Егор Александрович Ракшин — инженер, факультет систем управления и робототехники, международная лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники,
Санкт-Петербург.
Egor A. Rakshin — Engineer, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics,
St. Petersburg.
Герман Вадимович Кулить — инженер, факультет систем управления и робототехники, международная лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники,
Санкт-Петербург.
German V. Kulit — Engineer, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics,
St. Petersburg.
Иван Игоревич Борисов — канд. техн. наук, профессор практики, факультет систем управления и робототехники, международная лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; инженер,
Санкт-Петербург;
Москва.
Ivan I. Borisov — PhD, Professor of Practice, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics,
St. Petersburg;
Moscow.
Сергей Алексеевич Колюбин — д-р техн. наук, ординарный профессор, факультет систем управления и робототехники, международная лаборатория биомехатроники и энергоэффективной робототехники; профессор,
Санкт-Петербург.
Sergey A. Kolyubin — Dr. Sci., Professor, Faculty of Control Systems and Robotics, International Laboratory of Biomechatronics and Energy-Efficient Robotics,
St. Petersburg.
Представлен алгоритм структурно-параметрического синтеза эластичных элементов в составе фаланг роботизированных кистей, обеспечивающий решение задач адаптивного захвата. Использование упругих элементов в исполнительных органах роботизированных захватных устройств позволяет снизить требования к точному позиционированию пальцев при захвате объектов в неструктурированном окружении. Алгоритм структурно-параметрического синтеза позволяет проектировать эластичные фаланги, которые повышают эффективность захвата объектов с различными физическими свойствами, механически адаптируясь к ним. Для определения топологий фаланг, предназначенных для различных классов объектов, предложена процедура автоматизации построения вариантов эластичных фаланг и оценки их эластостатических характеристик. Конструкция задается дискретной моделью жестких звеньев и упругих элементов, что обеспечивает единое представление разных топологий. Путем направленного поиска решений генерируется множество конфигураций с различным числом упругих элементов и их расположением; для каждой топологии выполняются аналитический расчет жесткостей, моделирование деформаций и регистрация силовых и деформационных метрик. Результаты сохраняются в базу данных для апостериорного анализа зависимости параметров конструкции от функциональных свойств и выбора оптимальных решений по заданным метрикам. Алгоритм опирается на вычислительно облегченную имитационную модель нелинейных деформаций эластичной фаланги. Это позволяет решать задачу оптимизации с ограничениями примерно на порядок быстрее, чем при использовании коммерческих сред инженерного проектирования, обеспечивая достоверность моделирования, достаточность которой определена верификацией на конечно-элементных моделях. Реализована процедура вычислительного проектирования параметров фаланг в составе модуля пальца. Для обеспечения физической согласованности проведена валидация алгоритма в три этапа: (1) верификация аналитической модели замещения эластичного тела путем сравнения с результатами конечно-элементного моделирования; (2) определение начального значения модуля Юнга по стенду на трехточечный изгиб; (3) уточнение модуля Юнга через идентификацию имитационной модели эластичных фаланг по физическим экспериментам.
An algorithm for the structural-parametric synthesis of elastic elements in the phalanges of robotic hands is presented, which provides a solution to adaptive grip problems. The use of elastic elements in the executive organs of robotic gripping devices reduces the requirements for precise finger positioning when gripping objects in an unstructured environment. The structural-parametric synthesis algorithm makes it possible to design elastic phalanges that increase the efficiency of capturing objects with different physical properties by mechanically adapting to them. To determine the topologies of phalanges intended for various classes of objects, a procedure is proposed for automating the construction of variants of elastic phalanges and evaluating their elastostatic characteristics. The design is defined by a discrete model of rigid links and elastic elements, which provides a unified representation of different topologies. By directional search for solutions, a variety of configurations with a different number of elastic elements and their location are generated; for each topology, analytical stiffness calculations, deformation modeling, and registration of force and deformation metrics are performed. The results are stored in a database for a posteriori analysis of the dependence of design parameters on functional properties and the selection of optimal solutions based on specified metrics. The algorithm is based on a computationally lightweight simulation model of nonlinear deformations of an elastic phalanx. This makes it possible to solve the optimization problem with constraints about an order of magnitude faster than using commercial engineering design environments, ensuring the reliability of modeling, the sufficiency of which is determined by verification on finite element models. The procedure of computational design of phalanx parameters as part of the finger module is implemented. To ensure physical consistency, the algorithm was validated in three stages: (1) verification of the analytical model of elastic body substitution by comparison with the results of finite element modeling; (2) determination of the initial value of the Young’s modulus on a three-point bending bench; (3) refinement of the Young’s modulus through identification of a simulation model of elastic phalanges based on physical experiments.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.