УСТРОЙСТВО ВВОДА С ТАКТИЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

Полезная модель относится к устройствам программного управления и может быть использовано в качестве управляющего элемента (графического манипулятора) в современных компьютерных системах, когда координатный ввод информации в ЭВМ сопровождается одновременным выводом на устройство ввода данных силы, имитирующей тактильную обратную связь и применяется для расширения возможностей подобных систем путем добавления дополнительных степеней свободы.
Известны системы управления с тактильной обратной связью, так называемые гаптик-устройства, которые в последнее время все шире используются в различных областях современной науки и техники. Эти устройства позволяют вводить координатную информацию в компьютер, и, таким образом, являются координатными манипуляторами, однако при этом могут являться и устройствами вывода, прилагая к руке оператора усилие, направленное в ту или иную сторону. Подобные устройства используются для создания тактильного образа какого-либо виртуального предмета и встречаются в компьютерных играх, различных системах виртуальной реальности, трехмерной компьютерной графики (лепки и моделирования), медицинских системах, а также для управления различными робототехническими устройствами [T.R. Coles, D. Meglan, N.W. John. The role of haptics in medical training simulators: a survey of the state of the art. // Haptics, IEEE Transactions, 4(1): 51-66, 2011]. Для создания таких устройств используются обычно схемы простых последовательных многорычажных механизмов [Т.Н. Massie, J.K. Salisbury The phantom haptic interface: a device for probing virtual objects // DSC, 1994, Vol. 55-1, ASME], либо параллельные механизмы, в частности дельта-механизмы [S. Martin, N. Hillier Characterisation of the novint falcon haptic device for application as a robot manipulator // In Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), 2009, pp 291-292]. Последние имеют значительное превосходство над последовательными многорычажными механизмами, так как значительно более устойчивы и стабильны в пространстве, а также позволяют прилагать большую силу и создавать более реалистичные тактильные ощущения. Типичным представителем такого гаптик-устройства является Novint Falcon.
Однако рассматривая подобный дельта-механизм можно отметить, что наряду с отмеченными положительными его свойствами существует и ряд недостатков, основной из которых - небольшое число степеней свободы (три степени свободы, 3 DOF - degrees of freedom) в классическом дельта-механизме. Для ряда приложений необходимо большее число степеней свободы - например управление роботизированным инструментом с большим числом степеней свободы или использование для ввода в медицинских симуляторах (например, симуляция работы с бормашиной или другими хирургическими инструментами - требуется знание об ориентации и наклоне инструмента в пространстве, кроме данных о положении его рабочего конца, предоставляемых оригинальным дельта-механизмом). При этом различные устройства [J.N. Howell, R.R. Conatser, R.L. Williams, J.M. Burns, D.C. Eland The virtual haptic back: A simulation for training in palpatory diagnosis // BMC Medical Education. - 2008 - Vol. 8(14)], совмещающиеся с оригинальным, обычно имеют ряд шарнирных связей, с установленными в них датчиками угла поворота, что требует протягивания дополнительных проводов, уменьшает жесткость системы и обычно требует внесения изменений в оригинальный механизм.
Нами впервые предлагается устройство ввода с тактильной обратной связью, снабженное дополнительными степенями свободы, которое состоит из оригинального дельта-механизма, к подвижной площадке которого через рычаг жестко закреплен карданный механизм, при этом считывание положения этого механизма производится при помощи помещенного в его центр вращения микроэлектромеханического (МЭМС) гироскопа-акселерометра.
