priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-3-164-173pribor-224Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМDESIGN OF ADAPTIVE AND ENERGY-EFFICIENT ROBOTIC SYSTEMSПрограммно-аппаратная архитектура системы управления антропоморфной кистью роботаHardware and software architecture for anthropomorphic robot hand control systemИволгаД. 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.ruХомутовЕ. Э.KhomutovE. E.

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

Санкт-Петербург

Evgenу 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.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.ruКолюбинС. А.KolyubinS. A.

Колюбин Сергей Алексеевич — д-р техн. наук, доцент; факультет систем управления и робототехники, лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; вед. научный сотрудник.

Санкт-Петербург

Sergey A. Kolyubin — Dr. Sci., Associate Professor; ITMO University, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics; Leading Researcher.

St. Petersburg

s.kolyubin@itmo.ruУниверситет ИТМОITMO UniversityСбербанкSberbank202201122024653164173Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/224

Представлены результаты разработки и реализации программно-аппаратной архитектуры системы управления для адаптивной антропоморфной роботизированной кисти. Рассматривается возможность интеграции разработанного захватного устройства в контур управления робота iCub с сохранением функциональных возможностей и гибкости реализации алгоритмов управления. Это достигается посредством прототипирования системы управления как самостоятельного модуля, подключаемого к роботу iCub через сетевой интерфейс Ethernet. Обмен данными между захватным устройством и роботом iCub имеет высокую стабильность и производительность с частотой управления 2 кГц при задержке не более 310 мкс и джиттере ниже 50 мкс. Тестирование программно-аппаратной архитектуры системы управления продемонстрировало высокую точность управления положением (±1) и тактильным усилием (±0,15 Н) проксимальных фаланг пальцев.

The results of the development and implementation of hardware and software architecture for the control system of an adaptive anthropomorphic robotic hand are presented. The research focuses on possibility of integrating the proposed robotic hand into the iCub robot’s control system while preserving the functionality and flexibility of implementing control algorithms. It has been achieved by prototyping the control system as an independent module connected to the iCub robot via network interface Ethernet. The data exchange between the gripper and the iCub robot has high stability and performance with a control frequency of 2 kHz with a delay less than 310 us and a jitter below 50 us. Testing of the control system’s software and hardware architecture demonstrated high accuracy in position control (± 1 ) and force control (± 0,15 N) for fingers’ proximal phalanges.

антропоморфные захватные устройствасистема управленияаппаратное обеспечениепрограммный интерфейсanthropomorphic gripperscontrol systemhardwarechoice of element basesensorssoftware interfaceReferencesPiazza C. et al. A Century of Robotic Hands // Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems. 2019. Vol. 2. P. 1—32. DOI: 2.1-32.10.1146/annurev-control-060117-105003.Piazza C. et al. A Century of Robotic Hands. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, 2019, vol. 2, pp. 1–32, DOI: 2.1-32.10.1146/annurev-control-060117-105003.Simpkins C. Mechanisms and Machine Science: Grasping in Robotic System // Robotics & Automation Magazine, IEEE. 2013. Vol. 20. P. 94—94. DOI: 10.1109/MRA.2012.2236252.Simpkins C. Robotics & Automation Magazine, 2013, vol. 20, pp. 94–94, DOI: 10.1109/MRA.2012.2236252.Metta G., Fitzpatrick P. Better vision through manipulation // Adaptive Behavior. 2003. Vol. 11, N 2. P. 109—128. DOI: 10.1177/10597123030112004.Metta G. and Fitzpatrick P. Adaptive Behavior, 2003, no. 2(11), pp. 109–128, DOI: 10.1177/10597123030112004.Parmiggiani A., Maggiali M., Natale L. et al. The Design of the iCub Humanoid Robot // Intern. Journal of Humanoid Robotics. 2012. Vol. 9, N 4. DOI: 10.1142/S0219843612500272.Parmiggiani A. et al. International Journal of Humanoid Robotics, 2012, no. 4(9), pp. 9, DOI: 10.1142/S0219843612500272.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., and Stramigioli S. 2021 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2021, pp. 6117–6123.Müller V. C., Hoffmann M. What is morphological computation? On how the body contributes to cognition and control //Artificial Life. 2017. Vol. 23, N 1. P. 1—24.Müller V.C., Hoffmann M. Artificial Life, 2017, no. 1(23), pp. 1–24.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. T. 63, № 5. С. 467—475. DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-5-467-475.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.)Jamali N. et al. A new design of a fingertip for the iCub hand // IEEE/RSJ Intern. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2015. DOI: 10.1109/IROS.2015.7353747.Jamali N. et al. A new design of a fingertip for the iCub hand, 2015, DOI:10.1109/IROS.2015.7353747.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, 2011. P. 186—191. DOI: 10.1109/ICHR.2010.5686825.Schmitz A. et al. 10th IEEE-RAS International Conference of Humanoid Robots, 2011, pp. 186–191, DOI: 10.1109/ICHR.2010.5686825.Sönmez Ö. Numerical Analysis of an Electromagnetic Plunger // European Journal of Science and Technology. 2020. P. 170—175. DOI: 10.31590/ejosat.803129.Sönmez Ö. European Journal of Science and Technology, 2020, pp. 170–175, DOI: 10.31590/ejosat.803129.Tenzer Y., Jentoft L., Howe R. The feel of mems barometers:Inexpensive and easily customized tactile array sensors // Robotics Automation Magazine, IEEE. 2014. Vol. 21. P. 89—95. DOI: 10.1109/MRA.2014.2310152.Tenzer Y., Jentoft L., and Howe R. Robotics Automation Magazine, IEEE, 2014, vol. 21, pp. 89–95, DOI: 10.1109/MRA.2014.2310152.Casalino G., Giorgi F. et al. Embedded FPGA-based control of a multifingered robotic hand // IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. 2003. N 3. DOI:10.1109/robot.2003.1242014.Casalino G., Giorgi F. et al. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2003, nо. 03, DOI:10.1109/robot.2003.1242014.Zeng J., Yi P. et al. MESO-ADC: The ADC design using MESO device // Microelectronics Journal. 2021. P. 116. DOI: 10.1016/j.mejo.2021.105235.Zeng J., Yi P. et al. Microelectronics Journal, 2021, pp. 116, DOI: 10.1016/j.mejo.2021.105235.Lee Y. K. Design of exoskeleton robotic hand/arm system for upper limbs rehabilitation considering mobility and portability // Proc. of the 11th Intern. Conf. on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). 2014. DOI: 10.1109/URAI.2014.7057385.Lee Y. et al. 11th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). 2014. DOI: 10.1109/URAI.2014.7057385.Liu H., Wu K. et al. A dexterous humanoid five-fingered robotic hand // Proc. of the 17th IEEE Intern. Symp. on Robot and Human Interactive Communication. 2018. DOI:10.1109/roman.2008.4600694.Liu H., Wu K. et al. 17th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 2018, DOI:10.1109/roman.2008.4600694.Sartori E., Fiorini P., Muradore R. Cutaneous feedback in teleoperated robotic hands // 42nd Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON 2016. DOI:10.1109/iecon.2016.7792990.Sartori E., Fiorini P., Muradore R. 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON, 2016, DOI:10.1109/iecon.2016.7792990.

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