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.
|