RU2724769C1 - Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота - Google Patents

Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота Download PDF

Info

Publication number
RU2724769C1
RU2724769C1 RU2019144634A RU2019144634A RU2724769C1 RU 2724769 C1 RU2724769 C1 RU 2724769C1 RU 2019144634 A RU2019144634 A RU 2019144634A RU 2019144634 A RU2019144634 A RU 2019144634A RU 2724769 C1 RU2724769 C1 RU 2724769C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
center
operator
hand
manipulator
shoulder
Prior art date
Application number
RU2019144634A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Иванович Петренко
Фариза Биляловна Тебуева
Михаил Михайлович Гурчинский
Николай Юрьевич Свистунов
Андрей Сергеевич Павлов
Евгения Александровна Некрасова
Артем Александрович Апурин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Priority to RU2019144634A priority Critical patent/RU2724769C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2724769C1 publication Critical patent/RU2724769C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls

Abstract

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано в системах копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота. Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота предусматривает копирование движений рук оператора не по вектору углов поворота в суставах рук оператора, а по обобщенным координатам. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота с помощью задающего устройства в виде экзоскелета. 5 ил.

Description

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано в системах копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота.
Известен способ копирующего управления, используемый в дистанционном манипуляторе, защищенном патентом RU №125508, кл. B25J 3/04, 2013 г. Согласно данному способу захват движений рук оператора выполняют с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, измеряют вектор углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета, осуществляют перемещение антропоморфного манипулятора в положение, соответствующее вектору углов поворота
Figure 00000001
.
Существенными признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются захват движений рук оператора с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, измерение вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета.
Недостатком данного способа копирующего управления является низкая точность измерений углов поворота в суставах руки оператора. Она обусловлена тем обстоятельством, что в процессе движения руки оператора нарушается параллельность между звеньями экзоскелета и отделами руки оператора. Данный факт приводит к различиям между значениями углов поворота в суставах руки оператора и измеренными значениями углов поворота в кинематических парах экзоскелета.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ копирующего управления, используемый в комплексе управления антропоморфным манипулятором, (заявка на изобретение RU 2018146275 A). Согласно данному способу захват движений рук оператора выполняют с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, измеряют вектор углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета, измеряют антропометрические параметры оператора, используют вычислитель для вычисления вектора углов поворота
Figure 00000002
в суставах руки оператора на основе антропометрических параметров оператора и вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета, осуществляют перемещение антропоморфного манипулятора в положение, соответствующее вектору углов поворота
Figure 00000002
.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются захват движений рук оператора с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, измерение вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета, измерение антропометрических параметров оператора, использование вычислителя для вычисления вектора углов поворота
Figure 00000002
в суставах руки оператора на основе антропометрических параметров оператора и вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета.
Недостатком способа-прототипа является низкая точность выполнения целевых операций при непропорциональности антропометрических параметров оператора системы копирующего управления и аналогичных параметров антропоморфного робота. Кроме того, при наличии двух манипуляторов в способе-прототипе возможно несоответствие относительного положения кистевых звеньев манипуляторов антропоморфного робота относительному положению кистей рук оператора. Данные недостатки обусловлены тем, что в качестве вектора целевых углов поворота манипуляторов антропоморфного робота используются вектор углов поворота в суставах рук оператора. Вследствие того, что в общем случае длины звеньев манипуляторов антропоморфного робота не пропорциональны длинам соответствующих отделов рук оператора, в процессе копирующего управления возможно возникновение различных нежелательных ситуаций. В частности, если при пропорциональности всех прочих звеньев, звенья манипуляторов антропоморфного робота, соответствующие предплечьям рук оператор непропорционально короче, при сведении оператором рук ладонь к ладони между кистевыми звеньями антропоморфного манипулятора останется зазор, как это показано на фиг. 1. Приведенные недостатки в общем случае снижают точность, а в частных случаях делают невозможным выполнение целевых операций.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота с помощью задающего устройства в виде экзоскелета.