Общий вид полезной модели вместе с дельта-механизмом изображен на Фиг. 1; на Фиг. 2 показан увеличенный вид полезной модели и ее развернутое положение на Фиг. 3;, на Фиг. 4 представлена кинематическая схема полезной модели, где
1 - дельта механизм
2 - подвижная площадка дельта-механизма
3 - рычаг крепления к площадке дельта механизма
4 - карданный механизм
5 - микроэлектромеханический гироскоп-акселерометр
6 - центр вращения карданного механизма
7 - рукоятка управления
8 - провод
9 - шарнирное соединение карданного механизма
10 - ось вращения карданного механизма
Устройство жестко закрепляется на подвижной площадке 2 дельта механизма оригинального манипулятора 1 (например, Novint Falcon) через рычаг крепления 3. Длина данного рычага выбирается исходя из практических требований, предъявляемых к системе и может варьировать. Чем длиннее рычаг крепления 3, тем большая амплитуда движений рукоятки 7 с наклоном в сторону подвижной площадки 2 возможна. На рычаг крепления 3 закрепляется карданный механизм 4, имеющий шарнирные соединения 9. В зависимости от числа шарнирных соединений 9 карданный механизм 4 может быть различного устройства и иметь различное число осей вращения 10 и допускать до 3 степеней свободы (варианты с 1 и 2 степенями свободы показаны на Фиг. 5 и Фиг. 6). В центр вращения карданного механизма 6 установлен микроэлектромеханический гироскоп-акселерометр 5 (например, микросхема MPU6050, ADXL345 и др.), жестко связанный с рукояткой 7 для управления оператором. Рукоятка 7 может быть различной формы - имитирующая, например, перо, рукоять хирургического инструмента или бормашину. Провод 8 для получения данных с микроэлектромеханического гироскопа-акселерометра выходит из рукоятки 7 в наиболее удаленной от карданного механизма 4 точке.
При использовании предлагаемого устройство оператор держит в руке рукоятку 7, производя ей движения, необходимые для позиционирования управляемого объекта (виртуального инструмента) в виртуальной реальности. Предлагаемое устройство при движениях, осуществляемых оператором за рукоятку 7, не стесняет движений оператора в пределах заданного числа степеней свободы карданного механизма 6, при этом данные о положении в пространстве рукоятки 7 будут сниматься с микроэлектромеханического гироскопа-акселерометра 5. Это обеспечивает высокую точность получаемых данных о положении рукоятки 7 в пространстве, включая ее наклоны и повороты вокруг своей оси. Таким образом, основные координаты положения в пространстве будут считаны с оригинального устройства дельта-механизма 1, и дополнены данными о положении рукоятки 7 в пространстве с микроэлектромеханического гироскопа-акселерометра 5. Для обеспечения тактильной обратной связи сила, создаваемая дельта-механизмом 1 будет приложена к подвижной площадке 2, однако учитывая жесткую связь с ней через рычаг крепления 3 карданного механизма и укрепленной в точке вращения 6 карданного механизма 6 рукоятки управления 7 эта сила будет передана на непосредственно на руку оператора. Благодаря жесткой связи карданного механизма 4 с подвижной площадкой 2 точка приложения силы переносится с подвижной площадки 2 на центр вращения карданного механизма 6. Провода от микроэлектромеханического гироскопа-акселерометра 5 выводятся отдельно через наиболее удаленную от точки вращения карданного механизма 6 точку рукоятки 7 и не будут создавать помех движениям руки оператора.
Благодаря применению полезной модели число степеней свободы оригинального дельта-механизма расширяется на число степеней свободы карданного механизма, что значительно увеличивает его возможности, практически не ограничивая движения руки оператора в пространстве (в случае применения карданного механизма с тремя степенями свободы), либо задавая ему необходимый объем движений (в случае применения карданных механизмов с меньшим числом степеней свободы). Данное устройство отличается большим удобством в работе, так как его применение не требует изменения конструкции оригинального дельта-механизма, внедрения в нее новых датчиков, проводов и других элементов и обладает большой точностью. Применение микроэлектромеханического датчика гироскопа-акселерометра позволяет избавить конструкцию от большого числа датчиков, необходимых при использовании традиционных датчиков угла поворота, размещаемых в каждом из шарниров кардана и необходимости вести к ним сигнальные провода непосредственно через шарниры карданного механизма, либо снаружи, что может стеснять карданный механизм, приводит к снижению надежности его работы, так как при этом провода подвергаются частому изгибу, что может привести к их разрыву. Микроэлектромеханический гироскоп-акселерометр в качестве единственного датчика устройства приводит к упрощению ее конструкции, а также к повышению ее надежности, так как не содержит в себе движущихся деталей.