Спросить
Войти
Категория: Математика

РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА РОБОТИЗИРОВАННОГО ПРОТЕЗА РУКИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЕГО ДВИЖЕНИЯ

Автор: Бушманов Александр Вениаминович

УДК 22.18

А.В. Бушманов, С.А. Водопьян, Д.Г. Горюнов

РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА РОБОТИЗИРОВАННОГО ПРОТЕЗА РУКИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЕГО ДВИЖЕНИЯ

В настоящее время область разработки роботизированных конечностей мало освещена. В работе рассматривается разработка прототипа роботизированного протеза руки, алгоритм написания кода, предназначенного для манипуляции роботизированной руки. За основу формы руки был взят открытый проект InMoov. В результате написан и оттестирован программный код для решения поставленных задач.

DEVELOPMENT OF A PROTOTYPE OF ROBOTIC ARTIFICIAL ARM AND SOFTWARE TO IMPLEMENT ITS MOVEMENT

At the present time area of development robotic limbs is practically unexplored. In this research we consider the development of a prototype of robotic artificial arm and an algorithm for code designed to manipulate a robotic arm. The open source project InMoov was taken as a basis for the arm. As a result there was developed and tested a program code forsolving the assigned tasks.

Введение

В мире появляется все больше различных механических протезов, которые необходимы инвалидам. Уже имеются готовые прототипы рук, считывающие сигналы мозга людей и повторяющие естественные движения человеческой кисти. На данный момент подобные протезы не устанавливаются на длительное время и требуют своевременной замены. Это связано с довольно длительным привыканием организма к инородному имплантату, а также несовершенством самих механических протезов. Достаточно известным проектом является рука InMoov, построенная на основе микроконтроллера Arduino. Основываясь на этом проекте, на кафедре информационных и управляющих систем АмГУ был реализован аналогичный продукт.

Цель исследования

Основными целями работы являются:

разработка прототипа роботизированного протеза руки, в бюджетном варианте с простой реализацией на базе имеющихся материалов и средств;

разработка программного обеспечения для реализации сгибания и разгибания пальцев роботизированного протеза руки.

Динамика движения руки

На основе трудов [1] проведен анализ кинематики движения руки человека. Для описания системы твердых тел вводятся: а) неподвижная система координат;

Рис. 1. Параметры описания многозвенной системы твердых тел.

б) связанные системы координат, начало которых совпадает с центром масс звеньев, а оси направлены вдоль главных центральных осей инерции (рис. 1).

Для описания кинематики модели руки используются два набора систем координат - опорные и обобщенные.

Опорные - это координаты Хс ,Ус ,Хс начал систем координат, связанных со звеньями, в неподвижной системе координат, и Эйлеровы углы ц/с ,вс ,ус , где 1 = 1,2,...N - число тел в

системе, определяющих ориентацию связанных осей относительно неподвижных. Таким образом, опорные координаты описывают систему свободных твердых тел. Для их обозначения применяется сквозная

нумерация с верхними индексами в виде Е,р, где р = 1,2,... 6N.

В качестве обобщенных координат г), используются суставные углы, соответствующие поворотам относительно центров вращения или относительно осей вращений .Однако в реализуемой модели не рассматривается вращение вокруг оси 2, поскольку пока что разрабатываемая физическая модель не способна на такие движения.

Кинематика системы описывается в виде зависимостей опорных координат от обобщенных координат:

£р = £р Ь,), (1)

где X =1, 2,... L ^ - число степеней свободы). Уравнения (1) называются уравнениями связей, так как они связывают избыточное число опорных координат и минимально необходимое число обобщенных координат, использующихся для описания механической системы. Матрица частных производных

- опорных координат по обобщенным координатам - называется структурной матрицей модели.

Уравнения Ньютона-Эйлера также записываются с использованием сплошной индексации с суммированием, но повторяющемуся индексу:

ъ„Лр + Вр,^Т = Хр + ^ + Rp,

здесь р, q, г = 1, 2, ... 3^ где N - число тел в системе; Ърд- метрический тензор; Вр г - символ Кри-стоффеля; Хр, Sp, Rp - силы и линейные комбинации моментов сил, действующих на систему: Хр -внешние силы (например, силы веса) и линейные комбинации их моментов, Sp - управляющие силы (например, усилия мышц) и линейные комбинации их моментов; Rp - силы реакций в суставах и линейные комбинации их моментов. Но так как в системе не рассматриваются вращение и вращательные моменты, то и не учитываются моменты сил в центральных осях инерции. Таким образом, каждый член в правой части уравнения, представляет собой Замерный вектор

У1 iz у

где FNx, FNy, FNz - силы, действующие на звено п в неподвижной системе координат.

Метрический тензор Ьм - это матрица размерности 3Nx 3N, на диагонали которой стоят массы звеньев тп и метрические тензоры звеньев [gnjk], п = 1,2,...N,а остальные элементы равны нулю:

[ .§1 ]

0

Символ Кристоффеля Bp qr связан с метрическим тензором bpq следующим выражением:

Bp&qr = (8b 81b db~S&

8$r 8%q 8%p

Умножение обеих частей уравнения (2) на структурную матрицу системы

8$p

с последующим суммированием полученных тензоров по повторяющемуся индексу и заменой координат дает уравнение Лагранжа в виде:

+ с^Хпу = Ул +ПА, (3)

где Л,ц,у = 1,2,...L (L число степеней свободы). При этом произведение с последующим суммировадЕр

нием структурной матрицы с силами реакций ——Р тождественно равно нулю, если связи между

телами идеальны (связи между телами удерживающие, трение отсутствует). В уравнениях (3) еХ/л и С\\ представляют собой соответственно метрический тензор и символ Кристоффеля в обобщенных координатах, а Уя, П, - обобщенные внешние и управляющие силы.

