SAM.Переносной экзоскелет руки. Подробное описание проекта.

Дата: Март 9th, 2012 Автор: Александр Попов

+ Показать свойства документа

Тип контента: Тех.подробности
Номер документа: 5578
Название документа: SAM.Переносной экзоскелет руки. Подробное описание проекта.
Номер (DOI, IBSN, Патент): Не заполнено
Изобретатель/автор: André Preumont
Правопреемник/учебное заведение: Не заполнено
Дата публикации документа: 2006-11-30
Страна опубликовавшая документ: Бельгия
Язык документа: Русский, Английский
Наименование изделия: SAM, ESA
Источник: http://scmero.ulb.ac.be/project.php?id=7&page=index.html
Вложения: Да
Аналитик: Наталья Черкасова

Во многих задачах, в которых требуется дистанционное управление реальными или виртуальными объектами, при которых важна обратная связь с оператором использование полностью переносного тактильного устройства увеличит простоту и показатели выполнения командных задач, по сравнению с устройствами, привязанными к земле или к поверхности.

Задача

Управление руками робота со стороны человека, особенно в опасной или быстро меняющейся обстановке, требует развития особых профессиональных умений, что занимает достаточно много времени и требует дорогостоящего обучения.

С помощью сенсорной руки (Sensoric Arm Master), управление рукой робота является интуитивным, рука робота перемещается вместе с вашей рукой, а оператор чувствует все усилия, которые ощущает рука робота, усиливая тем самым эффект присутствия.

При возникновении неожиданной ситуации просто выполните движение вашей рукой, чтобы выполнить новую операцию, без какой-либо тренировки.

Обзор

• SAM надевается на вашу руку и настраивается индивидуально по каждому пользователю.
• SAM является облегченной конструкцией, которую благодаря компенсации гравитации, не тяжело носить даже на протяжении долгого времени.
• SAM можно использовать в пределах видимости робота, которого она контролирует, или за много километров от него.

Заказчиком SAM является, в том числе, и Европейское космическое агентство.

Изделие

• 7-кг переносная экзоскелетонная рука SAM с 7 степенями подвижности, обеспечивающая обратную связь по усилию, включающая в себя 5 регулируемых пассивных суставов, адаптируемых к морфологии оператора.
• внутриплатное включение (двигатели постоянного тока) и контроль (датчик момента и датчики положения).
• устройство оперативного управления суставами, связанное с контроллерами суставов. Оно интегрирует в себе данные от контроллеров суставов.
• описание того, как собрать данные и запустить экзоскелет.

Опции

• интерфейс TCP/IP к устройству оперативного управления суставами, чтобы помочь заказчику ввести в работу контроллер.
• ПО контроллера SAM, включая посуставный контроль и интерфейс высокого уровня TCP/IP для связи с ведомым устройством.
• полная тактильная цепь, включающая в себя ПО контроллера экзоскелета, симулятор виртуального ведомого робота и инструменты 3D-визуализации.

Спектр применения

Спектр применений — от дистанционного управления роботизированной рукой в агрессивных средах (космос, ядерные реакторы, глубоководные работы…) до применения в виртуальной реальности либо в области виртуального обучения в больших объемах (таких как виртуальное собрание) посредством «погружных пещер» или шлем-дисплеев, либо в области реабилитации пациентов, перенесших инсульт (Рис.1). Так как оператор теперь не привязан к фиксированной базе или находится в средах с препятствиями, и так как переносное устройство с несколькими степенями подвижности позволяет осуществить обратную связь по силе на нескольких контактных точках, то оператор теперь может глубже погружаться в среду во время манипулирования.

Рис. 1: Типичные применения полностью переносного экзоскелета руки

Конструкция системы

Сенсорная рука (SAM) была разработана как пригодный к носке тактильный интерфейс с последовательной кинематикой, изоморфный человеческой руке (Рис.2). SAM содержит 7 приводимых в действие степеней подвижности, соответствующих суставам человеческой руки (сгибание/разгибание плечевого сустава, локтя и запястья, приведение/отведение плечевого сустава и запястья, пронация / супинация плеча и предплечья) и 6 ползунков, позволяющих выполнить морфологическую адаптацию между активными суставами и суставами человека. Это выглядит, как удачный компромисс между возможностями погружения оператора (максимизированное рабочее пространство и отсутствие сингулярностей) и сложной механикой.

