modelowanie numeryczne zjawisk kontaktowych … · poddany chwytak, którego schemat kinematyczny...

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2017 nr 64, ISSN 1896-771X

17

MODELOWANIE NUMERYCZNE ZJAWISK KONTAKTOWYCH PODCZAS CHWYTANIA I MANIPULOWANIA PRZEDMIOTEM PRZEZ CHWYTAK WIELOPALCOWY

Artur Handke1a, Sławomir Wudarczyk1b

1 Katedra Inżynierii Biomedycznej, Mechatroniki i Teorii Mechanizmów, Politechnika Wrocławska [email protected], [email protected]

Streszczenie W artykule przedstawiono autorską metodę rozwiązania problemu modelowania stabilnego uchwycenia przedmio-tu w trakcie manipulowania antropomorficznym chwytakiem wielopalcowym. Badania przeprowadzono na modelu numerycznym, utworzonym w środowisku MSC ADAMS. Model numeryczny chwytaka zbudowano zgodnie z przyjętymi parametrami kinematycznymi modułu ręki. Zastosowane zjawiska kontaktowe wykorzystano podczas symulacji chwytania przedmiotu z zamiarem chwytania kształtowego. Głównym założeniem algorytmu sterującego pracą napędów podczas chwytania przedmiotu było wykorzystanie informacji jedynie o wystąpieniu kolizji pomię-dzy powierzchniami palców chwytaka a przedmiotem. Etap manipulacji uchwyconym przedmiotem został prze-prowadzony z wykorzystaniem informacji o wartości sił nacisku i poślizgu pomiędzy przedmiotem a określoną czę-ścią chwytaka. Celem przeprowadzonych badań było uzyskanie zmniejszenia przemieszczeń przedmiotu względem nieruchomego układu odniesienia w trakcie próby jego manipulacji.

Słowa kluczowe: chwytanie kształtowe, chwytanie siłowe, chwytak antropomorficzny, algorytm sterowania

NUMERICAL MODELING OF CONTACT PHENOMENA DURING GRASPING AND MANIPULATING OF THE OBJECT BY A MULTIFINGER GRIPPER

Summary The paper presents an original method to solve the problem of modeling a stable grasp of the object during grasp-ing by the multi-fingered anthropomorphic gripper. Tests were carried out on numerical model formed in an MSC Adams. The numerical model of the gripper, built in accordance with established kinematics parameters of a hand module. Contact phenomena was used during the grasping simulation of the object with the aim on shape based grasping. The main idea of the drives control algorithm during object grasping was to use only the information from a collision between the predefined gripper’s surfaces and the object. The stage of manipulation of grasped ob-ject was conducted using information on the tactile forces and feedback information on displacement between the object and the specific part of the gripper with the activation of the appropriate drive. The aim of the study was to reduce the movements of the object relative to a stationary reference system during manipulation.

Keywords: shape based grasping, power grasping, anthropomorphic gripper, control algorithm

1. WSTĘP

Od wielu lat można zauważyć dwie tendencje w projek-towaniu chwytaków. Pierwsza z nich dotyczy rozwoju chwytaków przemysłowych o niewielkiej liczbie stopni swobody przeznaczonych do wyspecjalizowanych celów.

Chwytaki te są powszechnie stosowane na liniach pro-dukcyjnych, najczęściej mają prostą budowę i nie posia-dają cech uniwersalności. W rzeczywistości do określone-go zadania konieczne jest zaprojektowanie wyspecjalizo-

MODELOWANIE NUMERYCZNE ZJAWISK KONTAKTOWYCH PODCZAS CHWYTANIA

wanego, dedykowanego chwytaka. Drugi kierunekczy prac rozwojowych nad chwytakamicechy antropomorficzne. Charakteryzują się one wielczłonową budową, wysoką manewrowościsterowalnością [1]. Wiele grup badawczych zainteresowania w stronę zaprojektowania i wykonania chwytaków uniwersalnych, zdolnych do chwycenia i utrzymania przedmiotów o złożonych kształtach. Podstawowym ich zastosowaniem jest protezagórnej człowieka. Proste chwytaki o stosunkowo stopniu złożoności posiadają najczęściej jeden stopień swobody, natomiast bardziej złożone rozwiązania posiadają nawet 22 [3] i więcej stopni swobody. Struktra takich chwytaków nawiązuje wówczas do anatomii układu szkieletowo-stawowego ludzkiej rękichwytaki antropomorficzne.

W niniejszej pracy przedstawiono wybrane aspekty związane z problemem dopasowania struktury mechnicznej chwytaka typu ręka człowieka do chwytania określonych przedmiotów i manipulacji nimiporównawczej poddano chwytak cztero-Wyniki badań symulacyjnych, przeprowadzonych zgonie z opracowanymi algorytmami pracy pozwoliły na ocenę zdolności chwytnych i manipulacywariantów chwytaka.