Для достижения технического результата в способе копирующего управления, включающего захват движений рук оператора с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, измерение вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета, измерение антропометрических параметров оператора, использование вычислителя для вычисления вектора углов поворота
Figure 00000002
в суставах руки оператора на основе антропометрических параметров оператора и вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета, дополнительно измеряют расстояние
Figure 00000003
от центра плечевого сустава руки оператора до центра его локтевого сустава, расстояние
Figure 00000004
от центра локтевого сустава руки оператора до центра его лучезапястного сустава, расстояние
Figure 00000005
от центра лучезапястного сустава руки оператора до центра его кисти, расстояние между плечевыми суставами оператора
Figure 00000006
, для каждой руки вычисляют с помощью вычислителя максимальное расстояние от центра плечевого сустава руки оператора до центра его ладони по формуле:
Figure 00000007
расстояние
Figure 00000008
от центра кисти оператора до центра плечевого сустава этой же руки, расстояние
Figure 00000009
от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора, относительное расстояние
Figure 00000010
от центра кисти оператора до центра плечевого сустава этой же руки по формуле:
Figure 00000011
относительное расстояние
Figure 00000012
от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора по формуле:
Figure 00000013
угол
Figure 00000014
между плоскостью, образованной центром кисти руки оператора и центрами его плечевых суставов, и фронтальной плоскостью оператора, угол
Figure 00000015
между плоскостью, образованной центрами плечевого, локтевого и лучезапястного суставов руки оператора, и вертикальной плоскостью, проходящей через центры плечевого и лучезапястного суставов руки оператора, углы Эйлера
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
кисти оператора, для каждого антропоморфного манипулятора с помощью вычислителя вычисляют вектор целевых углов
Figure 00000019
в кинематических парах манипуляторов антропоморфного робота, при которых относительное расстояние
Figure 00000020
от центра схвата антропоморфного манипулятора до центра плечевого сочленения этого же манипулятора, рассчитываемое по формуле:
Figure 00000021
где
Figure 00000022
– расстояние от центра схвата манипулятора до центра плечевого сочленения этого же манипулятора,
Figure 00000023
– максимальное расстояние от центра схвата манипулятора до центра плечевого сочленения этого же манипулятора,
относительное расстояние
Figure 00000024
от центра схвата антропоморфного манипулятора до центра плечевого сочленения второго манипулятора, рассчитываемое по формуле:
Figure 00000025
где
Figure 00000026
– расстояние от центра схвата манипулятора до центра плечевого сочленения второго манипулятора,
угол
Figure 00000027
между плоскостью, образованной центром схвата манипулятора и центрами его плечевых сочленений, и фронтальной плоскостью антропоморфного робота, угол
Figure 00000028
между плоскостью, образованной центрами плечевого, локтевого и лучезапястного сочленений манипулятора, и вертикальной плоскостью, проходящей через центры плечевого и лучезапястного сочленения манипулятора, углы Эйлера
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
кистевого звена для каждого манипулятора антропоморфного робота будут соответствовать аналогичным параметрам рук оператора, осуществляют перемещение манипуляторов антропоморфного робота в положение, соответствующее вектору целевых углов
Figure 00000019
.
Теоретическое доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
При реализации копирующего управления важной задачей является определение вектора углов поворота исполнительного манипулятора на основе известного вектора углов поворота в суставах руки оператора. В способе-прототипе предлагается использовать в качестве вектора целевых углов исполнительного манипулятора вектор углов поворота в суставах руки оператора. В общем случае конструктивные параметры антропоморфного робота не пропорциональны аналогичным антропометрическим параметрам оператора. Данный факт обусловливает возникновение при использовании способа-прототипа ситуаций, в которых система копирующего управления функционирует некорректно. Например, если длины звеньев манипуляторов пропорциональны аналогичным длинам отделов руки оператора, но «ширина плеч» робота, т. е. расстояние между центрами плечевых сочленений, непропорционально больше расстояния между центрами плечевых суставов оператора, при использовании способа-прототипа возникнет ситуация, изображенная на фиг. 1. За счет того, что «ширина плеч» робота больше, при сведении рук оператора ладонь к ладони между кистевыми звеньями манипуляторов останется зазор, т. е. становится невозможным сведение манипуляторов антропоморфного робота «ладонь» к «ладони». Таким образом, способ-прототип работает корректно только при полной пропорциональности конструктивных параметров манипуляторов антропоморфного робота и антропометрических параметров рук оператора, что требует создания уникального антропоморфного робота под каждого оператора, или реализации возможности подстройки конструктивных параметров антропоморфного робота.
