PROJEKT
z przedmiotu:
Bionika
temat:
Implementacja zmysłu dotyku w chwytak manipulatora.
Mechanizm wzorowany na budowie ręki naczelnych.
Wykonali:
Tomasz Łysek
Krzysztof Tylutki
grupa 411D
rok akademicki 2007/2008
Politechnika Krakowska
Wydział mechaniczny
1.
Cel projektu
Celem tej pracy jest projekt chwytaka przeznaczonego do manipulowania przedmiotami
mającymi kształt figur wypukłych typu walec, sześcian, kula, trapezoid, itp. Figury te mogą różnić
się kształtem i wymiarami, stąd pomysł wykorzystania czujników dotyku. Chwytak ma za zadanie
odszukać przedmiot znajdujący się w jego przestrzeni roboczej a następnie wykonać serię
pomiarów, pozwalających na przybliżoną ocenę kształtu bryły.
Oprócz powyższego zostanie przedstawiona propozycja metody wyszukiwania przedmiotu
i wyznaczenia dogodnych (umożliwiających uchwycenie) punktów na powierzchni bryły. Zadaniem
urządzenia jest również ocena twardości przedmiotu i uwzględnienie jej podczas ustalania siły
nacisku.
2.
Wzorzec budowy i działania
Jednym z najlepszych narzędzi chwytnych występujących w przyrodzie jest dłoń ssaków
naczelnych, ze szczególnym uwzględnieniem
dłoni człowieka. Pozwala ona nie tylko chwytać i
manipulować przedmiotami, ale także wyznaczać
ich kształt, położenie w przestrzeni, twardość,
temperaturę, stan skupienia. Receptory
umieszczone w opuszkach palców umożliwiają
wykrywanie krawędzi, lub krzywizny płaszczyzn
nawet podczas jednego dotknięcia.
Budowa urządzenia technicznego posiadającego
wszystkie te cechy wydaje się być niemożliwa,
choćby przez to, że należało by umieścić znaczną
ilość czujników na niewielkiej powierzchni.
Zadanie zostało więc ograniczone do wykrywania
kontaktu między czujnikiem a powierzchnią
przedmiotu, oraz rozpoznawania twardości
materiału, z którym chwytak ma do czynienia.
Dłoń została zredukowana do trzech palców (odpowiedniki wskazującego, dużego i kciuka). Takie
redukcje to kompromis między funkcjonalnością
i stopniem skomplikowania urządzenia.
Kolejną rzeczą, jaka wydaje się być
przydatna w odnajdywaniu przedmiotów, jest
zachowanie człowieka w ciemności. Jeśli wie on,
gdzie może znajdować się przedmiot, zaczyna
szukać go „po omacku” i w razie wykrycia jego
obecności natychmiast jest w stanie rozpoznać
większość jego parametrów.
3.
Budowa urządzenia
Podstawa chwytaka (rys.1)
posiada dwie osie, wokół których
może wykonywać obrót O
1
i O
2
. Oś
O
1
jest potrzebna do odchylenia
chwytaka, umożliwiając
przeszukiwanie przestrzeni
roboczej. Do podstawy chwytaka
przymocowane są obrotowo (rys.2)
dwie ostoje palców,
odpowiadających dużemu i
wskazującemu u człowieka. Ostoja
trzeciego palca (kciuk)
przymocowana jest na sztywno.
Pozwala to na chwytanie różnych
typów przedmiotów, np.: kula –
płaszczyzny palców pod kątem 120
o
; walec – płaszczyzny palców
wskazującego i dużego równoległe,
itp.
Każdy palec osadzony jest
obrotowo (rys.3) w ostoi palca.
Napędy tego obrotu są niezależne
dla wszystkich palców. Dzięki niezależnym napędom możliwe jest uchwycenie, bądź pobranie
pomiaru nawet, jeśli środek podstawy chwytaka oraz środek przedmiotu chwytanego nie znajdują
się na jednej, pionowej linii. Poza tym można w ten sposób uchwycić przedmioty o nieregularnych
kształtach.
