Поиск:  
  
Мастерская
Фотогалерея
Поставщики
Книжная полка
Доска объявлений
Форумы
Контакты

  






Логин:

Пароль:



  ***

30.06.2005 - Правая рука компании Shadow


РобоКлуб/Проекты/Разные/30.06.2005 - Правая рука компании Shadow



Правая рука компании Shadow

Описание роботизированной руки, разработанной компанией Shadow.

Техническое описание.

1 Обзор.

Рисунок 1. Правая рука от компании Shadow.

Правая рука компании Shadow (ПРТ) – это продвинутый робот в виде человеческой руки, который максимально точно воспроизводит движение настоящей руки по всем 25 степеням свободы. Силовые характеристики и точность движений робота также соответствуют человеческой руке. Все характерные размеры робота были измерены у членов исследовательской группы.

ПРТ – это самостоятельная система. В области предплечья находятся мышцы и клапанная коробка. ПРТ включает все необходимые системы управления (программное обеспечение удовлетворяет лицензии GNU GPL) и документацию, достаточную для обучения и исследования.

2 Механические характеристики.

2.1 Габаритные размеры.

Основные размеры руки были сделаны такими, чтобы как можно более точно соответствовать средней человеческой руке. Длина предплечья сравнима с длиной человеческой руки, хотя у основания она расширяется до 140 мм.

2.2. Вес.

Длина пальца
от кончика пальца до середины первого сустава

98 мм

Длина большого пальца

105 мм

Длина ладони
от середины первого сустава пальцев до оси запястья

90 мм

Ширина ладони

85 мм

Толщина ладони

24 мм

Предплечье
от основания до оси запястья

450 мм

Рука, сенсоры, мускулы и клапанная коробка вместе весят 3,5 кг. Центр масс системы находится примерно в 160 мм от основания.

2.3. Скорость.

Существуют незначительные отличия в скорости движения механической руки от настоящей. Различные методы управления движением приводят к разной максимальной скорости, тем не менее, в среднем движения примерно в два раза медленнее, чем у человеческой руки. Например, чтобы разжать кулак и полностью распрямиться механической руке требуется примерно 1,2 с.

2.4 Материал.

Вся система – это комбинация металла и пластика.

  • Кость предплечья: Сталь
  • Ладонь: ацетил, алюминий и плоть из полиуретановая.
  • Пальцы: Ацетил, алюминий, поликарбонатные ногти и плоть из полиуретана.
  • Основание: Ацетил, резина, латунь

2.5 Сила.

Система достаточно эластичная, и, поэтому, приведены только приблизительные данные действующих моментов сил. Тем не менее, как видно на рисунке 1 на странице 2, рука способна удерживать себя на весу.

  • Запястье: 1,5 Н∙м.
  • Периферические суставы: 0,5 Н∙м (пальцы, в том числе большой)
  • Ближайшие суставы: 1,0 Н∙м (пальцы, в том числе большой)

3 Управление и приводы.

3.1 Потребляемая мощность.

В ПРТ используется пневматическая система мышц, таким образом ей требуется как источник электропитания, так и компрессор для сжатия воздуха.

  • CAN – шина: 1А@ 8 В.
  • Мускулы: не больше 2А@ 28 В
  • Сжатый воздух (фильтрованный, безмасляный) @ 3,5 бар.(Потребление: у каждого мускула объем примерно 0,01 литра, всей руке требуется не больше 18 литров в минуту).

3.2 Приводы.

Рука управляется 36 пневматическими мускулами, расположенными на предплечье. Такая конструкция обеспечивает гладкость движений. Как и у нормальной, веками эволюционировавшей, человеческой руки, мускулы прикрепляются сухожилиями к суставам. Пневматические клапаны каждого мускула и давление в них, определяемое с помощью соответствующих датчиков контролируются встроенной в основании руки электроникой.

Используются три режима работы приводов руки. Противостоящая пара мускулов управляет движением большинства суставов и обеспечивает гладкость движения. Отдельный мускул с возвращающей пружиной управляет сжиманием и разжиманием пальцев. Средняя и концевая фаланги управляются совмещенным приводом, что имитирует поведение человеческих пальцев.

4 Связь.

4.1. Шины.

Система руки представляет собой шину локальной сети контроллеров для взаимодействия с внешним миром. Все данные сенсоров, рабочие точки и установленные параметры контроллеров доступны по этой шине. Для связи используется простой протокол. (Более подробная информация содержится в руководстве по эксплуатации системы.)