Для решения данной проблемы и расширения функциональных возможностей систем копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота предлагается осуществлять копирование движения каждой руки оператора не по вектору углов поворота в её суставах, а по специализированным обобщенным координатам, к которым относятся:
1. Относительное расстояние
Figure 00000010
от центра кисти руки оператора до центра плечевого сустава этой же руки, вычисляемое по формуле:
Figure 00000032
где
Figure 00000008
– расстояние от центра кисти оператора до центра плечевого сустава этой же руки,
Figure 00000033
– максимальное расстояние от центра плечевого сустава руки оператора до центра его ладони,
Figure 00000003
– расстояние от центра плечевого сустава руки оператора до центра его локтевого сустава,
Figure 00000004
– расстояние от центра локтевого сустава руки оператора до центра его лучезапястного сустава,
Figure 00000005
– расстояние от центра лучезапястного сустава руки оператора до центра его кисти.
2. Относительное расстояние
Figure 00000012
от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора, вычисляемое по формуле:
Figure 00000013
где
Figure 00000009
– расстояние от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора.
3. Угол
Figure 00000014
между плоскостью, образованной центром кисти руки оператора и центрами его плечевых суставов, и фронтальной плоскостью оператора.
4. Угол
Figure 00000015
между плоскостью, образованной центрами плечевого, локтевого и лучезапястного суставов руки оператора, и вертикальной плоскостью, проходящей через центры плечевого и лучезапястного суставов руки оператора.
5. Углы Эйлера
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
кисти оператора.
Для осуществления копирующего управления по перечисленным специализированным обобщенным координатам необходимо использование вычислителя, который на основе вектора углов поворота в суставах рук оператора и его антропометрических параметров вычислит специализированные обобщенные координаты рук оператора, а также вычислит такой вектор углов поворота в кинематических парах манипуляторов антропоморфного робота, при которых значение специализированных обобщенных координат манипуляторов антропоморфного робота будет совпадать со значениями аналогичных специализированных обобщенных координат руки оператора. Т. е. будет осуществляться копирование движения рук оператора не по вектору углов поворота в суставах рук оператора, а по специализированным обобщенным координатам.
Копирующее управления по специализированным обобщенным координатам с одной стороны позволяет достичь заявленного технического результата, а с другой – требует применения заявленных признаков, что обусловливает причинно-следственную связь между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом.
На фиг. 1 проиллюстрирована недостаточность функциональных возможностей прототипа для копирующего управления двумя манипуляторами антропоморфного робота. На фиг. 1а изображено положение рук оператора, сведенных ладонь к ладони. На фиг. 1б изображено положение манипуляторов антропоморфного робота, соответствующее положению рук оператора, изображенному на фиг. 1а, при управлении с помощью прототипа.
На фиг. 2 приведена кинематическая схема манипулятора антропоморфного робота, в виде взаимного положения звеньев с первого по седьмое и сочленений с первого по седьмого.
На фиг. 3 изображены системы координат, введённые в соответствии с представлением Денавита-Хартенберга для кинематической схемы, представленной на фиг. 2.
На фиг. 4 приведена визуализация вычисленных положений манипуляторов антропоморфного робота, расстояние между плечевыми сочленениями которого непропорционально уже расстояния между плечевыми суставами оператора для положения рук оператора, когда ладони соединены перед собой, при управлении с помощью способа-прототипа.
На фиг. 5 приведена визуализация вычисленных положений манипуляторов антропоморфного робота, расстояние между плечевыми сочленениями которого непропорционально уже расстояния между плечевыми суставами оператора для положения рук оператора, когда ладони соединены перед собой, при управлении с помощью заявляемого способа.
В соответствии с предлагаемым способом осуществляют следующие действия над задающим устройством, манипуляторами антропоморфного робота и другими материальными объектами:
1.Захватывают движение рук оператора с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека.
2. Измеряют вектор углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета.
3. Используют вычислитель для вычисления вектора углов поворота
Figure 00000002
в суставах рук оператора на основе антропометрических параметров оператора и вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета.
1. Измеряют антропометрические параметры
Figure 00000003
,
Figure 00000004
,
Figure 00000005
,
Figure 00000006
.