W pierwszym etapie przeprowadzono badania symulcyjne procesu chwytania i manipulacji dla modelu chwytaka pięciopalcowego. Następnie przeprowadzono analizy numeryczne po usunięciu z niego Struktura kinematyczna poszczególnych palców chwytka czteropalcowego względem pięciopalcowego nieznacznie zmieniona pod względem liczby przegubów i napędów. Model numeryczny chwytaka utworzonośrodowisku MSC ADAMS [7]. Widok modelu bryłowego przedstawiono na rys.

Rys. 1. Model numeryczny chwytaka wykorzystanego w niach


18

Drugi kierunek doty-nad chwytakami zachowującymi . Charakteryzują się one wielo-

manewrowością i złożoną Wiele grup badawczych kieruje swoje

w stronę zaprojektowania i wykonania alnych, zdolnych do chwycenia

utrzymania przedmiotów o złożonych kształtach. jest proteza kończyny

stosunkowo niskim ci posiadają najczęściej jeden stopień

swobody, natomiast bardziej złożone rozwiązania [4] i więcej stopni swobody. Struktu-

ra takich chwytaków nawiązuje wówczas do anatomii stawowego ludzkiej ręki. Są to

przedstawiono wybrane aspekty struktury mecha-

nicznej chwytaka typu ręka człowieka do chwytania i manipulacji nimi [5]. Analizie

- i pięciopalcowy. przeprowadzonych zgod-

nie z opracowanymi algorytmami pracy pozwoliły na ocenę zdolności chwytnych i manipulacyjnych obu

W pierwszym etapie przeprowadzono badania symula-wytania i manipulacji dla modelu

chwytaka pięciopalcowego. Następnie przeprowadzono z niego jednego palca.

Struktura kinematyczna poszczególnych palców chwyta-ka czteropalcowego względem pięciopalcowego została

pod względem liczby przegubów i chwytaka utworzono w . Widok podstawowego

modelu bryłowego przedstawiono na rys. 1.

. Model numeryczny chwytaka wykorzystanego w bada-

2. CHWYTANIE KSZTAŁTOWE PRZEDMIOTU

W procesie chwytania kształtowegoistotnej roli, zatem przyjmuje się oddziaływania siłowego palców chwytaka na przedmiot. Sposób chwytania uzależniony jest przede wszystkim od możliwości ruchowych samych elementów chwytnychczyli paliczków. Przy chwytaniu kształtowym kontakt elementów chwytaka z przedmiotem musi następować w takich jego punktach, aby w konsekwencji odebrane wszystkie stopnie swobody chwytanemu przedmiotowi. W przypadku chwytaków najwierniej odwzorowujących ludzką rękę dowolnego ustalania sekwencji ruchu w poszczególnych czynnych parach kinematycznych (tycznych). W rozwiązaniach uproszczonychdach niedosterowanych [8] (zawierających układy matyczne o ruchliwości przewyższając[10]) konieczne jest natomiast zastosowanie sprzężenia zwrotnego od elementów sensorycznychwiększego prawdopodobieństwa wysunięcia się przedmitu w trakcie procesu chwytania [5

2.1 STABILNOŚĆ UCHWYCENIA

W celu weryfikacji zdolności chwytaka do przedmiotu konieczne jest przyjęcieuchwycenia wraz z niezbędnymi parametrami pozwalajcymi na weryfikację jego poprawno

Przyjęte w pracy kryterium stabilnego uchwycenia opiera się na zarejestrowaniu odpowiedniej liczby puntów styku pomiędzy chwytanym przedmiotemwierzchniami sensorycznymi palców.chwytu przyjęto minimalną liczbę 6 punktów styku i jest to ogólny warunek dla przedmiotów o złożonym ksztacie. Dysponując już współrzędnymi wyznaczano objętość bryły, której wierzchołkte punkty. Był to jeden z parametrów wykordo oceny jakości pewności chwytu.trzy punkty styku powierzchni przedmiotu i palców manipulatora, należy stwierdzić, że znaczają one płaszczyznę w przestrzeni.punkt styku leżący na wspólnej płaszczyźnie z tymi trzema punktami jest zbędny. ność uchwycenia nie wzrasta pomimo obecności dodakowego punktu styku. Do wykluczenia współpłaszczznowości czwartego punktu skorzystano z wartości wyznacznika Gramma [2]. Wyznacznik ten odpowiada objętości równoległościanu, utworzonego z rów. Wektory te opisano za pomocą (rys. 2).

W przypadku pojawienia się piątego stykubyły objętości dla wszystkich kombinacjitrzema uprzednio znalezionymi punktami

MODELOWANIE NUMERYCZNE ZJAWISK KONTAKTOWYCH PODCZAS CHWYTANIA (...)

CHWYTANIE KSZTAŁTOWE

W procesie chwytania kształtowego tarcie nie odgrywa przyjmuje się jego brak podczas

oddziaływania siłowego palców chwytaka na przedmiot. Sposób chwytania uzależniony jest przede wszystkim od możliwości ruchowych samych elementów chwytnych,

Przy chwytaniu kształtowym kontakt z przedmiotem musi następować w

w konsekwencji zostały odebrane wszystkie stopnie swobody chwytanemu

przypadku chwytaków najwierniej odwzorowujących ludzką rękę [3] istnieje możliwość

sekwencji ruchu w poszczególnych parach kinematycznych (wymuszeń kinema-

uproszczonych, bądź ukła-zawierających układy kine-

przewyższającej liczbę napędów konieczne jest natomiast zastosowanie sprzężenia

zwrotnego od elementów sensorycznych. Wynika to z wysunięcia się przedmio-5].

