УДК 004.896

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РУССКИХ ДАКТИЛЬНЫХ ЖЕСТОВ

Трушин Александр Николаевич1, Арутюнян Мартирос Геннадьевич2
1Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана, студент
2Московский Политехнический Университет, студент

Аннотация
Развитие робототехники позволяет решать различные социальные проблемы. Целью данной работы является создание робототехнической модели руки с возможностью демонстрации русских дактильных жестов. Описан полный процесс сборки модели, а также аппаратные и программные модули системы.

Ключевые слова: антропоморфный, дактиль, жестомимический интерфейс, русская дактильная азбука, человеко-компьютерное взаимодействие


ROBOTOTECHNICS COMPLEX FOR DEMONSTRATION RUSSIAN DACTYLE GESTURES

Trushin Alexander Nikolaevich1, Arutyunyan Martiros Gennadievich2
1Bauman Moscow State Technical University, student
2Moscow Polytechnic University, student

Abstract
The development of robotics allows to solve various social problems. The objective of this work is to create a robotic hand with an opportunity of demonstrating Russian daktil gestures. This article describes the process of assembling robotic model, hardware and software modules of the system.

Keywords: anthropomorphic, dactyl, russian manual alphabet


Библиографическая ссылка на статью:
Трушин А.Н., Арутюнян М.Г. Робототехнический комплекс для демонстрации русских дактильных жестов // Современная техника и технологии. 2017. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2017/04/13038 (дата обращения: 28.05.2017).

Основные термины

Дактиль (русская дактильная азбука) — вспомогательная система русского жестового языка, в которой каждому жесту одной руки соответствует буква русского языка

Dactyl (the russian manual alphabet) is used for fingerspelling in Russian sign language.

Антропоморфный – человекообразный, уподобленный человеку

Anthropomorphic – described or thought of as being like human beings in appearance, behavior, etc.

Человеко-компьютерное взаимодействие — полидисциплинарное научное направление, существующее и развивающееся в целях совершенствования методов разработки, оценки и внедрения интерактивных компьютерных систем, предназначенных для использования человеком, а также в целях исследования различных аспектов этого использования

Human-computer interaction (HCI) researches the design and use of computer technology, focusing on the interfaces between people (users) and computers.

Жестомимический интерфейс – интерфейс взаимодействия посредствам жестов и мимики.

Interface with computers using gestures of the human body, typically hand movements, and facial expression

Введение

Робототехника играет важную роль в новой промышленной революции. Роботизация производства и внедрение аддитивных технологий набирают большую популярность. Данные процессы дополняют друг друга, так как внедрение 3D-печати существенно снижает затраты и объем работ. Робототехника становится двигателем любой индустрии, поскольку она способствует как НИОКР, так и производству изделий точной механики, электротехники, электроники, оптики, композитных материалов и т. д. [1]

Развитие робототехники уже сегодня позволяет решать различные социальные проблемы, такие как уход за престарелыми людьми, снижение человеческих потерь в военных конфликтах и на транспорте. Также большое распространение робототехника получила в медицине. Существуют разные категории роботов, используемые в медицине: роботы-ассистенты, различные хирургические системы, роботизированные протезы, но самыми распространенными являются роботы-манекены, имитирующие человека. Такие роботы, как правило, отличаются особенностями конструкций и функциональными характеристиками. Тем самым, создание антропоморфных моделей роботов является актуальной и важной задачей.

Так как магистерская программа направлена на создание жестомимического интерфейса, то была поставлена задача создания антропоморфной модели руки для исполнения дактильных жестов. Исследования и разработки работы могут быть применены в инновационных системах коммуникативного взаимодействия в человекомашинной среде с использованием жестов, таких, как: системы сурдоперевода, системы обучения антропоморфных роботов, жестомимический интерфейс в компьютерных играх, жестомимический интерфейс для реализации систем управления, Web-сервис с возможностью документирования разговора и речи глухих. [2]

Разработка робототехнической модели левой руки антропоморфного аватара

    Для создания робототехнической модели руки был выбран прототип для доработки: проект «InMoov». InMoov является роботом-гуманоидом с открытым исходным кодом, построенный из 3D печатных пластиковых компонентов тела, и контролируется микроконтроллером Arduino. Проект очень популярен по всему миру и дорабатывается с большим темпом.

1. Печать деталей

Печать деталей производилась на 3d принтере Picaso 3D Designer. Picaso 3D Designer – персональный 3D принтер нового поколения, созданный компанией PICASO 3D, первым производителем устройств для 3D печати в России. Для сокращения количества деталей и экономии пластика, несколько деталей необходимо было объединять в единые модели. Например, количество деталей для кисти сократилось с 54 до 40. В качестве материала использовался АBS-пластик. Модели из ABS сохраняют прочность при нагреве до 90 °С. Данный вид пластика применяется при создании концептуальных и презентационные моделей.

2. Подготовка деталей к сборке

Перед началом сборки необходимо было очистить детали наждаком, ножом и кусачками. Острые края, отверстия для вставки других деталей стачивались наждаком; издержки печати, лишний пластик удалялся кусачками и тоже приводился к гладкому виду. Необходимые дырки для протягивания лески и соединения различных деталей высверливались самостоятельно. Для этого использовались сверла диаметрами 2мм и 3мм, в зависимости от размеров самой детали. Также во всех деталях ладони были проделаны условные верхние и нижнее отверстия для лески.

