Studiu de caz I

Roboţii umanoizi

Avantaje :

-mobilitatea mai mare pe terenuri accidentate,

-facilitatea de a se deplasa în medii construite pentru oameni,

-punctul înalt al sistemului de vedere,

-posibilitatea utilizării picioarelor şi în alte scopuri decât pentru deplasare

-facilizarea utilizării membrelor anterioare pentru operaţii de manipulare.

Astfel roboţii umanoizi pot lovi o minge, pot acţiona pedalele unui vehicul, pot urmări podeaua,

utilizând picioarele, sau pot deschide uşi, pot manevra obiecte de pe rafturi, pot acţiona butoane şi

comutatoare cu mâna. În ceea ce priveşte viteza, mobilitatea, stabilitatea sau complexitatea, mersul cu

patru sau mai multe picioare este mult mai eficient.

Dezavantaje:

- centru de greutate înalt cu o suprafaţă mică de contact cu solul,

- echilibru mic (instabil) al corpului,

Ciclul de control pentru mişcările picioarelor unui robot biped :

pg. 10

Porneşte de la informaţiile primite de la senzori (senzorii interni măsoară poziţia şi orientarea

tuturor elementelor robotului, iar senzorii externi furnizează informaţii despre forma şi structura

mediului şi terenului înconjurător), care sunt utilizate de algoritmul de control pentru generarea noilor

tipare de mers, executate de actuatorii robotului.

Senzorii interni – giroscoape, senzori de acceleraţie etc. sunt suficient de rapizi pentru a

facilita, singuri, o bună stabilitate la mersul lent (static).

Informaţii suplimentare, legate de distribuţia eforturilor în picioare, pot fi furnizate de senzori

tactili şi de forţă, montaţi în tălpi.

Odată cu creşterea vitezei de deplasare şi utilizarea mersului dinamic, sunt necesari senzori

externi, în principal camere video, care să transmită date despre mediu şi sol.

Procesarea imaginilor şi complexitatea algoritmilor de control, impun timpi de calcul foarte

mari, care limitează vitezele de deplasare.

Specialiştii consideră că eficienţa senzorilor vizuali şi a procesării imaginilor va creşte

spectaculos în viitorul apropiat, întrucât constituie obiectul cercetărilor asidue în foarte multe domenii.

Actuatorii sunt elementele de acţionare care realizează mişcările în articulaţiile picioarelor.

Pot fi luate în considerare trei tipuri de actuatori:

1.-Motoare electrice:

Avantaje:sunt precise şi fiabile, asigură precizii şi rezoluţii mari, iar momentul motor şi viteza

pot fi determinate cu mare precizie.

Dezavantajele : momente şi viteze relativ mici, care limitează şi viteza robotului şi impun o

îmbunătăţire a performanţelor motoarelor electrice în viitor. Majoritatea roboţilor bipezi actuali,

inclusiv cei mai rapizi, se bazează în totalitate pe motoare electrice.

2.-Acţionări pneumatice şi hidraulice.

Acţionările pneumatice utilizează aerul comprimat ca agent motor şi asigură numai mişcări de

translaţie, care pot fi însă convertite uşor în mişcări de rotaţie ale articulaţiilor, datorită curselor limitate

ale acestora.

Avantaje:-timp de reacţie scurt, ideal pentru reflexe rapide ale robotului

Dezavantaje: au nevoie de un compresor greu şi zgomotos, cu tot sistemul de filtare şi

pg. 11

distribuţie a aerului comprimat şi au o precizie redusă, datorită compresibilităţii aerului

Acţionările hidraulice sunt similare cu cele pneumatice, dar utilizează ulei în locul aerului

comprimat.

Avantaje :sunt mai stabile, mai precise, mai puternice.

Dezavantaje: sunt mai lente.

3.- Muşchi artificiali. Sunt actuatori care simulează comportarea muşchilor naturali, cu

posibilitatea de a comuta între două stări de operare: relaxat şi contractat.

În consecinţă, pentru fiecare cuplă sunt necesari doi sau mai mulţi muşchi pentru realizarea

mişcării dorite.

Muşchii cu aer sunt accesibili în comerţ şi sunt constituiţi din tuburi de cauciuc, care se

contractă când se introduce aer comprimat. Sunt uşori şi dezvoltă forţe şi viteze mari, dar au precizii

scăzute, propietăţi elastice şi necesită aer comprimat.

Alte soluţii au la bază muşchi electrochimici, dar sunt încă în faza de cercetare:

-muşchii din compoziţii polimer ionic/metal sunt fâşii de polimer, care se contractă când

se aplică o tensiune electrică;

-muşchii din poliacrylonitril se contractă când se modifică valoarea PH-ului; muşchii

electro-activi funcţionează pe baza stimulării materialelor elastomerice electro-active etc.

MANIPULAREA ŞI PRINDEREA

- Un robot, umanoid sau de alt tip, trebuie să interacţioneaze cu mediul său înconjurător.

- În această interacţiune un rol important revine funcţiilor de manipulare, care servesc la

prinderea, transportul şi manipularea obiectelor.

- Nu toţi roboţii umanoizi au nevoie de braţe şi mâini sofisticate; mulţi se pot descurca cu sisteme

de prindere cu două bacuri, care se închid şi deschid, sau cu mâini cu 2-3 degete mai simple.

pg. 12

Mâna Utah/MIT

- este constituită din 3 degete cu câte 4 grade de mobilitate şi un deget mare, cu alte 4 grade de

mobilitate. Articulaţiile sunt acţionate cu ajutorul unor muşchi artificiali pneumatici, de mare viteză,

prin intermediul unor tendoane rezistente din polietilenă.

Pentru fiecare articulaţie se folosesc 2 muşchi şi 2 tendoane, rezultând un total de 32 de muşchi

şi 32 de tendoane.

Este unul din modele cele mai apropiate de mâna umană

Mâna lui Salisbury

-are 3 degete, cu câte 3 grade de mobilitate.

Primele două articulaţii ale fiecărui deget permit curse de câte 90°, în timp ce a treia articulaţie

asigură deplasări de ±135°.

Acţionarea articulaţiilor unui deget se face cu două motoare, prin intermediul unor cabluri de

oţel. Poziţiile şi vitezele din articulaţii sunt determinate cu ajutorul senzorilor incrementali montaţi pe

axele motoarelor.

pg. 13

Mâna Hitachi

-este constituită din 3 degete, cu câte 3 segmente, care permit mişcări MULTIPLE, asigurând 12

grade de mobilitate.

Acţionarea segmentelor se face cu 12 actuatori cu memorie a formei din aliaj de nichel-titan.

Aceşti actuatori îşi modifică forma când sunt parcurşi de curenţi electrici (încălziţi), iar deplasările

determinate de deformarea lor sunt transmise la segmente prin intermediul unor cabluri. Revenirea

segmentelor este asigurată de arcuri.

Studiu de caz II

Robot mobil universal pentru construcţii cu 7 grade de libertate

Prin prezentul studiu se propune realizarea unui robot mobil pentru construcţii. Cele 7 grade de

libertate îi permit acestuia sa realizeze operaţii complexe putând înlocui omul în activităţile de zidarie,

montaj şi finisaj exterior si interior în construcţii. Putând executa diferite operaţii în zona de lucru el

este universal.

Pentru a putea acoperi zonele mari de lucru specifice construcţiilor robotul trebuie să fie mobil

şi va fi utilizat pentru construcţii cu 1,2 etaje. El este gândit să se deplaseze în plan orizontal şi pe pante

mici acoperind o înaltime de lucru de 3,5 m, suficientă pentru operaţii la nivelul unui etaj. La nivelul

solului şi la lucrarile din interior de la parter şi etaje va lucra cu echipamentul standard. Pentru a lucra pg. 14

la etaj el va fi ridicat cu instalaţii de ridicat existente în santier. Pentru a executa lucrările de finisaj

exterioare el va fi dotat cu un echipament suplimentar, interschimbabil cu ajutorul căruia va acoperi

înălţimi de 10 m. Echipamentul este astfel conceput încât mecanismele de acţionare şi programele de

lucru să rămână aceleaşi dar miscările pe verticală să fie amplificate cu un coeficient K corespunzător

etajului. Acest lucru este posibil prin realizarea mecanismului de poziţionare al robotului sub forma

unui mecanism cu bare tip pantograf. Pentru echipamentul suplimentar se modifică doar construcţia

metalică (lungimile elementelor pentru mecanismul pantograf ).Sarcina utilă a robotului este de 60

daN.

În timpul deplasărilor necesare pentru executarea operaţiilor în zona de lucru robotul este

autonom. Având în vedere că realizarea de celule flexibile robotizate şi, în perspectivă, de linii flexibile

pentru construcţii este tendinţa actuală pe plan mondial, robotul a fost gândit ca piesă de bază a unei

celule flexibile în care alaturi de roboţi specializaţi (transport containere, dozat materiale fluide, montaj

uşi, ferestre, etc.) va construi case tip vilă.

Pentru această situaţie, în perspectivă, în vederea coordonării mişcărilor cu ceilalţi roboţi

mobili pentru perioadele când traiectoriile lor interfera (la schimbarea zonei de lucru, la aprovizionare)

va trebui prevazută si comanda lui prin radio de la un calculator central.

STUDIU SISTEM DE DIRECŢIE ŞI DEPLASARE

pg. 15

Vom denumi în continuare Sistem de direcţie, sistemul care realizează orientarea roţilor

platformei îin vederea realizării deplasării, iar Sistem de deplasare, sistemul de antrenare a roţilor

motoare. Datorită mediului în care va lucra robotul şi a faptului că va trebui să se mişte în

spaţiu limitat vom adopta soluţia deplasării prin translaţie pe fiecare ax din plan dar şi combinat pe cele

doua axe (translaţie oblică). În acest caz se impune un dispozitiv care să asigure virajul simultan al

celor patru roţi, cu un unghi cuprins între 0 şi 90 grade, pentru a realiza deplasarea pe o axă, combinat

sau pe cealaltă axă.

Pentru deplasarea robotului există două variante de soluţii:

1) Deplasarea pe roţi;

2) Deplasarea pe şenile;

Se va adopta modul de deplasare pe roţi, deoarece poate fi mai bine controlată poziţia în

timpul acţionării.

Din punct de vedere al automatizării, operaţia de direcţionare şi deplasare a robotului poate fi

realizată cu un număr minim de echipamente.

STUDIU SISTEM DE ORIENTARE DUPĂ VERTICALA LOCULUI

Vom denumi în continuare Sistem de orientare după verticala locului, sistemul care

realizează “orizontalizarea” platformei pe care se află instalat braţul robotului.

Roboţii utilizaţi în construcţii sunt în general amplasaţi pe structuri fixe, care nu necesită

operaţii de aducere la orizontală a platformei în timp real, acestea efectuându-se o singură data la

amplasarea pe poziţie a robotului.

Roboţii mobili sunt amplasaţi pe utilaje de transport, care după deplasarea în poziţia de lucru,

sunt stabilizate şi aduse la orizontală manual, prin intermediul unui sistem de cale similar cu cel de la

automacarale, verificarea poziţiei fiind facută cu ajutorul unei nivele cu apa amplasată pe echipament.

