INSTITUTUL DE MECANICA SOLIDELOR AL

ACADEMIEI ROMNE

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Contribuii n controlul micrii

sistemelor de prehensiune pentru roboi i

mini umanoide inteligente

Conductor tiinific

Prof. cercet. t. gr. I dr. ing. Luige Vldreanu

Doctorand

ing. Dnu Adrian Bucur

Bucureti

2014

2

Mulumiri

mi exprim recunotina n primul rnd fa de conductorul tiinific al acestei Teze, dl.

Prof.Dr.Ing. Luige Vldreanu, pentru competenta ndrumare, pentru sugestiile i criticile

constructive i bine direcionate, pentru ncrederea i rbdarea cu care m-a cluzit. Fr suportul

domniei sale, aceast Tez nu ar fi ajuns la forma actual.

Mulumesc preedintelui Comisiei de Doctorat (dl. Prof.dr. Tudor Sireteanu) precum i

membrilor acesteia (d-na Conf.univ.dr.ing. Gabriela Ton, dl Prof.univ.dr. Paul chiopu, dl.

Prof.dr.ing. Lucian Cpitanu) pentru atenia acordat Tezei i pentru observaiile valoroase i utile

pe care mi le-au adresat pe marginea ei.

A dori s adresez mulumiri Prof. Hongnian Yu de la Universitatea Bournemouth UK,

Prof Xianchao Zhao de la Universitatea Shanghai Jiao Tong, Prof. Vladimir Balan de la

Universitatea Politehnica din Bucureti, Prof. Gabriela Ton, de la Universitatea din Oradea, Prof.

Mircea Boscoianu de la Academia Forelor Aeriene Henri Coand Braov, Prof. Radu Ioan

Munteanu, Prof. Radu Adrian Munteanu, de la Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca, CS Tudor

Sireteanu CS Doina Marin, CS Videa Emil de la Institutul de Mecanica Solidelor, pentru sprijinul

acordat n elaborarea i publicarea lucrrilor tiinifice.

De asemenea, doresc s mulumesc d-nei Lect.dr. Laura Matei pentru sprijinul i sugestiile

acordate n momente de maxim importan pentru elaborarea prezentei Teze.

Sunt recunosctor tuturor colegilor din grupul de cercetare format i ndrumat de dl.

Prof.dr.ing. Luige Vldreanu, alturi de care munca mea de cercetare a fost i va fi o experien

interesant i fructuoas.

Nu n ultimul rnd, mulumesc din tot sufletul familiei mele la care am gsit ntotdeauna

susinere i nelegere, precum i prietenilor pentru sprijinul, ideile i ncurajrile acordate.

Autorul

3

Cuprins 1.Introducere ..................................................................................................................................... 5

2. Stadiul actual al cercetrilor privind controlul micrii inteligente a sistemelor robotice de

prehensiune. ..................................................................................................................................... 10

2.1 Control inteligent al sistemelor robotice de prehensiune ...................................................... 10

2.2 Controlul minilor robotice pentru procesul de prehensiune ................................................ 11

2.3 Problemele structurii mecanice pentru mini robotice umanoide ......................................... 12

3. Dezvoltarea mediului de simulare 3D pentru mna robotic antropomorf ............................... 16

3.1 AUTODESK Inventor ........................................................................................................... 16

3.2 SimMechanics ....................................................................................................................... 17

3.3 SimMechanics Link ............................................................................................................... 17

3.4 Modelarea n mediu virtual 3D a minii robotice .................................................................. 18

3.5 Concluzii ................................................................................................................................ 19

4 Controlul hibrid for-poziie al sistemelor de prehensiune pentru mini umanoide inteligente . 21

4.1 Control hibrid for-poziie clasic.......................................................................................... 21

4.2 Control hibrid for-poziie folosind reele neuronale ........................................................... 21

4.2.1 Bucla de control n poziie .............................................................................................. 22

4.2.2 Bucla de control n for ................................................................................................. 25

4.3.3 Legea de comutaie ......................................................................................................... 28

4.3 Implementarea controlului hibrid for-poziie pentru mna robotic umanoid n mediu

virtual ........................................................................................................................................... 29

4.4 Concluzii ................................................................................................................................ 32

5. Experimentri privind controlul minii robotice ......................................................................... 34

5.1 Controlul cinematic al minii robotice .................................................................................. 34

5.2 Metoda proieciei virtuale pentru controlul minii robotice umanoide ................................. 34

5.2.1 Experimentarea i testarea controlul n timp real al minii robotice proiectat n mediu

virtual folosind metoda proieciei virtuale ............................................................................... 35

5.2.2 Rezultate experimentale .................................................................................................. 36

5.3 Controlul n timp real al minii robotice umanoide acionat prin tendoane ........................ 39

5.3.1 Controlul Structurii mecanice dezvoltate ........................................................................ 39

5.3.2 Rezultate experimentale .................................................................................................. 41

5.5 Concluzii ................................................................................................................................ 42

6. Optimizarea procesului de prehensiune ...................................................................................... 44

4

6.1 Clasificarea prinderii obiectelor ............................................................................................ 45

6.2 Detectia obiectelor folosind stereo vision si senzor Kinect ................................................... 46

6.3 Algoritmul de decizie ............................................................................................................ 46

6.3.1 Logica neutrosofica ......................................................................................................... 48

6.3.2 Teoria DSm ..................................................................................................................... 48

6.3.3 Neutrosoficarea datelor ................................................................................................... 49

6.3.4 Fuziunea informatiilor .................................................................................................... 50

6.3.5 Deneutrosoficarea datelor i luarea deciziei ................................................................... 52

6.4 Interpretarea rezultatelor ........................................................................................................ 55

6.5 Concluzii ................................................................................................................................ 60

7. Contribuii originale. ................................................................................................................... 62

8. Concluzii. .................................................................................................................................... 65

9. Bibliografie selectiv ................................................................................................................... 68

10. Anexe ........................................................................................................................................ 78

5

1.Introducere

Robotica se ocup cu studiul acelor maini ce pot nlocui omul n executarea anumitor

sarcini, att din punctul de vedere al activitii fizice ct i cel al lurii deciziilor.

Robotica are rdcini culturale adnci. Pe parcursul secolelor, oamenii au ncercat s caute

mijloace care s fie capabile s le imite comportamentul astfel nct s i nlocuiasc n anumite

situaii. Principii filozofice, economice, sociale i tiinifice au inspirat aceast cutare continu.

n concordan cu o interpretare tiinific a scenariilor tiinifico-fantastice, robotul este

privit ca o main care, independent de ce este in exteriorul ei, este capabil s modifice mediul n

care opereaz. Acest aspect este realizat prin ndeplinirea unor aciuni ce sunt condiionate de

anumite reguli de comportament precum i de anumite informaii achiziionate de robot despre

starea lui i a mediului. De fapt, robotica este adesea definit ca tiina ce studiaz conexiunea

dintre percepie i aciune.

Rolul principal al roboilor n societate const n capacitatea lor de a ajuta oamenii prin a le

prelua sarcinile monotone sau cele ce trebuie ndeplinite n medii murdare sau periculoase. Pe

lng utilizarea lor n medii industriale, roboii au fost de mare folos n misiunile spaiale pentru

activiti de explorare sau care ar fi fost imposibil de dus la capt de ctre om.

Lumea modern industrializat nu ar fi existat fr roboi. Roboii pot lucra continuu fr a

avea nevoie de pauze sau de somn sau mncare, crescnd astfel productivitatea uzinelor. Roboii

sunt folosii n aplicaii ce pornesc de la curarea deversrilor de substane toxice la dezarmarea

bombelor i protejarea soldailor pe cmpul de lupt. Mai noi, roboii umanoizi i costumele

exoschelet, proiectate iniial pentru a fi folosite n aplicaii militare, ncep s fie produse pentru

sectorul privat i utilizate n aplicaii de ajutorare n munca de zi cu zi sau n cele de recuperare i

ajutorare a persoanelor cu probleme de mobilizare.

Roboii mai ofer un nivel al preciziei mai ridicat dect cel al minii umane i pot

desfura activiti repetabile fr a scdea calitatea serviciului. Aceste proprieti i fac potrivii

pentru activiti de tiere cu precizie, sudur sau procese de asamblare.

Roboii joac un rol important i n procedurile medicale, fcnd posibile proceduri

chirurgicale non-invazive, care, spre deosebire de procedurile tradiionale, au un timp de

recuperare mult mai mic. Roboii medicali au ajuns la un nivel att de ridicat nct pot fi folosii n

operaii pe creier, la inim sau la ochi i permit doctorilor s realizeze operaii care pn nu

demult erau periculoase.

Controlul manipulatoarelor este o arie de

cercetare bogat i n plin dezvoltare. Roboii industriali

sunt, n principiu, dispozitive de poziionare i

manipulare. Prin urmare, un robot folositor este acel

robot capabil s i controleze micrile i forele

interactive care apar ntre robot i mediu.

Controlul presupune existena unui model

matematic i o anume inteligen care s acioneze pe

baza modelului. Modelul matematic al robotului este

obinut din legile de baz ale fizicii care i guverneaz

micrile. Pe de alt parte, inteligena necesit

capabiliti senzoriale i mijloace de acionare i reacionare la variabilele detectate. Aceste

aciuni i reaciuni ale robotului sunt rezultatul proiectrii controlerului.

6

De ce micare inteligent? Pentru ca robotul s preia sarcinile omului trebuie s acioneze

ca acesta inteligent; inteligena este singurul lucru ce ne deosebete pe noi, oamenii, de celelalte

fpturi ale naturii.

De ce sisteme robotice de prehensiune? Prehensiunea joac un rol important n industrie,

deoarece majoritatea roboilor industriali ndeplinesc sarcini de prindere a pieselor n vederea

manipulrii / transferului dintr-o poziie iniial ntr-o poziie final necesar n cadrul unei

aciuni, respectiv, a unui proces tehnologic robotizat.

Deinerea controlului asupra micrii inteligente a sistemelor de prehensiune permite

crearea roboilor ce vor ti ce au de fcut.

