СПОСОБ КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ ПОВОРОТА В СУСТАВАХ РУКИ ОПЕРАТОРА Российский патент 2019 года по МПК A61B5/103 

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано при создании задающих устройств для систем копирующего управления, реализованных в виде экзоскелета с нежесткими креплениями к телу оператора.

Известен способ прямых измерений углов поворота оператора в отдельном суставе, используемый в устройстве, защищенном патентом US №4436099, кл. A61B 5/103, G01D 5/36, G01D 5/26, A61B 5/10, 1984 г. Суть способа заключается в измерении углов поворота в суставе оператора с помощью устройства, повторяющего кинематическую схему сустава. При движении оператора оси кинематических пар экзоскелета совпадают с осями сустава оператора, что обуславливает высокую точность совпадения углов поворота в суставах оператора и измеренных углов поворота в кинематических парах экзоскелета.

Признаком аналога, совпадающим с признаком заявляемого способа, является измерение углов поворота в кинематических парах экзоскелета.

Недостатком, препятствующим получению в этом аналоге технического результата, достигаемого в изобретении, является то обстоятельство, что для реализации данного способа необходимо использование экзоскелетных конструкций, сильно сковывающих движение оператора.

Известен также способ косвенного измерения углов поворота в суставах конечности оператора, используемый в устройстве, защищенном патентом US №4986280, кл. A61B 5/103, B25J 19/02, B25J 9/00, G01D 5/14, G01D 5/12, G05B 19/427, G06F 3/00, 1991 г. Суть способа заключается в том, что для измерения углов поворота в суставах конечности оператора используют экзоскелет с кинематической избыточностью. Измеряют антропометрические показатели оператора. Измеряют углы поворота в кинематических парах экзоскелета. Вычисляют углы поворота в суставах конечности оператора на основе геометрического решения обратной задачи кинематики.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого способа, являются использование экзоскелета для измерений, измерение антропометрических показателей оператора, измерение углов поворота в кинематических парах экзоскелета, вычисление углов поворота в суставах конечности оператора на основе геометрического решения обратной задачи кинематики.

Недостатками, препятствующим достижению в этом способе технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, являются ограниченные функциональные возможности. В частности, данный способ плохо применим для измерения углов поворота в суставах такой кинематически сложной части тела оператора, как рука. Это обусловлено тем, что для реализации способа необходимо использование экзоскелета с высокой степенью кинематической избыточности, что сильно усложняет техническую реализацию подобного экзоскелета.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, используемый в дистанционном манипуляторе, защищенном патентом RU №125508, кл. B25J 3/04, 2013 г. Этот способ заключается в том, что для измерения используют экзоскелет с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, звенья которого располагаются вдоль отделов руки оператора, закрепленный на теле оператора с помощью жестких и нежестких креплений, измеряют углы поворота в кинематических парах экзоскелета, формируют вектор углов поворота в суставах оператора из измеренных значений соответствующих углов поворота в кинематических парах экзоскелета.

Признаками способа-прототипа, совпадающими с признаками заявляемого способа, являются использование для измерения углов поворота в суставах руки оператора экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, звенья которого располагаются вдоль отделов руки оператора, закрепленного на теле оператора с помощью жестких и нежестких креплений, измерение углов поворота в кинематических парах экзоскелета.

Недостатком, препятствующим достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого заявляемым способом, является низкая точность измерений углов поворота в суставах руки оператора. Она обусловлена тем обстоятельством, что в процессе движения руки оператора нарушается параллельность между звеньями экзоскелета и отделами руки оператора. Данный факт приводит к различиям между значениями углов поворота в суставах руки оператора и измеренными значениями углов поворота в кинематических парах экзоскелета.

Это обстоятельство вызывает существенную рассинхронизацию движений объекта копирующего управления и руки оператора при использовании способа-прототипа в задающем устройстве.

Техническим результатом данного изобретения, является повышение точности измерения углов поворота в суставах руки оператора.

Технический результат достигается тем, что в известном способе-прототипе косвенного измерения углов поворота в суставах руки-оператора, используемом в дистанционном манипуляторе, защищенном патентом RU №125508, кл. B25J 3/04, 2013 г., дополнительно измеряют антропометрические данные оператора, рассчитывают декартовы координаты его суставов, имеющих жесткое крепление с экзоскелетом, путем решения прямой задачи кинематики, рассчитывают декартовы координаты локтевого сустава оператора, формируют вектор углов поворота в суставах руки оператора путем решения обратной задачи кинематики.