Având în vedere că robotul pe care dorim să-l realizăm este mobil şi poate lucra în încăperi

sau pe terenuri ce nu sunt orizontale, pentru a asigura verticalitatea pereţilor ce se doresc a fi construiţi,

pg. 16

este necesară o aducere la orizontală a platformei pe care este amplasat acesta ori de câte ori şi-a

schimbat poziţia de lucru. De asemeni este de dorit ca după fiecare deplasare si orizontalizare,

platforma robotului să fie situată în acelaşi plan orizontal.

Plecând de la aceste considerente se pot imagina mai multe variante de soluţii:

1. Platforma unică echipată cu dispozitive de rulare şi orizontalizare;

2. Două platforme, articulate între ele printr-un dispozitiv, situate una deasupra celeilalte,

prima având dispozitivele de rulare, iar cea de a doua (situată deasupra) având dispozitivele de

orizontalizare;

3. Doua platforme, articulate între ele printr-un dispozitiv, situate una deasupra celeilalte,

având dispozitivele de orizontalizare montate între platforme.

S-a ales varianta 1. In cazul acestei variante, pentru a putea realiza automat orizontalizarea

platformei. Sunt necesare mai multe echipamente:

- un sistem de determinare a verticaliţatii pe două axe dotat cu două traductoare de

poziţie unghiulară;

- un sistem de corecţie a orizontalităţii platformei pe două axe dotat cu patru elemente de

execuţie (hidraulice sau electrice) şi cu traductoare de forţă sau de curent;

Sistemul de corecţie a orizontalitaţii pe cele doua axe

Acest sistem poate fi constituit din patru dispozitive de aducere la orizontală denumite cale,

acţionate de grupuri motor-reductor pilotate de o placă de achiziţie şi comenzi sau de un automat

programabil, în funcţie de semnalele primite de la traductoarele de poziţie unghiulară.

Sistemul lucrează în sensul anulării abaterii unghiulare, pe fiecare axă, faţă de poziţia de

referinţă. Dispozitivele de aducere la orizontală pot fi realizate electric – suruburi antrenate de grupuri

motor-reductor de curent continuu sau alternativ.

În acest caz sistemul trebuie completat cu patru traductoare de curent care vor sesiza consumul

motoarelor în două cazuri:

a) Calele nu au atins solul (curent mic);

b) Calele au atins solul şi ridică platforma (curent mare);

pg. 17

In acest fel se poate face diferenţa la coborarea calelor pană la atingerea solului şi ridicarea

platformei în cadrul operaţiei de aducere la orizontală.

Din punct de vedere al automatizării, operaţia de aducere la orizontal a platformei robotului

poate fi realizată cu echipamente nu foarte pretenţioase, dar cu un efort destul de mare în ceea ce

priveşte software-ul, trebuind realizată o procedură destul de complicată care să aibă ca finalitate,

orizontalizarea platformei pe cele două axe.

Schema bloc a sistemului de aducere la orizontală a platformei, pe două axe, cu elemente de

execuţie electrice, este următoarea:

STUDIU SISTEM DE POZIŢIONARE

Vom denumi în continuare Sistem de poziţionare, sistemul care realizează poziţionarea

platformei, braţului şi antebraţului robotului în vederea realizării funcţiilor acestuia. Pentru aceasta sunt

necesare 3 grade de libertate: o rotaţie a platformei purtătoare a pilonului de rezistenţă, o translaţie pe

orizontală şi o translaţie pe verticală

pg. 18

Datorită mediului în care va lucra robotul şi a faptului că va trebui să se mişte în spaţiu limitat

vom adopta soluţia deplasării prin translaţie pe fiecare axă din planul vertical dar şi combinat pe cele

două axe (translaţie oblică). În acest caz se impune utilizarea unui dispozitiv de tip paralelogram care

să asigure miscarea braţului şi a antebraţului.

Din punct de vedere al automatizării, operaţia de direcţionare şi deplasare a braţului robotului

poate fi realizată cu un numar minim de echipamente.

Schema bloc a sistemului de direcţionare şi deplasare a braţului robotului, cu elemente de

execuţie electrice, este urmatoarea:

STUDIU SISTEM DE ORIENTARE

Vom denumi în continuare Sistem de orientare, sistemul care realizează orientarea

dispozitivului “port-grip” al robotului în vederea realizării funcţiilor acestuia. Pentru aceasta sunt

necesare 3 grade de libertate: o rotaţie a dispozitivului “port-grip” în plan vertical, o rotaţie a unei parţi

a dispozitivului “port-grip” în plan vertical şi o o rotaţie a dispozitivului “port-grip” în jurul axei

longitudinale.

pg. 19

Datorită mediului în care va lucra robotul şi a faptului că va trebui să se mişte în spaţiu limitat

vom adopta soluţia deplasării prin translaţie pe fiecare axă din planul vertical dar şi combinat pe cele

două axe (translaţie oblică). In acest caz se impune utilizarea unui dispozitiv de tip paralelogram care

să asigure miscarea dispozitivului “port-grip”.

Din punct de vedere al automatizării, operaţia de orientare a “port-gripului” robotului poate fi

realizată cu un numar minim de echipamente.

Schema bloc a sistemului de direcţionare şi deplasare a braţului robotului, cu elemente de

execuţie electrice, este urmatoarea:

STUDIU SISTEM DE MIŞCARE AL GRIP-ULUI

Vom denumi în continuare Sistem de mişcare al grip-ului, sistemul care realizează

apropierea sau depărtarea dispozitivului grip al robotului în vederea realizării funcţiilor acestuia.

Miscarile pe care le efectuează dispozitivul purtător al gripului au fost tratate la Sistemul de orientare.

Gripul va efectua o singură mişcare: strângere (apropiere) respectiv depărtare a celor două dispozitive

componente.

Datorită mediului în care va lucra robotul şi a faptului că va trebui să se mişte în spaţiu limitat

vom adopta soluţia deplasării prin translaţie pe o axă perpendiculară pe axa de simetrie a dispozitivului

port-grip. În acest caz se impune utilizarea unui dispozitiv culisant care să asigure miscarea grip-ului.

Pentru aceasta se pot imagina două variante de realizare:pg. 20

1) Dispozitivele gripului acţionate de un grup motor-reductor şi un şurub cu filet stânga-

dreapta;

2) Dispozitivele gripului acţionate de un grup motor-reductor şi un disc ce acţioneaza două

pârghii curbate;

O soluţie poate fi cea din figura urmatoare:

Figura. 1 Dispozitivele gripului acţionate de un grup motor-reductor

1 – Ax dispozitiv “port-grip”;

2 – Piesă culisantă cu bile;

3 – Grup motor-reductor, acţionare “grip”;

4 – Şurub cu filet stânga-dreapta;

5 – Rulment;

6 – Bile;

7 – Grip;

pg. 21

Se poate observa că rotirea şurubului cu filet stânga-dreapta se poate realiza cu ajutorul

grupului motor-reductor iar oprirea poate fi dictată de un traductor de forţă sau de un traductor de

curent.

Din punct de vedere al automatizării, operaţia de apropiere şi depărtare a gripului robotului

poate fi realizată cu un numar minim de echipamente.

Schema bloc a sistemului de mişcare a gripului robotului, cu elemente de execuţie electrice,

este urmatoarea:

PROIECTARE MODULE DE COMANDĂ

In cadrul acestei faze s-au realizat schemele de forţă, achiziţie, comenzi şi comunicaţie pentru

următoarele module:

- Modul Orizontalizare

- Modul Direcţie şi deplasare

- Modul Poziţionare

- Modul Orientare

- Modul Grip

pg. 22

De asemeni s-a realizat proiectarea dulapului de automatizare ce va fi amplasat pe structura

robotului, care va conţine, pe langa modulele enumerate mai sus şi echipamentul de comandă a mişcarii

pe axe.

REALIZARE MODULE DE ACHIZIŢIE DATE ŞI COMENZI ALE MIŞCĂRI

Realizare Modul achiziţie şi comenzi pentru Orizontalizare

S-a realizat o placă de achiziţie şi comenzi care poate fi reconfigurată în funcţie de aplicaţia ce

se doreşte a fi executată. Această placă are urmatoarele caracteristici:

- 2 intrări analogice 4-20mA;

- 4 intrări digitale echipate cu optocuploare bidirecţionale;

- 4 ieşiri digitale echipate cu relee;

Realizare Modul achiziţie pentru verificare execuţie funcţii

pg. 23

S-a realizat o placă de achiziţie şi comenzi care poate fi reconfigurată în funcţie de aplicaţia ce

se doreşte a fi executată. Această placă are următoarele caracteristici:

- 4 intrări digitale echipate cu optocuploare bidirecţionale;

- 4 ieşiri digitale echipate cu tranzistoare open colector;

Cu ajutorul acestor plăci, a unei aplicaţii software flexibile şi a unui PC, se poate verifica

execuţia corectă a funcţiilor pe care trebuie să le realizeze modelul experimental al robotului, testând în

laborator execuţia pe fiecare grad de libertate (axă).

Studiu de caz III

Proiectarea unui dispozitiv de cuplare / decuplare pentru roboţi mobili reconfigurabili

Robotica se ocupă cu studiul şi tehnologia roboţilor, permiţându-ne să proiectăm mecanisme

automate, capabile să înlocuiască omul în diverse munci. Responsabilă pentru dezvoltarea roboticii este

tehnologia informaţiei. Roboţii reconfigurabili se compun din mai multe module conectate care îşi pot

schimba structura – configuraţia pentru a răspunde cerinţelor impuse de operatorul uman sau mediul în

care operează robotul. Mecanismele de cuplare / decuplare constituie un subansamblu foarte important

în domeniul construcţiilor de roboţi reconfigurabili. Structura robotului este realizată pe calculator şi

pg. 24

simulată în vederea testării conectivităţii modulelor şi cazurilor de coliziune între acestea. În domeniul

electro-mecanic, cercetarea se limitează la descoperirea unor tehnologii noi (de exemplu roboţi care

folosesc câmpul magnetic, dispozitive micro-electro-mecanice -- roboţi de câţiva microni, mijloace

extreme de locomoţie - roboţi-păianjeni, roboţi extratereştri pentru gravitaţie redusă, etc).

NOŢIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND ROBOŢII RECONFIGURABILI

Definim un robot reconfigurabil ca fiind un robot compus din mai multe module conectate fizic

care îşi pot schimba structura – configuraţia pentru a suporta multiple funcţionalităţi. Reconfigurarea

robotului se poate realiza pe baza modulelor, care pot fi identice sau adesea toate identice, cu

funcţionare simplă cum ar fi conectarea cu cele vecine determinând o structură simplă. Poziţionarea

modulelor în diferite poziţii permit robotului să se configureze în forme arbitrare. Structura unui robot

reconfigurabil se poate alcătui din module identice caz în care numim structură omogenă (figura 2.a)

sau din module diferite numită structură eterogenă (figura 1.b).

a b

Figura 2. Tipuri de roboţi reconfigurabili

pg. 25

DESCRIEREA ANSAMBLULUI

În figura 3 este reprezentat mecanismul de cuplare – decuplare pentru modulul robotului

reconfigurabil, mecanismul de centrare-fixare format din următoarele părţi componente: 1. braţe de

fixare a ştiftului de poziţionare, 2. ştift de poziţionare, cu ajutorul căruia se realizează poziţionarea

celor două module robotice, 3. ax, pentru realizarea asamblării celor două braţe mobile, 4. arc elastic,

utilizat la decuplarea braţelor. La închiderea mecanismului de cuplare – decuplare, braţele sunt

acţionate cu ajutorulul unui fir. Firul este acţionat cu ajutorul unui electromagnet cu armătură de tip

plunjer.

Figura 3. Mecanism de cuplare – decuplare

Pe faţa înclinată a carcasei s-a realizat montarea unui electromagnet, cu ajutorulul căruia se

realizează mişcarea de rotaţie a unui modul robotic, unul faţă de celălalt.

Realizarea mişcării de rotaţie a celor două module robotice, de rotaţie unul faţă de celălalt, se

realizează cu ajutorul unui angrenaj de roţi dinţate conice, (Z1 – pinion, Z2 – roată condusă). Pinionul

(Z1) este antrenat de axul unui motor electric de curent continuu, cu următoarele caracteristici fizice şi

electrice, din figura 4.

pg. 26

Figura 4. Angrenaj roţi dintaţe conice

Figura 5. Motor tip RE 10 Ø 10 mm - Precious Metal Brushes

- greutate: 30 g

- putere: 0.75 W

- tensiune de alimentare: 3 V

- turaţie maximă: 14300 rot/min

Roata (Z2) transmite mişcarea la magnet printr-un element de legătură. Roata este susţinută prin

intermediul a trei elemente montate pe carcasă. Aceste trei elemente asigură poziţionarea corectă a roţi

pg. 27

dinţate (Z2) cât şi permiterea mişcării de rotaţie a acesteia. S-a notat în figura 6 : 1. roată dinţată conică;

2. element intermediar de transmitere a mişcării de rotaţie; 3. magnet

Figura 6. Subansamblu: magnet – roată dinţată conică

ELEMENTELE COMPONENTE ALE MODULULUI ROBOT

În figura 7 sunt prezentate principalele componente ale unui modul.

Figura 7. Modelare 3D a unui modul

pg. 28

1

2

3

4

56

7 8 9

12 11 10

1

2

3

Modul este alcătuit din două sub - module identice şi poziţionate simetric, unul faţă de celălalt.

Elementele componente ale unui submodul sunt următoarele: 1. element de prindere a elementelor de

poziţionare ale roţii; 2. electromagnet; 3. arc; 4. ştift; 5. element intermediar de la roata (Z2) la magnet

care asigură transmiterea mişcării de rotaţie; 6. braţe de cuplare – decuplare; 7. motor electric; 8.

support motor; 9. carcasă; 10. baterie; 11. pinion conic; 12. roată dinţată.

STRUCTURI RECONFIGURABILE

Figura 8. Reprezentare grafică a poziţionării modulelor reconfigurabile

pg. 29

Materiale utilizate la construcţia modului robotic

- carcasă – plastic

- braţe mobile – fibră de carbon

- electromagnet

- roţii dinţate conice – material plastic realizate prin injectare

- ştift – oţel

- suport fixare motor – plastic turnat

- suport fixare roată dinţată conică – plastic

- greutate ansamblu total 354 g

CONCLUZII

Roboţii de tip lanţ au inspiraţie biologică şi amintesc de şerpi, viermi sau insecte, modulele

fiind aşezate în serie, dar şi arborescent, dacă sunt necesare anumite ramuri. Deplasarea acestor roboţi

se obţine prin mişcarea coordonată centralizat a modulelor care realizează târâre, păşire sau chiar

rostogolire.

Atunci când e necesar, robotul se reconfigurează într-un robot păşitor ce se deplasează pe un

teren accidentat sau se transformă într-un robot de tip şarpe pentru mişcarea prin găuri mici. Robotul se

poate adapta luând avantajul unui teren neted precum şi desfăşurarea unui modul special conţinând roţi

pentru o locomoţie eficientă, rapidă.

Puterea este asigurată de către baterii din cadrul unor module dedicate ce sunt de asemenea

stocate în structura robotului. Deoarece sunt relativ grele, aceste module rămân aproape de baza

robotului în timpul reconfigurării.

pg. 30

Studiu de caz IV

Mecanisme pentru roboţi care se deplasează prin salt obţinute prin studii pe

subiecţi vii

Introducere

Aşa cum se ştie, prin biologie se înţelege ştiinţa vieţii (gr. bios - viaţă, logos - ştiinţă) .

Stabilirea şi elucidarea unor analogii între sistemele tehnice şi cele biologice a fost şi rămâne o

inepuizabilă sursă de inspiraţie în stimularea şi dezvoltarea creativităţii tehnice.

Una din cele mai tinere ştiinţe care s-au delimitat în ultimele decenii, este bionica. Noţiunea a

fost introdusă de americanul J.E.Steele în 1960 (provine din cuplarea noţiunilor de biologie şi

electronică), pentru a desemna cercetările de cibernetică orientate în special spre studiul simulării

mecanice a unor funcţii caracteristice organismelor.

Bionica a fost definită ca ştiinţa care studiază funcţiile organismelor vii şi simularea prin

mijloace tehnice a acestor funcţii. Printre obiectivele cercetării bionice actuale, o atenţie special este

acordată:

- studiului sistemului nervos conceput ca reţea hipercomplexă de senzori;

- studiului organelor senzoriale;

- studiului organelor efectoare.

Studiul organelor efectoare şi al proceselor de transmitere a comenzilor către organele efectoare

reprezintă o parte esenţială a bionicii.

Soluţiile existente în natura vie în acest domeniu sunt extrem de diverse şi ingenioase.

Studiul şi imitarea lor este de o inestimabilă utilitate în circumstanţe nenumărate. Ca

exemple tipice pot fi citate cele ale construcţiei manipulatoarelor automate şi ale pedipulatoarelor

automate.

Aşa cum se ştie, mecanismul este un sistem mecanic în care corpurile material rezistente

componente, între care există legături mobile, îşi pot schimba sub acţiunea forţelor poziţia relativă, în

mod determinat, pentru îndeplinirea unor funcţii necesare (transmiterea puterii mecanice, a forţelor, a

mişcărilor, ghidarea corpurilor etc.).

Biomecanismul este acel sistem mecanic întâlnit în organismele vii, care are caracteristici

comune cu mecanismul definit anterior.

pg. 31

Mecanismul bionic reprezintă acele mecanisme care modelează structura şi funcţiile

biomecanismelor. Acesta se mai poate defini ca fiind mecanism echivalent biomecanismului.

Biomecanismul este mecanismul existent în biosisteme.

Mecanismul bionic este mecanismul care modelează structura şi funcţiile biomecanismului.

Devin astfel, interesante, biomecanismele care realizează performanţe deosebite. Între acestea,

biomecanismele care realizează locomoţia prin salt se caracterizează prin:

- deplasarea rapidă;

- consum energetic minim;

- echilibrare dinamică;

- prezintă componente care realizează recul elastic.

Locomoţia prin salt a început să fie studiată relativ recent. Părintele deplasării prin salt,M. H.

Raibert, a înfiinţat MIT Leg Laboratory în 1980 pe care l-a condus până în 1995. În 1980 Marc

Raibert era cadru diadctic asociat şi preda metode computaţionale la Institutul de Robotică, după care a

devenit profesor de inginerie electrică şi de ştiinţe informaţionale devenind membru al Artificial

Intelligence Laboratory. În 1995 Raibert a devenit preşedintele companiei private

Boston Dynamics Inc.

În perioada 1980-2000 MIT Leg Laboratory a proiectat şi a realizat aproximativ 20 de

roboţi, majoritatea obţinuţi pe baza studiilor realizate pe subiecţi din regnul animal (dinozaur,

flamingo, curcan, capră, cal, cangur etc.)

Analiza mişcarii de salt a broaştei-de lac

Pentru identificarea funcţiilor cinematice ale biomecanismului aferent locomoţiei prin salt

la broască a fost necesară filmarea în condiţii de laborator a subiectului viu. S-au folosit două

exemplare de broască-de-lac mare (Rana ridibunda ridibunda) dintre care unul de masă 10,7 g,

iar celălalt de masă 25 g.

Filmarea s-a realizat în două etape:

1. În condiţii de studio cu două camere mobile de tipul PANASONIC M40 şi SONY 8 mm.

2. În condiţii de studio cu două camere fixe de tipul JVC cu 20 cadre/sec.

Subiecţii au fost introduşi într-o cutie de sticlă la care s-au ataşat repere fixe trasate pe hârtie

milimetrică pe două feţe ale acesteia. S-au realizat filmări paralel cu planul YOZ, XOY şi XOZ

pg. 32

care au pus în evidenţă parametrii cinematici necesari pentru identificarea mişcării spaţiale.

Figura 9: Schema de filmare la care o cameră a fost amplasată perpendicular pe planul YOZ, iar

cealaltă perpendicular pe planul XOY.

Filmările s-au realizat cu camere fixe fixate pe trepied sau cu camere mobile cu operator

uman, analiza mişcării studiindu-se faţă de reperul fix XYZ sau faţă de un alt reper fix paralel cu

acesta. Filmarea s-a realizat în timp real cu 20 de cadre pe secundă, fără contorizarea timpului pe

videocameră, baza de timp luându-se în considerare pe filmele digitale obţinute. Utilizând un

videocasetofon PANASONIC NV-P2U (videoplayer cu înregistrare) şi un calculator cu procesor

Pentium II dotat cu o placă de captură video 3DEMON iar cu programul Adobe Premiere 4.2. s-a

transformat semnalul video în fişiere TIFF Bitmap (20 de fişiere pentru fiecare secundă de film)

la rezoluţia 320x420 dpi. Programul Adobe Premiere 4.2. este un program de captură de imagine

care pe lângă posibilitatea transformării semnalului video în film digital permite selectarea

secvenţelor şi montarea acestora, având toate instrumentele necesare unui laborator de montaj.

Pentru filmele realizate (care s-au obţinut cu camere care filmează cu 20 de cadre pe secundă) s-

au obţinut secvenţe TIFF pentru fragmentele selectate care cuprind salturile interesante. Trebuie

remarcat faptul că, din materialul vast filmat numai o parte foarte mică devine material real

pentru analiza saltului, deoarece:

- condiţiilor de studio sunt complet diferite de ecosistemul animalelor studiate;

- există timpi de pregătire şi de aşteptare;

- subiecţii obosesc relativ repede (după 4-5 salturi);

- subiecţii analizaţi sunt activi noaptea şi mai puţin în timpul zilei;

pg. 33

- deseori, subiecţii lovesc pereţii în timpul saltului datorită reflexiei de oglindă a sticlei(animalul

consideră că este prezent un alt exemplar în apropiere).