Dup ce omul recunoate forma obiectului, se face o aproximare a dimensiunii obiectului,

iar n timp ce mna se apropie de obiect, degetele se preconfigureaz conform cu suprafaa

obiectului ce urmeaz a fi prehensat. Cunoscnd astfel de metode, crete numrul sarcinilor pe

care un robot le poate ndeplini.

Progresul major din ultimii ani s-a nregistrat din domeniile roboticii, controlului,

inteligenei artificiale i a altor domenii ce faciliteaz dezvoltarea sistemelor robotice biomimetice

din ce n ce mai sofisticate.

Sistemul de prehensiune este cel mai important subsistem al unui robot, deoarece acesta i

confer robotului posibilitatea de a realiza o gam variat de sarcini (apucarea, manipularea i

transportul unor diverse obiecte). n prezent, aproximativ 40% din roboii industriali sunt echipai

cu sistem de prehensiune, dar acest sistem este ntlnit i la o mare parte din roboii utilizai n

diverse domenii, de la aplicaii casnice sau agriculturale la aplicaii militare sau de ajutorare a

persoanelor aflate n dificultate.

Prehensiunea reprezint interaciunea dintre robot i un obiect cu scopul de al manipula

sau transfera dintr-o poziie n alta. Aceast operaie este realizat cu ajutorul sistemului de

prehensiune, denumit si prehensor.

Scopul lucrrii, avnd n vedere importana sistemelor de prehensiune, att pentru roboii

industriali ct i pentru cei utilizai n mediile neindustriale, este acela de a studia i mbunti

actualele metode de control ale sistemelor de prehensiune pentru roboi i mini umanoide.

Lucrarea se axeaz pe studiul micrii minilor umanoide inteligente, fapt pentru care a

fost dezvoltat un mediu de simulare pentru aceste sisteme de prehensiune, cu ajutorul cruia s se

poat testa cu uurina diferite metode de control inteligent. n acest sens, s-a optat pentru

proiectarea unei mini robotice umanoide n mediu virtual 3D [10], respectnd toate specificaiile

cinematice i dinamice ale unui sistem real. Ca metod de control s-a dezvoltat o schem de

control hibrid for-poziie bazat pe reele neuronale pentru a studia, cu ajutorul simulatorului,

micarea minii robotice pe parcursul nchiderii i deschiderii degetelor [11, 12]. Schema de

control a fost studiat i pentru cazul n care mna robotic are de apucat un obiect, i s-a ajuns la

concluzia c, indiferent de forma acestuia, mna robotic realizeaz cu succes operaia de

prehensiune. Pentru validarea performanelor mediului virtual de simulare, cu ajutorul metodei de

proiecie virtual [13], s-a implementat o schem de control n poziie al structurii mecanice

studiat, avnd la dispoziie sistemul de acionare al acesteia. Profitnd de facilitile oferite de

metoda proieciei virtuale, implementarea legii de control s-a realizat pentru controlul fiecrei

articulaii n parte, lucru ce nu se poate realiza fizic pentru o mn cu specificaiile celei studiate.

n urma acestui experiment s-a observat c ntre rezultatele simulrii i rezultatele experimentale

nu este diferen foarte mare, simulatorul creat fiind o opiune n situaia n care nu se poate

construi un sistem experimental. Pentru controlul fizic al unei structuri autorul a realizat o mn

7

robotic, ce respect detaliile constructive ale minii proiectate. Spre deosebire de mna robotic

proiectat in mediu virtual, cea real este acionat de 5 tendoane cu ajutorul a 5 servomotoare. n

urma experimentelor realizate, s-a observat c, n cazul acionrii cu tendoane, dac nu sunt luate

n considerare aspectele dinamice ale tendoanelor, nu se poate realiza un control cu precizie

ridicat a structurii mecanice.

Din studiile realizate s-a observat c procesul de prehensiune cuprinde mai multe etape:

etapa de abordare a obiectului (n care braul robotic se apropie de obiect), etapa de orientare a

minii (mna este poziionat n configuraia necesar pentru a apuca obiectul), etapa de apucare a

obiectului (degetele sunt strnse pn n momentul n care stabilesc contactul cu obiectul), etapa

de validare a prehensiunii (n care se verific dac toate degetele sunt n contact cu obiectul). n

cadrul lucrrii s-a propus o metod de optimizare a procesului de prehensiune[14], prin care mna

robotic este capabil s realizeze etapa de orientare simultan cu etapa de abordare a obiectului.

Aceast metod se bazeaz pe un algoritm de decizie care, pe baza datelor provenite de la doi

senzori, folosind logica neutrosofic i teoria Dezert-Smarandache, ncadreaz obiectul de apucat

ntr-una din trei categorii alese pentru studiu, determinnd astfel configuraia minii pentru a

prehensa categoria respectiv de obiecte. Algoritmul dezvoltat de autor ofer soluii n toate

situaiile studiate i poate fi extins la o gam mai larg de clase de obiecte.

Teza de doctorat conine rezultate n totalitate originale, obinute de autor n perioada

stagiului de pregtire doctoral, viznd un domeniu de o importan major n construirea

roboilor umanoizi, i nu numai a acestora, i anume mbuntirea controlului inteligent al

minilor robotice umanoide. Cercetrile nu s-au limitat doar la domeniul controlului minilor

robotice antropomorfe, ci au fost abordate i subiecte de cercetare din domeniul controlului

roboilor mobili, ce pot fi aplicate cu uurina la controlul minilor robotice. Importana

cercetrilor realizate, precum i corectitudinea lor, au fost validate prin punerea lor n dezbatere

public n reviste tiinifice i conferine prestigioase din ar i din strintate. n realizarea

acestor lucrri s-au realizat colaborri cu profesori importani de la centre universitare i de

cercetare cu renume pe plan mondial, cum ar fi: Hongnian YU de la Bournemouth University UK,

pentru realizarea lucrrilor [15-17], Prof Xianchao Zhao de la Universitatea Shanghai Jiao Tong,

pentru realizarea lucrrii [18], Prof. Vladimir Balan de la Universitatea Politehnic din Bucureti,

pentru realizarea lucrrii [19], Prof. Radu Ioan Munteanu, de la Universitatea Tehnic din Cluj-

Napoca, pentru realizarea lucrrii [20], Prof. Radu Adrian Munteanu, de la Universitatea Tehnic

din Cluj-Napoca, pentru realizarea lucrrii [23], Prof. Gabriela Tont, de la Universitatea din

Oradea, pentru lucrarea [15], Prof. Mircea Boscoianu de la Academia Forelor Aeriene Henri

Coand Braov, pentru lucrarea [21], CS Tudor Sireteanu de la Institutul de Mecanica Solidelor,

pentru lucrarea [22], CS Doina Marin de la Institutul de Mecanica Solidelor, pentru lucrarea [23],

CS Videa Emil de la Institutul de Mecanica Solidelor, pentru lucrarea [22].

De asemenea, ncepnd cu anul 2013, s-au nceput cercetrile pe domeniul roboilor de

salvare n cadrul unui programului european FP7 IRSES, FP7-PEOPLE-2012 IRSES, "Real-time

adaptive networked control of rescue robots- RABOT", cu doi parteneri din UK: Bournemouth

University (coordonatorul proiectului) i Staordshire University, i trei parteneri din China:

Shanghai University, Yanshan University i Institutul de Automatizri al Academiei de tiine

Chineze. Directorul de proiect este Prof. Hongnian Yu de la Bournemouth University din UK, iar

din partea Institutului de Mecanica Solidelor al Academiei Romne, coordonator este Profesorul

Luige Vldreanu. Prin acest proiect, s-a nceput o colaborare strns ntre colectivele de

cercetare ale partenerilor de proiect. n cadrul acestui proiect am participat ca membru al

8

colectivului de cercetare de la Institutul de Mecanica Solidelor al Academiei Romne. Ca membru

n echipa de cercetare, mi-au survenit ca sarcini, proiectarea n mediu virtual a robotului de

salvare, ce face subiectul de cercetare al proiectului.

Din 2014 fac parte din echipa de cercetare a proiectului "Platforma robot versatil,

inteligent, portabil cu sisteme de control n reele adaptive pentru roboi de salvare - VIPRO"

din programul naional PNII, acceptat la finanare pentru 2014-2016, avnd membri n echipa de

cercetare profesori din UK, SUA i China. Ca membru n echipa de cercetare, mi-au survenit ca

sarcini, proiectarea n mediu virtual a structurii robotizate, ce face subiectul de cercetare al

proiectului.

De asemenea, sunt membru n echipa de cercetare implicat n propunerea unui proiect

Internaional, "Research on human multi-joint arm information based bio-robot for telerobotics",

ce face parte programul japonez "Brain Circulation", coordonat de Tokyo University, ce are

parteneri din Bournemouth University (UK), Pascal Institute at the French Institute for Advanced

Mechanics (FR), Imperial College London (UK). Activitile realizate pentru aceast propunere s-

au axat pe elaborarea studiilor privind proiectarea i simularea braelor robotizate.

Lucrarea este structurat pe 8 capitole plus referine bibliografice i anexe. n capitolul 1

se realizeaz o introducere n robotic, se definete prehensiune i se realizeaz o clasificare a

sistemelor de prehensiune, cu accent pe prehensoarele antropomorfe, avnd n vedere c lucrarea

se axeaz n principal pe controlul minilor robotice inteligente. Tot n capitolul introductiv se

justific importana temei de cercetare i este detaliat scopul lucrrii.

n capitolul 2 este prezentat stadiul actual n domeniul de cercetare al tezei de doctorat. n

prima parte a capitolului se realizeaz o scurt introducere n domeniul controlului inteligent i

sunt prezentai primii pai fcui in acest domeniu. Ulterior sunt trecute n revist principalele

categorii de control pentru mini umanoide inteligente i cele mai recente abordri n domeniul

controlului sistemelor de prehensiune pentru roboi. n partea final a capitolului sunt prezentate

principalele problemele ce apar datorit structurii minilor robotice i ce dificulti se ivesc n

procesul de manipulare a obiectelor.

n capitolul 3 este propus o modalitate de a studia micarea sistemelor robotice fr

costuri prea mari. n acest capitol este prezentat dezvoltarea unui mediu virtual pentru simularea

unei mini robotice. Structura este proiectat n mediu 3D folosind pachetul software Autodesk

Inventor, innd cont de toi parametrii constructivi ai unui model real. Ulterior modelul CAD este

transferat n SimMechanics (pachet software inclus n Matlab/Simulink), obinndu-se n final un

mediu de simulare ce permite testarea oricrui tip de metod de control, indiferent de

complexitatea ei.

