Робот типа «рука. Механические руки

Существует два основных подхода к вопросу о создании роботизированной руки. Можно создать роботизированную руку с простыми прямолинейными движениями, имеющую два или три пальца для захвата большинства предметов. Или достаточно сложную, со всеми пятью пальцами, предназначенную для полной имитации человеческих рук, прошедших миллионы лет эволюции. И такую руку удалось разработать, так что если вы хотите, чтобы ваш робот выполнял как можно больше движений и обладал человекоподобной рукой, то теперь это стало возможным.

Из-за сложного строения настоящей человеческой руки, биомиметические антропоморфные руки неизбежно сопряжены с большим количеством проблем: нужно заставить их работать определенным образом и сохранить форму человеческой руки. Zhe Xu и Emanuel Todorov из Вашингтонского Университета в Сиэтле совершили безумие и создали наиболее точную биомиметическую антропоморфную роботехническую руку, какую можно себе представить, для того, чтобы полностью заменить человеческую.

По словам Zhe Xu, для них было очень важно разработать новый вид робототехнической руки:

«Традиционный подход к проектированию антропоморфной робототехнической руки предполагает механизацию биологических частей с использованием шарниров, тяг, подвесов для значительного упрощения. Этот подход, несомненно, полезен для понимания и аппроксимации кинематики человеческой руки в целом, но неизбежно вносит диссонанс между роботизированной и человеческой рукой, так как большинство важных биомеханических особенностей человеческой руки не принимаются во внимание в процессе механизации. Присущее несоответствие между механизмами роботизированной руки и биомеханикой руки человека, по сути, мешает нам использовать естественные движения руки, чтобы управлять напрямую. Таким образом, в настоящее время нет ни одной антропоморфной роботизированной руки, которую можно в полной мере сравнить с человеческой».

Xu и Todorov решили начать с нуля, машинально дублируя движения человеческой руки. Сначала они просканировали лазером скелет человеческой руки, а затем напечатали на 3D-принтере искусственные кости, что позволило им продублировать незафиксированные совместные оси, которые у нас есть.

По словам Xu:

«Например, движения большого пальца опираются на сложную форму трапецевидной кости, расположенной в запястно-пястном суставе кисти. Из-за неправильной формы трапецевидной кости, точное расположение совместных осей запястно-пястного сустава не является фиксированным. Таким образом, ни один из существующих образцов антропоморфной роботехнической руки не может воспроизвести естественные движения большого пальца, так как обычные механические соединения требуют фиксированной оси вращения. С помощью лазерного сканирования модели человеческой руки и 3D печати искусственных суставов пальцев, мы получили диапазон движения, жесткости и динамических характеристик, очень близкий к человеческим аналогам. Наша роботизированная рука однозначно сохраняет важную биомеханическую информацию на анатомическом уровне».

Суставные связки (которые стабилизируют суставы и контролируют диапазон их движений) изготовлены из высокопрочных волокон Spectra, с использованием лазерной резки листов резины, заменяющих мягкие ткани.

Разгибатели и сгибатели сухожилий (для сгибания и выпрямления пальцев) также изготовлены из волокон Spectra и резиновых листов методом лазерной резки для обшивки сухожилий и мышцы-разгибателя, представляющую собой сложную перепончатую многослойную структуру, которая оборачивается вокруг пальцев, чтобы лучше управлять гибкостью и крутящим моментом. Мышцы состоят из массива 10 сервоприводов Dynamixel, тросы от которых которых проложены таким образом, чтобы точно имитировать запястье человеческой руки.

Помимо того, что это практически произведение искусства, рука способна очень точно имитировать разнообразные хватки при управлении с дистанционного манипулятора. Операторы также могут выполнять сложные манипуляции рукой без обратной связи, так как кинематика руки совпадает с настоящей человеческой рукой.

Это настоящий прорыв: дело в том, что рука предназначена для имитации человеческой руки, и это означает, что она имитирует человеческую руку, в первую очередь, из-за своей конструкции, а не программирования. Это имеет массу потенциальных преимуществ в телеманипуляции, поскольку оператор может более органично использовать ловкость собственных рук.

Ученые предполагают, что их руки могут быть использованы «как 3D каркасы для регенерации конечностей».

По словам Xu:

«Работа рук и ног существенно опирается на человеческий мозг. Поэтому технологии нейропротезирования могли бы стать намного более эффективными, если конструкция протеза больше походила на свой биологический аналог. Биосовместимые материалы теперь могут быть распечатаны в виде костных структур, биологически искусственные связки будут использованы для замены разорванной передней крестообразной связки, мышцы человека будут успешно культивированы в чашке петри (прозрачном лабораторном сосуде в форме плоского цилиндра), а периферические нервы также могут быть регенерированы при благоприятных условиях. Все эти перспективные технологии требуют подходящих каркасов для роста трансплантируемых клеток. Мы будем сотрудничать с учеными-биологами и исследователями тканевой инженерии для дальнейшего изучения перспектив и создания биоустройств, каркасов в развивающихся областях нейропротезирования и регенерации конечностей».

Разработка биомиметическая антропоморфной роботизированной руки для регенерации конечностей, созданной Zhe Xu и Emanuel Todorov из Вашингтонского Университета будет представлена на ICRA в Стокгольме в мае этого года.

Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram , чтобы быть в курсе самых интересных событий.

Человеческая рука (вернее, кисть руки) это одно из чудес природы и громадный вызов инженерам робототехникам, которые пытаются её скопировать “один к одному”. Это – сложнейшая конструкция с 29-ю гибкими суставами и тысячами специализированных нервных окончаний, за которыми наблюдает “система управления”, настолько чувствительная, что она может сразу определить, насколько горячий объект, насколько гладкая его поверхность, и даже с какою силой он должен удерживаться.
Неудивительно, что “слепое” копирование кисти человеческой руки – занятие малоперспективное. И все больше и больше, робототехники приходят к мысли, что в данном случае копирование природы не является правильным подходом. Лучшая идея состоит в том, чтобы решить, какие из наиболее важных функций кисти руки должны быть воспроизведены, и как этого лучше всего достичь, пользуясь сейчас доступными технологиями.

Промышленные роботы, конечно, манипулируют предметами уже в течение многих десятилетий. Но они обычно используют самые простые захваты (типа параллельных “челюстей”), которые открываются и закрываются по команде, чтобы схватить, держать, или переместить предмет строго заданной формы, на который они и рассчитаны. Такая “негибкость” (низкая степень адаптации) – не проблема на сборочном конвейере. Но этого не будет достаточно для будущих роботов, разработанных для взаимодействия с людьми в самой разнообразной окружающей обстановке.

Многие исследователи в области робототехники предполагают, что скоро появится новое поколение роботов, “бродящих” вокруг домов, санаториев, фабрик, и т.д. К этим роботам люди будут обращаться с самыми разнообразными просьбами: cварить кофе, принести лекарства или притащить заготовки к цеху. Каждая такая главная полезная функция в свою очередь потребуют реализации множества вспомогательных функций. Например, открытие бутылки потребует, чтобы робот определил размер и форму предмета, правильно схватил её (горлышком вверх) и затем приложил достаточное усилие, чтобы удержать бутылку (но не чрезмерное, чтобы не раздавить её) и достаточный вращающий момент, чтобы открутить пробку. Чтобы удовлетворить эти разнообразные потребности, чтобы приспособиться к огромному разнообразию ситуаций “на лету” захватам робота будет нужна очень высокая степень адаптации и чувствительности.

Поиски универсальной руки для роботов привели к проектам, в которых рука робота точно подражает человеческой руке, и другим, в которых “кисть руки” больше напоминает металлические зажимы. А авторы этой большой статьи работали в течение почти десяти лет над компромиссным решением между этими двумя подходами: “руки”, у которой есть часть ловкости человеческой кисти, но без её большой сложности. Их рука не выглядят человеческой, но она неплохо владеет навыками захвата и управления большого разнообразия предметов во многих задачах.

Следует отметить, что Управление перспективных исследовательских программ (DARPA) весьма заинтересована в создании универсальной (и при этом максимально простой, надёжной и дешёвой) роботизированной руки, для чего придумало ежегодные соревнования между роботами и командами робототехников с приличным кушем в 2 млн. долларов США наличными. Мы уже много рассказывали об этих соревнованиях, поэтому, будем акцентировать своё внимание на технических деталях универсальной роборуки.

В 1980-х робототехники могли конструировать и изготавливать роборуки с тремя или четырьмя пальцами (и противопоставляемым большим пальцем), копируя структуру кисти человеческой руки. У этих рук был футуристический, научно-фантастический вид, и они привлекли большое внимание. Но большинство из них выполняли свои функции не эффективно. Копирование многих суставов человеческой руки увеличило сложность и стоимость человекоподобных роборук. У некоторых моделей было больше чем 30 приводов, каждый из которых приводил в действие только один сустав (и каждый из которых мог внезапно отказать). И, из-за наличия на каждом пальце датчиков осязания с низкой чувствительностью, было трудно скоординировать движения “пальцев” руки между всеми точками контакта пальцев с поверхностью захватываемого предмета.

Так называемые “подприводные” (underactuated) руки – это альтернативный подход к роботизированной манипуляции предметами. Их так называют потому, что в них используется меньше двигателей, чем суставов. Они используют пружины или другие механические связи, чтобы соединить твердые детали (такие как фаланги пальца) и “соединить” в единое целое их движения. Тщательная конструкция этих связей может позволить руке автоматически приспосабливаться к различным формам. Это означает, что пальцы могут, например, “обернуться” вокруг предмета без необходимости активного тактильного контроля. (примечание – это очень похоже на процесс “свёртывания” технической системы).

Авторы статьи были довольны своими предыдущими проектами “подприводной” руки, но они знали, что у предстоит ещё много работы, чтобы их роборука могла выполнить технические требования . И на это было всего 18 месяцев. Недавно сформированная команда робототехников бросила новый взгляд на конструкцию руки в свете решения определенных задач, поставленных Управлением перспективных исследовательских программ. Как снять со стола тонкий предмет, такой как ключ? Что нужно сделать, чтобы включить электрический фонарь? И робототехники пересмотрели такие фундаментальные аспекты конструкции, как число пальцев, их размещение вокруг основы кисти руки и захват, который может обеспечить кончики пальцев. Остановились на конструкции из 2-х “подприводных” пальцев и противоположно к ним расположенного полностью приводного большого пальца.