Materialul selectat şi transformat în imagini TIFF este supus operaţiei de contorizare prin

introducerea bazei de timp; prin filmare cu 20 de cadre pe secundă se poate considera că se obţine o

imagine la fiecare 0,05 secunde. De asemenea, se trasează sistemul global fix la care se va raporta

mişcarea de salt.

Se constată că se pot obţine soluţii relativ precise pentru poziţiile punctelor caracteristice

biomecanismului broaştei-de-lac, chiar dacă se face analiza unor imagini laterale (prin filmarea

planului XOZ) utilizând aceste unelte auxiliare suprapuse peste imaginea brută obţinută prin

prelucrarea cu Adobe Premiere, urmată de prelucrarea cu CorelDraw. Astfel, se poate extrage

coordonata Y pentru punctele aflate în centrul articulaţiilor prin trasarea auxiliară a proiectantelor pe

planul XOY. Pentru sistematizarea datelor s-a considerat că este necesară schematizarea structurii

biomecanice a subiectului studiat, precum şi notarea articulaţiilor principale care participă la locomoţia

prin salt. Astfel, s-a obţinut schema din figura 10 care s-a creat printr-o serie de simplificări evidente.

Fig. 10. O schemă a biomecanismului broaştei-de-lac creată pentru sistematizarea datelor.

Pentru determinarea poziţiilor punctelor caracteristice ale biomecanismului s-a analizat o

secvenţă de film formată din nouă imagini prezentate în figura 11.

pg. 34

Fig.11. Nouă imagini ale unui ciclu de salt.

Cu instrumentele expuse anterior şi prin citirea directă a coordonatelor pe imagini s-au obţinut

rezultate de tipul celor prezentate în tabelul 1:

Tabelul 1-Datele măsurate ale punctului A

Punctul A t=0s t=0.05s t=0.1s t=0.15s t=0.2s t=0.25s t=0.3s t=0.35s t=0.4s

X(mm) 70 70 7o 70 92 160 160 160 160

Y(mm) 65 65 65 65 56 67 67 66 65

Z(mm) 0 0 0 0 9 0 0 0 0

Curbele pe care se deplasează punctele caracteristice ale biomecanismului pot fi vizualizate prin

intermediul funcţiei 3DPOLY din programul AUTOCAD. În acelaşi program se poate obţine o

interpolare grafică de tip spline-spaţial utilizând comanda PEDIT. figura 12 se

prezintă variaţia obţinută prin încărcarea directă a datelor (cu albastru) şi curba realizată prin

interpolare spline (roşu).

Fig.12. Variaţia punctului A în funcţie de timp.

pg. 35

Pe baza datelor măsurate s-a încercat interpolarea rezultatelor cu funcţii polinomiale de

gradul 8 de tipul:

F(t)=a t8+ b t7+ c t6+ d t5+ e t4+ f t3+ g t2+ h t+l (1)

Pentru aceasta s-a utilizat programul Mathematica 2.2. În acest program s-a format un sistem de

9 ecuaţii cu 9 necunoscute pe baza datelor prezentate în tabelele 1-15 care este rezolvat cu funcţia

NAlgebraicRules.

Pentru determinarea unor mecanisme echivalente care să permită deplasarea prin salt este

foarte important studiul scheletului şi a mobilităţilor acestuia.

Corpul vertebrelor este individualizat, fiind amficelic la urodele inferioare. În lungul coloanei

vertebrale se disting patru regiuni: cervicală, dorso-lombară, sacrală şi codală. În regiunea gâtului se

găseşte o singură vertebră care nu corespunde cu atlasul amniotelor. Regiunea toraco-lombară are

vertebre prevăzute cu apofize transversale la care s-au sudat rudimentele coastei. Acestea nu se unesc

într-un stern adevărat. Vertebra unică care alcătuieşte regiunea sacrală are apofize transverse foarte

dezvoltate, servind la articularea cu centura pelviană (fig.13.).

Fig.13. Scheletul la broască, vedere generală.

În urma studiilor prezentate anterior s-au obţinut lanţuri cinematice echivalente pentru

fiecare component al scheletului, ţinând seama şi de elasticităţile importante. Aceste componente

ale viitorului mecanism echivalent sunt prezentate în figura 14.

pg. 36

Fig.14. Paralelism între elementele biomecanismului şi lanţurile cinematice echivalente.

Prin asamblarea lanţurilor echivalente biomecanismului se obţine mecanismul echivalent al

broaştei-de-lac compus din 99 elemente.

Fig.15. Mecanismul echivalent al broaştei-de-lac compus din 99 elemente.

3. Concluzii

În urma studiilor realizate, rezultă următoarele aspecte semnificative: Locomoţia prin salt

caracteristică broaştei este asemănătoare deplasării iepurelui, asemănarea pornind de la configuraţia

membrelor. Spre deosebire de iepure, locomoţia prin salt, la broască, nu este realizată prin repetarea

pg. 37

saltului, deplasarea fiind ocazională. De asemenea, s-a observat pe durata experimentelor că indivizii

studiaţi nu pot executa mai mult de 4-5 salturi în decurs de 10 minute. Prin studierea salturilor s-a

constatat că există cel puţin patru faze pentru un ciclu complet de salt. Aceste faze de salt sunt:

a. Staţionarea. În această fază picioarele posterioare sunt pliate sub corp şi sunt aşezate pe sol.

Membrele anterioare se sprijină de asemenea pe sol, asigurând corpului o uşoară înclinare faţă de

planul orizontal. Animalul se află în aşteptare, faza având un consum energetic minim.

b. Extensia. La apariţia unui stimul extern, subiectul trece în faza de extensie care are ca durată

de desfăşurare de maxim 0,2 secunde. În această fază articulaţiile membrelor inferioare se destind, iar

prin aceasta corpul capătă o înclinare de maxim 40-45faţă de planul orizontal.

Vitezele din articulaţii capătă valori cuprinse între 0,2 şi 4 m/s, iar acceleraţiile între 6 şi 100

m/s2. Centrul de masă al subiectului se deplasează spre înainte cu o viteză de maxim 2m/s şi cu o

acceleraţie cuprinsă între 4 şi 50m/s2. La sfârşitul acestei faze corpul este complet extins viteza

atingând valori de aproximativ 2m/s, iar acceleraţia de aproximativ 50m/s2 .

c. Decolarea şi zborul Decolarea apare la sfârşitul fazei de extensie şi are ca date iniţiale viteza

şi acceleraţia de la finalul fazei anterioare. Corpul este înclinat cu aproximativ 40-450 şi se poate

considera că subiectul este aruncat oblic faţă de planul orizontal. Spre sfârşitul fazei picioarele

posterioare se retrag, aterizarea realizându-se pe membrele din faţă. Durata acestei faze este de 0,05

secunde vitezele atingând valori de maxim 2m/s şi acceleraţii de maxim 50m/s2 .

d. Aterizarea şi amortizarea. Aterizarea se realizează pe picioarele anterioare, în primă fază,

iar în momentul imediat următor intervin şi membrele posterioare care ating solul. Urmează un moment

în care picioarele posterioare se strâng sub corp şi subiectul intră în faza de aşteptare.

Durata acestei faze reprezintă aproximativ 0,2 secunde, deci jumătate din totalul unui ciclu de

salt. Vitezele sunt cuprinse între 5 şi 8m/s, iar acceleraţiile între -15 şi -100 m/s2. Interesantă este

poziţia picioarelor posterioare, care datorită anatomiei scheletului (articulaţia şoldului - oasele femur,

ischium şi ilium) permit doar rotiri ale femurului într-un plan înclinat la aproximativ 30-40 0faţă de

planul longitudinal al coloanei vertebrale. Astfel, mişcarea picioarelor posterioare este limitată, pe

parcursul tuturor fazelor saltului, la rotirea în aceste plane.

pg. 38

Studiu de caz V

Roboţi mobili utilizaţi pentru manipularea

şi neutralizarea muniţiei ne-explodate

În acest studiu se prezintă structura mecanică a roboţilor mobili tip RM-RRT şi RM-RRR,

evidenţiindu-se sistemul de locomoţie şi robotul propriu zis cu cele trei subsisteme mecanismul

generator de traiectorie, mecanismul de orientare şi mecanismul de prehensiune, folosit ca mechanism

efector de lucru. Se consideră sistemul de locomoţie cu şenile, deoarece majoritatea muniţiei

neexplodate se descoperă în teren accidentat, iar roboţii mobili sunt destinaţi să execute cercetarea

terenului, detectarea şi manipularea muniţiei. Diferitele variante constructive al mecanismului de

apucare (folosit ca mecanism de lucru) au în vedere destinaţia acestora, vizând detecţia dispozitivelor

explozive capcană, manipularea bombelor şi neutralizarea acestora.

Orientarea robotului mobil în zona de intervenţie se face cu ajutorul camerelor de luat vederi,

poziţionată în raport cu şasiul robotului considerat fix. Pentru mărirea preciziei de localizare a muniţiei

ne-explodate se folosesc două camere de luat vederi, prin intermediul unor traductori de rotaţie şi a

unui sistem de colimatoare. Se aduc contribuţii în sinteza funcţiilor de comandă ale robotului mobil tip

RM-RRR, prin corelarea mişcării punctului caracteristic cu sistemul colimator.

Aspecte generale

Dintre roboţii mobili, cei care se deplasează pe şenile sau roţi cu pneuri sunt folosiţi tot mai

mult pentru executarea unor lucrări speciale , cu grad mare de pericol pentru operatorul uman, dintre

care se menţionează: manipularea şi neutralizarea muniţiilor neexplodate; executarea unor culoare prin

câmpurile de mine; cercetarea autovehiculelor, trenurilor, aeronavelor şi a clădirilor, urmată de

neutralizarea dispozitivelor explozive descoperite în aceste vehicule.

În vederea executării unor astfel de operaţii, roboţii mobili sunt echipaţi cu dispozitive speciale

ca: aruncător de flăcări, detectoare de explozivi, cleşti etc. Braţul acestor roboţi mobili este un

pg. 39

manipulator spaţial de tip RRT sau RRR, cu trei grade de mobilitate (libertate), utilizat ca mecanism de

poziţionare şi generator de traiectorie .

Roboţii mobili sunt comandaţi de la distanţă (prin unde radio sau prin cablu), sistemele de

acţionare ale braţului manipulator fiind de tip electro-hidraulic sau electric, cu motoare hidraulice

liniare sau motoare electrice rotative.

La realizarea sistemelor de locomoţie ale roboţilor mobili trebuie să se aibă în atenţie

îndeplinirea unor activităţi complexe cum ar fi: abordarea scărilor, escaladarea diferitelor obstacole,

deplasarea în terenuri accidentate etc.

În astfel de situaţii, siguranţa în funcţionarea robotului mobil depinde în principal de stabilitatea

acestuia (pentru evitarea răsturnării sub greutatea proprie sau a sarcinii purtate) şi de aderenţa la terenul

pe care se deplasează (pentru evitarea patinării chiar în condiţiile unui sol cu caracteristici

nefavorabile).