STABILNOŚĆ UCHWYCENIA

W celu weryfikacji zdolności chwytaka do uchwycenia przyjęcie kryterium stabilnego

uchwycenia wraz z niezbędnymi parametrami pozwalają-poprawności.

um stabilnego uchwycenia na zarejestrowaniu odpowiedniej liczby punk-

pomiędzy chwytanym przedmiotem a po-wierzchniami sensorycznymi palców. Dla pewnego

ę 6 punktów styku i jest to ogólny warunek dla przedmiotów o złożonym kształ-

Dysponując już współrzędnymi punktów styku, bryły, której wierzchołki stanowiły

z parametrów wykorzystanych chwytu. Biorąc pod uwagę

powierzchni przedmiotu i palców należy stwierdzić, że jednoznacznie wy-

w przestrzeni. Każdy kolejny punkt styku leżący na wspólnej płaszczyźnie z tymi

dny. W konsekwencji stabil-ność uchwycenia nie wzrasta pomimo obecności dodat-kowego punktu styku. Do wykluczenia współpłaszczy-znowości czwartego punktu skorzystano z wartości

. Wyznacznik ten odpowiada nu, utworzonego z trzech wekto-

za pomocą czterech punktów

piątego styku sprawdzane objętości dla wszystkich kombinacji tego punktu z

punktami spośród czte-

Artur Handke, Sławomir Wudarczyk

19

rech. Schemat ten był powtarzany przy szóstym oraz każdym kolejnym punkcie styku. W sytuacji wystąpienia współpłaszczyznowości czterech punktów odrzucany był ostatni sprawdzany punkt, czynność weryfikacji współ-płaszczyznowości przerywano w chwili znalezienia sze-ściu punktów styku, spełniających postawione kryte-rium.

Rys. 2. objętość opisana czterema punktami styku [5]

2.2 ALGORYTM CHWYTANIA

W celu przeprowadzenia symulacji ruchu poszczególnych paliczków chwytaka na etapie chwytania opracowano ogólny algorytm sterowania pracą napędów w przegu-bach zginających. W przyjętym algorytmie uwzględniono różne warianty wymuszeń kinematycznych ruchu dla poszczególnych segmentów palca (tabela 1).

Tabela 1. Zestawienie przyjętych konfiguracji palców.

Kon

figu

racj

a 1

Kon

figu

racj

a 2

Kon

figu

racj

a 3

Kon

figu

racj

a 4

Kon

figu

racj

a 5

Kon

figu

racj

a 6

liczba napędów 3 1 1 2 2 2

liczba przegubów 3 2 3 2 3 3

liczba sprzężeń 0 1 2 0 1 1

przegub 1 (Θ1)

niez

ależ

ny

f(Θ

1,Θ

2)=

0

f(Θ

1,Θ

2,Θ

3)=

0

niez

ależ

ny

niez

ależ

ny

f(Θ

1,Θ

2)=

0

przegub 2 (Θ2)

niez

ależ

ny

niez

ależ

ny

f(Θ

2,Θ

3)=

0

przegub 3 (Θ3)

niez

ależ

ny

stał

y

stał

y

niez

ależ

ny

Założono, iż poszczególne paliczki obracają się w wyzna-czonym zakresie ruchu. W przypadku wymuszeń nieza-leżnych dla każdego paliczka zatrzymanie pracy napę-dów danego segmentu palca następuje, gdy wystąpi jego kontakt z przedmiotem lub jeżeli kontakt wystąpi na następnym paliczku danego palca (rys. 3).

Rys. 3. Schematy uruchomień przegubów zginających palca zależnie od wariantu umiejscowienia kontaktu z przedmiotem, przy czym napędy pracują niezależnie od siebie

W przypadku synchronizacji ruchu dwóch lub trzech paliczków (rys. 4) kontakt na którymkolwiek z nich oznacza zatrzymanie ruchu całej grupy paliczków.

Rys. 4. Schematy uruchomień przegubów zginających palca zależnie od wariantu umiejscowienia kontaktu z przedmiotem , przy czym napędy pracują zależnie od siebie – sprzężenie kinematyczne 1 i 2 przegubu

W opracowanym algorytmie uwzględniono również możliwość wystąpienia kolizji pomiędzy paliczkami należącymi do różnych palców [6]. W razie wystąpienia takiej sytuacji następuje zatrzymanie ruchu tych palców, których taka kolizja dotyczy. Przedstawiony na rys. 5 schemat blokowy uniwersalnego algorytmu sterowania napędami podczas chwytania obowiązuje dla każdego palca chwytaka. Jego konkretna postać zależna jest od


20

wybranej struktury chwytaka - liczby paliczków, wpro-wadzonych zależności kinematycznych pomiędzy przegu-bami zginającymi itp. (zgodnie z tabela 1).

