Prehensor antropomorf cu cinci degete, utilizabil la roboţi industriali, comandat cu un senzor Motion Leap (II)

Prehensoarele antropomorfe sunt prehensoare inspirate după modelul mâinii umane, având diverse particularități constructive și funcționale. Comparativ cu alte clase de prehensoare, cum ar fi prehensoarele cu bacuri sau prehensoarele tentaculare, au  avantaje evidente deoarece sunt mult mai asemănătoare cu mâna umană, atât constructiv cât și funcțional, considerând mâna umană ca cel mai perfecționat prehensor [1].

4. Prehensorul antropomorf cu cinci degete componenta RoboHand

4.1. Particularitățile structurale şi funcționale ale prehensorului

Prehensorul antropomorf cu cinci degete, are un număr sporit de articulații, peste cel minim, pentru a exista o asemănare și o funcționalitate cât mai apropiată de cele ale mâinii umane.

S-a plecat de la un model cunoscut [4], care s-a adaptat scopului propus. Fiecare deget este format in câte trei falange: f1,f2,f3, între care există cuple monomobile de rotație, acționate prin fire (figura 9).

Pentru acționare se folosesc motoare electrice, câte unul pentru fiecare deget, astfel încât prehensorul are gradul de mobilitate M=5. Pentru închiderea degetului, motorul (M din figura 9a) se rotește întrun sens și închiderea se obține prin tragerea firului fi, iar deschiderea – revenirea degetului la poziția inițială, corespunde rotirii motorului în sens opus, și se obține prin tragerea firului exterior fe (figura 9a). 

Schema structurală simplificată a prehensorului este arătată în figura 9b, din care rezultă că prehensorul are în componență 17 cuple onomobile de rotație (A și B), cuplele dintre primele falange și palmă și cuplele interfalangiene. Se evidențiază cele două cuple de rotație cu axele înclinate față de axa longitudinală a prehensorului, care asigură într-o anumită măsură o asemănare cu situația existenței oaselor metacarpiene ale mâinii umane[1,5].

• FIGURA 9. Schemele structurale ale unui deget (a) și de ansamblului prehensorului (b)

4.2. Modelul CAD

Modelul CAD al prehensorului s-a realizatcu softul CATIA. În același soft se poate face și simularea funcțională a prehensorului pentru verificarea închiderii corecte, fără o piesă de prehensat sau cu prehensarea unor piese de forme și dimensiuni variate (figura 10).

• FIGURA 10. Simularea funcțonarii modelului CAD al prehensorului

Pe baza modelului CAD al prehensorului se obține documentația tehnică necesară realizării prototipului corespunzător.

4.3. Prototipul

Pe baza proiectului tehnic s-a realizat un prototip al prehensorului antropomorf. Piesele s-au realizat prin prototipare rapidă folosind o imprimantă 3D. Acționarea fiecărui deget se face printr-un singur tendon, care este tras de motor și imprimă o mișcare de rotație rolelor amplasate în cuplele de rotație interfalangiene, implicit falangelor.

La mișcarea de rotație a servomotorului într-un sens se realizează închiderea degetului, iar la mișcarea în sens opus se obține revenirea degetului la poziția inițială (poziție rectiliniedeget deschis). În figura 11d este arătat prototipul realizat în poziția deschis, iar în figura 11e și f, două simulări funcționale în care se observă manevrabilitatea mare a degetelor, toate cele trei configurații corespunzând gesturilor mâinii umane, captate cu senzorul Motion Leap [4,5].

• FIGURA 11. Prototipul prehensorului în diverse configurații (d,e,f) conform gesturilor mâinii umane (a,b,c)

5. Testarea sistemului complex de prehensiune

Prehensiunea efectivă a obiectelor este testată în componenta de testare a prehensiunii, valorile unghiurilor dintre falange sunt transmise apoi către prehensorul antropomorf folosind interfața RoboCOMMANDER, care interpretează aceste valori și acționează degetele componentei RoboHAND. Datele capturate de către interfața de captare sunt interpretate de modulul de testare a prehensiunii virtuale pentru calculul modelului cinematic și calibrarea unui prehensor antropomorf.

Se calculează pozițiile vârfurilor degetelor în spațiul tridimensional. Pozițiile sunt apoi proiectate în spațiul fizic XYZ folosind interfața RoboCOMMANDER. În figura 12 se exemplifică simularea funcțională pentru mai multe obiecte piese și anume: prehensarea unei chei franceze (figura 12a), prehensarea unui obiect sferic (o minge de tenis) în figura 12b, prehensarea unui ax (figura 12c) și prehensarea unui rulment (figura 12d) [2].

• FIGURA 12. Exemple de testare a prehensiunii folosind sistemul complex realizat

• FIGURA 13. Conceptul prezentat de control a brațului robotic și a componentei RoboHAND în vederea execuției de acțiuni de asamblare

7. Concluzii

Pe baza celor prezentate în acest articol se pot formula următoarele concluzii:

• pentru eliminarea dezavantajelor prehensoarelor cu bacuri, dintre care cel mai important este posibilitatea redusă de prehensare, uneori limitată la o singură tipodimensiune de piesă, se pot folosi prehensoare antropomorfe cu trei sau mai multe degete cu structuri relativ simple dar funcționalități ridicate;
• pentru echiparea robotului sau roboților se pot utiliza prehensoare antropomorfe cu cinci degete ca cel prezentat în articol, care se pot obține cu costuri scăzute folosind procedee moderne, cum este prototiparea rapidă;
• pentru optimizarea controlului funcționării robotului și prehensorului se pot folosi metode avansate cum sunt cele de captare a mișcărilor degetelor mâinii pentru comanda prehensorului și a mișcărilor brațului uman pentru comanda robotului.
• soluțiile prezentate pot fi adaptate și aplicate cu succes la diferite activități robotizate din industrie pentru manipularea și prehensiunea unor piese cu configurații oarecare de dimensiuni mici și medii. 

Nu lipsită de interes este și intenția ca prin cele prezentate în articolul de față să se stimuleze interesul pentru realizarea de astfel de prehensoare cu sisteme de comandă performante și din partea specialiștilor roboticieni și mecatroniști din România, pe fondul dezvoltării în prezent chiar accentuate a aplicațiilor robotice în tot mai multe domenii industriale, dar și neindustriale. 

Bibliografie

1. Starețu, I., Sisteme de prehensiune(ed. a II-a), Ed. Lux Libris, Brașov, 2010

2. Informație pe: www.robotshop.com/.../datasheet-leap-motion-controller.pdf

3. Moldovan, C., Theoretical and experimental researches regarding the diversification of a virtual hand interaction with objects from a virtual world with applications in industrial engineering, PhD. Thesis, University Transilvania of Brasov, Romania, 2014

4. Informație pe: http://inmoov.fr/build-yours/hand-and-forarm-assembly-3d-views/

5. Starețu, I., Gripping systems, Derc Publishing House, Tewksbury, Massachusetts, USA, 2011