Для достижения технического результата в известном способе косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, основанном на использовании для измерения экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, звенья которого располагаются вдоль отделов руки оператора, закрепленного на теле оператора с помощью жестких и нежестких креплений, измерении углов поворота в кинематических парах экзоскелета, дополнительно измеряют следующие антропометрические параметры: – длину плеча оператора, – длину предплечья оператора, рассчитывают векторы значений декартовых координат плечевого сустава , лучезапястного сустава , центра кисти оператора , локтевого сочленения экзоскелета путем решения прямой задачи кинематики, рассчитывают значения проекций вектора , соединяющего плечевой и лучезапястный суставы оператора, рассчитывают расстояние между плечевым и лучезапястным суставами оператора , рассчитывают полупериметр треугольника, образовываемого плечевым, локтевым и лучезапястным суставами оператора, рассчитывают расстояние от центра окружности , образовываемой виртуальным вращением локтевого сустава оператора вокруг оси, проходящей через плечевой и лучезапястный суставы, и локтевым суставом оператора по формуле:

,

рассчитывают расстояние между плечевым суставом и центром окружности по формуле:

,

рассчитывают координаты точки по формуле:

,

,

где – отношение, в котором точка делит отрезок ,

рассчитывают два варианта и вектора значений декартовых координат локтевого сустава, путем решения системы уравнений:

где , , – декартовы координаты точки ;

, , , – коэффициенты плоскости, перпендикулярной отрезку , и проходящей через точку ;

, , – значения проекций вектора на оси декартовой системы координат;

, , – декартовы координаты сочленения ;

– эффективная длина нежесткого крепления, значение которой подбирается из условия минимизации погрешности косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора,

выбирают один из рассчитанных вариантов и вектора декартовых координат локтевого сустава из условия наименьшего расстояния до прошлого известного положения локтевого сустава , где – номер текущей итерации косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, формируют вектор углов поворота в суставах руки оператора путем решения обратной задачи кинематики для известных декартовых координат суставов руки оператора.

Сущность изобретения заключается в том, что на основе измеренных углов поворота во вращательных парах экзоскелета, известных конструктивных параметров экзоскелета и антропометрических данных оператора выполняется расчёт декартовых координат суставов оператора, на основании которых выполняется расчёт углов поворота в суставах оператора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:

- на фиг.1 – кинематическая схема руки оператора и экзоскелета, соединенных с помощью жестких и нежестких креплений;

- на фиг. 2 – варианты пространственного расположения локтевого сустава оператора, полученные с помощью заявляемого способа;

- на фиг. 3 – взаимное положение руки оператора и экзоскелета, иллюстрирующее преимущество предлагаемого способа над способом-прототипом.

Представленная на фиг. 1 кинематическая цепь моделирует руку оператора, а кинематическая цепь – экзоскелет, аналогичный используемому в способе-прототипе. Кинематические пары соответствуют плечевому, локтевому и лучезапястному суставам оператора. Т. к. экзоскелет имеет кинематическую схему, аналогичную руке оператора, обозначим кинематические пары как плечевое, локтевое и лучезапястное сочленения, соответственно. Рука оператора и экзоскелет соединены с помощью жестких креплений и между плечевыми и лучезапястными суставами, соответственно. Точка соответствует месту крепления экзоскелета к телу оператора, точка – месту присоединения жесткого крепления к кистевому отделу руки оператора, точка – месту присоединения жесткого крепления к кистевому звену экзоскелета. Нежесткое крепление между суставом и сочленением представляет собой ремень, связывающий руку оператора и экзоскелет. Данное крепление накладывает на движение экзоскелета условие подобия движению руки оператора.

Введя систему декартовых координат, связанную с точкой , на основе измеренных значений обобщённых координат экзоскелета, его конструктивных параметров, а также антропометрических данных оператора, путем решения прямой задачи кинематики могут быть найдены декартовы координаты точек , и , связанных с рукой оператора. Таким образом, расчёт декартовых координат указанных точек может быть выполнен с помощью известных способов и выходит за рамки заявляемого. Одной из задач, решаемых изобретением, является расчёт декартовых координат локтевого сустава , имеющего нежесткую сцепку с экзоскелетом. Наличие нежесткой сцепки не позволяет найти декартовы координаты локтевого сустава с помощью решения прямой задачи кинематики. Также, декартовы координаты локтевого сустава не могут быть найдены с помощью решения обратной задачи кинематики, вследствие наличия в общем случае бесконечного множества решений.