Gabaritul redus (atât longitudinal cât şi transversal), ca şi greutatea proprie redusă, reprezintă

condiţii extrem de severe impuse roboţilor mobili; aceştia trebuie să pătrundă în clădiri şi locuri mai

puţin accesibile, să se deplaseze pe culoare sau în pasaje proiectate iniţial numai pentru accesul

operatorului uman.

Ţările puternic industrializate au în dotarea forţelor armate roboţi mobili înzestraţi cu

echipamente de lucru, care permit efectuarea operaţiilor de detecţie, manipulare şi neutralizare a

muniţiilor ne-explodate şi a dispozitivelor explozive capcană. Montate la capătul ultimului braţ al

manipulatorului – robot, aceste echipamente de lucru pot fi: detector de metale sau explozivi la

adâncime, dispozitiv de prehensiune tip cleşte, instalaţie de control prin radiografiere, disruptoare de

diferite categorii.

În domeniul protecţiei civile, roboţii mobili sunt folosiţi pentru a interveni în locuri agglomerate

(aeroporturi, gări, pieţe etc.) pentru a detecta şi neutraliza unele dispozitive explozive capcană (colete,

genţi diplomat etc.). Aceste colete sunt transportate de către robotul mobil în zone mai puţin

periculoase pentru cei din jur, unde sunt neutralizate cu mijloace specifice. Din analiza principalelor

caracteristici tehnice ale roboţilor mobili, realizaţi de firme cu renume şi utilizaţi la detecţia şi

neutralizarea muniţiilor şi dispozitivelor explozive capcană ne-explodate, se desprind următoarele:

• Roboţii mobili cu sistem de locomoţie cu şenile sunt realizaţi într-o gamă foarte variată de

dimensiuni şi greutăţi, având diferite grade de mobilitate, în funcţie de complexitatea operaţiilor pe care

trebuie să le efectueze, cu diferite viteze de deplasare.

pg. 40

• Roboţii mobili cu sistem de locomoţie cu roţi pneu au dimensiuni de gabarit şi greutate mai

mari, însă au viteza de deplasare superioară faţă de roboţii mobili cu şenile.

• Roboţii mobili cu sistem de locomoţie cu picioare au dimensiuni de gabarit şi greutate mai

mari, viteze de deplasare mai mici, îndeplinind mai puţine operaţii decât roboţii din primele două

categorii.

• Autonomia roboţilor mobili este strict legată de tipul bateriilor de acumulatoare care sunt

folosite la alimentarea motoarelor, în cazul celor mai bune baterii această autonomie ajungând la 9 ore.

• Lungimea cablurilor de alimentare cu current electric este de maxim 250 m, iar raza de acţiune

prin radio este în majoritatea cazurilor de 300 m.

Structura roboţilor mobili

Structura roboţilor mobili (RM) corespunde arhitecturii generale a roboţilor, având două părţi:

• Structura mecanică, respectiv manipulatorul, care determină performanţele tehnice;

• Structura electronică, respectiv de comandă-control, care condiţionează calitatea performanţelor.

Indiferent de generaţia robotului, probleme complexe apar la realizarea structurii mecanice de

volum, greutate şi cost reduse, la transmiterea mişcării şi adaptarea la structura mecanică a motoarelor

electrice şi hidraulice, la proiectarea mâinilor mecanice pentru a apuca obiecte de diferite forme.

Referitor la structura electronică, posibilităţile actuale permit folosirea a câte unui

microprocesor pentru comanda fiecărui grad de mobilitate, precum şi a altor microprocesoare

specializate pentru tratarea semnalului senzorial.

Robotul mobil inter-acţionează cu mediul înconjurător prin structura sa mecanică, asigurând

astfel deplasarea, poziţionarea şi orientarea organului de execuţie.

Structura mecanică a roboţilor mobili este formată din:

• sistemul de locomoţie (pe şenile sau roţi), prin care se asigură deplasarea robotului pe o suprafaţă de

lucru (în cadrul unei autonomii sporite);

• sistemul de manipulare, care asigură poziţionarea şi orientarea organului de lucru.

Sistemul de locomoţie cu şenile

pg. 41

În general, sistemul de deplasare cu şenile (fig. 16) are în componenţă:

• o roată motoare I;

• o roată de întindere II;

• două sau mai multe roţi purtătoare III;

• una sau două roţi de susţinere IV a şenilei V;

• şenila V, realizată ca un lanţ articulat plan.

Fig. 16. Sistem de locomoţie cu şenilă

Roata motoare I este o roată dinţată conducătoare care angrenează cu lanţul articulat ce

formează şenila V. Roata dinţată II asigură ghidarea şi întinderea şenilei. Roţile purtătoare III

realizează punctele de sprijin şi de rulare ale robotului mobil; aceste puncte se obţin pe ramura

inferioară a lanţului şenilei care ce formează ramura întinsă care vine în contact cu suprafaţa terenului.

Numărul roţilor purtătoare este funcţie de greutatea robotului şi de sarcina pe care acesta o

ridică sau o transportă. Roţile de susţinere IV formează puncte de susţinere a ramurii superioare a

şenilei, care este ramura slăbită, liberă a şenilei.

Şenila V este compusă din mai multe eclise de cauciuc, cu armătură metalică, montate articulat

cu bolţuri pentru realizarea lungimii totale necesare. Pentru a obţine aderenţa la sol, şenila este

prevăzută la partea exterioară cu proeminenţe în X, iar pe partea interioară sunt prezenţi dinţi pentru

angrenarea cu roata motoare.

Indiferent de construcţie, şenila formează o cale de rulare fără sfârşit, prin care se obţine

propulsia robotului, se asigură aderenţa acestuia cu solul şi se obţine o presiune specifică pe sol mult

mai mică decât în cazul altor soluţii.

Acţionarea roţii motoare se face cu un motor electric de curent continuu, alimentat de la baterii

de acumulatoare sau de la un grup electrogen cu putere corespunzătoare. Reductorul folosit este de tip

pg. 42

armonic (cu deformator şi roată dinţată elastică) şi este prevăzut cu cuplaj ireversibil, prin care se

asigură frânarea vehiculului robot la opririle în pantă.

Sistemul de locomoţie cu şenile permite deplasarea robotului înainte şi-napoi, efectuarea

virajelor la stânga şi dreapta, precum şi o rotaţie în plan orizontal. De asemenea, şenila permite

robotului mobil să urce şi să coboare pe scări cu pante până la 450.

Sistemul de locomoţie cu roţi

Acest sistem de locomoţie cu roţi, prevăzute cu pneu, permite viteze de deplasare mai mari

decât cel cu şenile.

Roboţii cu astfel de sistem de locomoţie acţionează de regulă în zone cu teren asfaltat sau

pietruit, având posibilităţi de trecere peste obstacole mai mici decât în cazul celor cu şenile.

În funcţie de greutatea robotului şi sarcina de manipulat, acest sistem de locomoţie pe roţi poate fi

prevăzut cu 3 roţi, 4 roţi sau 6 roţi (fig.17), acţionarea fiecărei roţi fiind de regulă individuală.

Fig. 17. Sistem de locomoţie cu 2x3=6 roţi

În general roţile din mijloc II sunt articulate la o osie fixată de şasiul 2, iar roţile extreme I şi III

sunt articulate la braţele 1 respectiv 3 care pot oscila, în plan vertical, în raport cu şasiul 2.

Acţionarea fiecărei roţi motoare se face independent, cu ajutorul motoarelor electrice de curent

continuu, folosindu-se reductoare armonice, alimentarea făcânduse de la baterii de acumulatoare sau de

la grupuri electrogene adecvate. Sistemul de locomoţie cu roţi permite deplasarea robotului înainte şi-

napoi, efectuarea virajelor la stânga şi la dreapta, precum a unei rotaţii în plan orizontal.

pg. 43

De menţionat că raza de virare în cazul sistemului de locomoţie cu roţi este mai mare decât la

sistemul cu şenile. Raza de virare se poate modifica de la valoare minimă la o valoare maximă .

Schemele cinematice ale robotilor mobile

Se analizează două variante de roboţi mobili , având structuri mecanice diferite, atât pentru

deplasarea în teren, cât şi pentru manipularea obiectelor specifice.

Prima variantă este a unui robot mobil pe şenile (fig.18), asistat de un manipulator plan tip RRT [3], cu

acţionare electro–hidraulică; acesta este utilizat pentru manipularea şi neutralizarea muniţiilor ne-

explodate.

Manipulatorul-robot este montat pe şasiul cu şenile şi realizează faţă de acesta mişcări plan-

paralele în plan vertical. Rotaţia de pivotare în plan orizontal se obţine cu ajutorul sistemului de virare

al şasiului pe şenile. Fiecare şenilă este acţionată de un motor electric de curent continuu cu rotor disc,

prin intermediul unui reductor armonic.

Rotirea vehiculului-robot în ambele sensuri, fără nici o deplasare liniară, se obţine prin rotaţia

inversă a motoarelor electrice de acţionare a celor două şenile din stânga şi dreapta.

Fig. 18. Roboti mobili pe şenile

A doua variantă de robot mobil este cea cu şasiu pe roţi cu pneuri (fig. 19).

pg. 44

Fig. 19. Robot mobil pe 6 roţi cu pneu

Montat pe şasiul cu 6 roţi, manipulatorul trimobil este plan de tip RRT, cele două braţe

articulate fiind acţionate prin actuatori, iar tija este telescopată printr-un sistem cu şurub cu bile.

Mecanismul de orientare este reprezentat de o bară, care permite o singură mişcare de rotaţie în plan

vertical.

Mişcarea robotului în terenul cu obstacole

Robotul mobil se deplasează în terenul minat, prin ghidarea sa în fiecare moment, fiind

comandat de la distanţă pentru a ocoli obstacolele apărute în cale. Îndată ce robotul mobil a ajuns în

apropierea unui obiect suspect, acesta este examinat cu ajutorul unei camere de luat vederi. După

această primă examinare se comandă activarea manipulatorului - robot, în scopul de a apropia end-

efectorul care este dotat cu un dispozitiv de neutralizare.

În cazul acestor intervenţii, obstacolele întâlnite reprezintă constrângeri pentru deplasarea

vehiculului robot şi anumite delimitări ale traseului punctului caracteristic al manipulatorului-robot,

care este montat pe şasiul autovehiculului respectiv.

Mişcarea end – efectorului se consideră ca o secvenţă de poziţii în spaţiul 3D, pe care trebuie să

le realizeze manipulatorul-robot, dar şi ca o curbă spaţială 3D pe care o străbate.

Traseul care trebuie parcurs este modelat printr-o curbă spaţială, în lungul căreia se mişcă punctul

characteristic şi end – efectorul, de la starea iniţială (poziţie şi orientare) până la starea finală.

În general schema traiectoriilor planificate aproximează traseul dorit printr-o clasă de funcţii

polinomiale şi generează o secvenţă de control a setului de puncte, în vederea comenzii transmise

manipulatorului-robot, de la starea iniţială la cea de destinaţie finală.