Rys. 5. Algorytm sterowania napędami podczas chwytania

2.3 SCHEMAT KINEMATYCZNY CHWYTAKA

Na potrzeby niniejszej metody badawczej przyjęto, że chwytak przeznaczony jest do grupy przedmiotów o kształcie bryły osiowo-obrotowej. Na podstawie prze-prowadzonych wstępnych badań i rozważań teoretycz-nych nad możliwością redukcji liczby członów i przegu-bów czynnych chwytaka badaniom symulacyjnym został poddany chwytak, którego schemat kinematyczny przed-stawiono narys. 6.

Rys. 6. Schemat kinematyczny chwytaka dopasowanego do chwytania przedmiotów w rozpatrywanej grupie kształtów

W porównaniu z postacią wyjściową chwytaka (rys. 1) liczba palców dla tego rozwiązania nie uległa zmianie. Różnica natomiast dotyczy struktury kinematycznej poszczególnych palców wybranego wariantu chwytaka. Redukcja dotyczyła przede wszystkim liczby aktywnych przegubów oraz liczby wprowadzonych sprzężeń kinema-tycznych pomiędzy obrotami sąsiadujących przegubów w danym palcu, co w konsekwencji wpłynęło na zmniejsze-nie liczby napędów.

W wybranym rozwiązaniu (rys. 7) tylko kciuk oraz palec wskazujący posiadają dwa przeguby aktywne, natomiast liczba ruchomych paliczków nie zmieniła się w pozosta-łych trzech palcach. Kciuk charakteryzuje się liczbą napędów równą liczbie przegubów, natomiast palec serdeczny ma pełne sprzężenie ruchów wszystkich pa-liczków względem jednego napędu. Pozostałe palce posiadają dwa napędy przy tylko jednym sprzężeniu obrotów pary przegubów (palec środkowy środkowego i dalszego, mały i wskazujący bliższego i środkowego). W sytuacji zmniejszenia liczby paliczków, czyli ustalenia stałego kąta pomiędzy paliczkiem środkowym i dalszym, elementy sensoryczne obu paliczków zostały przypisane do paliczka środkowego, którego kąt obrotu zdetermino-wany jest napędem drugiego przegubu zginającego.


Rys. 7. Widok modelu bryłowego wybranego chwytaka dopsowanego do chwytania wszystkich przedmiotów w rozpatrywnej grupie kształtów

3. MANIPULOWANIE UCHWYCONYM PRZEDMIOTEM

Z uwagi na przyjęty w niniejszej pracy sposób chwytania oparty na dopasowaniu do kształtu przedmiotu wartość siły nacisku nie ma znaczenia, stąd też nie była uwzględniana podczas oceny jakości uchwycenia. od zera wartość siły została jedynie przyjęta jako wystpienie kolizji pomiędzy przedmiotem Jednakże, aby przeprowadzić manipulację przedmiotem, wprowadzono osobny sposób sterowania chwytakiem, opierając się na chwycie siłowym.

Oznaczało to konieczność wprowadzeniparametrów kontaktowych do definicji napędów palcówUwzględniając możliwość wystąpienia poślizguwartości współczynników tarcia odpowiadających relacji guma–guma, aby wyraźniej wyeksponować ewentualną utratę stabilności chwytu podczas manipulacji tem. Zabieg ten umożliwił detekcję wystąpienia alnego poślizgu i odpowiednie użycie napędów paliczków w celu redukcji tego zjawiska.

3.1 MODEL KONTAKTU W CHWYTANIU SIŁOWYM

Opierając się na chwycie siłowym, należy nieustannie monitorować kontakty pomiędzy przedmiotem a chwytakiem pod względem wystąpienia poślizguAnalizując informacje uzyskane podczas symulacji składowych siły kontaktu (rys.8), możliwe jest wyrónienie siły nacisku Fz (w kierunku normalnym czyzny wprowadzonej w miejscu przenikania się brył,


21

ybranego chwytaka dopa-sowanego do chwytania wszystkich przedmiotów w rozpatrywa-

UCHWYCONYM PRZEDMIOTEM

pracy sposób chwytania przedmiotu wartość

ma znaczenia, stąd też nie była uchwycenia. Różna

wartość siły została jedynie przyjęta jako wystą- a chwytakiem.

aby przeprowadzić manipulację uchwyconym , wprowadzono osobny sposób sterowania

chwytakiem, opierając się na chwycie siłowym.

wprowadzenia dodatkowych definicji napędów palców.