5. Используют вычислитель для вычисления специализированных обобщенных координат
Figure 00000010
,
Figure 00000012
,
Figure 00000014
,
Figure 00000015
,
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
рук оператора на основе антропометрических параметров и вектора
Figure 00000002
углов поворота в суставах рук оператора.
6. Используют вычислитель для вычисления вектора целевых углов
Figure 00000019
манипуляторов антропоморфного робота, при которых специализированные обобщенные координаты
Figure 00000020
,
Figure 00000024
,
Figure 00000027
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
манипуляторов антропоморфного робота соответствуют аналогичным специализированным обобщенным координатам рук оператора.
7. Осуществляют перемещение манипуляторов антропоморфного робота в положение, соответствующее вектору целевых углов
Figure 00000019
.
Один из вариантов осуществления изобретения для копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота, каждый из которых имеет кинематическую схему, подобную изображенной на фиг. 2, заключается в следующем.
Для захвата движения рук оператора и измерения вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета может использоваться экзоскелет, используемый в дистанционном манипуляторе, защищенном патентом RU №125508, кл. B25J 3/04, 2013 г.
Для вычисления вектора углов поворота
Figure 00000002
в суставах руки оператора на основе антропометрических параметров оператора и вектора углов поворота
Figure 00000001
в кинематических парах экзоскелета может быть использован способ, защищенный патентом RU №2700118 C1, кл. A61B 5/103, 2018 г.
Расстояние
Figure 00000003
от центра плечевого сустава руки оператора до центра его локтевого сустава, расстояние
Figure 00000004
от центра локтевого сустава руки оператора до центра его лучезапястного сустава, расстояние
Figure 00000005
от центра лучезапястного сустава руки оператора до центра его кисти, расстояние между центрами плечевых суставов оператора
Figure 00000006
могут быть измерены с помощью соответствующих медицинских методик измерения антропометрических параметров.
Для вычисления специализированных обобщенных координат
Figure 00000010
,
Figure 00000012
,
Figure 00000014
,
Figure 00000015
,
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
рук оператора на основе антропометрических параметров и вектора
Figure 00000002
углов поворота в суставах рук оператора, и вычисления вектора целевых углов
Figure 00000019
манипуляторов антропоморфного робота, при которых специализированные обобщенные координаты
Figure 00000020
,
Figure 00000024
,
Figure 00000027
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
манипуляторов антропоморфного робота соответствуют аналогичным параметрам рук оператора может быть использован следующий метод.
Для расчета вектора
Figure 00000019
необходимо наличие следующих входных данных:
1. Расстояние
Figure 00000003
от центра плечевого сустава руки оператора до центра его локтевого сустава.
2. Расстояние
Figure 00000004
от центра локтевого сустава руки оператора до центра его лучезапястного сустава.
3. Расстояние
Figure 00000005
от центра лучезапястного сустава руки оператора до центра его кисти.
4. Расстояние
Figure 00000006
между центрами плечевых суставов оператора.
5. Векторы
Figure 00000034
параметров Денавита-Хартенберга, описывающих кинематическую структуру руки оператора.
6. Расстояние
Figure 00000035
от центра плечевого сочленения манипулятора антропоморфного робота до центра его локтевого сочленения.
7. Расстояние
Figure 00000036
от центра локтевого сочленения манипулятора антропоморфного робота до центра его лучезапястного сочленения.
8. Расстояние
Figure 00000037
от центра лучезапястного сочленения манипулятора антропоморфного робота до центра его схвата.
9. Расстояние
Figure 00000038
между центрами плечевых сочленений манипуляторов антропоморфного робота.
10. Векторы
Figure 00000039
параметров Денавита-Хартенберга, описывающих кинематическую структуру манипулятора антропоморфного робота.
11. Вектор
Figure 00000002
углов поворота в суставах руки оператора.
Кинематическая схема руки оператора и манипулятора антропоморфного робота приведены на фиг. 2. Системы координат, введённые в соответствии с представлением Денавита-Хартенберга для кинематической схемы, представленной на фиг. 2, представлены на фиг. 3. Центр плечевого сочленения, центр локтевого сочленения, центр лучезапястного сочленения и центр схвата манипулятора антропоморфного робота соответствуют точкам
Figure 00000040
,
Figure 00000041
,
Figure 00000042
,
Figure 00000022
на фиг. 3. Центры суставов руки оператора расположены аналогично центрам сочленений манипулятора антропоморфного робота.
Расчет вектора
Figure 00000019
целевых углов поворота манипулятора антропоморфного робота включает в себя четыре этапа:
1. Расчет декартовых координат центров суставов руки оператора.
2. Расчет специализированных обобщенных координат руки оператора.
3. Расчет декартовых координат сочленения манипулятора антропоморфного робота.
4. Решение обратной задачи кинематики манипулятора антропоморфного робота.
Расчет декартовых координат суставов руки оператора включает в себя следующие действия.
Формирование матриц однородного преобразования для руки оператора согласно представлению Денавита-Хартенберга по формулам:
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000047
Figure 00000048
где
Figure 00000049
– однородная матрица преобразования из
Figure 00000050
-й в
Figure 00000051
-ю систему координат (фиг. 3),
Figure 00000052
– однородная матрица сложного преобразования между
Figure 00000051
-й и
Figure 00000053
-й системами координат,
Figure 00000054
– однородная матрица элементарного поворота вокруг оси
Figure 00000055
на угол
Figure 00000056
,
Figure 00000057
– однородная матрица перемещения по оси
Figure 00000055
на величину
Figure 00000058
,
Figure 00000059
– однородная матрица перемещения по оси
Figure 00000060
на величину
Figure 00000061
,
Figure 00000062
– однородная матрица элементарного поворота вокруг оси
Figure 00000060
на угол
Figure 00000063
,
Figure 00000061
,
Figure 00000058
,
Figure 00000063
,
Figure 00000056
–
Figure 00000051
-е элементы векторов
Figure 00000034
.
Расчет радиус-вектора
Figure 00000064
центра локтевого сустава руки оператора по формуле:
Figure 00000065
Расчет радиус-вектора
Figure 00000066
центра лучезапястного сустава руки оператора по формуле:
Figure 00000067
Расчет радиус-вектора
Figure 00000068
центра кисти руки оператора по формуле:
Figure 00000069
Расчет специализированных обобщенных координат руки оператора включает в себя следующие действия.
Расчет максимальной длины
Figure 00000033
вытянутой руки оператора по формуле:
Figure 00000070
Расчет значения относительного расстояния
Figure 00000010
от центра кисти руки оператора до центра плечевого сустава этой же руки по формуле:
Figure 00000071
Расчет значения относительного расстояния
Figure 00000012
от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора по формуле:
Figure 00000072
Расчет угла
Figure 00000014
между плоскостью, образованной центром кисти руки оператора и центрами его плечевых суставов, и фронтальной плоскостью оператора по формуле:
Figure 00000073
где
Figure 00000074
– орт оси
Figure 00000060
,
Figure 00000075
,
Figure 00000076
– проекции радиус-вектора
Figure 00000068
на оси
Figure 00000060
,
Figure 00000077
.
Расчет угла
Figure 00000078
между радиус-вектором
Figure 00000068
и плоскостью
Figure 00000079
по формуле:
Figure 00000080
Расчет векторного произведения
Figure 00000081
векторов
Figure 00000082
и
Figure 00000068
по формуле:
Figure 00000083
Расчет вектора
Figure 00000084
, получаемого вращением вектора
Figure 00000082
вокруг вектора
Figure 00000081
на угол
Figure 00000078
по формуле:
Figure 00000085
где
Figure 00000086
– матрица поворота вокруг вектора
Figure 00000087
на угол
Figure 00000088
, вычисляемая по формуле:
Figure 00000089
где
Figure 00000090
,
Figure 00000091
,
Figure 00000092
– проекции вектора
Figure 00000087
на оси
Figure 00000060
,
Figure 00000077
и
Figure 00000055
, соответственно,
Figure 00000093
– синус угла
Figure 00000088
,
Figure 00000094
– косинус угла
Figure 00000088
,
Figure 00000095
.
Расчет радиус-вектора
Figure 00000096
центра окружности, которую описывает центр локтевого сустава при вращении вокруг оси, проходящей через центры плечевого и лучезапястного суставов руки оператора по формуле:
Figure 00000097
Расчет вектора
Figure 00000098
, соединяющего конец радиус-вектора
Figure 00000096
и конец радиус-вектор
Figure 00000064
центра локтевого сустава, по формуле:
Figure 00000099
Расчет угла
Figure 00000015
между плоскостью, образованной центрами плечевого, локтевого и лучезапястного суставов руки оператора, и вертикальной плоскостью, проходящей через центры плечевого и лучезапястного суставов руки оператора по формуле:
Figure 00000100
Расчет углов Эйлера
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
кисти оператора по формулам:
Figure 00000101
Figure 00000102
Figure 00000103
Figure 00000104
где
Figure 00000105
,
Figure 00000106
,
Figure 00000107
,
Figure 00000108
– вектор-столбцы матрицы
Figure 00000109
,
Figure 00000110
– функция арктангенса, учитывающая квадрант вычисляемого угла.
Специализированные обобщенные координаты манипулятора антропоморфного робота принимаются равными специализированным обобщенным координатам руки оператора:
Figure 00000111
Figure 00000112
Figure 00000113
Figure 00000114
Figure 00000115
Figure 00000116
Figure 00000117
Расчет декартовых координат центров сочленений манипулятора антропоморфного робота включает в себя следующие действия.
Расчет значения максимального расстояния
Figure 00000023
от центра плечевого сочленения до центра схвата манипулятора антропоморфного робота по формуле:
Figure 00000118
Расчет радиус-вектора
Figure 00000119
центра схвата манипулятора антропоморфного робота по формулам:
Figure 00000120
Figure 00000121
Figure 00000122
Figure 00000123
Figure 00000124
Figure 00000125
где
Figure 00000126
– расстояние от центра схвата манипулятора антропоморфного робота до центра плечевого сочленения второго манипулятора антропоморфного робота,
Figure 00000127
,
Figure 00000128
,
Figure 00000129
– проекции радиус-вектора
Figure 00000119
на оси
Figure 00000060
,
Figure 00000077
,
Figure 00000055
, соответственно.
Расчет радиус-вектора
Figure 00000130
центра лучезапястного сочленения манипулятора антропоморфного робота по формулам:
Figure 00000131