Конструкция выполнена в основном из алюминиевых прутьев. Общий вес устройства составляет 7 кг. Бόльшая часть массы приходится на плечевой сустав. В экзоскелете есть встроенные электронные платы, отвечающие за управление и питание каждого сустава.

Рис.2 : Обзор экзоскелета SAM

Кинематическая схема

Анализ кинематической схемы произведен с целью устранения сингулярностей из полезного рабочего пространства. Если механические суставы просто выровнять с человеческими, это приведет к появлению сингулярностей в середине рабочего пространства оператора (Рис.3). Изменяя конфигурацию сустава на плече и запястье, удалось вывести эти сингулярности к границе рабочего пространства человека (Рис.4).

Рис. 3. : Исходная кинематическая схема и представление уровня сингулярности в плоскости Y = 0 перед оператором (теоретическое рабочее пространство, без учета связей между телом и механическими частями).

Рис.. 4 : Измененная кинематическая схема и представление уровня сингулярности в плоскости Y = 0 перед оператором

На рис. 5 представлено достижимое рабочее пространство для SAM (красное) по сравнению с теоретической расчетной оценкой рабочего пространства руки человека (зеленый)

Рис. 5: Сравнение между рабочим пространством руки человека (зеленый) и рабочим пространством SAM (красный) в объемном представлении

Экзоскелет SAM позволяет выполнять 7 базовых движений человеческой руки.

Конструкция сустава

Каждый сустав экзоскелета имеет концепцию, схожую с локальным приводом, датчиком положения и момента. На основе предыдущего исследования, где сравнивалось несколько приводных технологий, было выбран компактный тип приводной системы, состоящей из щеточного двигателя постоянного тока, capstan и коробки передач (рис.6). Редуктор capstan type, часто используемый в тактильных устройствах, позволяет осуществить трансмиссию с нулевым люфтом и низким трением за счет малого отношения момента к объему. Диаметр колеса пропорционален коэффициенту редукции. Коробка передач, наоборот, очень компактна, но имеет больший уровень трения и некоторый люфт. Целью комбинирования двух типов редукторов является достижение достаточно высокого момента в сочетании с высокой компактностью, низким трением и низким люфтом в трансмиссии. Если сравнивать с устанавливаемыми на землю устройствами, то так как эти приводы носятся самим оператором, выходной момент должен быть ограничен 1/20-й долей возможностей человеческой руки из-за ограничений по весу и по размерам.

В каждом суставе имеется инкрементный датчик положения для измерения поворота сустава (Рис.6) и средство для измерения его локального момента. Измерение момента осуществляется измерением деформации пластин внутри capstan device с помощью датчиков деформации (Рис.6). Четыре идентичных датчика деформации расположены на пластинах таким образом, что два из них работают на сжатие, а другие два — на растяжение с одинаковыми амплитудами. Они расположены в конфигурации с мостом измерения сопротивлений для преобразования колебаний сопротивления в колебания напряжения. Это напряжение затем усиливается локальной платой с электронным управлением. Размер пластин выбирается посредством анализа FEM как компромисс между чувствительностью и механической прочностью (Рис. 7).

Рис. 6 Конструкция сустава Sam

Рис. 7 : Конструкция Capstan с анализом FEM

Применение в исследовании космоса

Космические миссии будущего потребуют более высокого уровня взаимодействия между астронавтами и роботами, которые могут быть использованы как первые исследователи в агрессивных средах или как помощники в работах за пределами космического корабля. В таких ситуациях использование переносного устройства значительно упростит выполнение командного задания за счет обеспечения оператора робота ощущениями от обратной связи по силе (так называемыми тактильными ощущениями). Для этих целей мы сейчас исследуем, в сотрудничестве с ESA, конструкцию переносного тактильного интерфейса, который можно было бы использовать как ведущий интерфейс в системе дистанционного управления роботом-техником, находящимся за пределами международной космической станции (МКС) (Рис. 8).

