также разработана плата управления. На 3д принтере были распечатаны и собраны детали конструкции. В качестве объекта управления был использован виртуального прототипа антропоморфного схвата, созданная в программном пакете Blender и экспортированная в среду Unity, где и проводилось моделирование. Результаты полученные в ходе испытания собранного макета мало отличались от прогнозируемых, тем самым подтверждая работоспособность спроектированной конструкции.
Использованные источники
1. Ben Lang, Hands-on: HaptX Glove Delivers Impressively Detailed Micropneumatic Haptics, Force Feedback [Электронный ресурс]. 2017. 20 Ноября.
2. Synertial, Sensors Motion Capture Gloves [Электронный ресурс]
3. Yi Zhang, Stephannie Behrens, “Basic Kinematics of Constrained Rigid Bodies”.
Размещено на allbest.ru
...Подобные документы
Основные направления развития медицинской мехатроники. Кистевое реабилитационное устройство: обзор существующих конструкций. Разработка конструкции модели реабилитационной системы для восстановления двигательных функций кистевого сустава человека.
дипломная работа [4,0 M], добавлен 22.05.2014Разработка конструкции и технического процесса изготовления печатной платы. Условия эксплуатации электронной аппаратуры. Выбор типа конструкции и определение габаритных размеров печатной платы. Расчет диаметра монтажных отверстий и контактных площадок.
курсовая работа [953,4 K], добавлен 05.05.2012Разработка электрической принципиальной схемы устройства управления. Обоснование его конструкции. Способ изготовления печатной платы. Расчет размерных и электрических параметров проводников. Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 12.11.2013Технические характеристики, описание конструкции и принцип действия (по схеме электрической принципиальной). Выбор элементной базы. Расчёт печатной платы, обоснование ее компоновки и трассировки. Технология сборки и монтажа устройства. Расчет надежности.
курсовая работа [56,7 K], добавлен 07.06.2010Конструирование цифрового автомата-регулятора угла опережения зажигания: разработка библиотеки символов и посадочных мест в системе P-CAD 2002, выбор конструкции модуля и печатной платы, создание сборочного чертежа устройства и карты спецификации.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.06.2011Работа системы инфракрасного дистанционного управления. Параметры и характеристики 6-ти канального регулятора громкости. Выбор технологии разработки печатной платы. Расчет расходов на стадии производства устройства управления акустической системой 5.1.
дипломная работа [3,6 M], добавлен 01.02.2013Составление топологии печатной платы, а также разводка токоведущих дорожек в САПР P-CAD. Специфика выбора элементной базы, транзисторов и диодов синтезатора. Разработка конструкции, подбор материалов. Расчет объемно-компоновочных характеристик устройства.
курсовая работа [1007,7 K], добавлен 12.11.2009Разработка печатной платы для схемы РЭА в программе DipTrace. Расчет основных показателей надежности (безотказности) схемы: интенсивности отказов, наработки на отказ и вероятности безотказной работы РЭА за 1000 часов. Система проектирования печатных плат.
контрольная работа [524,4 K], добавлен 04.12.2009Аналитический обзор средств отображения информации. Назначение, функции и описание структурной схемы многофункционального цветного индикатора. Проектирование печатной платы и конструкции модуля графического. Расчет вибропрочности и надежности платы.
дипломная работа [893,8 K], добавлен 24.09.2012Процесс автоматизированного проектирования в системе P-CAD для проектирования печатной платы усилителя мощности. Упаковка схемы на плату. Процедура автоматической трассировки печатной платы. Текстовое описание схемы электрической принципиальной.
курсовая работа [935,9 K], добавлен 18.01.2014Исследование материалов, используемых при изготовлении печатной платы. Выбор типа и класса точности печатной платы. Электрическая схема прерывателя для подключения обычного светодиода. Создание посадочного места резистора. Вывод на печать чертежей платы.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 21.02.2013Разработка технического задания. Описание схемы электрической принципиальной. Разработка конструкции прибора. Обоснование выбора элементной базы и материалов конструкции. Расчет конструкции печатной платы. Расчет надежности, вибропрочности платы.
дипломная работа [759,9 K], добавлен 09.03.2006Разработка печатной платы коммутатора нагрузки на оптоэлектронном реле. Выбор метода изготовления печатной платы. Расчет элементов проводящего рисунка печатной платы, температуры в центре нагретой зоны печатной платы и ее расчет на вибропрочность.
курсовая работа [880,5 K], добавлен 31.05.2023Исходные данные, общая структура и основные этапы проектирования системы технического зрения. Рассмотрение функций и его реализация на базе однокристального микропроцессора КР1810. Разработка аппаратных средств и расчет времени работы программы.
реферат [476,0 K], добавлен 28.03.2011Cущность методики схемотехнического проектирования триггеров, этапы абстрактного и структурного синтеза. Характеристическая таблица функций возбуждения RS-триггера, проектирование печатной платы. Система P-CAD и условно-графическое обозначение элементов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 22.12.2009Разработка блока управления, позволяющего включить блок питания Bertan 210-30 в систему управления установкой. Выбор микроконвертера AduC, интерфейса RS-232 и протокола Modbus. Программное обеспечение. Функции программы. Создание библиотеки Modbus slave.
контрольная работа [443,3 K], добавлен 25.01.2013Создание централизованной системы управления технологическим сегментом на участке Барановск-Хасан. Проект управления первичной сетью связи, построенной на базе аппаратуры Обь 128Ц, объединение РМ в единую вычислительную сеть ОАО "РЖД"; расчет затрат.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 08.03.2011Анализ основных технических требований. Выбор и обоснование элементной базы, материалов конструкции, компоновочной схемы, метода и принципа конструирования. Разработка модуля управления климатом на базе микроконтроллера. Стандартная структура сети.
отчет по практике [1,1 M], добавлен 28.04.2015Разработка конструкции и технологии изготовления устройства, предназначенного для автоматического сброса корма для рыб в аквариум. Сборочный чертеж печатного узла блока управления температурой аквариума, рабочий чертеж печатной платы детали.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 27.04.2013Последовательный связной интерфейс, скорость передачи данных. Интерфейс и его сигналы. Программная эмуляция SCI. Оборудование, особенности микросхемы. Структурная схема контроллера управления последовательным портом. Описание программного обеспечения.
курсовая работа [670,7 K], добавлен 23.06.2012