Figure 00000132
где
Figure 00000094
– косинус угла
Figure 00000088
,
Figure 00000093
– синус угла
Figure 00000088
.
Расчет вектора нормали
Figure 00000133
к плоскости схвата манипулятора антропоморфного робота по формуле:
Figure 00000134
Расчет радиус-вектора
Figure 00000135
центра вращения центра локтевого сочленения манипулятора вокруг оси, проходящей через центр плечевого сочленения и центр лучезапястного сочленения манипулятора антропоморфного робота по формулам:
Figure 00000136
Figure 00000137
Figure 00000138
Figure 00000139
Figure 00000140
Figure 00000141
где
Figure 00000142
– полупериметр треугольника, образованного центрами плечевого, локтевого и лучезапястного сочленений манипулятора антропоморфного робота,
Figure 00000143
– отношение, в котором точка
Figure 00000144
делит вектор
Figure 00000145
.
Расчет угла
Figure 00000146
между радиус-вектором
Figure 00000119
и плоскостью
Figure 00000079
по формуле:
Figure 00000147
Расчет векторного произведения
Figure 00000148
векторов
Figure 00000082
и
Figure 00000119
по формуле:
Figure 00000149
Расчет вектора
Figure 00000150
, получаемого вращением вектора
Figure 00000082
вокруг вектора
Figure 00000151
на угол
Figure 00000146
по формуле:
Figure 00000152
Расчет радиус-вектора
Figure 00000153
по формуле:
Figure 00000154
Решение обратной задачи кинематики манипулятора антропоморфного робота включает в себя следующие действия.
Формирование матриц однородного преобразования для манипулятора антропоморфного робота согласно представлению Денавита-Хартенберга по формулам:
Figure 00000155
Figure 00000156
Figure 00000157
Figure 00000158
Figure 00000159
Figure 00000160
где
Figure 00000161
– однородная матрица преобразования из
Figure 00000050
-й в
Figure 00000051
-ю систему координат,
Figure 00000162
– однородная матрица сложного преобразования из
Figure 00000051
-й в
Figure 00000053
-ю систему координат,
Figure 00000163
– однородная матрица элементарного поворота вокруг оси
Figure 00000055
на угол
Figure 00000164
,
Figure 00000165
– однородная матрица перемещения по оси
Figure 00000055
на величину
Figure 00000166
,
Figure 00000167
– однородная матрица перемещения по оси
Figure 00000060
на величину
Figure 00000168
,
Figure 00000169
– однородная матрица элементарного поворота вокруг оси
Figure 00000060
на угол
Figure 00000170
,
Figure 00000168
,
Figure 00000166
,
Figure 00000170
,
Figure 00000164
–
Figure 00000051
-е элементы векторов
Figure 00000039
.
Расчет декартовых координаты различных точек в необходимых системах координат:
Figure 00000171
Figure 00000172
Figure 00000173
Figure 00000174
Figure 00000175
Figure 00000176
где
Figure 00000177
– радиус-вектор точки
Figure 00000178
в
Figure 00000050
- й системе координат,
Figure 00000179
– матрица преобразования из
Figure 00000051
-й системы координат в нулевую систему координат,
Figure 00000180
– радиус-вектор точки
Figure 00000178
в нулевой системе координат,
Figure 00000181
– координаты вектора нормали
Figure 00000133
в
Figure 00000051
-й системе координат.
Расчет вектора
Figure 00000019
целевых углов поворота манипуляторов антропоморфного робота по формулам:
Figure 00000182
Figure 00000183
Figure 00000184
Figure 00000185
Figure 00000186
Figure 00000187
Figure 00000188
Figure 00000189
Figure 00000190
где
Figure 00000191
– ненормированное значение первого целевого угла поворота манипулятора антропоморфного робота,
Figure 00000110
– функция арктангенса, учитывающая квадрант вычисляемого угла,
Figure 00000164
–
Figure 00000051
-й целевой угол поворота манипулятора антропоморфного робота,
Figure 00000192
,
Figure 00000193
,
Figure 00000194
– константы, отдельно определяемые для каждой модели манипулятора антропоморфного робота.
В качестве вычислителей могут быть использованы специализированные вычислители или ЭВМ общего назначения.
Перемещение манипуляторов антропоморфного робота в положение, соответствующее вектору целевых углов
Figure 00000019
является распространенным функционалом существующих роботов.
Подтверждение возможности получения технического результата приведено на фиг. 4, 5. Визуализация вычисленных положений манипуляторов антропоморфного робота при управлении с помощью способа-прототипа, приведена на фиг. 4. Рассматривается случай, когда расстояние между центрами плечевых сочленений антропоморфного робота непропорционально меньше расстояния между центрами плечевых суставов оператора. Оператор держит руки перед собой, ладони соединены. Как следует из фиг. 4, статическое положение манипуляторов антропоморфного робота не адекватно положению рук оператора. Более подробное описание рассматриваемого случая приведено в работе [Сычков В. Б. Метод оценки эффективности копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота // Системы управления, связи и безопасности. 2019. №3]. При возникновении подобной ситуации в процессе управления с помощью способа-прототипа, возможно повреждение манипуляторов. Визуализация вычисленного положения манипуляторов антропоморфного робота для аналогичного положения рук оператора при управлении с помощью заявляемого способа приведено на фиг. 5. Таким образом, с помощью заявляемого способа удается достичь технического результата, не обеспечиваемого способом-прототипом.