Глядя на картинку видно, что “фишки” конструкции руки-захвата заключается в следующем:
- 2 “небольших пальца” могут поворачиваться на угол до 90 градусов, а большой палец – вправо-влево на угол порядка 45 градусов.
- Все пальцы имеют по 2 фаланги, и связаны гибкой пластиной.
- Все пальцы снабжены “ногтями” (далее ясно станет зачем).
Устройство “пальца” захвата показано на рисунке ниже.

Жёсткие основания фаланг пальцев (детали белого цвета) скреплены друг с другом гибкой упругой пластиной (flexure). Через жёсткие основания протянут трос в оболочке (авторы трос назвали “сухожилие”). Эта конструкция шарнирно закреплена на шарнирном соединении с возвратной пружиной (pin joint with return spring). Основания фаланг покрыты эластичными подушечками пальцев (pad), в которую вмонтированы датчики осязания (embedded touch sensors). Трос может изменять свою длину путём его накручивания, например, на вал, вращаемый маленьким электромотором (на рисунке не показаны). К основанию фаланг винтами прикручены “ногти” (nails). При натяжении/укорочении троса, фаланги пальцев движутся друг навстречу другу, чтобы охватить предмет. При ослаблении/удлинении троса, фаланги движутся в противоположную сторону под действием силы упругости гибкой пластины.

Поскольку пассивная адаптация позволяет пальцам руки соответствовать форме предмета, который нужно схватить, нет необходимости контролировать и управлять, как пальцы согнулись в середине. Тем не менее, один из трех пальцев руки должен был уметь нажимать, например, на кнопку на электрическом фонаре. Чтобы достигнуть этого, пришлось дать большому пальцу два независимо управляемых сустава. Для этого, каждая фаланга большого пальца имеет своё “сухожилие”, каждое из которых приводит в действие отдельный электродвигатель. Таким способом можно управлять нижней частью пальца, чтобы поместить его выше кнопки и затем управлять кончиком пальца, чтобы заставить его нажать на кнопку.

В то время как четыре двигателя управляли тремя пальцами, ещё один двигатель позволил пальцам перемещаться в плоскости ладони между двумя конфигурациями (показанными на верхнем рисунке) для различных видов обхвата. Для надёжного схватывания узких предметов, два пальца устанавливаются параллельно на одной стороне ладони, а большой палец- напротив них, чтобы получился закрытый хват. Можно также выполнять захват при помощи всех трех пальцев в треугольной конфигурации. Эта конфигурация позволяет руке захватить большие объекты, такие как баскетбольный мяч.

А “ногти” нужны, чтобы захватывать мелкие или плоские предметы.

Эти различные захватывающие движения помогли роборуке соответствовать всем требованиям к соревнованиям Управления перспективных исследовательских программ.
Следует отметить, что идея “ногтей” оказалась очень полезной. При их помощи роборука научилась справляться с задачами захвата с приподнятием предмета (например, захвата ключа, лежащего на поверхности стола).
Пока что во время соревнований руками (и пальцами) робота управляли члены команды робототехников. Но в будущем требуется, чтобы робот управлял своими захватами автономно. Это значит, что будет необходимо разрабатывать множество датчиков, которые смогут дать роботу смысл понятий формы, веса и гибкости объекта, с которым руки будут обращаться и разработать соответствующее программное обеспечение.

А пока что, чтобы отследить движение пальцев вокруг их цели, был разработан ряд волоконно-оптических датчиков. Они состояли из петли волоконно-оптического кабеля, включенного в резиновый средний сустав и рецепторов-фотодиодов, размещенных в каждой фаланге пальца. Волоконно-оптические кабели излучали свет, которые попадали в рецепторы по-разному в зависимости от того, как сустав согнут. Например, когда сустав согнут под углом 60 градусов, волоконно-оптический свет попадают в рецепторы в различном месте и с различной интенсивностью, чем когда палец согнут под углом75 градусов. Эти данные можно использовать, чтобы “нанести на карту”: где каждый палец покоился во время пассивного схватывания.

Чтобы дополнить эту информацию, в фаланги пальцев установлены множество датчиков давления. Датчики могут “сказать”, касалась ли рука предмета кончиком пальца, ладонью, или каким-нибудь другим местом. Образцы этой информации обеспечивают компьютер (управляющий руками) данными о форме захватываемого предмета. Например, ручка отвертки будет вступать в контакт с другими датчиками. Датчики давления также снабдят компьютер данными о весе и гибкости поверхности предмета, говоря роботу, как плотно нужно захватить предмет. В каждом пальце на руке размещено 22 таких датчиков, и ещё 48 размещены в ладони.