Uwzględniając możliwość wystąpienia poślizgu, przyjęto wartości współczynników tarcia odpowiadających relacji

guma, aby wyraźniej wyeksponować ewentualną utratę stabilności chwytu podczas manipulacji przedmio-

wystąpienia ewentu-alnego poślizgu i odpowiednie użycie napędów paliczków

MODEL KONTAKTU W CHWYTANIU SIŁOWYM

należy nieustannie pomiędzy przedmiotem

chwytakiem pod względem wystąpienia poślizgu [3]. Analizując informacje uzyskane podczas symulacji o

możliwe jest wyróż-(w kierunku normalnym do płasz-

czyzny wprowadzonej w miejscu przenikania się brył,

których to kontakt dotyczy) oraz zgu Fx, i Fy (w płaszczyźnie stycznej

Wystąpienie poślizgu determinujemić powiązany z danym czujnikiem napęd, aby szyć siłę nacisku. Celem zmniejszenia poślizgu w punkcie styku jest uniknięcie zmiany jegprzedmiotu tak, aby możliwie jak najwarunki uzyskane podczas chwytania

Rys. 8. Rozkład składowych sił kontaktu między bryłami

Chcąc zapewnić jednoznaczne odczyty składowej siły nacisku Fz odpowiedzialnej za eliminację poślizgujęto dla każdego elementu kontaktowego współrzędnych na bryle reprezentującej w modelu czunik nacisku. Oś Z tego układu jest normalną do pwierzchni stycznej (poślizgu) w punkcie styku pomiędzy przedmiotem a częścią sensoryczną paliczka.

3.2 ALOGRYTM STEROWANIA NAPĘDAMI W FAZIE PODNOSZENIA PRZEDMIOTU

Opracowany algorytm sterowania napędami w fazie manipulacji uchwyconym przedmiotem wykorzystuje w pełni informacje uzyskane z kontaktu pomiędzy przedmiotem a chwytakiem. Analogicznie chwytania, każdy palec działa niezależnie od pozostłych, a poszczególne paliczki pracują w określonych zakresach obrotu. Każdy napęd przyporządkowany do określonego paliczka i uruchamianykiem wystąpienia kontaktu na tym paliczku. naniu do warunku kończącego etap chwytania kształtwego liczba punktów styku może ulec nieznacznej zminie w trakcie manipulowania przedmiotem. Jest to spowodowane wystąpieniem niedokładnego uchwycenia przedmiotu w pierwszym etapie chwytania kształtowego, ze względu na niewielkie wartości uzyskanej siły nacisku na przedmiot.

Dodatkowo wprowadzono ograniczenie dla nacisku, podyktowane maksymalną mocą napędów w modelu rzeczywistym poślizgu w miejscu styku na danym paliczku warunkuje również uruchomienie jego napędu.wiono uogólniony algorytm sterowania napędami chwtaka podczas manipulowania uchwyconym już przedmitem.

oraz składowych sił pośli-nie stycznej do punktu styku).

Wystąpienie poślizgu determinuje, kiedy należy urucho-czujnikiem napęd, aby zwięk-

nacisku. Celem zmniejszenia poślizgu w punkcie styku jest uniknięcie zmiany jego położenia względem

możliwie jak najwierniej zachować warunki uzyskane podczas chwytania kształtowego.

. Rozkład składowych sił kontaktu między bryłami

zapewnić jednoznaczne odczyty składowej siły odpowiedzialnej za eliminację poślizgu, przy-

dla każdego elementu kontaktowego lokalny układ e reprezentującej w modelu czuj-

nik nacisku. Oś Z tego układu jest normalną do po-wierzchni stycznej (poślizgu) w punkcie styku pomiędzy przedmiotem a częścią sensoryczną paliczka.

ALOGRYTM STEROWANIA NAPĘDAMI W FAZIE PODNOSZENIA PRZEDMIOTU

algorytm sterowania napędami w fazie onym przedmiotem wykorzystuje

pełni informacje uzyskane z kontaktu pomiędzy Analogicznie jak w fazie

iała niezależnie od pozosta-e paliczki pracują w określonych

Każdy napęd przyporządkowany jest uruchamiany jest pod warun-

kiem wystąpienia kontaktu na tym paliczku. W porów-naniu do warunku kończącego etap chwytania kształto-

w styku może ulec nieznacznej zmia-nie w trakcie manipulowania przedmiotem. Jest to spowodowane wystąpieniem niedokładnego uchwycenia przedmiotu w pierwszym etapie chwytania kształtowego, ze względu na niewielkie wartości uzyskanej siły nacisku

Dodatkowo wprowadzono ograniczenie dla wartości siły nacisku, podyktowane maksymalną mocą przyjętych

w modelu rzeczywistym [5]. Wystąpienie miejscu styku na danym paliczku warunkuje

również uruchomienie jego napędu. Na rys.9 przedsta-wiono uogólniony algorytm sterowania napędami chwy-

ania uchwyconym już przedmio-


Rys. 9. Algorytm sterowania napędami chwytaka podczas manipulowania przedmiotem


22

sterowania napędami chwytaka podczas

3.3 ANALIZA STABILNOŚĆI UCHWYCENIA PRZEDMIOTU PODCZAS MANIPULACJI

Do porównania efektu działania algorytmu trakcie manipulacji, opartego na informpunkcie styku, wykorzystano pomiar przemieszczenia przedmiotu względem chwytaka. W tym celu określono odległość środka ciężkości przedmiotu rzędnych, przyjętego na śródręczu tej zmiany przyjęto jako miarprzedmiotu podczas manipulowania nim przez chwytakzgodnie z przyjętym planem przemieszcznego przedmiotu (rys. 10). Plan zakładał zarówno zmianę położenia rii, jak i orientacji przedmiotu względem pozycji wyściowej, uzyskanej w chwili uchwycenia przedmiotu.