3. Сборка и протягивание лески

Сборка макета началась со сборки пальцев руки. Происходила сборка уже зачищенных и подготовленных деталей. Там, где было необходимо, детали подвергались дополнительной обработке: дополнительно зачищались, смазывались места стыковки подвижных частей, и т. п. Перед присоединением пальцев к самой ладони, необходимо провести леску. Рекомендуемый диаметр лески не должен быть меньше 0.17мм. Протягивание лески начинается с кончиков пальцев. Леска проходит через палец по его верхним отверстиям, далее через верхнюю часть ладони до запястья, там через специальные отверстия и до предплечья, где будут находится сервоприводы. Далее леска меняет вектор движения, её необходимо провести в обратную сторону через нижние отверстия до кончика пальца, где их закрепляют. Данный шаги повторяются для всех пальцев. После того, как леска проведена, начинается крепление отдельных частей модели. Крепление в основном проводится с помощью клея для пластика и специальных заклёпок или болтов. Также после крепления и сборки полной модели необходимо очистить остатки клея и прочие неровности.


Рис. 1. Процесс сборки робототехнической модели

4. Тестирование физических свойств руки

Происходила проверка устойчивости лески. Поочередно, для каждого пальца, натягивалась леска, фиксировались пальцы в важных для дальнейшей работы положениях (палец согнутый, палец полностью прямой, палец наполовину согнут). Там, где было необходимо, для уменьшения трения лески, пластик подвергался дополнительной обработке: расширялись отверстия или места, где проходила леска.

5. Подготовка аппаратной части

Для проекта потребовались: контроллер Arduino Uno R3, макетная плата, провода-джамперы (папа-папа), провода-джамперы (папа-мама), сервоприводы FT5519M(5 штук), 16-канальный 12-битный ШИМ Серво контроллер PCA9685, батарейный отсек(5 AA), аккумуляторы NiMH AA(5шт).

Сначала было осуществлено ознакомление с драйвером сервоприводов PCA9685. Далее с помощью Arduino и PCA9685 каждый сервопривод подключался к драйверу и «вручную» калибровался: путем экспериментов подбирался корректный диапазон длин импульсов для крайних положений вала. После этого была собрана схема с одновременным подключением нескольких сервоприводов и протестирована ее работоспособность.

6. Сборка аппаратной части

На каждый сервопривод крепились пластиковые качельки, в крайние положения качелек вкручивались по одному винту. На винты крепилась и фиксировалась леска так, чтобы при вращении сервопривода в одну сторону (по часовой стрелке), леска натягивалась в одну сторону, при вращении в другую сторону (против часовой стрелки), леска натягивалась соответственно – в другую. Далее сервоприводы крепились в заранее обозначенных местах, в предплечье руки, при этом леска натягивалась таким образом, чтобы крайние положения вала сервопривода соответствовали крайним положениям пальца (согнут или прямой). Далее сервоприводы подключались по той же схеме, как и в предыдущем пункте. Сервоприводы подключались к драйверу PCA9685, драйвер в свою очередь подключался к контроллеру Arduino с помощью четырех проводов-джамперов. Также на драйвер подавалось дополнительное питание с батарейного отсека с 5 аккумуляторами NiMH типа AA.


Рис. 2. Схема подключений

7. Реализация программной части

Была разработана программа (скетч) в среде Arduino IDE для управления положениями пяти сервоприводов (пять пальцев руки). Программа состоит из двух основных функций: setup() и loop(). В функции setup() задается скорость передачи данных по последовательному порту в бит/с (в нашем случае 9600 бит/с) и частота PWM сигнала для управления драйвером сервоприводов. Функция loop() выполняется непрерывно(циклично). Данная функция получает команды от пользователя, поступающие с последовательного порта, и, в зависимости от полученной команды, выполняет определенный жест. Для этого по каждому каналу передается ШИМ сигнал для изменения положения вала сервопривода и задается время исполнения. Номер канала драйвера обозначает номер подключенного сервопривода. [3]

В демонстрационной версии программы представлено несколько дактильных жестов.

Язык программирования устройств Ардуино является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC) со следующими особенностями:

  • Программы сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.
  • Обязательную в C++ функцию main() препроцессор Ардуино создает сам, вставляя туда необходимые «черновые» действия.
  • Программист должен написать две обязательные для Ардуино функции setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в цикле.
  • В текст программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Ардуино в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать.
  • Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки и они вносятся в список компиляции.
  • Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения проблем.

Заключение

Задача создания систем человеко-компьютерного взаимодействия имеет огромную популярность на сегодняшний день. В результате выполнения проекта по магистерской программе был создан действующий макет роботизированной руки. Данный макет позволил сформировать основное направление дальнейших разработок, состоящее в создании комплекса программного обеспечения поддержки жестового коммуникативного взаимодействия, а также требования к программам управления мелкой моторикой роботизированной руки в процессе исполнения дактильных жестов.


Рис. 3. Действующий макет роботизированной руки


Библиографический список
  1. К чему приведет развитие робототехники в ближайшие 10 лет. Сайт Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана: http://www.mstu.edu.ru/press/news/21-11-2014/robots.shtml
  2. Современная робототехника в России: реалии и перспективы. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета: http://cyberleninka.ru/journal/n/politematicheskiy-setevoy-elektronnyy-nauchnyy-zhurnal-kubanskogo-gosudarstvennogo-agrarnogo-universiteta
  3. Материалы по программированию Arduino. http://arduino.ru


Все статьи автора «Трушин Александр Николаевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: