Национална студентска научно техническа конференция 2017
Изтегляне 77.69 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- СИЛОВO ИЗСЛЕДВАНЕ НА РЕАЛЕН ЕКЗОСКЕЛЕТ СВЪРЗАН С ВИРТУАЛНА РЕАЛНОСТ М. Цвеов, Институт по Механика, БАН, mtsveov @ abv . bg
- Ключови думи
- Keywords
- 2. ИЗСЛЕДВАНЕ НА СНОП МУСКУЛИ
- 4. СИМУЛАЦИЯ ЗА НАМИРАНЕ НА ДАДЕНА ТВЪРДОСТ НА ЕНД-ЕФЕКТОРА ПРИ ДВИЖЕНИЕ С ОПЪВАНЕ НА СПОРТЕН УРЕД-ЛАСТИК
- 5. СИМУЛАЦИЯ С ДЪРПАНЕ НА СПОРТЕН УРЕД-ВЪЖЕ С ЗАКАЧЕНИ ТЕЖЕСТИ ЗА НАМИРАНЕ НА ДАДЕНА ТВЪРДОСТ И СИЛА В ЕНД-ЕФЕКТОРА
- 6. ЕКСПЕРИМЕНТИ И СИМУЛАЦИИ С ВДИГАНЕ НА ГИРИ С ЕНД-ЕФЕКТОРА
- 6.2 Степ-респонз – изследване на забавянето на постигането на силата в една позиция
СИЛОВO ИЗСЛЕДВАНЕ НА РЕАЛЕН ЕКЗОСКЕЛЕТ СВЪРЗАН С ВИРТУАЛНА РЕАЛНОСТ М. Цвеов, Институт по Механика, БАН, mtsveov@abv.bg Г. Мичев, НБУ, georgi.i.michev@gmail.com Абстракт: Създаден е екзоскелет от голям екип хора в Институт по Механика, БАН, и е изследвано поведението му при зададени различни сили от виртуална реалност. Изследва се степ-респонд – внезапно създаване на виртуална сила към енд-ефектора, като екзоскелета трябва да реализира тази сила, чрез изчисляване на съответните ставни моменти и налягания в пневмо-мускулите. Също е изследвана възможната сила на ендефектора при различни движения, както и нужната промяна в ставните налягания, за постигане на константна сила на ендефектора. Ключови думи: виртуална реалност, екзоскелетон, изчисление, сензори, сили FORCE RESEARCH OF REAL EXOSKELETON CONNECTED TO VIRTUAL REALITY M. Tsveov, Institute of Mechanics, BAS, mtsveov@abv.bg G. Michev, NBU, georgi.i.michev@gmail.com Abstract: an exoskeleton was created at the Institute of Mechanics, BAS, and its behavior was studied with different forces given from virtual reality. Step-Response is researched - a sudden creation of virtual force towards the end-effector, while the exoskeleton has to realize this force by calculating the corresponding joint torques and pressures in the pneumatic artifical muscles. Also the possible force of the endefactor at different movements is examined, as well as the necessary variation in joint pressures, needed to achieve a constant force of the endefactor were also researched. Keywords: calculation, exoskeleton, forces, sensors, virtual reality 1. УВОД В днешни дни все по-често се създават роботи, работещи в контакт с хората [8] – реабилитационни [5], [9], развлекателни, носими [6] и др. Екзоскелетона е роботизирана ортеза за подпомагане на движение на човек (Фиг.1), със сензори и двигатели. Ползва се за реабилитация, за тежък труд, телеконтрол или за връзка с виртуална реалност [1], [3], [4]. Важно е екзоскелета да има податливост, за да няма нараняване на човека или повреда в механизмите. За различни случаи и движения е добре да може податливостта и силата да се променят плавно. В това изследване се ползва екзоскелет-ръка [7] с изкуствени пневмо-мускули, създаден от голям колектив по международен проект VERE в Института по Механика, БАН. Трудно е да се използват пневмомускули поради техните нелинейни характеристики и голям хистерезис. 
Фиг.1. Екзоскелетон и виртуална реалност 2. ИЗСЛЕДВАНЕ НА СНОП МУСКУЛИ Изследвани са пневмомускули в Института по Механика (Фиг.2) за връзката между налягане, контракция и сила в мускула, при различен брой мускули и променливо налягане и завъртане на една става (Фиг.3 , Фиг.4). 
Фиг.2. Снимка на сноп мускули 
Фиг.3. Реално измерена мускулна сила в N спрямо различна контракция 0-30%, при различни налягания от 0 дo 4 атм 
Фиг.4. връзка между налягане [0-4 atm] и сила[0-400N] при различни контракции на мускула fi 0 до 30% Създадени са математични интерпола-ционни формули за твърдостта за всеки мускул, и за една обща твърдост за двата антагониста (Фиг.5) в ставата. Също са изведени формули за връзката между сила и налягане в 1 мускул 3. РЕАЛЕН МОДЕЛ Реалния модел (Фиг.6) има кинематична схема (Фиг.7) с четири ротационни стави, две за рамо и две за лакът, с ъглови потенциометрични сензори и контролер. 
