МАНИПУЛЯТОР АНТРОПОМОРФНОГО РОБОТА

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована в конструкциях манипуляторов программируемых роботов различного назначения.
Известен антропоморфный манипулятор, состоящий из трех звеньев: плеча, предплечья и кистевого звена со схватом. Приводы манипулятора обеспечивают поворот звеньев относительно друг друга и вращение кистевого звена относительно продольной оси манипулятора. [Авторское свидетельство №1646850, МПК В25J 11/00, 1989 г.].
Однако известное устройство может быть применено только для выполнения узкого круга задач: работа с объектом определенной формы и заданным весом, т.к. конструкция кисти со схватом не может удерживать объекты криволинейной формы.
Известен манипулятор, принятый за прототип, кисть которого формой подобна кисти руки человека, заключена в эластичную оболочку и содержит пять пальцев, состоящих из фаланг, имеющих возможность свободного поворота относительно друг друга, ладонь, выполненную в виде трех платформ, шарнирно соединенных друг с другом. Манипулятор также содержит механизм сгибания, включающий 4 привода, закрепленных на ладони и соединенных тягами с фалангами пальцев. Разгибание кисти осуществляется за счет возвратных разжимающих пружинок. Для фиксации контакта кисти с охватываемым объектом на верхних фалангах всех пальцев и на ладони установлены датчики усилия сжатия, выполненные в виде двух микропереключателей. [Патент РФ №60891, МПК B25J 15/00, 2006 г.]
Однако известный манипулятор не может быть одновременно достаточно мощным, быстрым и легким из-за ограничения предельных характеристик существующих на сегодня электродвигателей и не может быть достаточно адаптивным при захвате предметов различной формы и веса.
При создании полезной модели решалась задача расширения функциональных возможностей захвата манипулятором объектов разной формы в широком диапазоне весов, а также возможность эксплуатации робота без непосредственного управления человеком.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, содержащем кисть, заключенную в оболочку и состоящую из пяти пальцев с фалангами и ладони, механизм сгибания, включающий приводы и тяги, соединенные с фалангами пальцев, и датчики усилия сжатия, согласно полезной модели манипулятор дополнительно содержит механизм лучеобразного разведения четырех пальцев, состоящий из привода, посредством тяги соединенного с ведущим зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с набором зубчатых колес, шарнирно закрепленных на фалангах четырех пальцев, причем приводы механизма сгибания и механизма лучеобразного разведения пальцев размещены вне кисти, а каждая тяга выполнена в виде геометрически замкнутой фигуры, изоморфной кольцу, на ладони размещены акселерометр и предварительно обученный микроконтроллер, соединенный связями с угловыми энкодерами, установленными на фалангах пальцев, с датчиками усилия сжатия, размещенными с внутренней стороны кисти, с тактильными датчиками, размещенными в оболочке типа «искусственная кожа», с акселерометром и с приводами механизма сгибания и разгибания пальцев и механизма лучеобразного разведения пальцев.
Размещение приводов за пределами кисти позволяет применить двигатели больших габаритных размеров и мощностей, имеющих большую скорость вращения вала. Соответствующее уменьшение веса кисти позволяет уменьшить опрокидывающий момент, действующий на корпус антропоморфного робота, и увеличить его устойчивость. Это позволяет использовать данное конструктивное решение в роботах «телеприсутствия», передвигающихся на колесных шасси, более быстрых в перемещении, но менее устойчивых, чем шагающие механизмы. Управление каждой фаланги отдельным приводом позволяет им сгибаться и разгибаться независимо друг от друга, что придает конструкции высокую вариабельность в охватывании объектов произвольных геометрических форм.
Введение предварительно обученного микроконтроллера позволяет использовать робот с таким манипулятором без непосредственного управления человеком.
Введение механизма лучеобразного разведения четырех пальцев также позволяет увеличить степень свободы перемещения пальцев кисти в плоскости ладони, те. сведение и разведение пальцев.
Введение угловых энкодеров позволяет фиксировать величины углов сгиба этих элементов конструкции кисти. Применение эластичной оболочки типа «искусственная кожа», имеющей слой тактильных датчиков, позволяет точно фиксировать те моменты и точки касания, когда кисть манипулятора охватывает объект.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид манипулятора; на фиг.2 - механизм сгибания-разгибания пальцев (вид сбоку); на фиг.3 - механизм лучеобразного разведения пальцев (вид сверху); на фиг.4 - схема управления манипулятора.
