Задающее устройство копирующего манипулятора

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована при создании задающих систем копирующих манипуляторов, в том числе управляющих систем антропоморфных роботов.
Копирующие манипуляторы - системы, которые состоят из двух механизмов - задающего и исполнительного, т.н. master-slave устройства. Такие манипуляторы необходимы главным образом для производства работ в условиях, опасных для жизнедеятельности человеческого организма, например в зонах высоких температур, радиации, химически активных сред и т.д. Задающий механизм обычно представляет собой устройство с кинематической схемой, подобной схеме манипулятора, и крепится на теле оператора. Следящие механизмы отслеживают движения оператора и передают их на исполнительный механизм - непосредственно манипулятор.
Крайне перспективным выглядит использование таких систем особенно при разработке систем управления антропоморфных (человекоподобных) роботов. Роботы, управляемые таким образом, в перспективе могли бы заменить людей в таких опасных видах деятельности, как тушение пожаров, работа с опасными материалами, спасательные операции, работа в открытом космосе и многих других. Преимуществом именно антропоморфных роботов в данном случае является то, что двуногий, двурукий робот с кинематической схемой, аналогичной человеческой, способен работать в зданиях или с техникой, изначально предназначенной для людей. Другим преимуществом является простота управления за счет схемы робота, аналогичной кинематической схеме тела человека, оператор может, например, при помощи систем дополненной реальности управлять роботом так, как будто он сам совершает все действия.
Крайне важным при создании копирующих манипуляторов является вопрос обеспечения обратной связи от манипулятора к оператору. Особенно это становится актуальным при работе с хрупкими или опасными материалами в отсутствие прямой видимости оператором действий манипулятора. Ведь с учетом большой потенциальной силы, заложенной в механизмы исполнительного механизма, в случае, если оператор не сможет чувствовать препятствия, возможно повреждение материала.
Одним из возможных решений данной проблемы является использование датчиков силы, чаще всего пружинных динамометров. Примером реализации таких решений является, например, решение, раскрытое в международной заявке WO 2004026540 A1, опубл. 01.04.2004. Однако такой подход имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, динамометры (особенно пружинные) имеют достаточно высокий порог чувствительности, что ограничивает их область применения. Во-вторых, использование дополнительных систем пружин существенно усложняет конструкцию исполнительного устройства и не позволяет реализовать схему антропоморфного робота.
Другим возможным подходом может стать использование контактных датчиков (например, решения по патентам JP 2002059380 А и US 4302138 А), в том числе емкостных или пьезоэлектрических. Данный подход позволяет решить проблему обратной связи без перегрузки кинематической схемы задающего устройства большим количеством пружин, а также существенно снизить верхний порог чувствительности. Однако контактные датчики являются достаточно уязвимыми при работе с агрессивной средой. Также, в случае, например, работы с грязными материалами возможно замазывание датчика с существенным снижением его чувствительности. Другим недостатком такого подхода является то, что чувствительная область ограничивается количеством датчиков. Таким образом, для обеспечения должного уровня обратной связи необходимо (для больших антропоморфных роботов, размером с человека) крайне большое количество датчиков, что усложняет процесс изготовления и обслуживания, а также снижает общую надежность системы.
Отдельно стоит рассмотреть существующие варианты осуществления непосредственно задающих механизмов.
Из уровня техники известно решение - HUMAN BODY MOTION REPRODUCING DEVICE (JP H0 7299773 А, опубл. 14.11.1995). Устройство включает датчики движения и динамометры. При помощи датчиков движения фиксируются движения оператора, при помощи динамометров измеряется приложенная оператором сила. Данные обрабатываются и передаются на исполнительный механизм. Такое задающее устройство является сложным в реализации из-за сложности изготовления и использования множества датчиков движения. Также такая конструкция задающего механизма не позволяет реализовать обратную связь.
Из уровня техники известно решение другого типа - Hand position/measurement control system (US 4986280 А, опубл. 22.01.1991). Описанное устройство представляет собой ряд звеньев, соединенных между собой и закрепляемых на кисти оператора. Для определения движения, а также силы, прикладываемой оператором, используются угловые датчики Холла. Устройство позволяет максимально точно определять силу и направление движений оператора, однако обратная связь не реализована.