Rys. 10. Plan symulacji chwytania i manipulacji przedmiotu podwójnego stożka

Na rys 11 zobrazowano różnicę w liczbie punktów styku w trakcie chwytania dla chwytakwej (rys.13) oraz pięciopalcowej (

Rys. 11. Zmiana liczby punktów kontaktu w czasie chwytania dla chwytaka 4 i 5 palcowego


ANALIZA STABILNOŚĆI UCHWYCENIA PRZEDMIOTU PODCZAS MANIPULACJI

Do porównania efektu działania algorytmu użytego w opartego na informacji o poślizgu w

wykorzystano pomiar przemieszczenia tu względem chwytaka. W tym celu określono

przedmiotu od układu współ-śródręczu chwytaka. Wartość

miarę jakości utrzymania przedmiotu podczas manipulowania nim przez chwytak, zgodnie z przyjętym planem przemieszczania uchwyco-

Plan badań symulacyjnych zarówno zmianę położenia po zadanej trajekto-

przedmiotu względem pozycji wyj-uzyskanej w chwili uchwycenia przedmiotu.

manipulacji przedmiotu –

zobrazowano różnicę w liczbie punktów styku dla chwytaka w wersji czteropalco-

(rys.15).

kontaktu w czasie chwytania


Wyniki te otrzymano z zastosowaniem algorytmu chwtania kształtowego. Różnice w uzyskanych przebiegach wynikają z różnej liczby elementów sensorycznych na obu chwytakach. Z tego powodu przebieg liczby puntów styku dla chwytaka pięciopalcowego wykazwyraźny wzrost od chwili, w której zarejestrowanpierwszy kontakt przedmiotu z chwytakiem.

Parametry konstrukcyjne wybranych rozwiązań chwytków zobrazowano w tabela 2 względem określonych konfiguracji palców danego chwytaka (tabela

Tabela 2. Zestawienie parametrów chwytaka 4palcowego

Konfiguracje palca

wsk

azuj

ący

środ

kow

y

serd

eczn

y

mał

y

kciu

k

chwytak 4-palcowy

6 2 5 6

chwytak 5-palcowy

2 5 3 6 4

Ogólnie rozwiązanie czteropalcowe ma mniej napędów i przegubów niż wariant pięciopalcowy.

Na rys. 12 przedstawiono przykładową zmianę w przbiegu liczby punktów styku w podczasmanipulacji uchwyconym przedmiotem.

Rys. 12. Porównanie liczby punktów kontaktu nia i manipulacji przy zastosowaniu siłowego trzymania przemiotu

Wzrost liczby kontaktów związany jest zuruchomieniem napędów paliczków, co w konsekwencji powoduje przemieszczenie przedmiotu względem chwtaka. Zmniejszenie liczby punktów styku jest efektem tymczasowej utraty kontaktu między przedmiotem a chwytakiem. Jednakże, podczas zwiększania sina poszczególnych paliczkach zmniejsza się poślizg w punkcie styku, a tym samym przemieszczenie przedmitu względem chwytaka. Analizując przemieszczenie przedmiotu względem chwytaka czteropalcoweczas manipulowania uchwyconym przedmiotem, zauważyć widoczną różnicę pomiędzy przebiegami tych przemieszczeń zależnie od sposobu utrzymania przemiotu (rys. 14). W obu przypadkach skokowe przemieszczenie, po którym następuje ustabilizowanie uchwytu, jednakże w siłownia przedmiotu następuje ono wcześniej.


23

algorytmu chwy-uzyskanych przebiegach

wynikają z różnej liczby elementów sensorycznych na przebieg liczby punk-

tów styku dla chwytaka pięciopalcowego wykazuje której zarejestrowano

chwytakiem.

Parametry konstrukcyjne wybranych rozwiązań chwyta-względem określonych

tabela 1).

. Zestawienie parametrów chwytaka 4-palcowego i 5-

Liczba

kciu

k

napę

dów

prze

gubó

w

sprz

ężeń

7 11 4

8 13 4

mniej napędów i

przykładową zmianę w prze-podczas chwytania i

punktów kontaktu podczas chwyta-

i manipulacji przy zastosowaniu siłowego trzymania przed-

Wzrost liczby kontaktów związany jest z ponownym , co w konsekwencji

przemieszczenie przedmiotu względem chwy-taka. Zmniejszenie liczby punktów styku jest efektem tymczasowej utraty kontaktu między przedmiotem a chwytakiem. Jednakże, podczas zwiększania siły docisku na poszczególnych paliczkach zmniejsza się poślizg w punkcie styku, a tym samym przemieszczenie przedmio-

Analizując przemieszczenie przedmiotu względem chwytaka czteropalcowego pod-

wania uchwyconym przedmiotem, można pomiędzy przebiegami tych

przemieszczeń zależnie od sposobu utrzymania przed-W obu przypadkach widoczne jest

po którym następuje ponowne ustabilizowanie uchwytu, jednakże w siłowym utrzyma-

.