Avnd dezvoltat mediul de simulare, n capitolul 4, este propus o metod de control

hibrid for-poziie ce folosete reele neuronale pentru a rezolva problema de cinematic invers

i cea de dinamic invers. S-a dovedit c reelele neuronale reprezint o variant viabil pentru

controlul n timp real deoarece ofer soluie la problemele studiate n timp foarte scurt,

comparativ cu rezolvarea lor analitic. Schema de control este folosit pentru a testa i observa

micarea de strngere a degetelor minii robotice dezvoltat n mediu virtual n capitolul anterior.

Schema de control propus a fost folosit i pentru a studia micarea minii n situaia cnd are de

prins un obiect i s-a observat c aceast metod poate fi folosit cu succes la apucarea obiectelor,

indiferent de forma obiectului.

n capitolul 5 sunt prezentate dou experimente. Unul are ca scop validarea

performanelor mediului de simulare dezvoltat de autor folosind metoda proieciei virtuale,

9

implementnd o schem de control n poziie pentru controlul micrii de nchidere a degetelor

minii robotice studiat n lucrare. Metoda de proiecie virtual a fost dezvoltat de prof. Luige

Vldreanu i propus pentru brevetare n anul 2009. Aceast metod permite testarea n timp real

a unei game largi de metode de control, nefiind necesar existena fizic a structurii mecanice ce

trebuie controlat, ci doar a sistemului de acionare. Avnd n vedere faptul c experimentarea

folosete un model virtual al minii robotice, s-a putut realiza controlul individual al articulaiilor,

aspect imposibil de realizat cu o structura mecanic real deoarece servomotoarele nu pot fi

montate direct pe articulaiile degetelor. Astfel, metoda de control este transmis de la interfaa de

control la sistemul de acionare printr-un modul de comand i control. Datele legate de poziia

curent a motoarelor este citit cu ajutorul unor traductoare de poziie i transmis napoi

sistemului de comand i unei interfee virtuale de control, care face legtura cu mediul virtual,

controlnd sistemul mecanic simulat acolo. n mediul virtual se msoar poziia actual a

sistemului mecanic i se transmite sistemului de comand, nchizndu-se astfel bucla de control.

Prin aceast metod s-a demonstrat c rezultatele obinute n mediul virtual sunt foarte aproape de

realitate, fiind diferene foarte mici ntre valorile din simulare i datele experimentale. Cel de-al

doilea experiment s-a realizat pe o mn robotic construit de autor urmrind specificaiile

constructive ale minii proiectate n mediu virtual. Structura real este pus n micare prin

intermediul a 5 tendoane, cte unul pentru fiecare deget. Tendoanele sunt acionate individual de

cte un servomotor. n cadrul experimentului s-a observat c modelul matematic al schemei de

control se complic, deoarece trebuie inut cont i de lungimea tendonului n generarea semnalului

de control transmis la actuatoare. Datorit faptului c, la implementarea legii de control, tendonul

s-a considerat a fi inelastic, s-a obinut o eroare mai mare de poziionare n comparaie cu eroarea

obinut n cadrul primului experiment

n capitolul 6 este propus o metod de optimizare a procesului de prehensiune, n sensul

c pentru apucarea obiectului se selecteaz o taxonomie ce depinde de forma acestuia. Aceast

operaie de preconfigurare a degetelor se realizeaz n timpul abordrii obiectului (faza n care

braul robotic se apropie de obiectul int), scurtnd timpul de ndeplinire a sarcinii de manipulare.

Metoda propus are ca scop ncadrarea obiectului int n trei categorii de obiecte denumite

generic dup forma acestora, respectiv, sfer, paralelipiped i cilindru. Aceste trei categorii

corespund unor taxonomii de prindere ntlnite cel mai des n aplicaiile practice, i anume

prindere sferic, prindere prismatic, respectiv, prindere cilindric. Metoda preia informaiile

despre obiectul inta de la doi senzori i cu un algoritm de potrivire a modelelor genereaz un

procent de potrivire cu obiectele eantion. Aceste procente de potrivire reprezint ntrrile ntr-un

algoritm de neutrosoficare cu scopul de a obine valorile de ncredere folosite ulterior n teoria

Dezert-Smarandache pentru fuziunea datelor. Pe baza datelor rezultate n urma aplicrii acestei

teorii, cu un algoritm de decizie dezvoltat de autor, se ncadreaz obiectul int ntr-una din cele

trei categorii de referin. Metoda propus ofer soluii n toate cazurile analizate i poate fi

extins cu succes pentru situaiile n care datele sunt achiziionate de la mai multe surse sau

decizia ce trebuie luat depinde de mai muli factori.

Capitolul 7 conine o sumarizare a contribuiilor originale realizate de autor pe parcursul

programului doctoral, iar n capitolul 8 sunt relatate concluziile referitoare la studiile prezentate

n aceast tez de doctorat, precum i viitoarele direcii de cercetare.

n finalul lucrrii sunt ataate referinele bibliografice ce stau la baza studiilor i metodelor

propuse n aceast lucrare, precum i Anexele 1-11 aferente acestor metode.

10

2. Stadiul actual al cercetrilor privind controlul micrii inteligente a

sistemelor robotice de prehensiune.

Controlul inteligent descrie disciplina unde metodele de control sunt dezvoltate i se

ncearc reproducerea caracteristicilor importante ale inteligenei umane. Aceste caracteristici

includ adaptarea i nvarea, planificarea n situaii de incertitudine i interpretarea unei cantiti

mari de informaie. Astzi, aria controlului inteligent tinde s cuprind tot ce nu este caracterizat

drept control convenional i are limite schimbtoare, n sensul c ce astzi poart numele de

control inteligent, mine se va numi control. Dificultatea de a specifica cu exactitate ce

nseamn termenul control inteligent deriv din faptul c nu este nc definit foarte bine

inteligena uman i comportamentul inteligent. Vechile dezbateri asupra a ceea ce reprezint

inteligena se desfoar i astzi ntre profesori, psihologi, ingineri i cercettori din domeniul

informatic. Termenul control inteligent a fost introdus prin anii 70 de ctre K.S. Fu.

2.1 Control inteligent al sistemelor robotice de prehensiune Domeniul controlului inteligent este legat de multe alte domenii. Controlul inteligent

combin i extinde teorii i metode din domenii precum tiina calculatoarelor i matematic i se

inspir din sistemele biologice. Metodele de control inteligent sunt aplicate n robotic i

automatizri, comunicaii, producie, controlul traficului, etc. n controlul inteligent sunt folosite

tehnici precum reelele neuronale, logica fuzzy, algoritmii genetici, sisteme expert i sistemele

hibride. Domeniul tiinei calculatoarelor i, n special, inteligena artificial ofer metodologii i

instrumente precum reelele semantice, tehnici de raionalizare i limbaje de calculator.

Conceptele i algoritmii dezvoltai n domeniul controlului adaptiv i nvarea mainii ajut

controlerele inteligente s se adapteze i s nvee. Progresul senzorilor, actuatoarelor,

tehnologiilor de calcul i reelele de comunicaie asigur suportul pentru implementarea hardware

a controlului inteligent.

Termenul control inteligent a ajuns s nsemne, n special pentru cei ce nu au legtur cu

domeniul controlului, o anumit form de control ce folosete tehnici fuzzy sau reele neuronale.

Totui, controlul inteligent nu se rezum doar la aceste tehnici. De fapt, n concordan cu anumite

definiii ale controlului inteligent, nu toate controlerele neurale sau fuzzy sunt considerate

inteligente. Exist probleme de control care nu pot fi formulate i studiate folosind tehnici de

control convenional (tradiional); aceste metodologii au fost dezvoltate n ultimele decenii n

cadrul controlului sistemelor dinamice. Pentru a rezolva tipul acesta de probleme, n ultimii ani s-

au dezvoltat metode cunoscute sub numele generic de tehnici de control inteligent. Exist

diferene semnificative ntre controlul convenional i controlul inteligent. Trebuie menionat c n

momentul de fa controlul inteligent folosete metode de control convenional pentru a rezolva

probleme mai simple. Pe scurt, controlul inteligent dezvolt i mbuntete metodele de control

convenional pentru a rezolva probleme de control mai complexe.

Ideea din spatele controlului inteligent const n faptul c sistemul ce trebuie controlat nu

este necesar s fie modelat strict. Aceasta este cea mai mare deosebire ntre controlul inteligent i

controlul convenional. Aici, proiectantul trebuie s introduc datele de intrare potrivite i apoi s

evalueze ieirile. Controlul inteligent dezvolt un model al sistemului ce trebuie controlat.

Oamenii pot realiza sarcini complexe fr a cunoate dinainte modul de realizare a sarcinii

respective. Cele mai importante metode de control inteligent se bazeaz pe: logic fuzzy[27],

reele neuronale artificiale[28], algoritmi genetici [29].

11

2.2 Controlul minilor robotice pentru procesul de prehensiune Apucarea i manipularea obiectelor folosind una sau dou mini robotice antropomorfe

prezint cteva provocri n ceea ce privete controlul datorit complexitii sistemului mecanic

utilizat, gamei largi de forme de obiecte i marii varieti de sarcini de manipulare.

Minile robotice au mai multe grade de libertate dect manipulatoarele tradiionale cu

legturi n serie. Mai mult, n timpul manipulrii, configurarea ntregului sistem mnobiect se

schimb frecvent: degetele se rotesc i alunec pe suprafaa obiectului, degetele las obiectul sau

fac contact cu el, frecarea se modific brusc, forele care acioneaz asupra obiectului se pot

modifica datorit interaciunii cu mediul, etc. De aceea controlul minilor robotice poate fi o

sarcin foarte dificil. n mod remarcabil, datorit structurii lor mecanice, minile robotice

antropomorfe pot permite o gam larg de aplicaii pentru controlul poziiei i forei. Totui doar

cu minile se pot realiza numai o gam restrns de micri, pentru micri ample este necesar

utilizarea ncheieturilor i a braelor robotice.