Задачей настоящей полезной модели является создание задающего устройства с обратной связью, лишенного недостатков, присущих известным аналогам. При этом такое устройство должно быть простым в изготовлении и обслуживании, не иметь излишнего количества датчиков, применимо при создании антропоморфных систем.
Технический результат, достижение которого обеспечивается при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в обеспечении обратной связи без усложнения конструкции задающего устройства при отсутствии специальных дополнительных требований к исполнительному устройству.
Достижение технического результата обеспечивается за счет добавления в конструкцию задающего устройства копирующего манипулятора функционального элемента, выполненного с возможностью сравнения углов поворота частей задающего устройства и полученных от исполнительного устройства углов поворота частей исполнительного устройства. При этом в случае отличия углов поворота частей задающего устройства от соответствующих углов поворота частей исполнительного устройства упомянутый функциональный элемент формирует сигнал, который блокирует дальнейшее движение частей задающего устройства, что для оператора означает наличие препятствия.
Вышеуказанные атрибуты, черты и преимущества настоящей полезной модели, а также способы их достижения станут более ясными и понятными после ознакомления со следующим описанием способов и форм реализации полезной модели, дополненного соответствующими чертежами, в которых:
Фиг. 1 показывает схематично кинематические схемы задающего и исполнительного устройства.
Фиг. 2 показывает вариант осуществления вращательной пары соединения плечо - корпус задающего устройства.
Фиг. 3 показывает вариант осуществления вращательной пары соединения плечо - предплечье задающего устройства.
Фиг. 4 показывает один из вариантов осуществления соединения плечо - предплечье исполнительного механизма.
Фиг. 5 показывает один из вариантов осуществления соединения плечо - корпус исполнительного механизма.
Фиг. 6 показывает вариант осуществления работы функционального элемента на примере коммутации соединений плечо - предплечье задающего и исполнительного устройств.
Стоит отметить, что для лучшего понимания сущности настоящей полезной модели работа заявленного задающего устройства будет показана на примере осуществления целиком копирующего манипулятора, однако, стоит понимать, что правовая охрана на исполнительный механизм не испрашивается.
Копирующий манипулятор содержит задающее (1) и исполнительное (2) устройства. Задающее устройство (1) закреплено на корпусе оператора (3) и включает плечо (4), предплечье (5) и кисть (6). Плечо (4) соединено с корпусом (3) вращательной парой (7) с двумя осями вращения (8 и 9). Предплечье (5) соединено с плечом вращательной парой (10) с осью вращения соосной оси вращательной пары (11) плечо (12) - предплечье (13) оператора. Плечо (4) выполнено в виде двух звеньев (14) и (15), соединенных между собой поступательной парой (16). Все вращательные пары оснащены приборами замера относительного движения. Для вращательной пары (7) - это энкодеры (17 и 18). Для вращательной пары (10) - это энкодер (19). Поступательная пара оснащена линейным датчиком относительного движения (условно не показан). Энкодеры установлены во вращательных парах и могут быть выполнены на основе магнитных или оптических датчиков угла поворота. В другом варианте возможно осуществление датчиков угла поворота аналогично решению, раскрытому в патенте US 4986280 А.
Задающее устройство (1) соединено с предплечьем оператора (13) через ложемент (20), что обеспечивает удобство фиксации задающего механизма на теле оператора и общее удобство работы, что способствует реализации основного назначения задающего устройства - работе в составе копирующего манипулятора.
Вращательные пары задающего устройства (1) оснащены индивидуальными приводами по степеням подвижности. Вращательная пара (7) соответственно - приводом 21 - вращение вокруг оси (8), приводом 22 - вращение вокруг оси (9). Вращательная пара (10) - приводом (23). Для управления приводами (21-23) используется функциональный элемент (24). Функциональный элемент (24) конструктивно связан с другими элементами задающего устройства при помощи сборочных операций. Функциональный элемент (24) может быть реализован на базе аналоговой схемы сравнения сигналов или на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), или на базе микропроцессора. В другом варианте функциональный элемент (24) может быть реализован как часть общего блока управления, который может быть выполнен как часть задающего устройства.
Исполнительное устройство (2) в одном из вариантов осуществления оснащено датчиками относительного движения (энкодерами) по каждой степени подвижности, по схеме, в целом аналогичной схеме задающего устройства. Например, во вращательной паре (25), соединяющей плечо (26) и предплечье (27), установлен энкодер (28). Аналогично датчики (29 и 30) установлены по степеням подвижности (31 и 32) вращательной пары (33), соединяющей плечо (26) исполнительного устройства (2) с корпусом (3).
