priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-3-155-163pribor-221Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМDESIGN OF ADAPTIVE AND ENERGY-EFFICIENT ROBOTIC SYSTEMSСтруктурно-параметрический синтез плоских неполноприводных механизмов для антропоморфных роботизированных кистейStructural-parametric synthesis of planar underactuated linkages for anthropomorphic robotic handsХомутовЕ. Э.KhomutovE. E.

Хомутов Евгений Эдуардович — аспирант; факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники.

Санкт-Петербург

Evgeny E. Khomutov — Post-Graduate Student; ITMO University, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics.

St. Petersburg

e.khomutov@itmo.ruИволгаД. В.IvolgaD. V.

Иволга Дмитрий Викторович — аспирант; факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники.

Санкт-Петербург

Dmitry V. Ivolga — Post-Graduate Student; ITMO University, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics.

St. Petersburg

ivolga.dv@itmo.ruБорисовИ. И.BorisovI. I.

Борисов Иван Игоревич — канд. техн. наук; факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; научный сотрудник.

Санкт-Петербург

Ivan I. Borisov - PhD; ITMO University, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics; Researcher.

St. Petersburg

borisovii@itmo.ruМолчановН. A.MolchanovN. A.

Молчанов Никита Алексеевич — лаборатория робототехники; ст. инженер-разработчик.

Москва

Nikita A. Molchanov - Sberbank, Robotics Laboratory; Senior Engineer-Designer.

Moscow

molchanov.n.al@sberbank.ruМаксимовИ. А.MaksimovI. A.

Максимов Иван Алексеевич — лаборатория робототехники; ст. инженер-разработчик.

Москва

Ivan A. Maksimov - Sberbank, Robotics Laboratory; Senior Engineer-Designer.

Moscow

maksimov.i.a@sberbank.ruУниверситет ИТМОITMO UniversityСбербанкSberbank202201122024653155163Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/221

Представлены результаты структурно-параметрического синтеза плоских неполноприводных механизмов со звеньями переменной длины. Синтез основан на принципе морфологического расчета, согласно которому желаемые свойства робота „программируются“ на уровне механической конструкции, а активное управление используется лишь для мягкой корректировки движений, обусловленных естественным поведением системы. Разработанный алгоритм был апробирован при создании адаптивной компактной кисти для антропоморфного робота iCub, способной выполнять все фундаментальные захваты и обладающей при сопоставимых габаритах более высокой грузоподъемностью по сравнению с оригинальным аналогом на тросовой тяге. Приведен пример синтеза механизма указательного пальца и представлены результаты тестирования опытного образца устройства. Разработанный прототип обладает 14 степенями свободы, но при этом управляется с помощью четырех двигателей. Минимизация количества приводов позволила упростить систему управления, уменьшить количество требуемых сенсоров и массогабаритные параметры и снизить затраты на комплектующие.

The results of structural-parametric synthesis of planar underactuated linkages with variable length links are presented. The proposed synthesis is based on the principle of morphological computation, which means that robot’s desired properties are „programmed“ at mechanical level, while active control is used only for soft motion correction caused by the natural behavior of the system. The proposed synthesis algorithm was tested to create an adaptive compact hand for the anthropomorphic robot iCub, capable of performing all fundamental grips and having a higher load capacity with dimensions similar to the original cable-driven hand design. An example of the synthesis for an index finger mechanism is given and the results of testing a prototype device are presented. The developed prototype has 14 degrees of freedom, but it is controlled by just four motors. Minimizing the number of motors made it possible to simplify the hardware and software of its control system, reduce the number of required sensors and weight and size parameters and reduce the cost of components.