Входными данными, необходимыми для расчёта с помощью изобретения, являются следующие величины:

- длина плеча оператора ;

- длина предплечья оператора ;

- длина плеча экзоскелета ;

- длина предплечья экзоскелета ;

- эффективная длина крепления ;

- векторы декартовых координат суставов руки оператора и сочленений экзоскелета , , , , найденные с помощью решения прямой задачи кинематики.

Длины отделов руки оператора могут быть найдены с помощью антропометрических измерений. Длины звеньев экзоскелета относятся к его конструктивным параметрам и полагаются известными. Эффективная длина представляет собой среднее расстояние между локтевым суставом оператор и локтевым сочленением . Данное расстояние может быть подобрано экспериментально для конкретной реализации экзоскелета из условия минимизации погрешности расчёта декартовых координат локтевого сустава с помощью заявляемого способа. Векторы декартовых координат точек , , , могут быть найдены с помощью решения прямой задачи кинематики.

Расчёт декартовых координат локтевого сустава, соединенного нежестким креплением с эсзоскелетом, с помощью заявляемого способа заключается в следующем.

Необходимо найти расстояние между соседними суставами, декартовы координаты которых известны вследствие их жесткой связи с экзоскелетом:

,

где – расстояние между плечевым и лучезапястным суставами руки оператора;

, , – декартовы координаты плечевого сустава ;

, , – декартовы координаты лучезапястного сустава .

Для известных декартовых координат суставов и множество возможных положений неизвестного сустава представляет собой окружность, изображенную на фиг. 2, описываемую точкой при вращении вокруг прямой . Центр окружности может быть получен из треугольника путем проведения высоты из точки к стороне .

Длина высоты может быть найдена через площадь треугольника :

где – полупериметр треугольника ;

– длины высоты, проведенной в треугольнике из точки .

Длина отрезка может быть найдена по формуле:

где – длина отрезка .

Координаты точки могут быть найдены по формуле деления отрезка в заданном отношении:

где – отношение, в котором точка делит отрезок .

Обозначенная на фиг. 2 окружность возможных положений сустава может быть найдена как пересечение сферы с центром в точке и радиусом , и плоскости, перпендикулярной отрезку , и проходящей через точку :

где , , – декартовы координаты точки ;

, , , – коэффициенты плоскости, перпендикулярной отрезку , и проходящей через точку ;

, , – значения проекций вектора на оси декартовой системы координат.

Предлагаемый способ определения координат локтевого сустава основывается на предположении о том, что с некоторой погрешностью можно считать расстояние между сочленением и суставом постоянным. Тогда выбор положения точки на окружности, описывающей возможные положения локтевого сустава, может быть произведен из условия нахождения общих точек пересечения со сферой с центром в точке и радиусом (фиг. 2). Уравнение данной сферы имеет вид:

,

где , , – декартовы координаты сочленения ;

– эффективная длина нежесткого крепления.

Варианты положения и локтевого сустава могут быть найдены как точки пересечения описанных выше окружности и сферы.

Примем, что:

,

где , , , , – значения декартовых координат соответствующих векторов и точек.

Варианты положения и локтевого сустава могут быть найдены по формулам:

где – промежуточные величины, необходимые для расчета декартовых координат точек и ;

– индексы, принимающие значения, определяемые следующим правилом: равен номеру ненулевой компоненты вектора в выражении, – номерам оставшихся компонент. Данные динамически определяемые в процессе расчета индексы введены для того, чтобы гарантировать, что при расчёте величин , и не будет деления на ноль.

Выбор положения искомой точки из двух возможных вариантов и может выполняться из условия непрерывности перемещения сустава в процессе движения. Для этого в начале работы оператора с экзоскелетом необходимо выбрать одну из двух рассчитанных точек положения локтевого сустава, как наиболее соответствующую его реальному положению. Данный выбор можно осуществить вручную или с помощью постановки руки в некоторое заранее оговоренное положение, в котором точка может быть выбрана автоматически.

В процессе циклической работы алгоритма расчёта выбор одной из двух точек производится из условия минимума расстояния до точки положения локтевого сустава, найденной на прошлой итерации:

где – вектор декартовых координат сустава , вычисляемый на -й итерации;

– номер текущей итерации косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора;

– первый вариант вектора декартовых координат сустава , вычисляемый на -й итерации;

– второй вариант вектора декартовых координат сустава , вычисляемый на -й итерации;

– вектор декартовых координат сустава , вычисленный на
-й итерации;

В соответствии с предлагаемым способом осуществляют следующие действия над задающим устройством и другими материальными объектами.