Коллеги из компании iRobot разработали аппаратное и программное обеспечение, которые позволяет авторам этой статьи управлять рукой и передавать информацию с датчиков на компьютер. Микроконтроллеры, включили в каждый палец, собирают данные от оптоволоконных датчиков и датчиков давления и отправляют данные в главный микроконтроллер, расположенный в ладони. Главный контроллер действует как своего рода “транспортный полицейский” для всей руки, посылая данные с руки на компьютер управления и передавая команды от компьютера управления до отдельных пальцев. Хотя эта информация пока не использовалась, чтобы управлять рукой во время соревнования, была обеспечена визуализация этой информации, чтобы продемонстрировать ее возможности “осязания” роборук.

Рука – ничто без своих пальцев. И роборука – не исключение. Изготовить пальцы помогли коллеги из Гарвардского и Йельского университетов, которые построили части с электронными компонентами, уже включенными в них при проектировании предыдущих версий роборук. А датчики и необходимые для них печатные платы были внедрены в материал подушечек для пальцев методом холодной заливки отверждающимся составом в соответствующие формы. В результате получился палец с внедрённой в него необходимой электроникой, и это работало. Такой производственный метод позволил сильно упростить конструкцию пальцев. От исходного прототипа пальца, из 60 различных частей, пришли к пальцу из всего 12 частей. И отпала необходимость в маленьких винтах других маленьких креплениях.

А для крепления пальцев к ладони использовались магниты. Это позволяло пальцам просто отделяться полностью от ладони руки, если они рисковали стать перегруженными, вместо того, чтобы переломаться посередине. Таким образом, можно было легко потом установить палец на своё место вместо того, чтобы заменять сломанный палец. Чтобы проверить надёжность роборуки, её многократно били по пальцам бейсбольной битой. Пальцы отлетали в сторону, их устанавливали на место. И после этого роборука продолжала работать.

За счёт использования обычных пластмасс и резины и дешёвого метода сборки, роборука получилась не только надёжной, но и дешёвой. Это помогло остаться близко к ожиданию Управления перспективных исследовательских программ, что универсальная роборука будет стоить приблизительно 5,000 долларов США.

В день соревнования DARPA, в июне 2012, роборука превзошла все ожидания. Она выполнила все 19 тестов (9 на захват различных предметов, 9 на захват и манипуляции и 1 тест на силу руки). Каждый тест повторялся 5 раз, чтобы показать, что успешное выполнение теста – не счастливая случайность. Захват таких предметов как шар и телефонная трубка заняли время только секунды. Даже такие задачи на захват и манипуляции как сверление отверстия в деревянном блоке и включение переносного радио были выполнены с лёгкостью. Возможно, самый удивительный был тест на силу, где роборука подняла и держала 22-килограммовый вес (на 6 кг больше, чем это было в предыдущих лабораторных тестах). Роборука справилась с тестами так быстро, что осталось ещё несколько часов свободного времени. Это позволило показать некоторые другие возможности роборуки, о которых даже не подозревали её разработчики. В одном импровизированном тесте штатный сотрудник компании iRobot положил на испытательный стол пинцет и тонкую соломинку. И бросил вызов взять пинцет роборукой и затем взять соломинку, используя пинцет. Этот тест был выполнен за одну попытку….

Через некоторое время Управление перспективных исследовательских программ связалось с разработчиками роборуки, чтобы сообщить, что они выиграли соревнование. Эта победа означала, что Управление перспективных исследовательских программ продолжит использовать эту роборуку в будущих соревнованиях по робототехнике.

Сначала будут затронуты общие вопросы, потом технические характеристики результата, детали, а под конец и сам процесс сборки.

В целом и общем

Создание данного устройства в целом не должно вызвать каких-то сложностей. Необходимо будет качественно продумать только возможности что будет довольно сложно осуществить с физической точки зрения, чтобы рука-манипулятор выполняла поставленные перед ней задачи.

Технические характеристики результата

Будет рассматриваться образец с параметрами длины/высоты/ширины соответственно 228/380/160 миллиметров. Вес сделанной, будет составлять примерно 1 килограмм. Для управления используется проводной дистанционный пульт. Ориентировочное время сборки при наличии опыта - около 6-8 часов. Если его нет, то могут уйти дни, недели, а при попустительстве и месяцы, чтобы была собрана рука-манипулятор. Своими руками и одному в таких случаях стоит делать разве что для своего собственного интереса. Для движения составляющих используются коллекторные моторы. Приложив достаточно усилий, можно сделать прибор, который будет поворачиваться на 360 градусов. Также для удобства работы, кроме стандартного инструментария вроде паяльника и припоя, необходимо запастись:

1. Удлинёнными плоскогубцами.
2. Боковыми кусачками.
3. Крестовой отверткой.
4. 4-мя батарейками типа D.

Пульт дистанционного управления можно реализовать, используя кнопки и микроконтроллер. При желании сделать дистанционное беспроводное управление элемент контроля действий понадобится и в руке-манипуляторе. В качестве дополнений необходимы будут только устройства (конденсаторы, резисторы, транзисторы), которые позволят стабилизировать схему и передавать по ней в нужные моменты времени ток необходимой величины.

Мелкие детали

Для регуляции количества оборотов можно использовать переходные колесики. Они позволят сделать движение руки-манипулятора плавными.

Также необходимо позаботится о том, чтобы провода не усложняли её движения. Оптимальным будет проложить их внутри конструкции. Можно сделать всё и извне, такой подход сэкономит время, но потенциально может привести к сложностям в перемещении отдельных узлов или всего устройства. А теперь: как сделать манипулятор?