Claims (14)

  1. Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота, включающий захват движений рук оператора с помощью экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, измерение вектора углов поворота
    Figure 00000195
    в кинематических парах экзоскелета, измерение антропометрических параметров оператора, использование вычислителя для вычисления вектора углов поворота
    Figure 00000196
    в суставах руки оператора на основе антропометрических параметров оператора и вектора углов поворота
    Figure 00000197
    в кинематических парах экзоскелета, отличающийся тем, что дополнительно измеряют расстояние
    Figure 00000198
    от центра плечевого сустава руки оператора до центра его локтевого сустава, расстояние
    Figure 00000199
    от центра локтевого сустава руки оператора до центра его лучезапястного сустава, расстояние
    Figure 00000200
    от центра лучезапястного сустава руки оператора до центра его кисти, расстояние между плечевыми суставами оператора m', для каждой руки вычисляют с помощью вычислителя максимальное расстояние от центра плечевого сустава руки оператора до центра его ладони по формуле:
  2. Figure 00000201
  3. расстояние
    Figure 00000202
    от центра кисти оператора до центра плечевого сустава этой же руки, расстояние
    Figure 00000203
    от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора, относительное расстояние
    Figure 00000204
    от центра кисти оператора до центра плечевого сустава этой же руки по формуле:
  4. Figure 00000205
  5. относительное расстояние
    Figure 00000206
    от центра кисти оператора до центра плечевого сустава второй руки оператора по формуле:
  6. Figure 00000207
  7. угол α' между плоскостью, образованной центром кисти руки оператора и центрами его плечевых суставов, и фронтальной плоскостью оператора, угол β' между плоскостью, образованной центрами плечевого, локтевого и лучезапястного суставов руки оператора, и вертикальной плоскостью, проходящей через центры плечевого и лучезапястного суставов руки оператора, углы Эйлера ϕ', ϑ', ψ' кисти оператора, для каждого антропоморфного манипулятора с помощью вычислителя вычисляют вектор целевых углов θ в кинематических парах манипуляторов антропоморфного робота, при которых относительное расстояние R7 от центра схвата антропоморфного манипулятора до центра плечевого сочленения этого же манипулятора, рассчитываемое по формуле:
  8. Figure 00000208
  9. где O7 - расстояние от центра схвата манипулятора до центра плечевого сочленения этого же манипулятора,
  10. rm - максимальное расстояние от центра схвата манипулятора до центра плечевого сочленения этого же манипулятора,
  11. относительное расстояние r7 от центра схвата антропоморфного манипулятора до центра плечевого сочленения второго манипулятора, рассчитываемое по формуле:
  12. Figure 00000209
  13. где o7 - расстояние от центра схвата манипулятора до центра плечевого сочленения второго манипулятора,
  14. угол α между плоскостью, образованной центром схвата манипулятора и центрами его плечевых сочленений, и фронтальной плоскостью антропоморфного робота, угол β между плоскостью, образованной центрами плечевого, локтевого и лучезапястного сочленений манипулятора, и вертикальной плоскостью, проходящей через центры плечевого и лучезапястного сочленения манипулятора, углы Эйлера ϕ, ϑ, ψ кистевого звена для каждого манипулятора антропоморфного робота будут соответствовать аналогичным параметрам рук оператора, осуществляют перемещение манипуляторов антропоморфного робота в положение, соответствующее вектору целевых углов
    Figure 00000210
    .
RU2019144634A 2019-12-27 2019-12-27 Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота RU2724769C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144634A RU2724769C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144634A RU2724769C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724769C1 true RU2724769C1 (ru) 2020-06-25