Реализация

На рассматриваемом этапе в проекте реализовано сгибание и разгибание пальцев. Осуществление движения пальцев заключается в следующем: для каждого пальца используется сервомотор, к концам лепестков, которого крепится леска. Один конец лепестка сгибает палец, другой - разгибает. Управление сервомоторами реализуется с помощью кнопок.

Схема подключения (рис.2) была реализована в виртуальной машине 123D Circuits. На схеме видно, что используются 5 сервомоторов, 5 кнопок, беспаяльная макетная плата и 5 резисторов для уменьшения напряжения.

0

Рис. 2. Схема подключения основных компонентов, смоделированная в 123D Circuits.

На данном ресурсе реализована и оттестирована программа. Основой является функция, отвечающая за поворот. Суть алгоритма данной функции (рис. 3): проверка нажатия кнопки; если нажата - поворот сервомотора на 180°; если не нажата - поворот сервомотора на 0°.

1 г

Поворот сервомотора на 180 градусов.

Поворот сервомотора на 0 градусов.

Конец )

Рис. 3. Блок-схема функции, реализующей движение руки.

Представленная функция вызывается в главной функции loop для каждой кнопки и сервомотора. Она является цикличной. Последовательность действий в главной функции выполняется каждый раз сначала, что является особенностью самого микроконтроллера (рис.4). Это позволяет также отследить правильность выполнения кода с течением времени.

Г Начало

Функция для кнопки 1 и сервомотора 1

Функция для кнопки 2 и сервомотора 2

Функция для кнопки 3 и сервомотора 3

Функция для кнопки 4 и сервомотора 4

Функция для кнопки 5 и сервомотора 5

Рис. 4. Блок главной функции loop.

С помощью программного пакета Autodesk 3dsMax собраны находящиеся в свободном доступе модели частей руки 1пМооу.Это было сделано для наглядности при изучении основных принципов работы данного проекта. Изначальная виртуальная сборка намного облегчила понимание механизма и возможность редактировать некоторые части или создавать новые. Использовалась студенческая лицензионная версия пакета.

В результате моделирования была получена трехмерная модель руки, которая в последующем анимировалась (виртуально реализованное сгибание - рис. 5 и разгибание - рис. 6 пяти пальцев).

Рис. 5. Модель руки со сжатыми пальцами.

Рис. 6. Модель руки с разжатыми пальцами.

После виртуальной реализации и тестирования, с помощью тех же элементов, которые были реализованы в виртуальной машине 123D Circuits, с использованием микроконтроллера Arduino Uno, собрана электронная схема. Для реализации захвата и удержания различных предметов использовался серводвигатель SG90.

После виртуальной реализации в 123D Circuits была собрана работоспособная электронная схема с имеющимися компонентами, с целью проверки ее в реальных условиях (рис. 7).

Рис. 7. Электронная схема подключения Arduino.

Разработанный код был загружен на АМшпо через стандартное программное обеспечение, входящее в комплект поставки.

Для дальнейшей сборки был приобретен конструктор 4М «Роботизированная рука» с подвижными частями (рис. 8).

Рис. 8. Конструкция роботизированной руки.

Так как в наличии имелись только два сервомотора SG90, было решено соединить один сервомотор с большим, указательным, средним пальцами, а другой - с безымянным и мизинцем. Также был отредактирована программа: в главной функции loop функция, реализующая движение пальцев, вызывалась не для пяти сервомоторов, а для двух. Благодаря конструкции пальцы возвращаются в исходное состояние автоматически, как только ослабляется натяжение нити от сервомоторов.

В перспективе предполагается распечатка деталей руки на SD-принтере.

Выводы

Нами была рассмотрена вся имеющаяся информация о разработанных и разрабатываемых роботизированных протезах, изучены основные навыки программирования микроконтроллеров, основы робототехники, рассмотрены знания о работе микроконтроллеров, сборки и адаптации имеющейся модели под проект.

На основании полученных теоретических знаний был реализован прототип роботизированного протеза руки и написана программа, реализующая движение пальцев. В дальнейшем предполагаются улучшения проекта путем реализации полного повтора движений пальцами, выполняемых человеком. Роботизированный протез будет иметь возможность повторять действия, которые совершает человек в реальном времени

1. Методы биомехатроники тренажера руки человека / А.К. Платонов, А.А. Фролов, Е.В. Бирюкова и др.// Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. - 2012. - № 82. - С. 3-33.
2. John Boxall Arduino Workshop - SF.: no starch press, 2013.
3. Hand and Forarm - http://www.inmoov.fr/hand-and-forarm/ (11.01.2015).
4. Part right hand - https://www.wevolver.com/gael.langevin/inmoov-robot/hands/file (12.01.2015).
МИКРОКОНТРОЛЛЕР microcontroller РОБОТИЗИРОВАННАЯ РУКА robotic arm ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ virtual realization ПРОГРАММА software
Другие работы в данной теме:
Контакты
Обратная связь
support@uchimsya.com
Учимся
Общая информация
Разделы
Тесты