O
1
O
2
podstawa
ostoja palca
rys.1
Podstawa chwytaka z
zamocowanymi
ostojami palców.
O
1
, O
2
– osie obrotu
O
1
O
2
podstawa
ostoja palca
O
3
O
4
rys.2 Połączenie podstawy z ostojami palców. O
3
i O
4 –
osie
obrotu ostoi wokół podstawy
rys.5
Na rysunku 5 przedstawiona jest zasada działania czujnika dotyku. Jeśli sonda czujnika napotka
przeszkodę, wtedy nastąpi obrót O
7
lub przesunięcie p, albo jedno i drugie. Spowoduje to zmianę
położenia drążka dwustanowego czujnika przemieszczenia względem jego obudowy. Czujnik ten
wskaże, że została napotkana przeszkoda (czujnik ten jest dwustanowy: 0 – położenie wyjściowe,
1 - drążek przesunięty, napotkana przeszkoda) i w tym momencie nastąpi zatrzymanie ruchu
chwytaka.
rys.4 →
Czujnik dotyku osadzony obrotowo (oś O
6
) w dolnej
części palca.
O
5
palec
ostoja palca
←
rys.3 Palec osadzony obrotowo w ostoi.
O
5
– oś obrotu palca wokół ostoi
O
6
czujnik
Sonda
osadzona
sprężyście
support
manipulatora
palec chwytaka
czujnik
dotyku
sonda czujnika
podstawa
ostoja
palca
rys.6
Chwytak kompletny
4.
Opis działania
Przykładowa sekwencja operacji:
1. Przeszukiwanie przestrzeni roboczej w celu odnalezienia przedmiotu;
2. Detekcja obecności przedmiotu, zatrzymanie ruchu w lewo;
3. Obrót chwytaka aż do doprowadzenia do równoległości płaszczyzny podstawy z podłożem.
Odbywa się to w taki sposób, aby nie zmieniły się współrzędne końcówki sondy czujnika.
Następnie poprzez obrót palna wokół ostoi doprowadzenie do kontaktu z przedmiotem
wszystkich trzech sond.
4. Rozwarcie palców i obrót chwytaka o niewielki kąt wokół osi O
1
(rys.1)
5. Ponowne doprowadzenie do kontaktu wszystkich sond z obiektem
Następnie kroki 4 i 5 powtarzają się cyklicznie (im większa ilość cykli tym większa rozdzielczość
wyznaczenia kształtu przedmiotu)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
6. Po zakończeniu procesu rozpoznawania kształtu przedmiotu palce się rozwierają a czujniki
zostają schowane do wyżłobienia w palcach;
7. Ustawienie środka symetrii chwytaka nad, wyznaczony w wyniku analizy otrzymanych
punktów, środek ciężkości obiektu;
8. Ustawienie płaszczyzn przechodzących przez środki palców prostopadle do optymalnych
powierzchni chwytu;
9. Zaciśnięcie palców na przedmiocie.
Przypadek przedmiotu miękkiego:
W przypadku chwytania przedmiotów miękkich, podatnych, np. gąbki – w punkcie 9
punkty styku palców z przedmiotem będą leżały niejako wewnątrz tego przedmiotu (wewnątrz
figury wyznaczonej przez pomiar). Układ sterujący musi wtedy zredukować siłę nacisku palców na
przedmiot, co zapobiegnie jego odkształceniu.
6. Podsumowanie
Rozwiązanie zaprezentowane w tym projekcie mogło by być użyte wszędzie tam, gdzie
mamy do czynienia z koniecznością manipulacji przedmiotami o rozmiarach mieszczących się w
pewnych ustalonych granicach, ale o nieznanym kształcie i położeniu w przestrzeni roboczej
robota/manipulatora.