Punctele de capăt ale traseului pot fi date fie în coordonate robot (specifice cuplelor lanţului cinematic)

fie în coordonate carteziene, determinate cu ajutorul cinematicii inverse .

pg. 45

Uzual , aceste puncte de capăt sunt exprimate în coordonate carteziene, deoarece cu ajutorul

acestora se pot urmări mai uşor configuraţiile corecte ale endefectorului. De cele mai multe ori, între

cele două puncte de capăt date există mai multe traiectorii posibil de realizat.

Dacă situaţia permite, se impune condiţia ca punctual caracteristic al manipulatorului să se

mişte pe un traseu rectiliniar, în lungul unei linii drepte care leagă punctele de capăt . Dar se mai poate

alege şi deplasarea punctului caracteristic de-a lungul unei traiectori netede, modelate prin polinoame

care satisfac restricţiile de poziţie şi orientare în ambele puncte de capăt .

Se începe cu sinteza traiectoriilor simple care satisfac constrângerile traseului, incluzând

condiţiile dinamice ale robotului mobil. În cazul traiectoriei plane se acceptă, la intrarea pe traiectorie,

variabile care corespund unor constrângeri ale traseului. La capătul traseului, la ieşire, se consider o

secvenţă a configuraţiei braţului robotului, prin poziţie şi orientare, viteză şi acceleraţie, în funcţie de

timp, exprimate fiecare în coordonate robot sau carteziene, de la starea iniţială până la starea finală.

Pentru studiul traiectoriei plane, parcurse de punctul caracteristic al braţului robot, se folosesc

frecvent două metode, care vizează explicitarea prin puncte nodale respectiv prin funcţii analitice.

Prima metodă de abordare necesită utilizarea unei explicitări specifice pentru un set de constrângeri (de

continuitate şi planeitate) ale poziţiei, vitezei şi acceleraţiei end-efectorului, în coordonate generalizate,

ca stări selectate în lungul traseului (ca puncte de interpolare).

Astfel, traiectoria plană este realizată ca o traiectorie parametrizată, pentru o clasă de funcţii

polinomiale de gradul n care satisfac, într-un anumit interval de timp, condiţiile din punctele de

aproximare.

A doua metodă de abordare foloseşte explicitarea printro funcţie analitică, potrivit specificului

traseului pe care end-efectorul trebuie să-l străbată. Pe porţiuni, traseul se asimilează cu o linie dreaptă,

folosindu-se coordonatele carteziene, astfel că traiectoria plană aproximează traseul dorit.

În cazul primului procedeu, specificarea constrângerii precum şi planificarea traiectoriei end-

efectorului sunt realizate în coordonate robot. Deoarece nu se impun constrângeri de la braţul

manipulatorului, este dificilă folosirea urmei traseului parcurs de end-efector. În această situaţie, braţul

robotului poate să lovească obstacolele întâlnite, fără o avertizare anterioară.

În cazul celui de al doilea procedeu, constrângerile traseului sunt specificate în coordonate

carteziene, iar actuatorii, plasaţi în cuplele cinematice ale braţelor manipulatorului, sunt comandaţi în

coordonate robot.

pg. 46

Deci, pentru a stabili o traiectorie, care aproximează îndeaproape traseul dorit, constrângerile

carteziene ale traseului se pot converti în constrângeri, la nivelul cuplelor cinematice, cu anumite

aproximaţii funcţionale; după care se determină o traiectorie parametrizată care satisface contrângerile

din cuple ale traseului.

Ambele metode, folosite pentru planificarea traiectoriei, trebuie să determine traiectorii simple,

adică traiectorii eficiente, netede şi precise, cu timp de calcul apropiat de cel real, pentru a genera

secvenţe de control a setului de puncte de-a lungul traseului dorit pentru end-efectorul manipulatorului-

robot.

Sistem integrat telecomandat pentru deminare

SITD a fost realizat ca model experimental , lucrând în timp real. Are o structură erarhizată pe

trei nivele, fiind destinat detectării şi distrugerii minelor fără focus magnetic, cu 8 grame de metal

monobloc, mine care sunt plasate la adincimea de cel mult 10 cm. SITD este compus din trei unităţi

(fig. 20) care sunt interconectate prin intermediul unui soft corespunzător:

• sistemul de detecţie (SD) aeropurtat, plasat la bordul unui minielicopter electric detecţie (MED);

• vehiculul-robot de deminare (VRD);

• centrul de comandă mobil (CCM).

Fig. 20. Componentele structurale ale SITD

pg. 47

Premergător declanşării operaţiunilor de deminare, în CCM sunt îmbarcate cele 2 vehicule

(MED, VRD) şi transportate în zona de lucru. În timpul operaţiunilor de deminare, cele 2 vehicule sunt

debarcate şi evoluează în faţa CCM la distanţele de 250m şi 1000m.

Din cele trei componente structurale ale SITD (fig. 5), numai CCM are la bord operatori umani.

Fiind realizat ca un sistem modular, SITD permite configurarea sa în conformitate cu specificul

misiunii, cu ajutorul sistemelor de testare specializate.

Principalele caracteristici tehnico-tactice ale SITD sunt:

• lăţimea culoarului de deminare: max 10 m;

• distanţa de acţiune a vehiculului de deminare: 2 m;

• modul de distrugere a minelor detectate: cu jet de propan sau cu încărcătură explozivă;

• viteza VRD în teren accidentat: 2 km/h;

• panta longitudinală/transversală abordată: 300/150;

• înălţimea obstacolelor abordate de VRD: 200 mm;

• lăţimea şanţurilor traversate de VRD: 400 mm;

• productivitatea de deminare: 6 mine/h;

• modul de comandă a SD şi VRD: unde radio;

• distanţa de telecomandare: 1000 m.

Sistemul de detecţie este aeropurtat la bordul unui minielicopter electric telecomandat (fig. 21).

Fig. 21. Minielicopter cu sistem de detecţie

Sistemul de detecţie care echipează minielicopterul 1 are în componenţă:

• detectorul de metale 2, cu ajutorul căruia se descoperă prezenţa minelor în teren;

• blocul inerţial triaxial 3, care stabileşte poziţia minielicopterului electric 1, la un moment daat;

pg. 48

• traductorul de proximitate 4, prin care se asigură menţinerea minielicopterului electric 1 la înălţimea

constantă faţă de sol;

• sistemul de achiziţie de date 5, de tip AQT, care primeşte datele de la: detectorul de metale 2, blocul

inerţial 3 şi traductorul de proximitate 4; după care le transmite la CCM pentru a fi prelucrate.

Minielicopterul electric prescanează câmpul minat, atât optic cât şi magnetic, oferind poziţiile

estimate ale minelor din câmp. În baza acestor informaţii, VRD este deplasat în vecinătatea unei mine,

unde execută o căutare de precizie în scoul localizării minei respective.

Concluzii

Din acest SITD, numai VRD este în faza de model experimental, împreună cu cele două sisteme STP

1053 şi 1054 de testare a performanţelor acestuia. În urma probelor din laborator şi de pe teren, VRD s-

a dovedit deosebit de maniverabil în teren, abordând cu uşurinţă obstacolele. Manipulatorul-robot a

răspuns foarte bine la comenzi, demonstrâd eficacitatea blocului de comandă şi control, precum şi o

dinamică foarte bună a acestuia.

Studiu de caz VI

Structura păşitoare bipedă BigFoot

Redarea cu o acurateţe cât mai ridicată a modului de paşire umană a constituit şi constituie o

provocare pentru cercetătorii din domeniul roboţilor mobili. În acest sens, robotul Bigfoot prin

simplitatea structurală, întregeşte seria roboţilor bipezi autonomi, oferind o bază importantă în tratarea

problemelor legate de cinematică şi dinamică. Acest studiu de caz prezintă structura şi modul de

conducere al acestui robot, reliefând caracterul educativ al acestuia. Existenţa celor două cipuri şi

posibilitatea de conectare la calculator permite programarea facilă (înlocuirea programului de baza) al

robotului. Modul de abordare a problemelor de conducere şi programare a acestui robot pot fi extinse şi

la alte tipuri de roboţi asemanatoare din punct de vedere constructiv.

Introducere

pg. 49

Roboţii mobili reprezintă o provocare pentru cercetarea robotică mondială contemporană.

Astfel, ei constituie teme de cercetare de un viu interes în tehnica de vârf. Un robot mobil, sub aspect

general, este un sistem dotat cu un anumit grad de autonomie, fiind capabil să se integreze într-o clasă

de aplicaţii dorite. În momentul de faţă, roboţii mobili sunt mult mai slab reprezentaţi în comparaţie cu

roboţii cu bază fixă, deoarece majoritatea aplicaţiilor industriale (ce reprezintă principala clasă de

aplicaţii) sunt, în continuare, rezolvate în mod tradiţional.

Prezentare generală

Robotul BigFoot reprezintă o structură păşitoare de tip robot mobil biped (Fig.22). Modelul

prezentat utilizează doar 2 motoare standard dedicate, în pofida faptului că robotul realizează 2 tipuri

de mişcări: mers înainte - înapoi şi întoarcere spre stânga sau spre dreapta. înălţimea aproximativă a

robotului BigFoot este de 30 cm.

Fig.22 Robotul BigFoot. Schema generală

Unul din cele 2 motoare (cel superior) are rolul de a transfera centrul de greutate de pe un picior

pe altul. Acesta este motorul de echilibrare. Cel de-al doilea motor are rolul de a realiza efectiv păşirea

robotului. Acesta este motorul de păşire. Dupa cum vom vedea ulterior, lungimea pasului poate fi

reglată.

pg. 50

Fig.23 Amplasarea motoarelor

La partea superioara a acestei structuri, aşa cum se poate vedea în Fig.23, este amplasat

controlerul.

În Fig.23 este prezentată schema de principiu a controlerului.

Fig.24 Schema de principiu a

Controlerului

După cum se observă în Fig.24, elementele circuitului electronic sunt: cipul PBASIC 1.4 cu 18

pini, cipul 93LC56 cu 8 pini, comutatorul principal al schemei de tip ON-OFF şi cei 5 conectori, 3 cu

câte 3 căi şi alţi 2 cu câte 2 căi. De asemenea, se remarcă cele 2 leduri roşii cu rol decorativ. În timpul

operării robotului BigFoot, acestea vor funcţiona intermitent, ambele având aceeaşi secvenţă de

semnale. În Fig. 25 se prezintă schema de detaliu a circuitului electronic.

pg. 51

Fig.25 Schema de detaliu a controlerului

Sursa de energie necesară aplicaţiei este constituită de 4 baterii reîncărcabile . Este important să

se folosească baterii de tip NiCad sau NiMH. Sunt contraindicate bateriile alcaline; acestea nu asigură

nivelul dorit pentru curentul electric necesar aplicaţiei şi pot cauza pierderi ale programului de lucru.

Pe fiecare talpă a robotului BigFoot este montat câte un fir subţire, cele 2 fire îndeplinind rolul

de senzori în sistemul dat.