Rys. 13. Model chwytaka 4-palcowego

Rys. 14. Wyniki przemieszczenia przedmiotu niu chwytaka 4 palcowego

Natomiast po zastosowaniu algorytmu do manipulacji podstawie chwytu siłowego w chwytaku pięciopalcowym(rys. 16) przemieszczenie przedmiotu względem chwytka wstępnie wykazuje wcześniejsze ustaprzedmiotu, jednakże po pewnym czasie zaczyna pononie rosnąć, co wskazuje na deregulację układu sterującgo. Jest to efektem aktywacji nadmiernej liczby dów palców i w konsekwencji zwiększenia liczby sił reakcji pomiędzy przedmiotem a chwytakiem

Rys. 15. Model chwytaka 5-palcowego

Rys. 16. Wyniki przemieszczenia przedmiotu chwytaka 5 palcowego

palcowego

mieszczenia przedmiotu przy zastosowa-

algorytmu do manipulacji na w chwytaku pięciopalcowym

przemieszczenie przedmiotu względem chwyta-wstępnie wykazuje wcześniejsze ustabilizowanie

pewnym czasie zaczyna ponow-na deregulację układu sterujące-

nadmiernej liczby napę-i w konsekwencji zwiększenia liczby sił

reakcji pomiędzy przedmiotem a chwytakiem.

palcowego

Wyniki przemieszczenia przedmiotu przy zastosowaniu


4. WNIOSKI

W pracy przedstawiono rezultaty porównawczych badań symulacyjnych chwytania przedmiotu według opracownego algorytmu kształtowego i siłowego. Modelowaninumeryczne towarzyszących chwytaniu zjawisk kontatu, a w szczególności z uwzględnieniem tarciabardzo złożonym zadaniem. Wynika to z faktunia uproszczonego modelu matematycznego zjawiska tarcia w programach do modelowania układów wielczłonowych. Na podstawie analizy wyników na drodze badań symulacyjnych należy procesie chwytania przedmiotów istotne jest zarówno kierowanie się kształtem przedmiotu, jak i siłą wywierną przez części chwytne chwytaka na przedmiot. Chwtanie kształtowe zmniejsza ryzyko wysunięcia się przemiotu z przestrzeni chwytnej, co miałoby miejsce w sytuacji próby uzyskania chwytu siłowego. spowodowane możliwością przemieszczenia przedmiotu w wyniku wywarcia na niego siły nacisku pierwszego kontaktu paliczka z przedmiotem. rzystną cechą chwytania kształtowego jest konieczność zastosowania złożonego algorytmu sterowa

Literatura

1. Alba D., Armada M., Ponticelli R.

robots. In: VI Proceedings of the 7th International Conference CLAWAR 2004

2005, p. 701–712.

2. Andrews G.E., Askey R., Roy R.:

bridge: England: Cambridge University Press,

3. Ben-Tzvi P., Moubarak P.: A mechatronic

tronics. Intech, 2011, p. 1-20.

4. Bluethmann W., Ambrose R., Diftler , Askew S., Huber E., Goza M., Rehnmark F., Lovchik C., Magruder D.

Robonaut a robot designed to work with humans in spac

5. Handke A.: Metoda doboru struktury mechanicznej i sensorycznej chwytaka typu ręka człowieka

doktorska. Wrocław: Politechnika Wrocławska, 2016

6. Handke A.: Simplified collision detection in 4r serial

Vol.7, No. 1, p. 11-14.

7. Handke A., Twaróg W. : Correlation of sensory parameters' mathematical models with the kinematic structure

of a HAND-K3 human hand type manipulator

8. Odhner L. U., Jentoft L. P., Claffee M.

D., Dollar A. M., A Compliant, Underactuated

Robotics Research” 2014, Vol. 33, N

9. Hwang S. K., Hwang H. Y.: Development of a tactile

Smart Materials and Structures, 2013,

10. Zhang W., Che D., Chen Q., Du D.

under-actuated hand. In: Second International Conference on Intellige

2009. Lecture Notes in Computer Science, vol

Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl


24

W pracy przedstawiono rezultaty porównawczych badań symulacyjnych chwytania przedmiotu według opracowa-

ałtowego i siłowego. Modelowanie taniu zjawisk kontak-dnieniem tarcia, jest

Wynika to z faktu stosowa-uproszczonego modelu matematycznego zjawiska

do modelowania układów wielo-wyników uzyskanych

stwierdzić, że w procesie chwytania przedmiotów istotne jest zarówno

jak i siłą wywiera-chwytne chwytaka na przedmiot. Chwy-

tanie kształtowe zmniejsza ryzyko wysunięcia się przed-miotu z przestrzeni chwytnej, co miałoby miejsce w sytuacji próby uzyskania chwytu siłowego. Jest to spowodowane możliwością przemieszczenia przedmiotu w wyniku wywarcia na niego siły nacisku pochodzącej od