Между отдельными компонентами связь осуществляется по протоколу последовательного периферийного интерфейса.

4.2 Конфигурация.

Протокол шины CAN позволяет осуществлять следующие операции для настройки системы:

  • отключить и включить компоненты робота,
  • установить скорость передачи данных сенсором,
  • отключить и включить отдельные PID контроллеры управления клапанами,
  • изменить датчик и управляемый элемент PID контроллера, а также его значения усиления,
  • изменить используемые компонентами адреса в CAN
  • установить состояние компонентов в начальное.

Доступ ко всем этим функциям осуществляется от внешнего компьютера.

5 Датчики

5.1. Расположение

Система из патентованных датчиков, работающих на эффекте Холла с разрешением 0,2 градуса определяет угол поворота каждого сустава. Эти данные измеряются локальными аналого-цифровыми преобразователями с разрешением 1 бит и передаются на шину CAN. Скорость оцифровки – около 180 Гц.

Данные четырех сенсоров совмещаются в сообщение для CAN:

ID сообщения

Байт
0

 

1

2

3

4

5

6

7

База узла +N

L0

H0

L1

h2

L2

h3

L3

H3

 

Датчик N =
H0∙256+L0

Датчик N+1 =
h2∙256+L1

Датчик N+2 =
h3∙256+L2

Датчик N+3 =
H3∙256+L3

5.2 Тактильное восприятие (по заказу)

Рисунок 2. Расположение чувствительных элементов на кончике пальца.

Тактильные датчики могут быть установлены на кончиках пальцев и на внутренних подушечках. Новейшая технология композитных материалов с квантово-механическим туннелированием ("Quantum tunneling composite") позволила расположить на кончике пальца 34 отдельных тактильных датчика, которые обеспечивают чувствительность касания сравнимую с человеческой.

Каждый тактильный элемент на кончике пальца занимает область диаметром примерно 3,3мм. Минимальная чувствительность этого элемента соответствует нагрузке 3г., а при ее увеличении отклик линейно возрастает до 200 г., при этом разрешение составляет 10 бит.

Два чувствительных элемента с большой площадью расположены на средней и ближней фалангах всех пальцев кроме большого. Все тактильные данные оцифровываются и передаются на шину CAN с частотой 65Гц.

6 десятибитных значений совмещаются вместе и образуют сообщение для CAN длиной 8 байт. Старшие 8 бит каждого из этих значений составляют первые 6 байт сообщения соответственно. Еще в 2 байта (D6 и D7) последовательно записываются  оставшиеся 2 низших бита каждого сообщения, при этом биты, соответствующие сенсорам с меньшим номерам располагаются в младших разрядах.

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

датчик0

98765432

--------

--------

--------

--------

--------

------10

--------

датчик1

--------

98765432

--------

--------

--------

--------

----10--

--------

датчик2

--------

--------

98765432

--------

--------

--------

--10----

--------

датчик3

--------

--------

--------

98765432

--------

--------

10------

--------

датчик4

--------

--------

--------

--------

98765432

--------

--------

------10

датчик5

--------

--------

--------

--------

--------

98765432

--------

----10--

Заметим, что биты с 7 по 4-й байта D7 остаются пустыми.

Механизм чувствования у дальней фаланги большого пальца аналогичен остальным пальцам. На средней фаланге чувствительных элементов нет, потому что место занято механикой дополнительного сустава, который есть только у большого пальца.

5.3 Давление

Давление в каждом мускуле определяется твердотельным датчиком давления, который расположен прямо на клапанной коробке. Оно измеряется с разрешением 12 бит в диапазоне 0-4 бар. Данные 4 сенсоров составляют сообщение ля CAN:

ID сообщения

Байт
0

1

2

3

4

5

6

7

База узла +N

L0

H0

L1

h2

L2

h3

L3

H3

 

Датчик N =
H0∙256+L0

Датчик N+1 =
h2∙256+L1

Датчик N+2 =
h3∙256+L2

Датчик N+3 =
H3∙256+L3

Данные датчиков давления выровнены по правому краю, и поэтому не нормированные значения изменяются от 0 до 4095.