Prinderea poate fi clasificat n prindere de for i prindere de precizie. Prima este

caracterizat de utilizarea att a palmei ct i a degetelor la prinderea obiectului, n timp ce a doua

utilizeaz doar degetele.

O aciune tipic de manipulare const n prinderea obiectului, mutarea lui dintr-o poziie i

orientare iniiale ntr-o alt poziie i orientare int, evitnd contactul cu obstacole sau

interacionarea cu un alt obiect. Execuia corect a sarcinii presupune ca degetele s aplice fore

de contact adecvate pentru a obine micarea dorit a obiectului, astfel nct n punctele de contact

fixe s fie ndeplinite constrngerile de frecare, lund n considerare cuplul degetelor i limitele

articulaiilor.

Problema controlului const n calcularea cuplului articulaiilor necesar pentru ndeplinirea

sarcinii de manipulare planificate fie prin controlul poziiei i forei degetelor, fie cu prin controlul

dinamic al degetelor n momentul contactului. Controlerul trebuie s fie capabil s rezolve

problemele de incertitudine aprute datorit modelului sistemului, lipsei de precizie a

servomotoarelor, evenimentelor nemodelate, parametrilor necunoscui, etc. n plus, este necesar i

un planificator al aciunilor, care s lucreze n paralel cu controlerul. Cele dou sisteme ar trebui

s poat mpreun s rezolve problemele diferitelor faze ale manipulrii (de exemplu, s modifice

starea contactului, s schimbe tipul de contact, s reapuce obiectul) i s fac fa incertitudinilor

modelului i evenimentelor neprevzute.

n literatura de specialitate, metodele de control pot fi clasificate n:

Control bazat pe model [30-33] - are ca fundament modelul dinamic al sistemului

Control hibrid for-poziie [34-41] presupune control simultan al forei i al poziiei

pentru a obine micarea dorit

Controlul rigiditii [42-45] este folosit n manipulrile de precizie unde micrile fine i

vitezele sczute genereaz ecuaii dinamice care sunt restricionate de condiiile de

rigiditate, de frecare i de contact.

Controlul impedanei [46-49] - are scopul de a impune unui sistem robotic o comportare

dinamic dorit sau o impedan mecanic dorit, descris de obicei de un sistem de

amortizare arc-mas de nivel secundar

Controlul bazat pe evenimente [50,51] - manipularea este bazat pe evenimente; ca i la

manipularea uman, senzorii tactili ai minilor robotice sunt utili la detectarea

schimbrilor condiiilor de contact

Control ierarhic [52,53]- este inspirat din controlul degetelor umane de ctre creier

12

2.3 Problemele structurii mecanice pentru mini robotice umanoide Crearea unui manipulator universal a fost visul multor cercettori n domeniul Roboticii. n

ultimii douzeci i cinci de ani, datorit noilor tehnologii dezvoltate (n special noile dezvoltri n

electronic) cercetarea n domeniul minilor robotice antropomorfe a fcut avansuri importante.

n prezent exist multe modele de mini robotice cu 5 sau mai puine degete n funcie de

dorinele inventatorilor. La fel i modul de acionare difer de la un model la altul, cu avantaje n

anumite privine i dezavantaje n altele, de exemplu micorarea forei pentru a mri viteza, sau

modele mai puin flexibile pentru anumite caracteristici.

ncercarea de a reproduce dexteritatea i flexibilitatea minii umane prin intermediul

minilor robotice este o problem care preocup lumea tiinific de mai bine de 30 de ani. Din

gama larg de probleme legate de reproducerea minii umane, definirea poziionrii n timpul

prehensiunii unui obiect este una din cele mai provocatoare, deoarece implic satisfacerea unui

numr mare de restricii legate nu numai de structura minii i a obiectului ci i de cerinele

sarcinii i starea mediului. O multitudine de factori fac acest subiect s fie foarte complex:

cantitatea mare de informaie care trebuie luat n calcul, gama larg de posibiliti de a apuca un

singur obiect, etc.

Controlul minilor robotice cu mai multe degete cuprinde o serie de sarcini pariale care

pot fi clasificate n funcie de structura minii sau operaiile de predefinire a prehensiunii i

sinteza acesteia. Predefinirea prehensiunii este o operaie orientat ctre sarcin, n cadrul creia

este, practic, imposibil de generat locaia de contact pornind de la o simpl descriere a obiectului

de prehensat, a minii i a sarcinii, datorit numrului mare de grade de libertate al minilor

antropomorfe cu mai multe degete. Prin urmare, predefinirea prehensiunii are ca scop reducerea

numrului de grade de libertate dintre mn i obiectul de prehensat, i este folosit ca pre-

planificator pentru sinteza prehensiunii. Sinteza prehensiunii cuprinde determinarea unui mod de

apucare care s respecte condiiile de stabilitate, echilibru, for de nchidere i dexteritate.

Funciile motorii ale oamenilor constau n dou abiliti principale: mers i prehensiune i

manipulare. Pn n prezent s-au realizat multe cercetri pentru reproducerea acestor abiliti. La

nceput, minile robotice au fost studiate mai mult dect picioarele i s-a crezut c minile

robotice erau mult mai avansate dect picioarele. Totui, dup dezvoltarea cu succes a roboilor

pitori realizai de Honda n 1996 [54] i, ulterior, de alte grupuri (de exemplu [55-57]), abilitatea

de mers a roboilor a evoluat foarte repede, ns dezvoltarea minilor robotice care s realizeze

sarcini de prehensiune i manipulare reprezint un subiect mult mai urgent i critic, pentru

realizarea roboilor umanoizi care s ajute omul.

n multe sisteme artificiale de manipulare, operabilitatea uman, adic existena unei

interfee simple i prietenoase cu operatorul uman, reprezint un factor cheie pentru succes.

Interfaa reprezint totalitatea mijloacelor prin care se realizeaz transferul de putere i informaie

ntre om i mna robotic. Sub aceast observaie, modelele antropomorfe ale minilor ofer

avantaje diferite.

Modelele antropomorfe uureaz sarcina operatorului uman de a reproduce micrile

naturale ale minii, folosind un dispozitiv de comand. Planificarea i programarea aciunilor

minilor robotice complexe din punct de vedere cinematic sunt sarcini foarte dificile, care au

contribuit la folosirea lor precar n aplicaiile practice. Pe de alt parte, o mn antropomorf

poate fi gndit direct prin demonstrarea comportamentelor umane dorite n cadrul manipulrii

i prehensiunii. n astfel de sisteme, pentru a prelua date de la micarea minii model se folosesc

mnui speciale echipate cu diferii senzori.

13

Abordarea de genul nvare prin demonstraie n programarea minilor mecanice se

aplic n mod general sistemelor care nu doar copiaz micarea minii umane, ci dintr-o secven

de operaii demonstrative reprezentative a minii umane nva abilitatea care e necesar la

rezolvarea diferitelor sarcini. Aceast direcie, n cercetare, atrage n prezent mult interes, dup

cum se observ din numrul crescut al lucrrilor din domeniu [58-63].

Pentru viitor, muli se ateapt ca sistemele robotice s interacioneze cu fiinele umane

direct, ntr-un mod sigur i confortabil [64], [65]. Un exemplu de sarcin pentru un astfel de robot

prietenos este reabilitarea [66]. Un factor crucial n realizarea acestei sarcini va fi abilitatea

tehnologiei robotice de a se ndeprta de utilizarea materialelor i motoarelor convenionale care

sunt percepute drept rigide, i de a utiliza soluii inovative pentru realizarea de mini cu micri

naturale.

Totui, design-ul antropomorf are i dezavantaje. Unele dintre dezavantajele minilor

antropomorfe actuale sunt structura cinematic foarte complex, numrul mare de servomotoare i

complexitatea senzorilor. n cazul aplicaiilor industriale se ine cont de costul de execuie i

fiabilitatea acestora, fapt ce duce la utilizarea unor simpli cleti ca soluie optim pentru

majoritatea operaiunilor de apucare obinuite. Totui, odat cu reducerea ciclului de via al

produselor din cauza competiiei tehnologice, necesitatea unei mai mari flexibiliti a

echipamentelor de manipulare devine din ce n ce mai important.

Este deosebit de important reducerea complexitii n ceea ce privete componentele

hardware ale sistemului, deoarece ele determin costul, greutatea i punctele de defectare ale

robotului. Este de obicei mai dificil dezvoltarea de echipamente simple i eficiente pentru a

executa sarcini grele dect dezvoltarea de sisteme foarte complexe pentru executarea acelorai

sarcini. Acest aspect este adevrat att n sens tehnologic ct i n sens teoretic.

Minile robotice sunt sisteme alctuite din dou sau mai multe degete care acioneaz

asupra unui obiect manipulat prin contact. Prezena fenomenului de contact n manipulare devine

problematic pentru alte sisteme robotice, i e clar c modelele de contact afecteaz mult analiza

sistemelor de manipulare. O clasificare standard a modelelor de contact introduse n robotic

[74,75], scoate n eviden tipul de contact n punct cu frecare (sau deget rigid), deget moale

i tipul de contact cu apucare complet (sau deget foarte moale). Alte aspecte importante ale

modelelor de contact se refer la comportarea vsco-elastic (rigid, elastic isotropic, etc.) i la

comportarea n condiii de alunecare i rostogolire, i anume coeficienii de frecare statici i

cinetici i faptul dac punctul de contact se mic sau nu pe suprafeele de contact atunci cnd

acestea se rotesc una fa de cealalt (contact de rostogolire). Cazul din urm corespunde

situaiei ideale a contactului dintre suprafee cu curbur relativ infinit.