1. Используют для измерения экзоскелет с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, звенья которого располагаются вдоль отделов руки оператора, закрепленного на теле оператора с помощью жестких и нежестких креплений.

2. Измеряют углы поворота в кинематических парах экзоскелета.

3. Измеряют длину плеча оператора .

4. Измеряют длину предплечья оператора .

5. Рассчитывают векторы значений декартовых координат плечевого сустава , лучезапястного сустава , центра кисти оператора , локтевого сочленения экзоскелета путем решения прямой задачи кинематики, например, с помощью представления Денавита-Хартенберга [Denavit J., Hartenberg R. S. A Kinematic Notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrices, J. Appl. Mech., 77, pp. 215–221, 1995].

6. Рассчитывают значения проекций вектора , соединяющего плечевой и лучезапястный сустав оператора по формуле:

.

7. Рассчитывают расстояние между плечевым и лучезапястным суставами оператора по формуле:

.

8. Рассчитывают полупериметр треугольника, образовываемого плечевым, локтевым и лучезапястным суставами оператора по формуле:

.

9. Рассчитывают расстояние от центра окружности , образовываемой виртуальным вращением локтевого сустава оператора вокруг оси, проходящей через плечевой и лучезапястный суставы и локтевым суставом оператора по формуле:

.

10. Рассчитывают расстояние между плечевым суставом и центром окружности по формуле:

.

11. Рассчитывают координаты точки по формуле:

,

,

где – отношение, в котором точка делит отрезок .

12. Рассчитывают два варианта и вектора значений декартовых координат локтевого сустава, не связанного с экзоскелетом жестким креплением путем решения системы уравнений:

где , , – декартовы координаты точки ;

, , , – коэффициенты плоскости, перпендикулярной отрезку , и проходящей через точку ;

, , – декартовы координаты точки ;

, , – декартовы координаты точки .

, , – декартовы координаты сочленения ;

– эффективная длина нежесткого крепления, подбираемая экспериментально исходя из критерия минимизации погрешности косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора.

Выбирают один из рассчитанных вариантов и вектора декартовых координат локтевого сустава из условия наименьшего расстояния до прошлого известного положения локтевого сустава , где – номер текущей итерации косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора.

13. Формируют вектор углов поворота в суставах руки оператора путем решения обратной задачи кинематики для известных декартовых координат суставов руки оператора, например, с помощью решения, изложенного в [Petrenko, V.I. Calculating rotation angles of the operator's arms based on generalized coordinates of the master device with following anthropomorphic manipulator in real time / V.I. Petrenko, F.B. Tebueva, V.B. Sychkov, V.O. Antonov, M.M. Gurchinsky // International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). – 2018. – Vol. 9, Issue 7 (2018). – pp. 447-461].

Заявляемый способ, как и способ-прототип, обеспечивают измерение углов поворота в суставах руки оператора. Однако заявляемый способ позволяет достичь большей точности измерений при использовании того же устройства для проведения измерений. Погрешность способа-прототипа складывается из методической погрешности и погрешностей, обусловленных гибкостью креплений и руки оператора. Методическую погрешность способа-прототипа можно наблюдать на примере взаимного положения руки оператора и экзоскелета, изображенного на фиг. 3. Вследствие того, что в общем случае длины звеньев экзоскелета не совпадают с длинами отделов руки оператора, также отличаются углы поворота в кинематических парах экзоскелета и суставах оператора. Очевидно, что измеренный угол поворота в локтевом сочленении экзоскелета отличается от угла поворота в локтевом суставе . Предлагаемый способ позволяет практически полностью исключить методическую погрешность способа-прототипа с помощью расчета реального положения суставов руки оператора в декартовых координатах и нахождения углов поворота в суставах руки оператора путем решения обратной задачи кинематики.

Все необходимые действия для реализации заявляемого способа могут быть выполнены на основе тех же средств, что используются в способе-прототипе.

