Как выбрать гармонические суставные актуаторы для 7-осевого роботизированного манипулятора?

Здравствуйте, я Теодор Ли, технический директор HONPINE. В этой статье я расскажу, как выбратьгармонические шарнирные приводыдля семистепенного роботизированного манипулятора.

Семистепенной, или 7-DOF, роботизированный манипулятор имеет одну дополнительную степень свободы помимо шести, обычно требуемых для управления положением и ориентацией рабочего органа в трёхмерном пространстве. Эта дополнительная степень свободы называется кинематической избыточностью.

При соответствующей механической конструкции и алгоритмах управления эта избыточность обеспечивает большую гибкость движений, поддерживает обход препятствий и предотвращение сингулярностей, а также позволяет выполнять податливые движения, подобные движениям человеческой руки.

Эти возможности делают 7-DOF роботизированные манипуляторы ценными для исследований и разработок в области медицинской робототехники, прецизионной сборки, гибкой обработки и работ в сложных условиях.

Итак, как следует выбирать шарнирные модули для 7-DOF роботизированного манипулятора?

Как выбрать гармонические шарнирные приводы для 7-DOF роботизированного манипулятора?

Подбирайте каждый привод в соответствии с требованиями к нагрузке шарнира

В рамках одной серии приводов больший типоразмер обычно обеспечивает больший выходной крутящий момент и может выдерживать более высокие нагрузки на шарнир. Однако привод следует выбирать в соответствии с требованиями конкретного шарнира, а не только по номеру модели.

Во многих конфигурациях роботизированных манипуляторов шарниры, расположенные дальше от рабочего органа, должны выдерживать полезную нагрузку вместе с большей частью расположенных далее компонентов манипулятора. В результате этим шарнирам часто требуется больший выходной крутящий момент.

Плечевой шарнир является типичным примером. Поскольку он поддерживает значительную часть манипулятора и работает на существенном расстоянии от нагрузки на рабочем органе, для этого положения часто выбирают более крупный гармонический шарнирный привод.

Для шарниров запястья, напротив, необходимо тщательно учитывать сгибание и вращение запястья, нагрузки от инструмента и общую массу дистальной сборки. Меньшие и более лёгкие шарнирные модули часто подходят в тех случаях, когда они соответствуют требуемым характеристикам крутящего момента и движения.

Принцип выбора заключается в расчёте требований к нагрузке каждого шарнира и соответствующем подборе привода, а не в простом использовании одного и того же модуля по всей длине манипулятора.

Пример: гармонические роботизированные приводы HONPINE TCHL

Чтобы проиллюстрировать этот подход, рассмотрим конфигурацию 7-DOF роботизированного манипулятора с использованием гармонических роботизированных приводов серии HONPINE TCHL.

В этом примере для плеча используетсяшарнирный модуль TCHL 20, а для запястья — шарнирный модуль TCHL 14.

TCHL 14 имеет компактную и лёгкую конструкцию с полой структурой и каналом для прокладки кабелей. Эти характеристики делают его возможным вариантом для ограниченных по пространству узлов запястья и роботизированной шеи, где снижение дистальной массы является важной целью проектирования.

Эта конфигурация иллюстрирует подход к выбору; она не является универсальной рекомендацией для каждого 7-DOF роботизированного манипулятора.

Почему 7-DOF хирургическим роботизированным манипуляторам требуются более совершенные гармонические шарнирные модули?

Семистепенная избыточная конструкция в сочетании с подходящими методами планирования движения и обхода препятствий предоставляет хирургическому роботизированному манипулятору большую свободу маневрирования в ограниченном рабочем пространстве.

Эта гибкость помогает системе соответствовать требованиям к позиционированию и доступу при сложных хирургических процедурах.

Рассматриваемые здесь возможности роботизированного манипулятора также включают ручное ведение, работу с моторным приводом, дистанционное управление через API и автоматическое определение и компенсацию полезной нагрузки.

Поддержка этих функций предъявляет высокие требования к измерению параметров шарниров, отклику управления и системной интеграции.

Измерение крутящего момента и быстрое управление усилием

Для рассматриваемой конфигурации хирургического манипулятора с управлением по усилию встроенные высокоточные датчики крутящего момента являются важной частью конструкции шарнирного модуля.

Эти датчики обеспечивают обратную связь для чувствительного к усилию управления и обнаружения столкновений. Показатели производительности, описанные для данного применения, включают точность управления усилием 0.5 N и частоту обновления управления свыше 1,000 Hz.

Предполагаемая возможность — отклик на контактные усилия в миллисекундном масштабе, поддерживающий деликатные задачи, такие как введение и контролируемое завинчивание винтов.

Эти показатели необходимо связывать с определённой конфигурацией и методом испытаний. Их не следует рассматривать как характеристики, общие для каждого шарнирного модуля или каждого комплектного роботизированного манипулятора.

Высокополосное управление крутящим моментом и податливое движение

Высокополосное управление усилием можно представить следующим образом:

Высокополосное замкнутое управление крутящим моментом + алгоритмы податливого управления

Цель состоит в том, чтобы сделать реакцию системы по крутящему моменту или усилию достаточно быстрой и точной для предполагаемой задачи.

Встроенный датчик крутящего момента с высоким разрешением обеспечивает обратную связь, необходимую для такого подхода к управлению. Полный отклик также зависит от того, как интегрированы измерение, приведение в действие и алгоритмы управления.

Планирование движения на основе избыточности и обход препятствий

Обход препятствий на основе избыточности можно описать тремя ключевыми элементами:

Кинематическая избыточность + проекция в нулевое пространство + иерархическая оптимизация приоритетов задач

Дополнительная степень свободы предоставляет манипулятору больше возможностей для корректировки его конфигурации при сохранении требуемой задачи рабочего органа.

Планирование движения может координировать несколько целей с различными приоритетами, например:

1. Соблюдение ограничений шарниров для обеспечения безопасной работы.

2. Минимизация ненужных движений и скоростей шарниров с энергоэффективностью в качестве цели оптимизации.

3. Поддержание подходящей конфигурации манипулятора и управление близостью к сингулярностям.

При наличии достаточного избыточного движения контроллер имеет большую свободу для выполнения второстепенных задач, таких как обход препятствий. Возможность одновременного достижения всех целей по-прежнему зависит от доступного рабочего пространства, ограничений шарниров и ограничений задачи.

Гармонические шарнирные модули серии HONPINE HAG

Для требовательных задач управления движением HONPINE предлагает гармонические шарнирные модули серии HAG.

Серия HAG предназначена для применений, требующих точного управления движением и расширенных возможностей измерения усилия. Функция Safe Torque Off (STO) доступна в качестве опции в зависимости от выбранной модели и конфигурации.

Эту опцию можно рассматривать как часть проектирования безопасности комплектной роботизированной системы. Её не следует интерпретировать отдельно как подтверждение того, что шарнирный модуль или роботизированный манипулятор одобрен для конкретного медицинского применения.

При оценкегармонического шарнирного модуля HAGподтвердите требуемые характеристики измерения, интерфейсы управления и доступные функции безопасности для конкретной конфигурации.

Узнайте больше о гармонических приводах для 7-DOF роботизированных манипуляторов

Выборгармонического шарнирного приводаначинается с понимания того, что должен выполнять каждый шарнир. Плечевые, локтевые и запястные шарниры могут иметь разные требования к крутящему моменту, массе, монтажному пространству, измерению и управлению.

Свяжитесь с HONPINE, чтобы получить дополнительную информацию о гармонических поворотных приводах и шарнирных модулях для 7-DOF роботизированных манипуляторов.