Salisbury [74] a fost primul care a artat c numrul minim teoretic de grade de libertate

necesare pentru a avea dexteritate ntr-o mn cu contacte cu deget rigid, fr alunecare i fr

rostogolire este 9.

n ciuda efortului mare depus i a rezultatelor teoretice i tehnologice obinute de

comunitatea robotic n construirea i controlarea minilor robotice cu dexteritate ridicat,

numrul de aplicaii din lumea real i performanele acestor dispozitive n condiii operative nu

sunt foarte satisfctoare. n particular, gradul ridicat de sofisticare din modelul mecanic a

mpiedicat minile robotice cu dexteritate ridicat s reueasc n aplicaii unde factori precum

fiabilitatea, greutatea, dimensiunea mic sau costurile ridicate puneau probleme.

Studierea diferitelor modele de contact deschide noi posibiliti de obinere a dexteritii.

Astfel, dac se permit contactele dintre degete i ca obiectul s fie eliberat la un anumit punct n

14

timpul manipulrii i s fie stabilit un alt contact n alt poziie, atunci se poate obine manipulare

prin reapucare sau mutarea degetelor.

Manipularea prin reapucare [86] implic o secven de apucri ale obiectului, alternate cu

faze n care obiectul este eliberat pe masa de lucru. Pentru aceasta se pot folosi componente

simple chiar de genul cletilor cu nchidere-deschidere. Totui, manipularea prin reapucare are

dezavantajele ei, printre care nevoia de a apuca i elibera obiectul de mai multe ori i n

consecin o mrire a timpului de manipulare. De asemenea, la manipularea obiectelor

tridimensionale neregulate e posibil s fie disponibile un numr redus de poziii stabile ale

obiectului n care mna poate elibera obiectul n siguran pe masa de lucru.

Mutarea degetelor implic utilizarea a 3 sau mai multe degete care sunt repoziionate

unul cte unul pe suprafaa obiectului, n timp ce celelalte degete manipuleaz local obiectul.

Mutarea degetelor a fost demonstrat, de exemplu de Okada [87] i de Fearing [88] pentru a

manipula o sfer i respectiv o bar. Operaiile de reapucare i mutarea degetelor implic att

sisteme dinamice continue (cinematica i dinamica manipulrii, efectele gravitaiei, alunecarea,

etc.) ct i sisteme cu evenimente discrete (evenimentele fiind de exemplu contactul sau eliberarea

unui deget de pe obiect), ceea ce duce la nevoia de analiz i control ale sistemelor hibride,

adic sisteme care sunt controlate n funcie de sarcin sau n funcie de timp necesar pentru a

realiza sarcina. Analiza de stabilitate i verificrile acestor sisteme din punct de vedere al teoriei

automatelor sunt n general o problem dificil deschis pentru comunitile tiinei

calculatoarelor i controlului automat [89]. Analiza i minimizarea timpilor de execuie pentru

planele de reapucare i caracterizarea robusteii acestor plane pentru obiecte tridimensionale

complexe sunt de asemenea probleme deschise majore n acest domeniu.

Un alt grad de flexibilitate n manipulare este obinut dac se permite ca o parte a

contactelor s alunece n timpul anumitor intervale de timp. Aceast manipulare prin alunecare

este de fapt folosit foarte des la mna uman. Pentru a putea controla alunecarea este foarte

important s se poat preciza apariia alunecrii. Aceasta implic necesitatea unei analize exacte a

fenomenelor de frecare i alunecare. n particular, n cazul combinaiei de greutate i torsiune, este

important dar n acelai timp foarte dificil o evaluare folosind senzorii a marginii de stabilitate a

contactului nainte de alunecare i pentru moment sunt cunoscute doar soluii pariale. O a doua

problem n acest domeniu este crearea de seturi de locaii de contact pentru a preveni i respectiv

permite selectiv micri de alunecare a obiectului manipulat. Se pot crea unelte pentru

soluionarea acestui tip de probleme din crearea configuraiilor mecanice i din analiza prinderii

pariale.

n procesul de analiz a ntocmirii problemei manipulrii pentru a reduce complexitatea

hardware-ului, o mare mbuntire este obinut dac este nlturat interzicerea contactului de

rotaie. De fapt, manipularea prin rotire este o modalitate foarte eficient de a muta dificultile

manipulrii de la nivel hardware la nivel software (adic la algoritmii de control).

n majoritatea lucrrilor din domeniul manipulrii, presupunerea contactului fr rotire

este motivat de ipoteza c degetele au o curbur foarte accentuat i astfel contactul dintre vrful

degetului i obiect nu se modific mult dac cele dou se rotesc ntre ele. Totui, ipoteza curburii

nalte nu este verificat la majoritatea modelelor de mini, i se modific n poziia punctului de

contact deoarece rotaia afecteaz profund prinderea i manipularea. Prezena contactelor de

rotaie semnific faptul c cinematica i dinamica sistemului sunt complet modificate i de obicei

devin mult mai complexe. Analiza manipulrii n prezena rotirii a fost iniial descris de Montana

[93] i Cai i Roth[94].

15

Dac este privit drept un efect nedorit, rotaia trebuie s fie compensat la manipulare

folosind informaiile n timp real de la senzorii tactili care indic poziia curent a punctului de

contact n orice moment.

n momentul de fa este comun acceptat faptul c efectele de curbur i rotaia pot fi

folosite s ajute simplificarea minilor robotice.

Rotaia poate de asemenea fi benefic dexteritii de manipulare. Manipularea prin rotire

este un domeniu nou i interesant, n care trebuie susinut efortul pentru simplificarea hardware.

Dintre problemele aprute enumerm problema planificrii micrii de alunecare i rotire printre

obstacole (datorit limitrii spaiului de lucru al degetelor), lipsa unei legi de control eficient al

rspunsului care ar putea stabiliza poziia unui obiect general care se rotete (problema nu este

rezolvat nici mcar pentru o sfer), aceeai problem i n cazul n care nu toate strile sunt direct

msurabile i o analiz a senzitivitii planificrii i controlului la erorile de modelare.

O problem crucial n manipularea robotic este alegerea forei de prindere astfel nct s

se exclud sau s fie minimizat riscul de alunecare. Forele interne de prindere sunt definite drept

fore de contact din spaiul nul al matricei de prindere G. Forele de contact care nu sunt interne

afecteaz direct echilibrul obiectului i sunt uneori denumite fore de manipulare. Problema

alegerii forei articulaiei astfel nct s se obin forele de manipulare necesare pentru

ndeplinirea sarcinii i n acelai timp impunnd fore de prindere care garanteaz mpiedicarea

alunecrii, este deseori denumit problema distribuirii forelor. Aceasta este o problem comun i

altor domenii din robotic, de exemplu deplasarea pe picioare, cooperarea sau manipularea cu

constrngeri. O proprietate important a problemei de optimizare cu constrngeri neliniare la care

se rezum distribuia forelor este convexitatea. Aceast proprietate determin soluii eficiente la o

problem complex: integrarea unei ecuaii difereniale normale ca o soluie iterativ a problemei.

Putem nota c, constrngerile de frecare neliniare pot fi rescrise drept constrngeri definite pozitiv

n matrice adecvate i pot fi folosite metode de gradient pentru optimizare.

O alt proprietate important a prinderii este stabilitatea. Termenul este folosit n literatur

cu cel puin dou semnificaii. Una se refer la teoria Lyapunov i spune c o prindere este stabil

(asimptotic) dac dinamicile ei sunt astfel nct, cnd obiectul este mutat din poziia de referin el

va rmne n apropierea acestei poziii (i eventual se va ntoarce n aceast poziie). A doua

semnificaie se refer la definiia Lagrange n care o configuraie a unui sistem conservativ este

stabil dac ea corespunde unui minim local strict al energiei poteniale. A doua definiie este cel

mai des ntlnit n studiul stabilitii prinderii. Trebuie ns notat c analiza Lagrange este

limitat n anumite sensuri. n mecanic, ipoteza intuitiv c dac un punct de echilibru nu este un

minim al funciei de potenial atunci punctul este instabil, nu are o demonstraie pentru sisteme cu

mai mult de dou grade de libertate. i poate i mai important, din punctul de vedere al aplicaiei,

este faptul c nu exist nici o prevedere n analiza Lagrange cu privire la forele neconservative

(cu excepia termenilor disipativi de tip Rayleigh). Forele neconservative pot aprea n sistemele

de prindere din cauza componentelor mecanice care nu sunt ideale i din cauza legilor de control

folosite pentru acionarea articulaiilor minii. Includerea efectelor controlului asupra stabilitii

prinderii este o problem deschis de actualitate.

16

3. Dezvoltarea mediului de simulare 3D pentru mna robotic

antropomorf

n prezent se dorete dezvoltarea unor sisteme robotice cu aplicaii n medii dinamice i

necunoscute [97-99] n care omul ar fi pus n pericol, precum locaiile unor calamiti naturale sau

dezastre nucleare, dar i n diferite domenii, de la treburi gospodreti sau agricultur, pn la

aplicaii militare. n oricare din aceste domenii sistemul robotic trebuie s ndeplineasc o serie de

sarcini ce implic manipularea i transportarea unor obiecte sau utilizarea unor echipamente i

instrumente. De aici apare necesitatea dezvoltrii unor sisteme de prehensiune care s reproduc

ct mai bine micarea minii umane [100-104].

Proiectarea asistat de calculator permite realizarea, modificarea i analiza unui proiect, i

prin urmare optimizarea lui. Un program CAD permite crearea unui model 3D a unui corp sau a

unui ansamblu de corpuri, precum i realizarea unor simulri i analize. Aceste simulri au n

spate modele matematice bine implementate, ce in cont de proprietile constructive ale

corpurilor reprezentate virtual. Cele mai cunoscute pachete software CAD sunt CATIA (Dassault

Systems 1981), AutoCAD (Autodesk - 1982), Pro/ENGINEER n 1988, SolidWorks 1995 i

Autodesk Inventor 1999 [105].

Aadar dezvoltarea unui sistem este mult simplificat i costurile de producie scad

considerabil, deoarece se poate trece peste faza de realizare a unui model experimental, aceast

etap fiind nlocuit cu o etap de analiz i simulare. Aceast metod presupune combinarea

facilitilor oferite de dou mari pachete software, i anume Autodesk Inventor i SimMechanics.

n cele ce urmeaz sunt prezentate instrumentele folosite pentru dezvoltarea mediului de

simulare.

