МОДУЛЬНЫЙ ШАРНИР С ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ДЛЯ МАНИПУЛЯТОРОВ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

А.В. Васильев; И.В. Шардыко; В.М. Копылов

А.В. Васильев Государственный научный центр РФ – Федеральное государственное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (ЦНИИ РТК)
И.В. Шардыко Государственный научный центр РФ – Федеральное государственное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (ЦНИИ РТК)
В.М. Копылов Государственный научный центр РФ – Федеральное государственное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (ЦНИИ РТК)

Ключевые слова: Роботы, манипуляторы, упругие манипуляторы, шарниры с переменной упругостью, модульность, конструкции упругих шарниров

Аннотация

Рассматриваются вопросы построения шарниров манипуляторов, обладающих прив-
несённой упругостью и снабжённых при этом механизмом изменения величины этой упру-
гости (регулируемой жёсткости). На сегодняшний день работоспособные шарниры с пе-
ременной упругостью (ШПУ) в России отсутствуют. В то же время в мире ведутся ин-
тенсивные исследования по различным типам таких шарниров и манипуляторам на их ос-
нове. Хотя до настоящего времени все созданные изделия по большей части носили экспе-
риментальный и исследовательский характер, в ближайшее время можно ожидать появ-
ления и внедрения за рубежом опытных образцов ШПУ для решения конкретных практи-
ческих задач, позволяющих строить манипуляторы с новыми качествами и повышенными
техническими характеристиками. Такие манипуляторы будут востребованы при решении
задач, связанных с контактными операциями, требующими повышенной точности, кор-
ректности и безопасности выполнения, например, в ситуациях нахождения робота и чело-
века в едином операционном пространстве. Целью предлагаемого исследования является
создание научно-технического задела в области построения шарниров с регулируемой жё-
сткостью в виде разработки методических рекомендаций по проектированию ШПУ под
требуемые конкретные задачи и по применению их в составе манипуляционных систем.
Для этого на начальном этапе исследования решаются задачи анализа и систематизации
существующих технических решений механизмов регулирования жёсткости и построения
собственного ШПУ для проведения впоследствии физических экспериментов. На сегодняш-
ний момент существует огромное количество различных вариантов реализации ШПУ,
имеющих свои преимущества для конкретных областей применения. Оптимальных уст-
ройств для всех типов задач одновременно не существует. Исходя из этого предлагается
вести исследование ШПУ по трём наиболее перспективным на взгляд авторов направлени-
ям, предполагающим принципиально различные варианты реализации переменной упруго-
сти. Объединение совершенно разных вариантов в рамках единой конструкции предложено
реализовывать на основе модульного подхода к построению исследовательского ШПУ, что
позволяет достаточно легко и без применения специальных инструментов реконфигуриро-
вать шарнир с одного варианта на другой, используя в то же время ряд общих (типовых)
модулей, что существенно экономит ресурсы на создание и исследование такого шарнира.
В статье приводится краткое описание принципа построения и конструктивных особен-
ностей предлагаемого модульного исследовательского ШПУ и модулей регулирования жё-
сткости. Полученные результаты позволяют перейти к этапу изготовления макета и
постановки физических экспериментов по исследованию ШПУ различных типов.

