Определение формы и размеров области в шестимерном пространстве задающей допустимые мгновенные состояния механизма руки антропоморфного робота

Притыкин Фёдор Николаевич доктор технических наук профессор, кафедра Инженерная геометрия и САПР, Омский Государственный Технический Университет 644050, Россия, Омская область, г. Омск, ул. Пр. Мира, 11 Pritykin Fedor Nikolaevich Doctor of Technical Science Professor, Department of Engineering Geometry and CAD, Omsk State Technical University 644050, Russia, Omskaya oblast', g. Omsk, ul. Pr. Mira, 11 pritykin@mail.ru Другие публикации этого автора

Небритов Валерий Иванович аспирант, кафедра Инженерная геометрия и САПР, Омский Государственный Технический Университет 644050, Россия, Омская область, г. Омск, пр. Мира, 11 Nebritov Valeriy Ivanovich Postgraduate Student, Department of Engineering Geometry and CAD, Omsk State Technical University 644050, Russia, Omskaya oblast', g. Omsk, pr. Mira, 11 vnebritov@gmail.com Другие публикации этого автора

Введение

В настоящее время во многих странах ведутся работы связанные с созданием антропоморфных робототехнических систем, предназначенных для использования в космонавтике, медицине и др. ^[1-7]. Антропоморфная робототехника ориентирована на создание человекоподобных робототехнических систем, предназначенных для выполнения тяжёлых, монотонных, опасных и вредных работ. Для указанных роботов характерна кинематика механизмов, свойственная движениям рук человека. Данные роботы имеют в качестве исполнительного устройства многозвенные манипуляторы с избыточностью в степенях свободы, позволяющие осуществлять выполнение различных операций в организованном рабочем пространстве. Антропоморфные роботы в большинстве случаев управляются на основе копирующих устройств человеком-оператором. Однако оператор не может присутствовать в рабочей зоне и не всегда робот может точно повторять движения человека, что приводит к невозможности выполнения задания. В связи с этим разрабатываются адаптивные системы управления, которые способны автоматически генерировать программу движения руки с учетом окружающей обстановки. Исходными данными подобных систем являются модели запретных зон, объектов манипулирования, механизма руки и др. . Для решения задач связанных с определением достижимости целевых точек механизмом подвижной руки этого робота на основе виртуального моделирования в организованных средах существует необходимость в задании геометрических моделей кинематической цепи и разработке автоматизированных методов синтеза их движений ^[8,9,14]. Виртуальное моделирование перемещения механизма руки на основе указанных моделей может быть осуществлено синтезом движений по вектору скоростей ^[11,13-15]. Для осуществления движения механизма руки этим способом (без участия человека оператора) в реальном масштабе времени необходимо решать задачу сокращения времени расчета промежуточных конфигураций. Каждая последующая расчетная конфигурация позволяет в итоге перемещать руку робота, из начального в целевое положение в автоматизированном режиме. В связи с этим необходимо сокращать время вычисления приращений обобщенных координат на каждом шаге расчетов. Для задания геометрических моделей кинематических цепей роботов в работах ^[10-12] предложено использовать совокупность кодов. В настоящей работе на основе указанного способа приведён пример задания геометрической модели руки антропоморфного робота, используемого в научно-исследовательской лаборатории 3D-моделирования мехатронных систем, разработанной в НПО «Андроидная техника». Кроме этого на основе полученной модели определена область допустимых значений вектора приращений обобщённых координат при синтезе движений для некоторых конфигураций руки. Это позволило выполнить модификацию исходного алгоритма синтеза движения по вектору скоростей, представленного в работах ^[14,15], при котором сокращено время вычисления промежуточных конфигураций.

Задание геометрической модели механизма руки антропоморфного робота

Рассмотрим исполнительный механизм руки антропоморфного робота, общий вид и кинематическая схема которого представлены на рис. 1аб. Положение узловых точек О₁–О₁₃ механизма руки в неподвижном пространстве определяют совокупность матриц M_0,1, M_0,2, ... , M_0,nm размерности 4x4 ^[12-14]. Параметр n_m определяет число систем О₁, О₂, …, О_nm, используемых при задании геометрической модели механизма руки антропоморфного робота (рис. 2). Для рассматриваемого примера n_m ≠ n и n_m= 13, где n – задает число обобщенных координат механизма манипулятора. Матрицы M_0,k определяют произведением матриц M_{k-1, k}. В заданной модели кинематической цепи, точки O₁, O₂ и O₃ совпадают (см. рис. 2) Для расчета элементов матриц M_k-1,k используют массивы q_i, l_k, l_sm и n_kod ^{[11, 12]}. Указанные массивы задают соответственно значения обобщенных координат q_i, длины звеньев механизмов l_k, смещения вдоль осей систем координат l_sm, неподвижно связанных со звеньями механизма, и коды преобразований систем координат nkod. Размерность указанных массивов является одинаковой и определяется значением параметра nm^[11]. Указанные массивы дают возможность организовывать циклы при вычислениях матриц M_0,k.

а

б

Рис. 1 Антропоморфный робот: а) общий вид; б) кинематическая схема

Рис. 2 Изображение систем координат, задающих геометрическую модель руки антропоморфного робота

Указанные матрицы дают возможность определять положения звеньев и расчет их пересечений с запретными зонами. Значения элементов массивов заданы в таблице 1. Предельные значения обобщённых координат механизма соответственно в таблице 2.

При синтезе движения по вектору скоростей ^[14] механизма руки необходимо учитывать предельные значения обобщённых координат, геометрический смысл которых показан на рис. 3. В соответствии с методикой, представленной в работах ^{[11, 12]}, обозначение геометрической модели руки антропоморфного робота будет следующей: М4-1-2-12-3-12-2-12-1-12-2-2-12. В этом случае при задании геометрической модели используются тринадцать систем координат.

Таблица 1. Значения элементов массивов q_i, smi, n_kod

Массивы	Номер преобразования систем координат
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
qi,(град.мм)	q1 = 0	q2 = 180°	q3 = 0°	0	q4 = 0°	0	q5 = 90°	0	q6 = 0°	0	q7 = 0°	q8 = 0°	0
smi (мм)	0	0	0	l1 = 103	0	l2 = -130	0	l3 = 104	© 1998 – 2024 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.