6 Кинематика

6.1. Структура кинематики

Сустав

Связывает

Угол поворота

Мускул

Указательный, средний, безымянный пальцы

1

дальнюю-среднюю

0 – +90

связанная пара

2

среднюю-ближнюю

0 – +90

3

ближнюю-костяшка

-15 – +90

пара

4

костяшка-ладонь

-15 – +15

отдельный с пружиной

Мизинец

1

дальнюю-среднюю

0 – +90

связанная пара

2

среднюю-ближнюю

0 – +90

3

ближнюю-костяшка

-15 – +90

пара

4

костяшка-пястная кость

-15 – +15

отдельный с пружиной

5

пястная кость- ладонь

-5 – +45

пара

Большой палец

1

дальнюю-среднюю

0 – +90

пара

2

среднюю-ближнюю

0 – +90

пара

3

ближнюю-костяшка

-15 – +90

пара

4

костяшка-пястная кость

-15 – +15

пара

5

пястная кость- ладонь

-5 – +45

пара

Запястье

1

ладонь-запястье

-80 – +60

пара

2

запястье-предплечье

-10 – +45

пара

У большого пальца 5 степеней свободы и 5 суставов
У остальных пальцев по 3 степени свободы и по 4 сустава.
Движение двух дальних фаланг пальцев не независимы, как и у человека: угол сгиба сустава средней фаланги всегда не меньше чем угол сгиба сустава дальней фаланги. Таким образом, средняя фаланга может гнуться, в то время как дальняя фаланга остается прямой.
У мизинца есть дополнительный подвижный сустав, которым он крепится к ладони.

6.2. Кинематическая структура

Схема двигательных элементов руки

7 Обзор системы

7.1 Электроника.

  • Шина: Интерфейс шины локальной сети контроллеров к встроенной электронике.
  • Датчики ладони: поддерживают до 64 входных аналоговых сигналов разрешением 12 бит (27 из них используются для датчиков расположения суставов).
  • Мускулы: приводы, управляющие мускулами, расположены в основании предплечья и реализуют такие функции, как: независимое определение давление в каждом мускуле, временное и PID управление.

7.2 Встроенное управление

Плата клапанов основана на PID контроллерах, которые используют данные CAN для определения состояния датчиков и установки рабочих точек. Эти контроллеры можно настраивать через интерфейс CAN с помощью соответствующих программ. Необходимые скрипты и графические примеры входят в комплект поставки.

7.3 Внешнее управление

Предоставляется стандартный х86 – компьютер (VIA Mini-ITX)  под управлением Debian GNU/Linux с системой реального времени RTAI и программным обеспечением Shadow с лицензией GPL для управления роботом. Этот набор может быть использован для начальной установки и работы, а также в качестве образца для ваших собственных управляющих систем. Компьютер комплектуется интерфейсом CAN.

Программное обеспечение этого компьютера управляет калибровкой и масштабированием датчиков, согласованием имен датчиков и соответствующего оборудования, и позволяет легко получить доступ к всем компонентам робота с помощью кода C, скриптов оболочек, или графической оболочки.

7.4 Микроконтроллеры

Во всех системах встроенного управления используются микроконтроллеры PIC18F458. Аппаратно-программное обеспечение предоставляется в виде готового к компиляции кода на базовом компьютере. Все микроконтроллеры соединены с шиной CAN.

7.5 Управление клапанами.

Каждый из четырех модулей управления клапанами контроллирует

  • группу клапанов с разрешением в 0,25 мс.
  • до 20 настраиваемых PID контроллеров (по одному на клапан)

7.6 Сенсорный модуль руки

  • Предназначен для считывания данных датчиков суставов и тактильных из встроенных АЦП.

Другие датчики могут быть добавлены в этот модуль по дополнительному заказу, если это позволяется конструкцией.

7.7 Открытая платформа.

  • Все исходные коды микроконтроллеров и электронные схемы системы доступны на управляющем компьютере.
  • Полная документация по коду реализации реального времени предоставляется при обращении в службу поддержки компании Shadow по электронной почте.
  • Пространственные модели (VRML) и кинематические данные предоставляются для использования в пакетах трехмерного моделирования. (Системы моделирвоания открытого типа, например, GraspIT. При необходимости возможна интеграция в Player/Stage.)
  • Программное обеспечение может быть легко адаптировано к другим системам с использованием наработанных инструментов и моделей.


 


gale
Shadow

Комментарии

Добавить комментарий
puss
Так мускулы же тянут :)

ZERAM [email protected]
я чёто непонял! что конкретно. или с помощью чего происходит сгибание - срабатываение одного из сустава.?????