Fig. 26 Poziţia comutatorului de pe talpa

Astfel, datorită programului de lucru, robotul este capabil să se mişte (să paşească) înainte până

la întalnirea unui obstacol, sesizat cu ajutorul celor 2 comutatoare senzoriale de pe tălpi. În acest

moment controlerul va da robotului comanda de retragere (păşire înapoi), după care va căuta altă

direcţie (va schimba traiectoria) printr-o mişcare de rotaţie la stânga sau la dreapta. De asemenea,

trebuie menţionat că programul de lucru conţine o rutină suplimentară care va face ca robotul BigFoot

să se deplaseze într-o secvenţă predeterminată.

Un aspect important în controlul mişcării robotului paşitor BigFoot îl reprezintă calitatea

suprafeţei pe care acesta operează. Este evident că o suprafaţa cu denivelari va afecta serios echilibrul

sistemului prezentat.

Este important de remarcat faptul că, din punct de vedere mecanic, robotul BigFoot conţine

doar o singură cuplă, aceasta fiind o cuplă de rotaţie. Printr-o dispunere adecvată (ingenioasă) a celor pg. 52

două motoare, se obţine mişcarea de translaţie, deşi avem la dispoziţie, aşa cum spuneam, doar o cuplă

de rotaţie.

Astfel, se poate spune că mersul robotului BigFoot este asemmănător mersului uman.

Rezultate experimentale

Dacă etapa de construcţie a decurs corespunzător, la alimentarea sistemului (se trece pe ON

comutatorul principal al circuitului electronic) robotul BigFoot va sta timp de 2 secunde într-o aşa-zisă

stare de aşteptare (o vom numi de acum înainte de stand-by) după care va porni să meargă conform

unei secvenţe predefinite, aşa cum am menţionat anterior. Programul de lucru este înscris într-o

memorie EEPROM, dar se poate modifica în anumiţi parametri. Pentru a evidenţia acest aspect, vom

introduce următoarele mărimi:

- poziţiile de stand-by ale motoarelor R _ STAND si P _ STAND , respectiv;

- poziţiile limită ale motorului de echilibrare (notat cu R): R _ RIGHT şi R _ LEFT ;

- poziţiile limită ale motorului de păşire (notat cu P) la mers înainte: P _ RIGHT _ FD şi P _ LEFT _

FD .

Să detaliem acum câteva chestiuni importante în ceea ce priveşte programarea acestui robot

mobil paşitor.

1. Cele doua motoare au, fiecare în parte, aşa cum spuneam, o poziţie de stand-by, o poziţie care

se va constitui ca stare iniţiala a mişcării la punerea în funcţiune a sistemului. Cele 2 poziţii de stand-by

sunt notate cu R _ STAND pentru motorul de echilibrare al structurii şi cu P _ STAND pentru motorul

de păşire al robotului, respectiv.

2. Lungimea pasului la robotul BigFoot este dată de diferenţele P _ STAND - P _ LEFT _ FD şi

P _ RIGHT _ FD - P _ STAND . Dacă cele două diferenţe sunt egale, păşirea va fi egală şi când spunem

aceasta ne referim la egalitatea în valoare absolută a celor doi paşi, cel stâng şi cel drept. În acest caz

robotul va merge în linie dreaptă. Dacă însă cei doi paşi au lungimi diferite, adică P _ STAND - P _

LEFT _ FD ¹ P _ RIGHT _ FD - P _ STAND atunci, aşa cum era de aşteptat, robotul BigFoot va face un

viraj în direcţia în care avem o valoare mai mare a pasului.

3. Controlul echilibrării robotului va fi dat de următoarele diferenţe: R _ RIGHT - R _ STAND şi

R _ STAND - R _ LEFT . Mărimea acestor diferenţe ajustează valoarea echilibrarii stânga-dreapta. Dacă

se doreşte o schimbare a valorii R _ STAND , în acest moment, evident se va modifica relaţia dintre

cele două diferenţe. Ideal este ca acestea (diferenţele) să rămână egale, aşa cum este în programul

pg. 53

iniţial. Astfel, în cazul modificării lui R _ STAND , trebuie modificate în consecinţă şi celelalte 2

mărimi şi anume poziţiile extreme ale motorului de echilibrare, R _ RIGHT şi R _ LEFT , în vederea

egalizării celor două diferenţe despre care am discutat mai sus. Mărirea diferenţei dintre poziţia de

stand-by şi poziţiile extreme (cu păstrarea egalităţii celor două diferenţe) va duce la creşterea înălţimii

până la care se ridică piciorul în timpul mersului. Această înălţime nu poate fi crescută nelimitat, o

valoarea prea mare ducând la dezechilibrarea structurii.

Concluzii

Acest studiu prezintă structura şi modul de programre al robotului păşitor biped BigFoot,

punând accent pe caracterul educaţional al acestuia. Rezultatele experimentale au pus în evidenţă

aspectele practice ale etapei de programare, modalitatea de variaţie a limitelor parametrilor luaţi în

considerare, precum şi influenţa structurii mecanice asupra modului de păşire al robotului.

Studiu de caz VII

Modalităţi de reconfigurare

Reconfigurarea din modelul Sliding Cube

Planificarea reconfigurării generale eterogene reprezintă o problem ă deschisă. Deşi planificarea

reconfigurării reprezintă ceva similar cu problema depozitului, problema depozitului are o soluţie

polinomială. În reconfigurare, există spaţiu suficient disponibil, adică presupunem că problema este

limitată de către orice tip de dreptunghi, astfel încât se presupune că problema reconfigurării să fie de

asemenea rezolvabilă ca şi polinom. Vom sublinia o versiune centralizată a acestui algoritm în această

secţiune şi se vor identifica domeniile cele mai importante.

pg. 54

Figura 27. Ilustrarea algoritmului lui MeltSortGrow. Pasul iniţial este prezentat în (a),modulul umbrit este “deblocat” în (b), iar în (c) se prezintă în final configuraţia finală.

Etichetele din (c) indică ordinea de asamblare aleasă, iar modulele umbrite sunt în poziţialor finală.

Reconfigurarea pentru locomoţie

Reconfiguraţia este discutată în termeni de transformarea formei dar şi folosită ca şi locomoţie.

S-a dezvoltat un algoritm al locomoţiei pentru roboţii reconfigurabili utilizând mişcarea de tip

inchworm, precum implementarea hardware pe sistemul Crystal.

Algoritmul este prezentat în această secţiune. Locomoţia de tip inchworm foloseşte frecarea faţă

de sol pentru a se deplasa. Algoritmul se bazează pe un set de reguli ce testează geometria relativă şi

generează

expansiunea şi contracţiile precum şi toate mesajele modulelor către cele vecine. Când un modul

primeşte un mesaj de la unul vecin se indică o schimbare de stare, se testează vecinătatea împotriva

regulilor, iar dacă se aplică o regulă, se execută comenzile asociate cu regula. Algoritmul este proiectat

pentru a imita locomoţie de genul inchworm. Vezi figura 28.

pg. 55

Figura 28. Schema modulului în timpul locomoţiei, se reprezintă progresul unui singur pas

In acest algoritm, se declară variabilele de stare ale modulului, tipurile de mesaje

se pot trimite şi primi, iar procedurile ce sunt apelate de la mesaje (incluzând regulile

algoritmului). Capătul modulului se contractă mai întâi, care semnale se transmit mai

departe modulului vecin. Fiecare modul se extinde după contracţie, astfel încât se

propagă prin robot. Atunci când contracţia atinge în fata grupului, grupul s-a mutat cu o

unitate înainte (în teorie; rezultatele experimentale arată că distanţa per pas pentru

roboţii de tip lanţ este de 5 sau mai multe unităţi). În funcţie de context, odată ce

modulul din faţa grupului s-a contractat şi extins, se poate trimite un mesaj înapoi la

capăt pentru a se iniţia un nou pas. S-a implementat acest algoritm şi s-au efectuat

câteva experimente cu diferite forme, una este prezentată în figura 29. Experimentele au

demonstrat cu succes cât de potrivită este locomoţia în configuraţiile testate.

Figura 29. Fotografii ale locomoţiei unui robot în formă de picătură. În (a), coloana dinstânga se contractă iar, în (b) şi (c) următoarele coloane se contractă pentru a realiza

mişcarea către dreapta.

Alte exemple de sisteme mobile miniaturizate, reconfigurabile

pg. 56

Figura 30. Roboţi reconfigurabili de tip reţea

Figura 31. Roboţi reconfigurabili de tip lanţ

pg. 57

Figura 32. Roboţi reconfigurabili de tip Mobili

Figura 33. Telecube G1

pg. 58

Figura 34. Proteo (niciodată construit) Faţa rombică (lungimea muchiei = 5 cm)

Figura 35. I-Cube, Cem Unsal @ CMU

Figura 36. Metamorphic, Chirikjian & Hopkins

Figura 37. Molecube, Lipson @ cornell Figura 38. ATRON, Ostergaard, s. a. @ U. S.Denmark

pg. 59

Figura 39. Inoue, Pnumatic

Figura 40. Conro, Shen/will @ ISI Figura 41. MTRAN, Murata s. a.

Modulul M-TRAN II este compus din două piese semicilindrice, articulate fiecare cu o a treia,

cu rol de actuator. Mecanismul elementar are 2 grade de mobilitate. Deşi cele două articulaţii motoare

permit rotaţii în acelaşi plan, combinarea acestora prin conexiunea modulelor pe suprafeţe ortogonale,

compensează acest dezavantaj. Mecanismul de conectare/deconectare este constituit din magneţi

permanenţi, arcuri neliniare şi actuatori din aliaje cu memorie a formei (AMF). Traiectoria dorită a

ansamblului este comandată centralizat, cu ajutorul unui PC în care este stocată o bază de date privind

regulile de deplasare.

Generaţia a 3-a a Polybot este, în ceea ce priveşte structura mecatronică, gradul de integrare,

miniaturizare şi utilizare a tehnologiilor MEMS, una dintre cele mai reuşite realizări. Are motoare de

înaltă calitate, o multitudine de senzori şi conectori cu formă adecvată cuplării/decuplării (gaură şi

zăvor blocat cu actuatori AMF).

Comunicaţia între module este obţinută via magistrală CAN (Controller Area Network) de

înaltă performanţă, pentru control distribuit. Pe lângă avantajele evidente ale utilizării acestor

numeroase componente ale tehnologiei de vârf, consumul mare de energie a condus la dezavantajul că

modulele Polybot nu au baterii, deci sunt necesare fire pentru alimentare.

pg. 60

Suplimentar, ele au numai 2 suprafeţe de conectare pe modul, ceea ce permite doar configuraţii

de tip şarpe. Comanda robotului Polybot este centralizată ca şi la M-Tran. Există un tablou al datelor de

control pentru fiecare modul, în corespondenţă cu configuraţia dorită, din care se selectează mesajele

transmise modulelor.