Фиг.6. Реален модел 
Фиг.7. Кинематична Схема В момента се правят няколко прототипа от различни материали- карбон, алуминий, нагъната листова стомана. За задвижване се предвижда използване на пневматични мускули с различно окачване. За сензор се ползва и двуосен акселерометър през Ардуино. От получените ставни ъгли q и дължини на звената се изчисляват позициите X на звената с трансформационни матрици Т. Използвана е функция Якобиян J в MatLab за създаване на връзка между четирите ставни моменти Q и силата P в крайната точка на робота(енд-ефектора) по три оси, както и 4 отделни якобияни J(1,2,3,4) за центрите на тежест на звената към ставните моменти. Функцията Якобиян е многомерна производна на няколко параметъра спрямо няколко функции. В случая е отношение между ставните ъгли и позицията на енд-ефектора. Трите функции са позициите по x, y, z на енд-ефектора, изчислени с трансформационните матрици, и представляват множество синуси и косинуси на ставните ъгли, умножени с дължините на звената. Параметрите са четирите ставни ъгли. Якобияна за последното звено се получава матрица 3х4, като за този робот широчината на четирите й колонки стига до над 1500 символа, и текстовия редактор на матлаб се затруднява да прелиства текста, но в C++ няма видимо забавяне в изчисленията и всичко става моментално в реално време. При умножение на J и зададена сила P на ендефектора и тегла G(1,2,3,4) на звената, директно се намират ставните моменти. От ставните моменти следва да се изчисли силата в пневмомускулите, в зависимост от големината на ролката, съосна на ставата, около която се навива трансмисионен кабел, свързан с мускула. 4. СИМУЛАЦИЯ ЗА НАМИРАНЕ НА ДАДЕНА ТВЪРДОСТ НА ЕНД-ЕФЕКТОРА ПРИ ДВИЖЕНИЕ С ОПЪВАНЕ НА СПОРТЕН УРЕД-ЛАСТИК Извършен е виртуален експеримент за дурпане на ластик (Фиг.8а), при който са измерени реалните ъгли в ставите на екзоскелета при дадено движение (Фиг.8b), и после на Матлаб е симулирана сила и твърдост (Фиг.8c) на ендефектора, като за целта са изчислени ставните необходими сили и твърдости за постигането и за всяка точка от движението. 
Фиг.8а. Изглед от виртуалната реалност при дърпане на ластик 
Фиг.8b. Реален изглед на симулация с виртуална реалност при дърпане на ластик 
Фиг.8c. симулация с изчисленията на податливостта с Матлаб при дърпане на ластик 
Фиг.8d. симулация с изчисленията на максимална, минимална, и желана податливост с Матлаб при дърпане на ластик Твърдостта на ендефектора е различна за различните посоки на натиск (Фиг.8d), и затова получените елипсоиди са различни, но важна е твърдостта по посока на окачване Fend на ластика, и спрямо тази посока е намерена твърдостта и силата, а за другите посоки се получават други твърдости. За всяка позиция на ендефектора са изчислени (Фиг.8c) както реалното отместване „ELIPS” (т.2), така и отместването „PeP” (т.3) по посока на силата-ластик. Изчислени са и максималните, средните и минималните твърдости за всяка точка, показани с 3 различни колонки елипсоиди на Фиг.8d за различните позиции от движението. 5. СИМУЛАЦИЯ С ДЪРПАНЕ НА СПОРТЕН УРЕД-ВЪЖЕ С ЗАКАЧЕНИ ТЕЖЕСТИ ЗА НАМИРАНЕ НА ДАДЕНА ТВЪРДОСТ И СИЛА В ЕНД-ЕФЕКТОРА Изследва се виртуална сцена-дърпане на въже (Фиг.9а), преметнато през висока ролка, на което са закачени тежести. Тежестта е константна, но спрямо ендефектора при движение се оказва от различна посока. Изследвана е в Матлаб (Фиг.9b) коравината и силата в няколко точки от движението, като за постигането им се ползват формулите за изчисление на ставните моменти и налягания. 