3.1 AUTODESK Inventor Pentru a studia micarea unui sistem robotic i comportamentul acestuia n diferite condiii

de lucru, trebuie creat mediul n care acest sistem va trebui s acioneze, ceea ce implic anumite

costuri. Cu ct situaiile n care sistemul robotic trebuie testat sunt mai multe, cu att suma

investit n acest studiu crete. Aadar o variant mai puin costisitoare o reprezint simularea n

mediu virtual a ntregului proces, deoarece un mediu virtual permite simularea unui numr

nelimitat de condiii de lucru. Pentru asta sistemul robotic trebuie introdus n mediul virtual.

Fig. 3.1 Modelul virtual al unei mini robotice realizat cu Autodesk Inventor

17

Pachetul software folosit este Inventor dezvoltat de firma Autodesk i lansat n 1999.

Acest software este folosit pentru proiectare mecanic 3D i simulare de produs [106]. Cu ajutorul

Inventor utilizatorul poate reproduce sau crea cu mare precizie un model 3D cu scopul de a-l

vizualiza i simula nainte de construirea fizic. n fig. 3.1 este prezentat modelul n mediu virtual

al minii robotice ce face subiectul acestei lucrri i care va fi studiat n seciunea 3.4.

3.2 SimMechanics SimMechanics este un mediu de programare bazat pe blocuri, folosit pentru proiectarea i

simularea sistemelor cu corpuri rigide i a micrii acestora, folosind dinamica Newtonian

standard. Acest software face parte din pachetul Simscape din familia Simulink Physical

Modeling. Programele Simscape ruleaz n mediul Simulink i au interfaa asemntoare cu

celelalte pachete din Simulink i Matlab [107].

Spre deosebire de blocurile din Simulink, ce reprezint diverse operaii sau operatori

matematici, blocurile Simscape reprezint componente fizice sau relaiile dintre aceste

componente. SimMechanics poate interfaa cu Simulink, n sensul c semnale modelate cu

ajutorul Simulink pot fi folosite pentru a defini forele ce acioneaz asupra corpurilor din modelul

SimMechanics, sau pentru a impune micarea acestora. De asemenea datele generate de senzori

pot fi folosite n modelul matematic creat n Simulink.

3.3 SimMechanics Link Autodesk Inventor este un pachet software puternic ce permite reproducerea cu precizie

ridicat n mediu virtual, a unor componente sau a unor ansamble complexe, atand modelului

creat toate proprietile produsului reprodus. De asemenea Autodesk Inventor ofer posibilitatea

rulrii unor simulri dar sunt oarecum limitate din punct de vedere al impunerii condiiilor de

micare, acesta nepermind rularea unor simulri dinamice avansate prin implementarea unor

metode de control.

Acest gol este umplut cu succes de SimMechanics, care, avnd posibilitatea de a beneficia

de puterea Simulink, ofer capabiliti de implementare a unor metode de control avansate. Am

observat la seciunea anterioara ca SimMechanics are opiuni de modelare a componentelor fizice,

dar reproducerea acestora n mediu virtual se realizeaz schematic, folosind elemente geometrice

de baz (sfer, paralelipiped, etc.).

Fig. 3.2 Transferul din

mediul CAD n mediul

SimMechanics

Fig. 3.3 Exportul ansamblului din

mediul CAD

Fig. 3.4 Importul ansamblului

CAD n SimMechanics

18

Cea mai bun metod de a studia n mediu virtual, comportarea unui sistem mecanic ar fi

mbinarea capabilitilor de care dispun cele dou programe. Acest lucru se poate realiza cu

ajutorul utilitarului SimMechanics Link, ce faciliteaz tranziia modelului virtual din mediul CAD

n mediul de simulare SimMechanics (fig. 3.2).

Utilitarul SimMechanics Link este format din dou module: SimMechanics Link Export i

SimMechanics Link Import. SimMechanics Link Export realizeaz transformarea ansamblului

CAD n format de modelare fizic XML (fig. 3.3). Acest format conine informaii legate de masa

i ineria fiecrei componente din ansamblu, precum i constrngerile dintre acestea, i, n acelai

timp se genereaz fiiere grafice de tip STL (stereolithographic), ce stocheaz informaiile de

form ale componentelor ansamblului. Cel de-al doilea modul realizeaz transformarea

ansamblului din format XML n model SimMechanics (fig. 3.4). n modelul SimMechanics,

reprezentrile XML ale prilor componente devin corpuri, iar constrngerile dintre acestea devin

articulaii. Modelul SimMechanics folosete fiierele STL pentru a construi o vizualizare grafic a

ansamblului simulat.

Pentru a se putea realiza tranziia din mediul CAD n mediul de simulare, SimMechanics

Link utility, trebuie s realizeze o coresponden ntre elementele ansamblului CAD i cele ale

modelului SimMechanics

Fig. 3.5 Datele tehnice ale motoarelor

Fig. 3.6 Datele tehnice ale motoarelor

3.4 Modelarea n mediu virtual 3D a minii robotice Pentru a ilustra cele menionate mai sus, s-a realizat n mediu virtual o mn robotic (fig.

3.1) ale crei dimensiuni sunt asemntoare cu cele ale minii umane. Mna are 17 grade de

libertate i este pus n micare cu ajutorul a 5 servomotoare ce acioneaz fiecare deget n parte

prin intermediul unor tendoane. n fig. 3.5 sunt ilustrate traseele urmate de tendoane n interiorul

minii iar in fig. 3.6 sunt prezentate datele tehnice ale motoarelor.

Cu ajutorul Autodesk Inventor s-au putut determina cu uurina transformrile de

coordonate pentru a se obine parametrii conveniei Denavit-Hertenberg, programul oferind

instrumente de marcare i manipulare vizual a sistemelor de coordonate (fig. 3.7), precum i

instrumente de msurare pentru a determina cu precizie valorile constructive ale minii robotice.

n fig. 3.8 este ilustrat trecerea minii robotice din mediul Autodesk Inventor n mediul de

simulare i corespondena ntre componentele ansamblului i cele ale modelului SimMechanics.

19

Fig. 3.7 Sisteme de coordonate n

vederea obinerii parametrilor Denavit-

Hartenberg

Fig. 3.8 Corespondena ntre elementele

ansamblului Autodesk Inventor

i cele ale modelului SimMechanics

n urma transferului din mediul Autodesk Inventor n SimMechanics s-au pstrat

proprietile dinamice ale modelului. Dup cum se poate observa n fig. 3.9, n Autodesk Inventor,

minii robotice i-a fost atribuit ca material constructiv ABS plastic, iar programul a calculat

valorile dinamice i cinematice pe baza proprietilor materialului.

a) b)

Fig. 3.9 a) Proprietile segmentului unui deget n Autodesk Inventor

b) Proprietile aceluiai segment de deget n SimMechanics

Modelul 3D al minii robotice a fost proiectat n aa fel nct s respecte dimensiunile

minii umane. Aceasta este format din 18 componente prezentate n tabelul 3.3. Acestor

componente le este atribuit materialul plastic ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene - Acrilonitril-

Butadien-Stiren).

3.5 Concluzii Proiectarea minilor robotice cu mai multe degete a atras interesul comunitii de

cercettori nc din primele zile ale roboticii, nu numai ca fiind o problem tehnic provocatoare,

dar probabil i datorit motivaiilor antropomorfe i interesul intrinsec pentru o mai bun

nelegere a corpului uman. n ultimele decenii au fost lansate o mulime de proiecte i s-au

dezvoltat o serie de mini robotice. Cu toate acestea, n momentul de fa minile robotice sigure,

flexibile i cu dexteritate ridicat nu sunt disponibile pentru aplicaii practice. Din aceste motive,

este uor de prevzut o activitate consistent n acest domeniu, cu dezvoltri semnificative la nivel

tehnologic (senzori, actuatoare, materiale, etc.) i metodologic (control, planificare, etc.). De

asemenea, se ateapt realizarea cu alte domenii tiinifice, precum tiina cognitiv.

20

Deoarece acest domeniu de cercetare este foarte mare, nu este simplu de recomandat

materiale pentru cercettori, excepie fcnd crile clasice. De fapt, n funcie de aria de cercetare

specific, multe publicaii sunt disponibile, chiar dac nu sunt att de organizate precum crile,

sub forma lucrrilor tehnice publicate n jurnale sau prezentate la conferine internaionale.

O mare provocare n a nelege sistemele de prehensiune poate ncepe de la modele

cinematice liniare, dinamice i de contact. Pornind de la aceste idei se poate realiza o clasificare a

prehensiunii i se pot determina proprietile de prindere. Liniarizarea acestor modele conduce la

metrici i teste care pot fi calculate eficient folosind tehnici de algebr liniar computaional i

programare liniar.

21

4 Controlul hibrid for-poziie al sistemelor de

prehensiune pentru mini umanoide inteligente

n aplicaiile avansate de robotic se cere ca un manipulator s interacioneze compliant cu

mediul su. n astfel de cazuri nu se cere doar un control de poziie foarte precis, dar i fora

exercitat de manipulator asupra mediului trebuie controlat foarte bine. Controlul simultan

pentru for i poziie pentru sistemele robotice constrnse reprezint un subiect de cercetare

studiat intens [109-116].

4.1 Control hibrid for-poziie clasic Ideea de control hibrid a fost introdus de Craig i Raibert [123, 124] la nceputul anilor

80 pentru a controla micarea unui end-efector n spaii nedeterministe. Ulterior, Zhang i Paul

[125] au modificat schema de control hibrid din formulare Cartezian n formulare n spaiul

articulaiilor folosind aceeai metod de separare a constrngerilor de for i poziie din spaiul

Cartezian studiat. n ambele situaii, avantajul controlului hibrid era acela c informaiile de for

i poziie erau analizate independent, profitnd de avantajul fiecrei tehnici de control, acestea

fiind combinate n faza final cnd ambele informaii sunt transformate n cuplu pentru articulaii.