u paliczka z przedmiotem. Nieko-rzystną cechą chwytania kształtowego jest konieczność

ia złożonego algorytmu sterowania ruchem

palców chwytaka. W zaproponowanym algorytmie pierwsza faza ma na celu wstępne uchwyceniwe przedmiotu i dopiero w kolejnymprzełączenie się w tryb siłowy. jest szczególnie korzystna wtedymanipulacja uchwyconym przedmiotem. wstępne zlokalizowanie punktów styku na przedmiocie bez generowania znaczącej siły n„dotykany”, ale nie ściskany) ułatwia w sposób znaczący kontrolę nad poślizgiem towarzyszącymsiłowemu [9]. Zastosowana metoda numeryczna rzystaniem opracowanych algorytmów sterowania dami palców pozwala ponadto zweryfikować stabilność uchwycenia przedmiotu już po rozpocZauważalne różnice pomiędzy przemieszczobu wariantach sterowania są wyraźniejsze w przypadku zastosowania pięciopalcowego rozwiązania chwytaka i są zależne nie tylko od liczby palców w danym rozwiązaniu chwytaka, ale przede wszystkim struktury kinematycznej palców (do wniosku, iż nadmiarowa struktura chwytaka nie zawsze jest korzystna ze względu na jej zachowania stabilności uchwyconego przedmiotu

Alba D., Armada M., Ponticelli R.: An introductory revision to humanoid robot hands, climbing and walking

VI Proceedings of the 7th International Conference CLAWAR 2004. Springer, Berlin,

: Jacobi polynomials and gram determinants: §6.3 in special functions

England: Cambridge University Press,1999, p. 293-297.

mechatronic perspective on robotic arms and end-effectors, intelligent mecha

Bluethmann W., Ambrose R., Diftler , Askew S., Huber E., Goza M., Rehnmark F., Lovchik C., Magruder D.

a robot designed to work with humans in space. “Autonomous Robots” 2003, 14,

Metoda doboru struktury mechanicznej i sensorycznej chwytaka typu ręka człowieka

olitechnika Wrocławska, 2016.

collision detection in 4r serial manipulators. “Acta Mechanica et Automatica

Correlation of sensory parameters' mathematical models with the kinematic structure

K3 human hand type manipulator. “ ,Acta Mechanica et Automatica” 2010, Vol. 4

P., Claffee M. R., Corson N., Tenzer Y., Ma R. R., M. Buehler, R. Kohout,

M., A Compliant, Underactuated hand for robust manipulation. “ The International Journal of

, No. 5, p. 736-752.

Development of a tactile sensing system using piezoelectric robot skin materials

2013, Vol. 22, No. 5, p. 055004-055012.

D., Chen Q., Du D.: A dexterous and self-adaptive humanoid robot hand

Second International Conference on Intelligent Robotics and Applications

2009. Lecture Notes in Computer Science, vol 5928. Springer, Berlin, Heidelberg, 2009, p.


http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl


W zaproponowanym algorytmie wstępne uchwycenie kształto-

kolejnym etapie następuje Przedstawiona metoda

na wtedy, gdy planowana jest przedmiotem. Dodatkowo

stępne zlokalizowanie punktów styku na przedmiocie bez generowania znaczącej siły nacisku (przedmiot jest

) ułatwia w sposób znaczący nad poślizgiem towarzyszącym chwytaniu

Zastosowana metoda numeryczna z wyko-algorytmów sterowania napę-

pozwala ponadto zweryfikować stabilność uchwycenia przedmiotu już po rozpoczęciu manipulacji. Zauważalne różnice pomiędzy przemieszczeniami przy obu wariantach sterowania są wyraźniejsze w przypadku zastosowania pięciopalcowego rozwiązania chwytaka i są zależne nie tylko od liczby palców w danym rozwiązaniu chwytaka, ale przede wszystkim od wybranego wariantu

palców (tabela 2), co prowadzi iż nadmiarowa struktura chwytaka nie

korzystna ze względu na jej niezdolność do wania stabilności uchwyconego przedmiotu.

introductory revision to humanoid robot hands, climbing and walking

Springer, Berlin, Heidelberg

special functions. Cam-

effectors, intelligent mecha-

Bluethmann W., Ambrose R., Diftler , Askew S., Huber E., Goza M., Rehnmark F., Lovchik C., Magruder D.:

14, p. 179–197.

Metoda doboru struktury mechanicznej i sensorycznej chwytaka typu ręka człowieka. Rozprawa

Acta Mechanica et Automatica” 2013,

Correlation of sensory parameters' mathematical models with the kinematic structure

Vol. 4, No. 3, p. 40-46.

R., M. Buehler, R. Kohout, Howe R.

The International Journal of

sensing system using piezoelectric robot skin materials. In:

adaptive humanoid robot hand: gesture-changeable

nt Robotics and Applications. ICIRA

, 2009, p. 515–525.


modelowanie numeryczne zjawisk kontaktowych … · poddany chwytak, którego schemat kinematyczny...

Documents