При этом функциональный элемент (24) выполнен с возможностью (т.е. имеет соответствующие разъемы и способен принимать соответствующие сигналы) получения данных от датчиков относительных углов поворота звеньев задающего устройства (28-30). Также, функциональный элемент (24) помимо конструктивной связи с другими элементами задающего устройства (1) информационно связан с энкодерами (17-19) задающего устройства (1). Таким образом, функциональный элемент (24) получает данные об относительных углах поворота звеньев задающего устройства, а также выполнен с возможностью получения аналогичных данных от исполнительного устройства - энкодеров (28-30). При этом функциональный элемент (24) имеет возможность проводить сравнение получаемых данных от задающего (1) и исполнительного (2) устройств.
В процессе работы при отсутствии препятствий на пути движения звеньев исполнительного устройства (2) все движения звеньев исполнительного устройства (2) будут, очевидно, идентичны движениям задающего устройства (1), закрепленного при помощи ложемента на теле оператора. Соответственно, будут идентичны сигналы от энкодеров (17-19) задающего устройства (1) и сигналы от энкодеров (28-30) исполнительного устройства (2), которые поступают на вход (34) функционального элемента (24). При совпадении сигналов функциональный элемент (24) не формирует сигнал на приводы (21-23) задающего устройства (1).
В случае когда исполнительное устройство (2) в процессе работы натыкается на препятствие, оператор задающего устройства (1) еще не знает об этом. Таким образом, движение звеньев исполнительного устройства (2) прекращается (или замедляется), а движение звеньев задающего устройства (1) продолжается в прежнем объеме. В этом случае, очевидно, энкодеры (28-30) исполнительного устройства (2) начинают передавать на вход (34) функционального элемента (24) меньшие значения углов относительного поворота звеньев, нежели энкодеры (17-19) задающего устройства (1). Таким образом, функциональный элемент (24) начинает фиксировать разницу значений углов относительного поворота, а, следовательно, и пространственного положения звеньев задающего (1) и исполнительного (2) устройств. В этом случае функциональный элемент (24) начинает формировать сигнал на приводы (21-23) задающего устройства (1). Моторные драйверы приводов (21-23), например привода предплечья (23), в соответствии с полученным от элемента (24) сигналом рассогласования задают вращающий момент, направленный против направления предшествующего движения, например предплечья оператора (13). Оператор ощущает сопротивление движению, например предплечью (13), пропорционально разности показаний энкодеров (19 и 28).
При полном отсутствии изменения показаний, например, энкодера (28), привод (23) полностью блокирует движение предплечью (5) во вращательной паре (10). Оператор воспринимает это как достижение звеном (27) исполнительного устройства (2) препятствия и невозможности дальнейшего движения. Движение руки оператора прекращается. В энкодере (19) прекращается формирование сигналов управления приводу (23) и движение предплечья (27) прекращается. Исключается нежелательное взаимодействие предплечья и препятствия, что обеспечивает безопасность работы копирующего манипулятора.
Оснащение задающего устройства приводами (21-23) и функциональным элементом (24) позволяет создавать вращающие моменты, останавливающие движение руки оператора, что позволяет исключить формирование управляющих сигналов приводам исполнительного устройства (2) и движение его звеньев. Это обеспечивается за счет того, что функциональный блок (24) на основе анализа входных показаний с приборов замера относительного движения энкодеров (17-19) формирует с выхода (35) управляющие сигналы приводам (21-23).
Таким образом, в заявленной полезной модели реализуется обратная связь. При этом нет необходимости в отдельной модификации исполнительного устройства, оснащении его динамометрами или распределении по его поверхности датчиков касания. Обратная связь реализуется с очень малым нижним порогом чувствительности. При этом, что важно, величина обратной связи пропорциональна разности в движении задающего и исполнительного устройства.
Приведенный пример реализации настоящей полезной модели и пример работы в составе копирующего манипулятора показывает возможность принципиального осуществления заявленной полезной модели, а также средства и методы для такого осуществления. Однако для специалиста будут очевидны другие варианты реализации в объеме заявленной формулы.