Рис. 8 : Переносной экзоскелет руки для дистанционного управления роботом на МКС

Эксперименты и видеосюжеты

В рамках проекта EXOSTATION проведено несколько экспериментов по дистанционному управлению виртуальным ведомым роботом с обратной связью по усилию.

В видеосюжете 1 представлен эксперимент скрининга точек контакта и скрининга формы. Ведущий экзоскелет управляет положением виртуального ведомого робота (соответствие суставов). В то же время, контактное усилие, рассчитанное между обслуживающим роботом и его средой, возвращается в качестве обратной связи к двигателям экзоскелета. Это создает ощущение контакта с оператором. Он может следовать за формой объектов.

Точно такой же эксперимент был проведен с упрощенной виртуальной реальностью (без презентации ведомого робота). На рис. 9 представлено такое положение оператора, когда он следует за сферой в 3D-виртуальной реальности (проекция на фронтальную плоскость) или за кубом. Наблюдается хорошее соответствие между реальным положением и виртуальным объектом, показывающее, что пользователь ощущает объект. Во время этих экспериментов также был протестирован алгоритм компенсации притяжения. Уровень компенсации можно выбирать в диапазоне от 0 до 100%. Для снижения нагрузки на двигатель и сохранения некоторого запаса выходного момента, мы обычно выбираем 50% компенсации, что значительно повышает уровень комфорта оператора. Эти эксперименты проводились на первых 4 суставах экзоскелета.

Видеосюжет 1 : Скрининг точек контакта и формы

Рис. 9 : Эксперименты воспроизведения формы : (a) сравнение положения виртуальной сферы с фактическим конечным положением экзоскелета при попытке пользователя следовать за формой. (b) Тот же эксперимент с квадратом.

Видеосюжет 2 представляет эксперимент с манипулированием с кубом. Пользователь управляет роботом для построения малой башни из кубиков. Оператор легко может почувствовать и захватить кубик, чтобы поставить его на верхушку башни. Преимущество обратной связи по усилию состоит в быстроте исполнения и ограничению контактных усилий между объектами, так как оператор может контролировать свою силу.

Видеосюжет 2: Манипулирование с кубом

В видеосюжете 3 представлен эксперимент со вставкой в отверстие. Оператора просят вставить цилиндрические элементы в отверстие. Это очень трудная операция без обратной связи по усилию, так как выровнять объекты очень трудно. При наличии обратной связи по усилию оператор может быстро найти верное место и ограничиться им, как только начнется процесс вставки. ( ох уж эти переводчики)))

Видеосюжет 3: Вставка в отверстие

Экзоскелет SAM

Экзоскелет SAM (Движение сгибания)

Экзоскелет SAM (Вид сбоку)

Запястье SAM (3 степени подвижности)

Приводная система SAM (двигатель постоянного тока + Cabestan + коробка передач)

Тензорезисторы на основе датчика крутящего момента (находится внутри устройства cabstan)

Встроенные электронные платы

Эксперимент со вставкой в отверстие (SAM и система EXOSTATION)

Контактное лицо: André Preumont andre.preumont@ulb.ac.be

Категория: ESA | 209 комментариев »

Статистика

Категорий: 179
Статей всего: 2,003
По типу:
Видео: 36
Выдержка с форума: 1
Контактные данные: 12
Научная статья: 1388
Не заполнено: 5
Новостная статья: 317
Обзор технологии: 42
Патент: 219
Тех.подробности: 34
Тип: 1
Комментариев: 6,703
Изображений: 3,005 Подробней...

ТОР 10 аналитиков

Календарь

Март 2012
Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
« Фев		Апр »
	1	2	3	4
5	6	7	8	9	10	11
12	13	14	15	16	17	18
19	20	21	22	23	24	25
26	27	28	29	30	31

Авторизация

Ошибка в тексте?

Выдели её мышкой!

И нажми Ctrl+Enter

Категории

SAM.Переносной экзоскелет руки. Подробное описание проекта.

Комментарии

209 thoughts on “SAM.Переносной экзоскелет руки. Подробное описание проекта.”

Добавить комментарий Отменить ответ

Статистика

ТОР 10 аналитиков

Календарь

Авторизация