Fig. 4.1: Schema clasic de control hibrid for-poziie [123, 124]

n fig. 4.1, matricele , respectiv, sunt vectori ce cuprind informaiile

Carteziene de poziie i orientare, iar matricele , respectiv, sunt vectori ce

cuprind informaiile Carteziene de for i moment. Vectorii , respectiv , reprezint poziia

unghiular, respectiv, cuplul din articulaii [123, 124].

4.2 Control hibrid for-poziie folosind reele neuronale

n continuare, pornind de la schema de control for-poziie clasic va fi abordat o nou

soluie tehnic bazat pe reele neuronale pentru controlul hibrid for-poziie, pentru mna

robotic dezvoltat n mediu virtual prezentat n seciunea (3.4).

Dup cum se poate observa n seciunea 4.1, implementarea legii de control hibrid for-

poziie necesit un volum de calcul destul de ridicat (determinarea ecuaiilor cinematice i

dinamice i rezolvarea problemelor de cinematic invers [126], respectiv dinamica direct [127]

folosind metoda Jacobian).

22

Dup cum a fost menionat anterior, aceast arhitectur permite controlul n timp real

avnd dou surse de date: msurtorile de fore dinamice i de precizie static ca interaciune ntre

mna robotic i mediul de lucru. Procesul de control n timp real se realizeaz simultan pe dou

ci (fig. 4.2): o cale pentru a determina vectorul , care corespunde componentei controlate n

poziie i o a doua cale pentru a determina vectorul , care corespunde componentei controlate n

for. Variabilele i reprezint referina de poziie, respectiv referina de for. La aceste

referine se adaug eroarea de poziionare , respectiv cea de for , i astfel se obin noi

referine ajustate conform erorilor determinate cu ajutorul informaiilor provenite de la senzori.

Referinele ajustate sunt introduse fiecare n cte un controler neuronal, unul ce face trecerea din

coordonate Carteziene n coordonate polare i un al doilea care rezolv problema de dinamic

direct, transformnd referina de for n coordonate de poziie polare corespunztoare acesteia.

Informaiile astfel obinute sunt introduse ntr-un bloc de decizie ce are rolul de a selecta semnalul

de control ce se transmite la motoare. Aceast decizie este bazat pe informaia obinut de la

senzorii de contact poziionai pe vrful degetelor. Astfel, dac de la aceti senzori se primete

informaie de contact, este activat bucla de for. n caz contrar se merge pe control n poziie.

Fig. 4.2 Schema de control hibrid for-poziie propus

4.2.1 Bucla de control n poziie

Bucla de control n poziie presupune rezolvarea sistemului de ecuaii cinematice ce

definesc transformrile de coordonate ale vrfului degetului n raport cu centrul palmei.

Cinematica utilizat pentru aplicaii robotizate se mparte n dou componente eseniale,

cinematica direct i cinematica invers. Cea direct calculeaz poziia end-efectorului pe baza

poziiilor unghiulare din articulaii, iar cea invers calculeaz poziiile unghiulare pe baza poziiei

end-efectorului.

n toate sistemele de control, cinematica invers apare ca un bloc foarte important n care

semnalul prelucrat este transformat n semnal ctre motoarele robotului. Prin urmare, rezolvarea

acesteia este un punct cheie al dezvoltrii schemelor de control [128,129].

Cea mai ntlnit metod de reprezentare a relaiilor cinematice pentru sistemele mecanice

se bazeaz pe convenia Denavit-Hartenberg [134]. n aceast seciune este prezentat modul de

calcul al cinematicii directe pentru degetul mare al minii robotice prezentat n fig. 4.3.

n fig. 4.4 se poate observa ca unui deget i sunt ataate 8 sisteme de coordonate, chiar

dac degetul are trei articulaii. Primul sistem de coordonate corespunde sistemului de coordonate

de referin iar sistemele de coordonate ulterioare sunt repartizate dup cum se poate

observa n figura menionat anterior, sistemul corespunznd punctului ce se vrea

controlat.

23

Fig. 4.3 Modelul unei mini robotice cu

sistemele de coordonate necesare conveniei

Denavit-Hartenberg

Fig. 4.4 Sistemele de coordonate ale degetului

mare

Problema cinematic invers permite calculul coordonatelor articulaiilor, care aduc end-

efectorul n poziia i orientarea dorit, date fiind coordonatele absolute (operaionale).

n cazul problemei de fa, problema cinematic presupune rezolvarea sistemului format

de ecuaiile 4.2, 4.3 i 4.4.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) (4.2)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) (4.3)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) (4.4)

Avnd n vedere c studiul are ca scop implementarea n timp real a schemei de control, i

innd cont c dou din degetele minii umanoide studiate au 4 grade de libertate, ale cror ecuaii

cinematice formeaz un sistem de ecuaii nedeterminat, s-a optat pentru folosirea reelelor

neuronale datorit timpului scurt n care acestea ofer soluie problemei, deoarece metodele

neuronale nu presupun rezolvarea unui model matematic riguros ci doar cunoaterea setului de

date de la care se pornete si a celui la care se dorete s se ajung [135].

Generarea datelor de antrenare (fig. 4.5) presupune rezolvarea cinematicii directe pentru

sistemul dat. n sistemul de ecuaii se introduc toate combinaiile de unghiuri posibile, iar

perechile de puncte ( ) rezultate sunt folosite ca date de intrare n reeaua neuronal.

Unghiurile folosite pentru generarea acestor perechi de puncte formeaz datele de ieire.

Domeniul datelor de ieire este dat de .

Limitele domeniului provin de la limitrile constructive ale degetului mare al minii.

Datele de intrare i de ieire formeaz ceea ce se numesc date de antrenare ale reelei

neuronale. Perechile date de intrare date de ieire sunt filtrate pentru a elimina punctele n care

sistemul analizat nu poate ajunge, datorit constrngerilor constructive.

24

Fig. 4.5 Generarea datelor de antrenare

Reeaua neuronal folosit n algoritmul de control pentru bucla de poziie este o reea

multistrat cu propagare nainte [136,137]. n cadrul Reelelor multistrat cu propagare nainte,

semnalul se propag numai de la intrare spre ieire, spre deosebire de reelele neuronale recurente

care au ci de reacie ce permit transmiterea semnalului i de la ieire ctre intrare.

Pentru problema studiat, reeaua neuronal folosit are n componen un strat de intrare cu

3 neuroni, dou straturi ascunse cu 12, respectiv, 6 neuroni i un strat de ieire cu 3 neuroni(fig.

4.6).

Fig. 4.6 Arhitectura reelei neuronale folosite pentru bucla de poziie

Antrenarea s-a desfurat pe parcursul a 1000 iteraii i s-au folosit seturi de 106 date

eantion. Procesul de antrenare a durat i s-a obinut o valoare minim a erorii de

. Aceast valoare a erorii nu influeneaz comportamentul sistemului. Erorile de

25

poziionare a vrfului degetului nu sunt influenate de controlerul neuronal, ci de parametrii

dinamici care nu sunt luai n considerare (frecarea din articulaii, perturbaii din mediu,

alunecarea la contact).

4.2.2 Bucla de control n for

Pentru controlul n for trebuie dezvoltate ecuaiile dinamice ale sistemului studiat. n

ceea ce privete dinamica unui sistem mecanic, sunt dou probleme de rezolvat. n cazul primei

probleme, cunoscnd parametrii ce descriu micarea sistemului, i anume poziia unghiular ,

viteza unghiular i acceleraia unghiular , se dorete aflarea cuplurilor ce trebuie aplicate n

articulaii pentru a pune sistemul n micare. Aceast abordare poart numele de dinamic

invers. n cazul dinamicii directe se determin micarea mecanismului ca urmare a aplicrii unor

cupluri n articulaii. Cu alte cuvinte, pornind de la un cuplu dat , se calculeaz micarea rezultat

a mecanismului descris de . Dinamica direct este folosit pentru simularea sistemului

mecanic, iar dinamica invers pentru controlul acestuia.

Pentru dezvoltarea ecuaiilor dinamice pentru sistemul studiat, i anume degetul mare al

minii robotice, se folosete formalismul Lagrange [138-140].

Ecuaiile dinamice se scriu simbolic sub forma

( ) ( ) ( ) (4.5)

unde ( ) este matricea parametrilor ineriali ai degetului studiat i este de dimensiune ,

( ) este vectorul de dimensiune ce conine parametrii centrifugali i Coriolis, iar ( )

este vectorul gravitaional de dimensiune . Elementele matricelor ( ) i ( ) sunt funcii

complexe ce depind de poziiile tuturor articulaiilor degetului minii, iar elementele ( )

depind att de poziiile articulaiilor ct i de vitezele acestora . , respectiv, , sunt vectori

de dimensiune ce reprezint, poziiile, vitezele, respectiv, acceleraiile articulaiilor

degetului, iar reprezint numrul de grade de libertate ale degetului.

Avnd calculate matricea de inerie , vectorul parametrilor centrifugali i Coriolis ,

respectiv, vectorul gravitaional , acestea sunt nlocuite n relaia 4.5 i se obine vectorul

cuplurilor ce realizeaz micarea degetelor:

[

]

unde

( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( )

( )

( ( )) ( ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) ) (

( )) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

(4.13)

26

( ) ( ) ( )

( )

( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ( )) (

( ) ( ) ) (

( ) ( )) ( )

.

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( ) ( ) ( )

( )

( )

( )

( )

( )/

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

(4.14)

( ( )) (

( ) ( )) (

( ) ( )) ( )

(

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( ) ( ))

( ) ( ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ))

(4.15)

Ecuaiile 4.13, 4.14 i 4.15 reprezint ecuaiile de micare a degetului mare al minii

robotice studiate. Rezolvarea acestui sistem prin metode analitice sau numerice este complex

27

datorit faptului c sistemul este unul nedeterminat. Cea mai simpl metod de a combate acest

neajuns se bazeaz pe utilizarea reelelor neuronale, deoarece metodele neuronale nu presupun

rezolvarea unui model matematic riguros ci doar cunoaterea setului de date de la care se pornete

si a celui la care se dorete s se ajung [135, 141].

Pentru a studia micarea minii robotice n mediu virtual s-a optat pentru abordarea

dinamic invers pentru controlul acesteia.