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано при создании задающих устройств для систем копирующего управления, реализованных в виде экзоскелета с нежесткими креплениями к телу оператора. Предложен способ косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, основанный на использовании для измерения экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, звенья которого располагаются вдоль отделов руки оператора, закрепленного на теле оператора с помощью жестких и нежестких креплений, измерении углов поворота θ в кинематических парах экзоскелета. Дополнительно измеряют l_B1-B2 - длину плеча оператора, lB_2-B3 - длину предплечья оператора, рассчитывают векторы значений декартовых координат плечевого сустава В₁; лучезапястного сустава В₃, центра кисти оператора В₄, локтевого сочленения экзоскелета С₂ путем решения прямой задачи кинематики, рассчитывают значения проекций вектора B₁B₃, соединяющего плечевой и лучезапястный суставы оператора, рассчитывают расстояние между плечевым и лучезапястным суставами оператора l_B1-B3, рассчитывают полупериметр p треугольника, образовываемого плечевым, локтевым и лучезапястным суставами оператора, рассчитывают расстояние l_K2-B2 от центра окружности K₂, образовываемой виртуальным вращением локтевого сустава оператора вокруг оси, проходящей через плечевой и лучезапястный суставы, и локтевым суставом оператора по формуле:

рассчитывают расстояние l_B1-K2 между плечевым суставом и центром окружности K₂ по формуле: рассчитывают координаты точки K₂ по формуле: где λ - отношение, в котором точка K₂ делит отрезок B₁B₃, рассчитывают два варианта и вектора значений декартовых координат локтевого сустава путем решения системы уравнений: где x_K2, y_K2, z_K2 - декартовы координаты точки K₂; A_n, B_n, C_n, D_n - коэффициенты плоскости, перпендикулярной отрезку В₁В₃ и проходящей через точку K₂; x_B1B3, y_B1B3, z_B1B3 - значения проекций вектора B₁B₃ на оси декартовой системы координат; x_C2, y_C2, z_C2 - декартовы координаты сочленения С₂; l_B2-С2 - эффективная длина нежесткого крепления, значение которой подбирается из условия минимизации погрешности косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, выбирают один из рассчитанных вариантов и вектора декартовых координат локтевого сустава из условия наименьшего расстояния до прошлого известного положения локтевого сустава где n - номер текущей итерации косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, формируют вектор углов поворота в суставах руки оператора путем решения обратной задачи кинематики для известных декартовых координат суставов руки оператора. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения углов поворота в суставах руки оператора. 3 ил.

Способ косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, основанный на использовании для измерения экзоскелета с кинематической схемой, аналогичной кинематической схеме руки человека, звенья которого располагаются вдоль отделов руки оператора, закрепленного на теле оператора с помощью жестких и нежестких креплений, измерении углов поворота θ в кинематических парах экзоскелета, отличающийся тем, что дополнительно измеряют l_B1-B2 - длину плеча оператора, l_B2-B3 - длину предплечья оператора, рассчитывают векторы значений декартовых координат плечевого сустава В₁; лучезапястного сустава В₃, центра кисти оператора В₄, локтевого сочленения экзоскелета С₂ путем решения прямой задачи кинематики, рассчитывают значения проекций вектора B₁B₃, соединяющего плечевой и лучезапястный суставы оператора, рассчитывают расстояние между плечевым и лучезапястным суставами оператора l_B1-B3, рассчитывают полупериметр p треугольника, образовываемого плечевым, локтевым и лучезапястным суставами оператора, рассчитывают расстояние l_K2-B2 от центра окружности K₂, образовываемой виртуальным вращением локтевого сустава оператора вокруг оси, проходящей через плечевой и лучезапястный суставы, и локтевым суставом оператора по формуле:

рассчитывают расстояние l_B1-K2 между плечевым суставом и центром окружности K₂ по формуле:

рассчитывают координаты точки K₂ по формуле:

где λ - отношение, в котором точка K₂ делит отрезок B₁B₃, рассчитывают два варианта и вектора значений декартовых координат локтевого сустава, путем решения системы уравнений:

где x_K2, y_K2, z_K2 - декартовы координаты точки K₂;

A_n, B_n, C_n, D_n - коэффициенты плоскости, перпендикулярной отрезку В₁В₃, и проходящей через точку K₂;

x_B1B3, y_B1B3, z_B1B3 - значения проекций вектора B₁B₃ на оси декартовой системы координат;

x_C2, y_C2, z_C2 - декартовы координаты сочленения С₂;

l_B2-С2 - эффективная длина нежесткого крепления, значение которой подбирается из условия минимизации погрешности косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора,

выбирают один из рассчитанных вариантов и вектора декартовых координат локтевого сустава из условия наименьшего расстояния до прошлого известного положения локтевого сустава где n - номер текущей итерации косвенного измерения углов поворота в суставах руки оператора, формируют вектор углов поворота в суставах руки оператора путем решения обратной задачи кинематики для известных декартовых координат суставов руки оператора.