Сборка в общих чертах

Теперь приступаем непосредственно к созданию руки-манипулятора. Начинаем с основания. Необходимо обеспечить возможность поворота устройства во все стороны. Хорошим решением будет его размещение на дисковой платформе, которая приводится во вращение с помощью одного мотора. Чтобы она могла вращаться в обе стороны, существует два варианта:

1. Установка двух двигателей. Каждый из них будет отвечать за поворот в конкретную сторону. Когда один работает, второй пребывает в состоянии покоя.
2. Установка одного двигателя со схемой, которая сможет заставить его крутится в обе стороны.

Какой из предложенных вариантов выбрать, зависит исключительно от вас. Далее делается основная конструкция. Для комфорта работы необходимо два «сустава». Прикреплённый к платформе должен уметь наклоняться в разные стороны, что решается с помощью двигателей, размещённых в его основании. Ещё один или пару следует разместить в месте локтевого изгиба, чтобы часть захвата можно было перемещать по горизонтальной и вертикальной линии системы координат. Далее, при желании получить максимальные возможности, можно установить ещё двигатель в месте запястья. Далее наиболее необходимое, без чего не представляется рука-манипулятор. Своими руками предстоит сделать само устройство захвата. Тут существует множество вариантов реализации. Можно дать наводку по двум самым популярным:

1. Используется только два пальца, которые одновременно сжимают и разжимают объект захвата. Является самой простой реализацией, которая, правда, обычно не может похвастаться значительной грузоподъёмностью.
2. Создаётся прототип человеческой руки. Тут для всех пальцев может использоваться один двигатель, с помощью которого будет осуществляться сгиб/разгиб. Но можно сделать и конструкцию сложней. Так, можно к каждому пальцу подсоединить по двигателю и управлять ими отдельно.

Далее остаётся сделать пульт, с помощью которого будет оказываться влияние на отдельные двигатели и темпы их работы. И можно приступать к экспериментам, используя робот-манипулятор, своими руками сделанный.

Возможные схематические изображения результата

Предоставляет широкие возможности для творческих измышлений. Поэтому предоставляются вашему вниманию несколько реализаций, которые можно взять за основу для создания своего собственного устройства подобного предназначения.

Любая представленная схема манипулятора может быть усовершенствована.

Заключение

Важным в робототехнике является то, что практически не существует ограничения по функциональному улучшению. Поэтому при желании создать настоящее произведение искусства не составит труда. Говоря о возможных путях дополнительного улучшения, следует отметить кран-манипулятор. Своими руками сделать такое устройство не составит труда, одновременно оно позволит приучить детей к творческому труду, науке и конструировании. А это в свою очередь позитивно может сказаться на их будущей жизни. Сложно ли будет сделать кран-манипулятор своими руками? Это не так проблемно, как может показаться на первый взгляд. Разве что стоит позаботиться о наличии дополнительных мелких деталей вроде троса и колёс, по которым он будет крутиться.

DIY или Сделай сам ,

Электроника для начинающих

Привет, гиктаймс!

Проект uArm от uFactory собрал средства на кикстартере уже больше двух лет назад. Они с самого начала говорили, что это будет открытый проект, но сразу после окончания компании они не торопились выкладывать исходники. Я хотел просто порезать оргстекло по их чертежам и все, но так как исходников не было и в обозримом будущем не предвиделось, то я принялся повторять конструкцию по фотографиям.

Сейчас моя робо-рука выглядит так:

Работая не спеша за два года я успел сделать четыре версии и получил достаточно много опыта. Описание, историю проекта и все файлы проекта вы сможете найти под катом.

Пробы и ошибки

Начиная работать над чертежами, я хотел не просто повторить uArm, а улучшить его. Мне казалось, что в моих условиях вполне можно обойтись без подшипников. Так же мне не нравилось то, что электроника вращается вместе со всем манипулятором и хотелось упростить конструкцию нижней части шарнира. Плюс я начал рисовать его сразу немного меньше.

С такими входными параметрами я нарисовал первую версию. К сожалению, у меня не сохранилось фотографий той версии манипулятора (который был выполнен в желтом цвете). Ошибки в ней были просто эпичнейшие. Во-первых, ее было почти невозможно собрать. Как правило, механика которую я рисовал до манипулятора, была достаточно простая, и мне не приходилось задумываться о процессе сборки. Но все-таки я его собрал и попробовал запустить, И рука почти не двигалась! Все детли крутились вокруг винтов и, сли я затягивал их так, чтобы было меньше люфтов, она не могла двигаться. Если ослаблял так, чтобы она могла двигаться, появлялись невероятные люфты. В итоге концепт не прожил и трех дней. И приступил к работе над второй версией манипулятора.

Красный был уже вполне пригоден к работе. Он нормально собирался и со смазкой мог двигаться. На нем я смог протестировать софт, но все-таки отсутствие подшипников и большие потери на разных тягах делали его очень слабым.