Family

ID=71136180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019144634A RU2724769C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724769C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4986280A (en) * 1988-07-20 1991-01-22 Arthur D. Little, Inc. Hand position/measurement control system
RU125508U1 (ru) * 2011-11-23 2013-03-10 Александр Фаритович Пермяков Дистанционный манипулятор
RU146552U1 (ru) * 2014-02-06 2014-10-10 Александр Фаритович Пермяков Антропоморфный манипулятор

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4986280A (en) * 1988-07-20 1991-01-22 Arthur D. Little, Inc. Hand position/measurement control system
RU125508U1 (ru) * 2011-11-23 2013-03-10 Александр Фаритович Пермяков Дистанционный манипулятор
RU146552U1 (ru) * 2014-02-06 2014-10-10 Александр Фаритович Пермяков Антропоморфный манипулятор

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЮРЕВИЧ Е.И. Управление роботами и робототехническими системами. - СПб: СПбГТУ, 2000. - 171 с. - с. 123-131. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3207728B2 (ja) 冗長マニピュレータの制御方法
Richter et al. Augmented reality predictive displays to help mitigate the effects of delayed telesurgery
WO2021243945A1 (zh) 一种对于静止或低速工况下机械臂高精度力反馈的方法、机械臂辅助的外科手术方法和具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质
JPH0820894B2 (ja) 産業用ロボツトの動作制御方法
Shah et al. Solution and validation of inverse kinematics using Deep artificial neural network
KR20170016631A (ko) 여자유도 로봇 제어 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체
Sciavicco et al. Coordinate transformation: A solution algorithm for one class of robots
Koyuncu et al. Software development for the kinematic analysis of a Lynx 6 robot arm
Khatamian Solving kinematics problems of a 6-dof robot manipulator
Ting et al. Kinematic analysis for trajectory planning of open-source 4-DoF robot arm
KR101278836B1 (ko) 인간형 관절 구성의 ６축 로봇 팔 제어 장치 및 방법
Trinh et al. A geometrical approach to the inverse kinematics of 6r serial robots with offset wrists
Baron et al. The on-line direct kinematics of parallel manipulators under joint-sensor redundancy
Ahmed et al. Inverse kinematic solution of 6-DOF robot-arm based on dual quaternions and axis invariant methods
RU2724769C1 (ru) Способ копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота
Siciliano et al. Kinematics
Chai et al. Mobility analysis of overconstrained parallel mechanism using Grassmann–Cayley algebra
Krishnan et al. Kinematic analysis and validation of an industrial robot manipulator
RU2725930C1 (ru) Комплекс копирующего управления манипуляторами антропоморфного робота
JP3884249B2 (ja) 人間型ハンドロボット用教示システム
JPH05345291A (ja) ロボットの動作範囲制限方式
Peng et al. Kinematics and orientation capability of a family of 3-DOF parallel mechanisms
Yun et al. Accurate, robust, and real-time estimation of finger pose with a motion capture system
Gliesche et al. Commanding a whole-arm manipulation grasp configuration with one click: Interaction concept and analytic IK method
Petrenko et al. Mathematical method of mapping configuration space for manipulator master-slave teleoperation

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210113

Effective date: 20210113