2. Описание робота–манипулятора Manus

Данный манипулятор разработан и изготовлен голландской компанией и предназначен для установки на инвалидные коляски.

Manus может иметь собственный управляющий компьютер и пульт–джойстик для ручного управления, что позволяет осуществлять действия, не доступные лицам с ограниченными возможностями в силу их физических особенностей. Например, данный манипулятор может подавать различные предметы, удаленные от кресла, в пределах зоны досягаемости манипулятора. Кроме ручного управления с джойстика, компьютер (контроллер), обслуживающий данный манипулятор, позволяет подключать камеры и может обрабатывать полученное изображение с помощью алгоритмов машинного зрения. Данная особенность позволяет манипулятору выполнять не только заданные управляющим лицом действия, но и автоматизировать некоторые задачи. Также управляющий компьютер позволяет совмещать вышеописанные типы управления (в оригинальной документации на Manus данный тип управления называется Collaborative Control). Совместное управление позволяет добиться лучших показателей в точности позиционирования захвата манипулятора за счет того, что задание поступающее с джойстика от управляющего лица корректируется по определенным алгоритмам исходя их окружающей ситуации. Анализ окружающей ситуации производится с помощью алгоритмов машинного зрения на основе поступающих с камер данных. Такие корректировки задания позволяют выбрать наиболее оптимальную траекторию, а также позволяют автоматически обходить препятствия[2]

Рисунок 3 – Фотография манипулятора Manus.

Данный манипулятор состоит из четырех подвижных звеньев, каждое из которых имеет свою ось вращения, а также захватного устройства (схвата), закрепленного на конце последнего из звеньев. Схват манипулятора также имеет ось вращения. Такая конфигурация манипулятора обеспечивает 6 степеней свободы. Размер данного манипулятора можно примерно оценить по фотографии, а его вес – около 15 кг.

Обычно, в подобных роботах могут применяться 2 типа приводов: на базе СДПМ – синхронных двигателей с постоянными магнитами, либо на основе ДПТ – двигателей постоянного тока.

В манипуляторе применяются привода второго типа – на базе двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Такое решение имеет ряд преимуществ: относительно простая СУЭП в сравнении с приводами на базе СДПМ, а также значительно более низкая стоимость как самих двигателей, так и силовых преобразователей к ним. Кроме преимуществ данная система имеет недостаток – более низкая динамика (относительно СДПМ). Однако, в случае с манипулятором Manus данный недостаток не имеет никакого значения, так как робот проектировался для установки на инвалидных колясках с целью помощи ограниченным в движениях людям, а в таком применении высокая динамика системы и не требуется.

Двигатели всех сочленений, примененные в манипуляторе Manus – одинаковые, фирмы Maxon серии maxon DC motor.

Для передачи вращения от моторов к звеньям манипулятора применяются редуктора с планетарной передачей. Данный тип редукторов имеет немало преимуществ над другими, такие как компактность и надежность. 

Основным элементов аппаратной части является силовой преобразователь – драйвер двигателя. Для управления двигателями постоянного тока применяются несколько схем.

Самая функциональная, из которых Н–мост. Обобщенная схема представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – обобщенная схема Н–моста

Данная схема состоит из четырех ключей, включенных попарно последовательно, между парами включается двигатель (якорная цепь). Два верхних ключа подключаются к положительной шине источника питания, два нижних ключа – к отрицательной шине источника питания. Для работы двигателя необходимо, чтобы были включены два ключа, например S1 и S4, в таком случае ток будет протекать от источника питания через ключ S1, далее через якорь двигателя и через ключ S4. В то же время, два другие ключа должны быть закрыты. Для изменения направления тока в якоре двигателя (а, соответственно, и направления вращения двигателя) необходимо закрыть открытые ключи S1 и S4, а ключи S2 и S3 открыть.

В зависимости от требуемой скорости переключения в качестве ключей могут применяться либо реле, либо транзисторы. В разрабатываемом проекте требуется высокая скорость переключения (т.к. управление двигателем будет осуществляться с помощью ШИМ), а, следовательно, в роли ключей должны применяться транзисторы.

Необходимую схему можно собрать из отдельных транзисторов. Но это – нецелесообразно. Потому что на сегодняшний день получили широкое распространение микросхемы – драйверы двигателей, которые включают в себя необходимую схему Н–моста, а также обвязку для силовых ключей. Такое решение упрощает и удешевляет процесс разработки СУЭП.[2]