Затем я забросил работу над проектом на какое-то время, но вскоре принял решении довести его до ума. Я решил использовать более мощные и популярные сервоприводы, увеличить размер и добавить подшипники. Причем я решил, что не буду пытаться сделать сразу все идеально. Я набросал чертежи на скорую руки, не вычерчивая красивых сопряжений и заказал резку из прозрачного оргстекла. На получившемся манипуляторе я смог отладить процесс сборки, выявил места, нуждающиеся в дополнительном укреплении, и научился использовать подшипники.

После того, как я вдоволь наигрался с прозрачным манипулятором, я засел за чертежи финальной белой версии. Итак, сейчас вся механика полностью отлажена, устраивает меня и готов заявить, что больше ничего не хочу менять в этой конструкции:

Меня удручает то, что я не смог привнести ничего принципиально нового в проект uArm. К тому времени, как я начал рисовать финальную версию, они уже выкатили 3D-модели на GrabCad. В итоге я только немного упростил клешню, подготовил файлы в удобном формате и применил очень простые и стандартные комплектующие.

Особенности манипулятора

До появления uArm, настольные манипуляторы подобного класса выглядели достаточно уныло. У них либо не было электроники вообще, либо было какое-нибудь управление с резисторами, либо было свое проприетарное ПО. Во-вторых, они как правило не имели системы параллельных шарниров и сам захват менял свое положение в процессе работы. Если собрать все достоинства моего манипулятора, то получается достаточно длинный список:

1. Система тяг, позволяющих разместить мощные я тяжелые двигатели в основании манипулятора, а также удерживающие захват параллельно или перпендикулярно основанию
2. Простой набор комплектующих, которые легко купить или вырезать из оргстекла
3. Подшипники почти во всех узлах манипулятора
4. Простота сборки. Это оказалось действительно сложной задачей. Особенно трудно было продумать процесс сборки основания
5. Положение захвата можно менять на 90 градусов
6. Открытые исходники и документация. Все подготовлено в доступных форматах. Я дам ссылки для скачивания на 3D-модели, файлы для резки, список материалов, электронику и софт
7. Arduino-совместимость. Есть много противников Arduino, но я считаю, что это возможность расширения аудитории. Профессионалы вполне могут написать свой софт на C - это же обычный контроллер от Atmel!

Механика

Для сборки необходимо вырезать детали из оргстекла толщиной 5мм:

С меня за резку всех этих деталей взяли около $10.

Основание монтируется на большом подшипнике:

Особенно трудно было продумать основание с точки зрения процесса сборки, но я подглядывал за инженерами из uArm. Качалки сидят на штифте диаметром 6мм. Надо отметить, что тяга локтя у меня держится на П-образном держателе, а у uFactory на Г-образном. Трудно объяснить в чем разница, но я считаю у меня получилось лучше.

Захват собирается отдельно. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Сама клешня сидит прямо на валу двигателя:

В конце статьи я дам ссылку на суперподробную инструкцию по сборке в фотографиях. За пару часов можно уверенно все это скрутить, если все необходимое есть под рукой. Также я подготовил 3D-модель в бесплатной программе SketchUp. Её можно скачать, покрутить и посмотреть что и как собрано.

Электроника

Чтобы заставить руку работать достаточно всего навсего подключить пять сервоприводов к Arduino и подать на них питание с хорошего источника. У uArm использованы какие-то двигатели с обратной связью. Я поставил три обычных двигателя MG995 и два маленьких двигателя с металлическим редуктором для управления захватом.

Тут мое повествование тесно сплетается с предыдущими проектами. С некоторых пор я начал и для этих целей даже подготовил свою Arduino-совместимую плату . С другой стороны как-то раз мне подвернулась возможность дешево изготовить платы (о чем я тоже ). В итоге все это закончилось тем, что я использовал для управления манипулятором свою собственную Arduino-совместимую плату и специализированный шилд.

Этот шилд на самом деле очень простой. На нем четыре переменных резистора, две кнопки, пять разъемов для сервопривода и разъем питания. Это очень удобно с точки зрения отладки. Можно загрузить тестовый скетч и записать какой-нибудь макрос для управления или что-нибудь вроде того. Ссылку для скачивания файла платы я тоже дам в конце статьи, но она подготовлена для изготовления с металлизацией отверстий, так что мало пригодна для домашнего производства.

Программирование

Самое интересное, это управление манипулятором с компьютера. У uArm есть удобное приложение для управления манипулятором и протокол для работы с ним. Компьютер отправляет в COM-порт 11 байт. Первый из них всегда 0xFF, второй 0xAA и некоторые из оставшихся - сигналы для сервоприводов. Далее эти данные нормализуются и отдаются на отработку двигателям. У меня сервоприводы подключены к цифровым входам/выходам 9-12, но это легко можно поменять.

Терминальная программа от uArm позволяет изменять пять параметров при управлении мышью. При движении мыши по поверхности изменяется положение манипулятора в плоскости XY. Вращение колесика - изменение высоты. ЛКМ/ПКМ - сжать/разжать клешню. ПКМ + колесико - поворот захвата. На самом деле очень удобно. При желании можно написать любой терминальный софт, который будет общаться с манипулятором по такому же протоколу.

Я не буду здесь приводить скетчи - скачать их можно будет в конце статьи.