Литература

1. Hu J. [et al.]. Robotic deburring and chamfering of complex geometries in high-mix/lowvolume
production applications // 2020 IEEE 16th International Conference on Automation
Science and Engineering (CASE). – IEEE, 2020. – P. 1155-1160.
2. Sága M. [et al.]. Case study: Performance analysis and development of robotized screwing
application with integrated vision sensing system for automotive industry // International Journal
of Advanced Robotic Systems. – 2020. – Vol. 17, No. 3. – P. 1729881420923997.
3. Ott C. [et al.]. A humanoid two-arm system for dexterous manipulation // 2006 6th IEEE-RAS
international conference on humanoid robots. – IEEE, 2006. – P. 276-283.
4. Zhou L. [et al.]. A Novel Portable Lower Limb Exoskeleton for Gravity Compensation during
Walking // 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). – IEEE,
2020. – P. 768-773.
5. Zimmermann Y. [et al.]. ANYexo: A versatile and dynamic upper-limb rehabilitation robot //
IEEE Robotics and Automation Letters. – 2019. – Vol. 4, No. 4. – P. 3649-3656.
6. Jaekel S. [et al.]. Design and operational elements of the robotic subsystem for the e. deorbit debris
removal mission // Frontiers in Robotics and AI. – 2018. – Vol. 5. – P. 100.
7. AlAttar A., Rouillard L., Kormushev P. Autonomous air-hockey playing cobot using optimal
control and vision-based bayesian tracking // Annual Conference Towards Autonomous Robotic
Systems. – Springer, Cham, 2019. – P. 358-369.
8. Groothuis S.S., Stramigioli S., Carloni R. Lending a helping hand: Toward novel assistive robotic arms //
IEEE robotics & automation magazine. – 2013. – Vol. 20, No. 1. – P. 20-29.
9. Bicchi A. et al. Variable stiffness actuators for fast and safe motion control // Robotics research.
The eleventh international symposium. – Springer, Berlin, Heidelberg, 2005. – P. 527-536.
10. Albu‐Schäffer A. [et al.]. The DLR lightweight robot: design and control concepts for robots in
human environments // Industrial Robot: an international journal. – 2007.
11. Al-Shuka H.F.N. [et al.]. Active impedance control of bioinspired motion robotic manipulators:
An overview // Applied bionics and biomechanics. – 2018. – Vol. 2018.
12. Pratt G.A., Williamson M.M. Series elastic actuators // Proceedings 1995 IEEE/RSJ International
Conference on Intelligent Robots and Systems. Human Robot Interaction and Cooperative
Robots. – IEEE, 1995. – Vol. 1. – P. 399-406.
13. Höppner H. Analysis of human intrinsic stiffness modulation and its use in variable-stiffness
robots: diss. – Technische Universität München, 2016.
14. Grebenstein M. The awiwi hand: An artificial hand for the dlr hand arm system // Approaching
Human Performance. – Springer, Cham, 2014. – P. 65-130.
15. Petit F. Analysis and control of variable stiffness robots: дис. – ETH-Zürich, 2014.
16. Morita T., Sugano S. Design and development of a new robot joint using a mechanical impedance
adjuster // Proceedings of 1995 IEEE International Conference on Robotics and Automation.
– IEEE, 1995. – Vol. 3. – P. 2469-2475.
17. Morita VOL., Sugano S. Development of an anthropomorphic force-controlled manipulator
WAM-10 // 1997 8th International Conference on Advanced Robotics. Proceedings. ICAR'97.
– IEEE, 1997. – P. 701-706.
18. Tonietti G., Schiavi R., Bicchi A. Design and control of a variable stiffness actuator for safe
and fast physical human/robot interaction // Proceedings of the 2005 IEEE international conference
on robotics and automation. – IEEE, 2005. – P. 526-531.
19. Wolf S., Hirzinger G. A new variable stiffness design: Matching requirements of the next robot
generation // 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. – IEEE, 2008.
– P. 1741-1746.
20. Vanderborght B. [et al.]. Variable impedance actuators: A review // Robotics and autonomous
systems. – 2013. – Vol. 61, No. 12. – P. 1601-1614.
21. Grioli G. [et al.]. Variable stiffness actuators: The user’s point of view // The International
Journal of Robotics Research. – 2015. – Vol. 34, No. 6. – P. 727-743.
22. Wolf S. [et al.]. Variable stiffness actuators: Review on design and components // IEEE/ASME
transactions on mechatronics. – 2015. – Vol. 21, No. 5. – P. 2418-2430.
23. Sardellitti I. [et al.]. Gain scheduling control for a class of variable stiffness actuators based on
lever mechanisms // IEEE Transactions on Robotics. – 2013. – Vol. 29, No. 3. – P. 791-798.
24. Абсолютные преобразователи угловых перемещений (угловые абсолютные энкодеры).
ОАО «СКБ ИС» – URL: https://skbis.ru/catalog/rotary/absolute-rotary-encoders (дата обра-
щения: 08.02.2023).
25. FL70BL19 / Fulling Motor. – URL: https://fullingmotor.com/EN/product/proServoDetail.
aspx?mtt=551 (дата обращения: 08.02.2023).
26. Волновые редукторы Сервосила. – URL: https://www.servosila.com/ru/harmonic/index.shtml
(дата обращения: 08.02.2023).
27. Патент RU189796U1: МПК F16B7/02. Торцевой моментный электродвигатель.
СПбГМТУ. – Заявл. 2003122143/09, зарег.: 15.07.2003; Опубл.: 10.07.2005, Бюл. №19. /
Сеньков А.П., Сеньков А.А. – 12 с. – URL: https://patentimages.storage.googleapis.
com/6d/6e/dd/4ee1b882ffb214/RU2256276C2.pdf (дата обращения: 06.02.2023).
28. YASA P400 R Series. – URL: https://www.yasa.com/products/
yasa-p400/ (дата обращения: 06.02.2023).
29. P400R Electric Motors Product Sheet. – URL: https://www.yasa.com/wp-content/uploads/
2021/05/YASA-P400RDatasheet-Rev-14.pdf (дата обращения: 06.02.2023).
30. Phi-Range: A new generation of Axial Flux Motor. – URL: https://www.phi-power.com/
en/phi-power-motor-series/ (дата обращения: 06.02.2023).