Манипулятор содержит кисть 1, состоящую из пяти пальцев, каждый из которых содержит три фаланги 2, и ладони 3, механизм сгибания и разгибания всех пальцев и механизм лучеобразного разведения четырех пальцев. Каждая фаланга 2 выполнена в виде П-образных профилей. Смежные фаланги 2 шарнирно соединены между собой посредством осей 4, проходящих через валики 5, жестко соединенные с профилем фаланги. Пятый (большой) палец размещен перпендикулярно остальным четырем пальцам и закреплен на ладони 3 на кронштейне 6. Механизм сгибания-разгибания всех пальцев содержит пятнадцать приводов, например, мотор-редукторов 7, размещенных вне кисти, например, в предплечье 8. Вал каждого мотора 7 жестко соединен с винтом 9 винтовой передачи, т.к. не допускается изменение угла при передаче вращения за счет изгибания. К гайке 10, навинченной на винт 9, прикреплена тяга 11, геометрически представляющая собой замкнутую фигуру, изоморфную кольцу, надетая с одной стороны на ролик 12, а с другой - закреплена на валике 5 на каждой фаланге 2. Механизм лучеобразного разведения пальцев содержит двигатель 13, установленный вне кисти, например, в предплечье 8 и посредством тяги 14 соединенный с ведущим зубчатым колесом 15. В зацеплении с ведущим зубчатым колесом 15 находится сегмент зубчатого колеса 16, находящийся на одном валу с главным зубчатым колесом 17, установленным, например, на оси шарнира 18 среднего пальца. Зубчатое колесо 19, установленное на оси шарнира безымянного пальца, входит в зацепление с главным зубчатым колесом 17, а зубчатые колеса 20,21, установленные на осях шарниров указательного пальца и мизинца, входят в зацепление с сателлитными шестернями 22. Для отслеживания углов положения фаланг пальцев в каждое сочленение фаланг и в механизм лучеобразного разведения пальцев встроены энкодеры угла поворота 23. В каждой фаланге с внутренней стороны пальцев установлены датчики усилия сжатия 24, например, тензодатчики. Кисть 1 может быть помещена в оболочку типа «искусственная кожа» 26, в которой расположены тактильные датчики. На ладони 3 размещены акселерометр 27, позволяющий определять ориентацию кисти 1 в поле тяжести Земли, и предварительно обученный микроконтроллер 25, соединенный связями с приводами 7 и 13, с энкодерами угла поворота 23, с тензодатчиками 24, размещенными на фалангах пальцев с внутренней стороны кисти 1, с тактильными датчиками в «искусственной коже» 26 и с акселерометром 27.
Кисть работает следующим образом.
Перед началом эксплуатации манипулятор робота проходит режим обучения. Оператор (человек) производит манипулятором робота многочисленные манипуляции с предметами различной формы и веса в режиме «копирующего манипулирования» с помощью дополнительных устройств - «костюма управления», «перчатки управления». С помощью определенных информационных технологий (нейронные сети, нечеткие системы) все манипуляции фиксируются в памяти микроконтроллера 25 на основе совокупности временных рядов показаний тактильных датчиков «искусственной кожи» 26, тензо-датчиков 24, показаний энкодеров 23 всех суставов всех фаланг и энкодеров, фиксирующих лучевое раздвижение пальцев, а также ориентации кисти относительно горизонта, фиксируемое акселерометром 27. После завершения этапа обучения на значительной по объему и разнообразию выборке предметов, в ходе самостоятельной эксплуатации микроконтроллер 25 на основе поступающих данных управляет работой приводов 7, 13, выдавая правильные последовательности параметров управления, приводящие к адаптивному захвату и манипуляцией предметами, подобно тому, как это происходило под управлением оператора.
В исходном положении фаланги пальцев 2 распрямлены (см. фиг.1). При подаче команды на захват объекта от системы управления (не показана) от микроконтроллера 25 поступает сигнал на включение всех приводов 7 в механизме сгибания и разгибания всех пальцев и на включение привода 13 в механизме лучеобразного разведения пальцев. В механизме сгибания и разгибания всех пальцев при вращении винтов 9 навинченные на них гайки 10 перемещаются, при этом натягиваются тяги 11, усилие передается на валики 5 и происходит поворот фаланг 2 относительно друг друга на определенный угол. В механизме лучеобразного разведения четырех пальцев усилие от двигателя 13 посредством тяги 14 передается на ведущее зубчатое колесо 15. Ведущее колесо 15, вращаясь, приводит во вращение сегмент зубчатого колеса 16 и расположенное на одном с ним валу 18 главное зубчатое колесо 17, передающее вращение зубчатому колесу 19 и сателлитному колесу 22 и далее зубчатым колесам 20, 21. При этом происходит разведение пальцев относительно друг друга. При касании кисти 1 поверхности объекта от тактильных датчиков искусственной кожи 26 подается сигнал на микроконтроллер 25. Так же на микроконтроллер 25 приходят сигналы от тензодатчиков 24, энкодеров 23 и акселерометра 27. Микроконтроллер 25 при этом регулирует усилие сжатия, углов поворота и углов разведения пальцев путем включения и выключения приводов 7,13. Для возврата в исходное положение приводы вращаются в противоположном направлении и пальцы кисти распрямляются.