Видео работы

И, наконец, само видео работы манипулятора. На нем показано управление мышью, резисторами и по заранее записанной программе.

Ссылки

Файлы для резки оргстекла, 3D-модели, список для покупки, чертежи платы и софт можно скачать в конце моей

Введение

Робот (чеш. robot , от robota — подневольный труд, rob — раб), машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром. Первые упоминания о человекоподобных машинах встречаются ещё в древнегреческих мифах. Термин «робот» был впервые введён К. Чапеком в пьесе « R . U . R .» (1920), где Роботами называли механических людей. В настоящее время робототехника превратилась в развитую область промышленности: тысячи промышленных роботов работают на различных предприятиях мира, подводные манипуляторы стали непременной принадлежностью подводных исследовательских и спасательных аппаратов, изучение космоса опирается на широкое использование роботов с различным уровнем интеллекта. С развитием робототехники определились 3 разновидности Роботов: с жёсткой программой действий; манипуляторы, управляемые человеком-оператором; с искусственным интеллектом (иногда называемые интегральными), действующие целенаправленно («разумно») без вмешательства человека. Большинство современных Роботов (всех трёх разновидностей) — Роботы манипуляторы, хотя существуют и другие виды Роботов (например, информационные, шагающие и т. п.). Возможно объединение Роботов первой и второй разновидностей в одной машине с разделением времени их функционирования. Допустима также совместная работа человека с Роботами третьего вида (в так называемом супервизорном режиме). Первые Роботы («андроиды», имитировавшие движения и внешний облик человека) использовались преимущественно в развлекательных целях. С 30-х гг. в связи с автоматизацией производства Роботы — автоматы стали применять в промышленности наряду с традиционными средствами автоматизации технологических процессов, в частности в мелкосерийном производстве и особенно в цехах с вредными условиями труда.

Промышленный Робот манипулятор имеет «механическую руку» (одну или несколько) и вынесенный пульт управления или встроенное устройство программного управления, реже ЭВМ. Он может, например, перемещать детали массой до нескольких десятков кг в радиусе действия его «механических рук» (до 2 м), выполняя от 200 до 1000 перемещений в час. Промышленные Роботы — автоматы имеют преимущество перед человеком в скорости и точности выполнения ручных однообразных операций. Наиболее распространены Роботы манипуляторы с дистанционным управлением и «механической рукой», закрепленной на подвижном или неподвижном основании. Оператор управляет движением манипулятора, одновременно наблюдая её непосредственно либо на телевизионном экране; в последнем случае. Роботы снабжается «телевизионным глазом» — передающей телевизионной камерой. Часто Робот оснащают обучающейся автоматической системой управления. Если такому Роботу «показывают» последовательность операций, то система управления фиксирует всё в виде программы управления и затем точно воспроизводит при работе. Роботы манипуляторы используют для работы в условиях относительной недоступности либо в опасных, вредных для человека условиях, например в атомной промышленности, где они применяются с 50-х гг. В 60-х гг. появились подводные Роботы манипуляторы разнообразных конструкций и назначения: от глубоководных управляемых аппаратов с «механическими руками» (в частности, для захвата образцов породы со дна моря и т. д.) и ползающих по морскому дну платформ с исследовательской аппаратурой до подводных бульдозеров и буровых установок. Подобные манипуляторы применяются и в космонавтике, на американских «Шаттлах».

Робот – это универсальный автомат, позволяющий выполнять механические действия. Его принципиальной особенностью является быстрая оперативная перестройка с одной выполняемой операции на другую. Существует несколько разновидностей роботов и для каждого из них имеется своё определение. Чаще всего говорят о трёх поколениях роботов: промышленных роботах или манипуляторах, адаптивных роботах и роботах с искусственным интеллектом или как говорили раньше – интегральных роботах.

Манипулятор, 1) в горном деле - основной механизм буровой каретки, предназначенный для перемещения в призабойном пространстве автоподатчика с перфоратором (бурильной машиной).

2) В процессах обработки металлов давлением - машина для выполнения вспомогательных операций, связанных с изменением положения заготовки.

3) В ядерной технике - приспособление для работы с радиоактивными веществами, исключающее непосредственный контакт человека с этими веществами. С помощью М. можно захватывать предмет, находящийся за защитной стенкой, перемещать и поворачивать его. М. пантографического типа с механическим приводом (копирующий М.) точно воспроизводит движение руки оператора. Угловая ориентация копирующей «руки» и движения, имитирующие сжимание и захват, передаются гидравлическим приводом или тросами, идущими от управляющей рукоятки к копирующей «руке». Для дистанционного управления на большом расстоянии от оператора применяются М., управляющее и копирующее плечи которых связаны между собой электрически.

«МЕХАНИЧЕСКИЕ РУКИ»

История механических рук начинается с… атомной физики. Дело в том, что многие материалы, с которыми приходится иметь дело в этой области науки, обладают радиоактивностью – свойством выделять в окружающее пространство опасные для здоровья человека лучи. Механические руки стали устанавливать там, куда доступ человека нежелателен, а сам он, управляющий руками, располагался в другом, безопасном помещении. Можно сказать, что в этих копирующих манипуляторах была использована та же идея, что и в известных всем куклах – марионетках. Оператор, работающий на манипуляторе, рукой приводит в движение управляющий механизм, звенья которого соединены с соответствующими звеньями исполнительного механизма, повторяющего все движения руки оператора.