Generarea datelor de antrenare (fig. 4.7) presupune rezolvarea ecuaiilor dinamice pentru a

determina cuplul necesar pentru a pune n micare degetele minii robotice. Pentru a obine datele

de antrenare a reelei neuronale s-au rezolvat ecuaiile dinamice din prisma dinamicii directe.

Astfel, vectorii reprezint datele de ieire pentru reeaua neuronal, iar vectorul reprezint

datele de intrare. Domeniul datelor de ieire este dat de

. Limitele domeniului provin de la limitrile constructive ale degetului

mare al minii.

Fig. 4.7 Generarea datelor de antrenare

Reeaua neuronal folosit n algoritmul de control pentru bucla de for este o reea

multistrat cu propagarea nainte asemntoare cu cea folosit la bucla de poziie (seciunea 4.2.1).

Diferena const n faptul c reeaua pentru bucla de for are n componen un strat de intrare cu

28

3 neuroni, dou straturi ascunse cu 60, respectiv 30 neuroni i un strat de ieire cu 3 neuroni(fig.

4.8).

Fig. 4.8 Arhitectura reelei neuronale folosit pentru bucla de for

Antrenarea reelei se face folosind algoritmul prezentat n seciunea 4.2.1. Ca funcie de

transfer s-a folosit funcia transig (descris n seciunea 4.2.1). Procesul de antrenare a durat

i s-au folosit seturi de 106 date eantion. Antrenarea s-a realizat pe parcursul a 1000

iteraii. Eroarea de antrenare a atins valoarea minim de grade. Aceast valoare a

erorii nu influeneaz comportamentul sistemului. Erorile de poziionare a vrfului degetului nu

sunt influenate de controlerul neuronal, ci de parametrii dinamici care nu sunt luai n considerare

(frecarea din articulaii, perturbaii din mediu, alunecarea la contact).

4.3.3 Legea de comutaie

Avantajul controlului hibrid for-poziie este acela c are abilitatea de a comuta de la

controlul n poziie la controlul n for, n situaiile n controlul poziiei nu poate fi aplicat (de

exemplu, la prinderea obiectelor, unde contactul nu se poate controla n poziie). n schema de

control hibrid for-poziie, ilustrat n fig. 4.2, legea de comutaie se bazeaz pe prelucrarea

informaiilor provenite de la senzorii tactili montai pe varful degetelor.

n cadrul legii de control, blocul de comutaie proceseaz semnalul provenit de la senzorul

de for simulat i n momentul n care este sesizat o variaie a presiunii exercitate asupra

senzorului, se trece de la controlul n poziie la controlul n for, iar referina de cuplu este

ajustat proporional cu fora de contact msurat astfel nct contactul cu obiectul s se menin

aproximativ constant. n momentul n care contactul cu obiectul nu mai este detectat se revine la

controlul n poziie.

Pentru aplicaia dezvoltat a fost simulat senzorul prezentat n fig. 4.9. Senzorul sesizeaza

gradul de apsare pe pastila acestuia. Acesta i schimb rezistena n funcie de fora care se

exercit asupra lui. Cnd nu se exercit nici o for rezistena este egal cu 1 MOhm. Rezistena

va scdea la 2.5 KOhm cnd se aplic fora maxim pe care poate senzorul s o detecteze.

Rspunsul senzorului nu este liniar, ci variaz aproximativ logaritmic cu fora aplicat [142].

Zona senzitiv a senzorului are diametrul de 0.76 cm, grosimea senzorului variaz ntre 0.2 i 1.25

mm. Domeniul forei detectate este cuprins ntre 0.1 i 10 N, iar rezistena senzorului este

cuprins ntre 2.5 KOhm i 1 MOhm.

Fig. 4.9 Senzor de for

29

4.3 Implementarea controlului hibrid for-poziie pentru mna robotic

umanoid n mediu virtual Pentru a demonstra facilitile oferite, metoda de control prezentat a fost testat pentru

controlul minii robotice umanoide proiectat n mediu virtual (fig.4.10). Controlul degetelor se

realizeaz dup principiul ilustrat n fig. 4.11. Referinele de poziie i for sunt transmise

sistemelor de control n timp real aferente fiecrui deget n parte. Controlul degetelor se realizeaz

folosind schema de control hibrid for-poziie, descris n seciunea 4.2. Semnalul de control

obinut n urma aplicrii schemei de control este transmis actuatoarelor care pun n micare

segmentele degetelor. Prin intermediul senzorilor se msoar poziia curent a degetelor i,

folosind aceast informaie, se nchide bucla de control.

Iniial schema de control (fig. 4.11) a fost testat pentru operaia de nchidere a minii, iar n

figurile de mai jos sunt prezentate rezultatele obinute ca urmare a aplicrii acestei legi, msurate

pentru degetul mare al minii robotice.

Fig. 4.10 Reprezentarea minii robotice realiznd operaia de strngere a degetelor

n mediu virtual

Fig. 4.11 Implementarea schemei de control n timp real n cadrul simulatorului

Ca intrare n schema de control, pentru bucla de poziie (seciunea 4.2.1) s-a folosit referina

ilustrat n fig. 4.12.a, iar pentru bucla de for (seciunea 4.2.2), referina este prezentat n fig.

4.12.c.

Dup cum se poate observa n fig. 4.12.d, respectiv, fig. 4.12.e, eroarea de poziie obinut

este de maxim , n cazul aplicrii ambelor bucle de control. Analiznd fig. 4.12.f se

30

observ o eroare foarte mare de cuplu , dar dup ce sistemul este pus n micare aceast

eroare scade foarte mult, ajungnd de ordinul . n fig. 4.13 sunt prezentate

descompunerea pe cele trei axe a cuplurilor resimite n articulaiile degetelor, att pentru situaia

n care se merge pe bucla de poziie ct i pentru cea n care este folosit bucla de for.

Fig. 4.12 Referinele i datele rezultate n urma aplicrii

schemei de control hibrid for-poziie

31

Fig. 4.13 Cuplurile exercitate n fiecare articulaie

a degetului mare al minii robotice

Ulterior, schema de control a fost testat pentru situaia n care mna robotic trebuie s

apuce o sfer (fig. 4.14). S-a utilizat acelai procedeu menionat anterior. n fig. 4.15 sunt

prezentate forele ce apar n momentul n care mna apuc obiectul.

Fig. 4.14 Reprezentarea minii robotice realiznd operaia de prindere a unui obiect

n mediu virtual

Dup cum se poate observa n fig. 4.15, durata micrii degetelor variaz n funcie de

forma obiectului, unele degete avnd de efectuat o micare mai lung dect altele. n momentul

contactului cu obiectul degetele aplic o for mai mare pentru a apuca obiectul. Ulterior aceast

for se diminueaz i este aplicat cantitatea necesar ca obiectul s fie meninut ntre degete i s

nu alunece.

32

Fig. 4.15 Fore de contact pentru a) degetul mare; b) degetul artator;

c) degetul mijlociu; d) degetul inelar; e) degetul mic

4.4 Concluzii n acest capitol au fost prezentate bazele controlului hibrid for-poziie i s-a propus o

nou abordare pentru aceast metod de control. n varianta iniial, cantitatea de calcul necesar

pentru implementarea schemei este consistent, iar rezolvarea problemelor de cinematic invers,

respectiv dinamic direct sunt destul de complexe. Abordarea propus presupune nlocuirea

blocurilor de transformri cinematice i dinamice cu controlere neuronale, reducnd astfel timpul

de execuie i simplificnd implementarea.

Reelele neuronale i dovedesc n principal utilitatea n rezolvarea unor probleme dificile,

cum sunt cele de estimare, identificare i predicie sau de optimizare complex. Datorit

independenei efecturii operaiilor din interiorul componentelor fa de celelalte componente din

sistem, modelele conexioniste au un potenial mare de paralelism.

Modul de memorare i procesare a datelor difereniaz reelele neuronale artificiale de

programele clasice, care urmeaz instruciunile ntr-o ordine secvenial predefinit, iar informaia

este memorat n zone bine definite. Datorit capacitii lor de a rezolva probleme complexe pe

baza unei mulimi consistente de exemple, sistemele conexioniste au un spectru larg de

aplicabilitate: de la sisteme de recunoatere de forme (caractere, semnturi, etc.) sau de semnale

sonore, pn la sisteme pentru controlul unor procese complexe, cum ar fi sistemele de auto-

reglare sau piloii automai.

33

Pentru a demonstra eficacitatea metodei propuse, schema de control a fost aplicat minii

robotice proiectat n mediu virtual cu ajutorul simulatorului dezvoltat n capitolul 3 att pentru

operaia simpl de nchidere a minii ct i pentru situaia n care mna robotic are de apucat un

obiect. Au fost prezentate forele de contact ce apar n momentul contactului cu obiectul.

Metoda propus poate fi implementat cu succes n timp real i poate fi folosit i pentru

alte categorii de sisteme robotizate cu aplicaii n diferite domenii, de la cel domestic pn la

aplicaiile militare sau de salvare i ajutorare.

34

5. Experimentri privind controlul minii robotice

5.1 Controlul cinematic al minii robotice Scopul principal n dezvoltarea roboilor l constituie minimizarea interveniei operatorului

uman n controlul acestuia n timpul realizrii sarcinilor pentru care a fost proiectat [143,144].

Acest aspect este subiect de cercetare intens n domeniul roboticii la nivel mondial i devine din

ce n ce mai uor de realizat avnd n vedere progresul tehnologic nregistrat n ultimii ani.

Controlul cinematic este folosit atunci cnd sistemul robotic trebuie s urmreasc o

traiectorie prestabilit ce definete poziie end-efectorului ca o funcie dependen de timp, fr a

ine cont de: perturbaiile exterioare, de efectele dinamice nemodelate, erorile iniiale sau cele

cauzate de perturbaii, parametrii necunoscui ai robotului.

Schema de control este o schem cu propagare nainte [145-147], n sensul c toate

comenzile se genereaz n blocul de planificare, lund n considerare feedback-ul provenit de la

senzori, i apoi sunt transmise ctre sistemul de acionare. Datele preluate de la senzori sunt

folosite pentru a ajusta semnalul