Фиг.9а. виртуална сцена-дърпане на въже 
Фиг.9b. симулации на твърдост и сили в Матлаб за дърпане на въже 
Фиг.9c. ставни моменти в става1 при дърпане на въже Изчислени са за всяка точка максималните Qmax допустими моменти, както и моментите от гравитацията G, и тези зададени от виртуалната тежест Qd. На фиг.9c , Q=Qd+G е общия ставен момент. 6. ЕКСПЕРИМЕНТИ И СИМУЛАЦИИ С ВДИГАНЕ НА ГИРИ С ЕНД-ЕФЕКТОРА На енд-ефектора са закачени тежести, и му се задава виртуална сила, която трябва да компенсира реалната тежест, докато човека си движи ръката надолу-нагоре , Фиг.10а. 
Фиг.10а. Виртуална сцена с вдигане на гири 6.1 Вдигане на гири Извършва се движение нагоре-надолу по ос Y (Фиг.10b) и се изследва с MatLab какви са допустимите сили и ставни налягания при дадено максимално налягане. 
Фиг.10b. Движение нагоре-надолу в Матлаб 
Фиг.10c. Изчислени в Матлаб ставни налгания, за постигане на константна сила на ендефектора при движението, за максимално налягане 500 kPa На Фиг.10c са показани изчислени в Матлаб четирите ставни налгания за постигане на константна сила при движение, при макс. налягане 500 kPa. 6.2 Степ-респонз – изследване на забавянето на постигането на силата в една позиция При ендефектор, фиксиран в една позиция с закачен силов сензор (Фиг.11а), се задава от виртуалната реалност внезапна сила(Фиг.11b). Измерва се постигната сила от реалното надуване на мускулите във времето при задаване на максимална сила, и също и реакцията на реалната сила при анулиране на виртуалната сила. 
Фиг.11а. Ръка с закачена сила в Матлаб 
Фиг.11b. дадената виртуална сила и измерената постигната сила във времето 
Фиг.11c. Вляво-Измерeна с пневмо сензори промяна в наляганията във всеки мускул във времето; вдясно-изчислено теоритично налягане за всеки мускул с Матлаб при реалната сила в ендефектора ЛИТЕРАТУРА [1] Bergamasco M., B. Allotta, L. Bosio, L. Ferretti, G. Perrini, G. M. Prisco, F. Salsedo, And G. Sartini, 1994. An Arm Exoskeleton System For Teleoperation And Virtual Environment Applications, Ieee Int’l Conf. Robot. Automat., Vol. 2, 1449–1454. [2] Caldwell D.G. et al.. “Soft” exoskeletons for upper and lower body rehabilitation — design, control and testing. International Journal of Humanoid Robotics Vol. 4, No. 3 (2007) 549–573 [3] Craig R. Carignan, Kevin R. Cleary, Closed-Loop Force Control For Haptic Simulation Of Virtual Environments, Haptics-E, Vol. 1, No. 2, Http://Www.Haptics-E.Org, Pp1-14. [4] Frisoli A., Fabio Salsedo, Massimo Bergamasco, Bruno Rossi And Maria C. Carboncini, 2009. A Force-Feedback Exoskeleton For Upper-Limb Rehabilitation In Virtual Reality, Applied Bionics And Biomechanics, Vol. 6, No. 2, June 2009, 115–126. [5] Ilieva-Mitutsova L., Chavdarov I., Vitkov V., Delchev K., Latkovski V., Nikitin O., Okhotsimsky D. Mechatronical system for investigation and rehabilitation of man. Proceed. Of 10th Inter. Scient. Conf. “Academicka Dubnica 2004”, Dubnica nad Vahom, 371-374. [6] Pons, J.L. (2008). Wearable Robots: Biomechatronic Exokeletons, John Willey & Sons, Ltd, ISBN, 978-0-470-5194-4, England. [7] Tsveov M., I. Veneva, D. Chakarov, D. Trifonov. Human body active orthosis as haptic device for interaction in virtual environments. Series on BIOMECHANICS, Vol.29, No.2-3, 2015, ISSN 1313-2458, pp.101-108 [8] Van Damme, M., F. Daerden, D. Lefeber, A Pneumatic Manipulator used in Direct Contact with an Operator, ICRA 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, April 2005, pp. 4505-4510 [9] Veneva I., Intelligent device for control of active ankle-foot orthosis, Proceedings of the 7th IASTED International Conference on Biomedical Engineering „BioMed 2010", 17-19 February, ISBN: Book: 978-0-88986-827-4, CD: 978-0-88986-828-1, Innsbruck, Austria, 2010, pp. 100-105. Каталог: reports reports -> Отчет 31 март 2008 г. Междинен Баланс reports -> Отчет за доходите 4 Отчет за паричните потоци (пряк метод) reports -> Отчет 31 март 2008 г. Междинен Баланс reports -> Решение за сключване, прекратяване и разваляне на договор за съвместно предприятие reports -> О т ч е т за дейността на национален център по наркомании Изтегляне 77.69 Kb. Сподели с приятели:
|
Фиг.5. Антагонистична система с два снопа мускули в една става