При работе с радиоактивными веществами расстоянии от оператора до исполнительных рук манипулятора может доходить до десятков метров, при работах в подводном мире – до тысяч метров. При применении манипуляторов в космическом пространстве это расстояние будет измеряться сотнями тысяч, миллионами километров… Надёжное и точное управление на значительном расстоянии – вот первое требование, которое предъявляют к любой конструкции копирующего манипулятора. Первое, но не единственное

РОБОТ ТИПА «РУКА»

Каждый робот рассчитан на выполнение той или иной работы, которая и определяет его конструкцию, размеры, степень подвижности, число рук и пальцев на руке, грузоподъёмность, точность движения и т.д. Независимо от того, стоит ли робот возле станков, передвигается между ними или ползает под потолком, у него всегда есть мощная механическая рука с двумя или четырьмя пальцами. Роботы отличаются один от другого общим видом, габаритами и техническими характеристиками, но у них есть и общие признаки. На рис. 4 изображена структурная схема такого робота. Рукой управляет либо оператор с пульта, либо мозг робота – его ЦВМ (цифровая вычислительная машина). В блоке памяти находится программа действий робота, которую вводят в него или которую он приобретает во время обучения.

Общий блок управления электрическими, гидравлическими или пневматическими двигателями, расположенными в плече руки, предплечье, в кисти, состоит из цепей управления движением руки по каждой из координатных осей. Сколько степеней свободы у руки, столько и цепей управления.

Рис. 4. Структурная схема робота.

Робот – манипулятор, встав на рабочее место, согласовывает свою работу с обслуживаемым технологическим оборудованием. Движения руки точные, повороты строго рассчитаны во времени. Робот с оборудованием образует автоматизированную ячейку. Из таких ячеек составляют робототехнологические комплексы или линии. Одно из наиболее распространённых занятий роботов – манипуляторов – окраска изделий.

Окрашивают обычно способом набрызгивания. Чтобы защититься от вредного действия распыляемой краски, приходится работать в специальной маске, а рабочую зону оборудовать специальными защитными устройствами. Это сложно, дорого и все равно небезвредно для человека. Если же окраску изделий поручить манипулятору, а управление им человеку, это оздоровит условия работы и повысит производительность труда.

Процессы формовки кирпича обычно высокомеханизированы. За формовкой следуют операции пропаривания, обжига, требующие перекладывания кирпича и складывания его в пирамиды определённой конфигурации. Эти операции также можно механизировать и автоматизировать, используя манипуляторы. Механическая рука может брать одновременно 5-6 и более кирпичей, каждый из которых весит до 4 кг, и не боится обжечься, даже если они только что из печи.

Стеклянные заготовки для телевизионного кинескопа могут весить 10-15 кг. Сложный технологический процесс их изготовления требует многократной установки, съёма, погрузки. Сотни людей были заняты этой малопроизводительной работой, но им на смену пришли механические руки.

Эти несколько скупых примеров ясно свидетельствуют о том, как широко поле деятельности, открывающееся перед автоматическими манипуляторами в самых различных областях производства.

РОБОТЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ – ОБУЧАЕМЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

Каждый промышленный робот – манипулятор состоит из двух основных частей: манипулятора и устройства управления. Первая отвечает за все необходимые движения, вторая – за управление ими. Описывая конструктивную компоновку робота для промышленности, трудно удержаться от сравнения его с «конструкцией» человека. Каждый промышленный робот имеет мозг – блок управления и механическую часть, включающую тело и руку. Тело робота – это, как правило, массивное основание или, как его называют, станина, а рука – многозвенный рычажный механизм – манипулятор. Чтобы рука могла совершать положенное ей многообразие движений, она имеет мышцы – привод. Задача мышц – преобразовывать сигналы блока управления в механические перемещения руки. Венчает механическую руку кисть или захватное устройство – схват.

Большинство промышленных роботов имеет одну руку, но существуют и роботы, обладающие двумя, тремя и более руками. Взглянув на руки промышленного робота, почти любой человек, даже не обладающий проницательностью Шерлока Холмса, сможет, немного подумав, определить сферу «профессиональных интересов» робота. Вот клешни из трёх крюков для круглых поковок, вот присоски, как у осьминога, для стеклянных листов, вот ковш для сыпучих материалов, и т.д. и т.п. Ещё проще разобраться в обязанностях робота, если руки его снабжены специализированным инструментом: сверлом, краскораспылителем, гайковёртом и др. Инструмент закреплён прямо на руке, а не в схвате, теперь уже ненужном.

Различают руки роботов и по размерам: есть экземпляры рук для работы с многотонными валами, а есть миниатюрнейшие щипчики – пинцетики для изделий микроэлектроники или часовых шестерёнок. Некоторые пальчики – усики манипулируют деталями, различимыми лишь в микроскоп.

C писок литературы

Вадим Викторович Мацкевич «Занимательная анатомия роботов» – М.: Сов. радио, 1980.

Значение слова «Манипулятор» в Большой Советской Энциклопедии