антропоморфные захватные устройстваморфологический расчетманипулирование объектамизвенья переменной длинымоделирование контактного взаимодействияgrippers and other end-effectorscompliant joint/mechanismvariable length linksflexible robotsmechanism designReferencesLiu H. et al. Multisensory five-finger dexterous hand: The DLR/HIT Hand II // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2008. Р. 3692—3697.Liu H. et al. 2008 IEEE/RSJ International Conference On Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2008, pp. 3692–3697.Rothling F. et al. Platform portable anthropomorphic grasping with the bielefeld 20-dof shadow and 9-dof tum hand // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2007. Р. 2951—2956.Rothling F. et al. 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2007, pp. 2951–2956.Xu Z., Todorov E. Design of a highly biomimetic anthropomorphic robotic hand towards artificial limb regeneration // IEEE Intern. Conf. on Robotics and Atomation (ICRA). IEEE, 2016. Р. 3485—3492.Xu Z., Todorov E. 2016 IEEE International Conference on Robotics and Atomation (ICRA), 2016, pp. 3485–3492.Raiola G. et al. Development of a safety-and energy-aware impedance controller for collaborative robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2018. Vol. 3, N 2. P. 1237—1244.Raiola G. et al. IEEE Robotics and Automation Letters, 2018, no. 2(3), pp. 1237–1244.Katz B., Di Carlo J., Kim S. Mini cheetah: A platform for pushing the limits of dynamic quadruped control // Intern. Conf. on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2019. P. 6295—6301.Katz B., Di Carlo J., Kim S. 2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2019, pp. 6295–6301.Thomaszewski B. et al. Computational design of linkage-based characters // ACM Trans. on Graphics (TOG). 2014. Vol. 33, N 4. P. 1—9.Thomaszewski B. et al. ACM Transactions on Graphics (TOG), 2014, no. 4(33), pp. 1–9.Abd M. A. et al. Surface Feature Recognition and Grasped Object Slip Prevention With a Liquid Metal Tactile Sensor for a Prosthetic Hand // Proc. of the 8th IEEE RAS/EMBS Intern. Conf. for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). IEEE, 2020. P. 1174—1179.Abd M.A. et al. 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 2020, pp. 1174–1179.Borisov I. I. et al. Study on elastic elements allocation for energy-efficient robotic cheetah leg // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2019. P. 1696—1701.Borisov I.I. et al. 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2019, pp. 1696–1701.Metta G. et al. The iCub humanoid robot: An open-systems platform for research in cognitive development // Neural Networks. 2010. Vol. 23, N 8—9. P. 1125—1134.Metta G. et al. Neural Networks, 2010, no. 8-9(23), pp. 1125–1134.Schmitz A. et al. Design, realization and sensorization of the dexterous iCub hand // Proc. of the 10th IEEE-RAS Intern. Conf. on Humanoid Robots. IEEE, 2010. P. 186—191.Schmitz A. et al. 2010 10th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, 2010, pp. 186–191.Borisov I. I., Khomutov E. E., Kolyubin S. A., Stramigioli S. Computational design of reconfigurable underactuated linkages for adaptive grippers // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2021.Borisov I.I., Khomutov E.E., Kolyubin S.A., Stramigioli S. 2021 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2021, pp. 6117–6123.Borisov I. I. et al. Novel optimization approach to development of digit mechanism for bio-inspired prosthetic hand // Proc. of the 7th IEEE Intern. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob). IEEE, 2018. P. 726—731.Borisov I.I. et al. 2018 7th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob), 2018, pp. 726–731.Борисов И. И., Защитин Р. А., Борисова О. В., Колюбин С. А. Алгоритм структурно-параметрического синтеза механизмов адаптивных захватных устройств со звеньями переменной длины // Изв. вузов. Приборостроение. 2020. Т. 63, № 5. С. 467—475.Borisov I.I., Zashchitin R.A., Borisova O.V., Kolyubin S.A. Journal of Instrument Engineering, 2020, no. 5(63), pp. 467–475, DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-5-467-475. (in Russ.)Birglen L., Laliberté T., Gosselin C. M. Underactuated Robotic Hands. Springer, 2007. Vol. 40.Birglen L., Laliberté T., Gosselin C.M. Underactuated Robotic Hands, Springer, 2007, vol. 40.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.