Telecube a fost dezvoltat, ca şi Polybot, cu maximum de dotare mecatronică. Este o structură de

tip latice, concretizată într-o reţea cubică. Modulul de bază îşi poate deplasa suprafeţele exterioare cu

ajutorul unor actuatori liniari telescopici. Prin dispunerea în stivă a modulelor şi deplasarea

componentelor se obţine schimbarea configuraţiei robotului şi deplasarea ansamblului.

Robotul CONRO este compus din module dotate cu câte 2 servomotoare, care asigură rotaţia în

jurul a 2 axe perpendiculare. Fiecare modul este autonom, având microcontroler, senzori şi baterii

înglobate.

Cuplarea modulelor este complet autonomă şi se realizează în 3 paşi: deplasarea modulelor cu

comandă în buclă deschisă pentru alinierea grosieră a senzorilor IR; deplasarea modulelor cu comandă

în buclă închisă pentru alinierea precisă a acestora cu reacţie inversă de la senzorii IR şi cuplarea

propriu-zisă a pinilor şi mecanismelor de zăvorâre.În timpul acestei ultime faze, se efectuează mişcări

de mică amplitudine şi frecvenţă mare pentru învingerea frecărilor. Sunt necesare 3 minute pentru o

astfel de cuplare, iar rata succesului este de 80%.

Robotul “Crystalline” are o structură de tip latice bidimensională, în ale cărei noduri sunt

plasate module de formă paralelipipedică. Actuatorii liniari ai acestora realizează alungirea /

contractarea lor în fiecare direcţie cu factorul 2. Două din cele patru feţe conţin conectori pasivi

(canale) sau conectori activi (tije) ce se pot bloca prin rotaţia tijei. Robotul “Molecule” reproduce

structura unei molecule formate din 2 “atomi”, conectaţi printr-o piesă de legătură. Fiecare element

“atomic” se poate roti cu 180 de grade în jurul acestei legături, realizându-se o deplasare

tridimensională, prin faptul că axele de rotaţie ale lementelor “atomice” sunt perpendiculare.

Conectorii utilizaţi pentru cuplarea modulelor utilizează un mecanism prehensor ale cărui braţe (tată)

sunt comandate cu ajutorul unui mecanism melcat către zonele corespunzătoare de pe suprafaţă

(mamă).

Datorită structurii de reţea cristalină, aceşti roboţi nu pot realiza mişcări ample precum roboţii

de tip lanţ, dar sunt o bună platforma de studiu a planificării mişcării, calculului paralel şi de optimizare

a traiectoriei.

pg. 61

I-Cube reprezintă un sistem robotic modular reconfigurabil, compus din articulaţii cu trei grade

de libertate şi elemente pasive de conectare. Conectarea se poate face prin deplasarea de la un cub la

altul, prin deplasarea către un cub, în timp ce modulul se află ataşat la un altul, etc. Conexiunea

foloseşte un sistem mamă/tată şi este similară cu robotul “Cristalline”. Această construcţie permite

identificarea de noi posibilităţi de proiectare şi acţionare. Abordarea unei astfel de articulaţii mobile

este unică, dar încă nu sunt informaţii despre starea actuală a proiectului.

Atron a fost realizat ca parte a proiectului HYDRA, proiect European finanţat de Information

Society Technologies (IST) Programme 6. Este un sistem de tip reţea cristalină ce are la bază un modul

format de două emisfere cu posibilităţi de rotaţie relativă în jurul unei axe ce trece prin central acestuia.

Există câte 4 conectori tangenţiali pentru fiecare emisferă. Schimbările de configuraţie se obţin prin

rotaţii cu 90 de grade în jurul ecuatorului. Comunicaţia se bazează pe dispozitive IR integrate în

conectori.

Informaţiile cu privire la comandă sunt puţine, rezultând din cuvintele cheie utilizate: controler

bazat pe reguli, metamodule, algoritmuri de forţă virtuală, gradient şi genetici. Dintre specificaţiile

funcţionale ale acestui tip de roboţi, au fost menţionate posibilitaţile de reconfigurare şi auto-

multiplicare prin cuplarea /decuplarea modulelor proprii sau a unora suplimentare, existente în scena de

lucru. Se pot identifica drept cerinţe suplimentare utilizarea la maximum a unui număr redus de

componente mecanice şi concepţia modulară a modulului însuşi, pentru a permite modificarea sa prin

înlocuire sau prin adăugare de componente.

La cel mai redus nivel de complexitate (număr minim de module), sistemul robotic care se

găseşte într-o anumită configuraţie trebuie să fie capabil să îndeplinească funcţiile unui robot cu

structură fixă de aceeaşi configuraţie (locomoţie, manipulare, etc.) De exemplu, un robot şarpe modular

trebuie să realizeze deplasarea utilizând ondularea corpului, ca şi un robot şarpe similar ne-

reconfigurabil. Similar, un hexapod modular trebuie să poată realiza deplasări înainte, înapoi, laterale

sau rotiri, ca şi un hexapod cu structură fixă. Dificultăţile de concepţie a unui sistem robotic modular,

care realizează acţiuni ale unor roboţi cu diferite topologii, se reflectă în cele legate de concepţia

hardware şi software a modulelor. Cei mai mulţi roboţi modulari nu au abilităţi inter-metamorfice

(transfer de module între roboţi), transferul de module, respectiv noua formă, fiind decise şi realizate

manual de un operator. Prin urmare, astfel de roboţi evoluează ca roboţi cu formă fixă.

La următorul nivel de complexitate (număr suficient de module), robotul cu capacităţi intra-

metamorfice (reconfigurare cu transfer al modulelor proprii) trebuie să fie capabil să îşi rearanjeze

pg. 62

modulele în diferite configuraţii. Această proprietate permite robotului atât să-şi schimbe forma, cât şi

să efectueze o auto-reparaţie prin înlocuirea unui modul defect cu unul de rezervă, ori să creeze, din

module, un robot similar lui.

Robotul trebuie să aibă deci hardware-ul şi software-ul adecvate pentru a rezolva această

problemă de poziţionare şi să separe acţiunile de reconfigurare de cele de locomoţie. Numărul de

configuraţii posibile este determinat, în parte, de numărul de conectori ai modulelor. Conectorii trebuie

să fie identici şi simetrici pentru a permite conectarea nepreferenţială a oricărui modul. Doi conectori

pe modul (câte unul la extremitatea fiecărui modul) permit construcţia unor structuri liniare, similare

şerpilor. Construcţia unor structuri ramificate necesită utilizarea mai multor conectori. De exemplu, un

hexapod poate fi construit cu module având un conector la o extremitate şi 3 la cealaltă.

La cel mai înalt nivel de complexitate (numărul maxim de module), un robot cu capacităţi inter-

metamorfice trebuie să fie capabil să creeze doi roboţi diferiţi sau să se reunească cu un robot similar,

pentru a crea unul singur mai mare. De aceea, proiectarea modulelor trebuie să garanteze că împărţirea

robotului nu conduce la diminuarea inteligenţei sau puterii necesare pentru funcţionarea corectă a

noilor roboţi. Operaţia de cuplare adaugă două noi cerinţe asupra sistemului robotic. Prima este că un

robot trebuie să comunice la distanţă cu altul pentru a cere şi accepta operaţia de alipire şi, de aceea, el

trebuie să fie prevăzut cu un sistem de comunicare wireless. A doua condiţie este ca robotul să poată

genera un semnal de balizare, pentru a ghida celălalt robot către el, de la distanţă.

Relativ la componentele hardware, un modul care suportă reconfigurare (inter-metamorfică)

trebuie să garanteze că roboţii creaţi prin operaţia de separare trebuie să fie complet echipaţi. La limită,

un robot poate separa un singur modul, deci acesta trebuie să fie calificat ca un robot, adică să fie

complet echipat, respectiv trebuie să aibă propriul sau procesor, sursă de energie şi controlul asupra

propriilor săi senzori şi actuatori. Conceptul de echipare completă se deosebeşte de cel de autonomie,

care se referă la capacitatea unui robot nu neapărat mobil, de a executa sarcini în mod automat, adică

posedă software-ul necesar acestui mod de operare, fără intervenţia factorului uman. Prin urmare,

componentele hardware strict necesare evoluţiei preconizate sunt motoarele de acţionare, sistemele de

comandă, comunicaţii şi senzoriale, sursele de energie şi mecanismele de cuplare.

În ceea ce priveşte motoarele, opţiunile posibile sunt limitate de sursele de energie portabile (în

curent continuu) şi au fost cercetate experimental, rezultatele fiind consemnate într-un raport de

încercări ataşat. Componentele specifice modulelor vor fi analizate în continuare.

pg. 63

Analiza structurii modulelor în corelaţie cu locomoţia şi cuplarea

acestora

Generarea miscarii are loc prin conectarea si deconectarea celulelor in lungul directiei de

deplasare. Celula (modulul) se poate realiza cu diferite corpuri geometrice (prisme, cuburi, cilindri sau

asociaţii ale acestora), conectate prin cuple de rotaţie sau translaţie.

Figura 42. Modul cu sistem de conectare

Locomoţia roboţilor de acest tip se realizează prin metode de deplasare specifice sistemelor

mobile miniaturizate, robotizate, după cum urmează:

A) Târâre - utilizand module prismatice, cubice, cilindrice sau combinatii ale

acestora, conectate intre ele prin cuple de rotatie;

Figura 43. Locomotia prin tarare prin cuple de rotatie- a) modul cilindric oblic. b)

realizarea locomotiei prin tarare

- utilizand module complexe:

pg. 64

Figura 44. Locomotia prin tarare prin module complexe - a) dispunerea liniara a

modulelor b) modul elementar c, d) realizarea locomotiei prin tarare

- utilizand module cubice (cele mai utilizate), conectate prin cuple de translatie;

Figura 45. Etapele locomotiei prin târâre utilizând module cubice

B) Păşire - utilizând module cubice (cele mai utilizate), conectate prin cuple de translaţie;

Figura 46. Etapele locomoţiei prin păşire utilizând module cubice

sau: prin intermediul picioarelorpg. 65

Figura 47. Etapele locomoţiei prin intermediul picioarelor.

C) Păşire combinat cu târâre

Figura 48. Etapele locomoţiei prin păşire combinat cu târâre.

D) Inchworm

pg. 66

Figura 49. Etapele locomoţiei prin frecare

E) Traveling wave– locomoţie pe principiul undei deplasabile (călătoare) (fig a). În această

categorie intră roboţii care imită locomoţia serpilor - locomoţia concertină sau locomoţia serpentiformă

(prin utilizarea modulelor cilindrice drepte inseriate pe roţi).

Figura 50. Etapele locomoţiei pe principiul undei deplasabile. a) dispunerea liniară a

modulelor, b)modul elementar

F) Rostogolire (Figura b):

Figura 51. Etapele locomoţiei cu rostogolire combinată cu Inchworm

La aceste metode se adaugă şi rostogolirea combinată cu inchworm.

G) Deplasare pe principiul cascade

În figura de mai jos este ilustrat acest mod de locomoţie: robotul porneşte ca un singur cub (a)

dar se divide în patru (b) şi (c), pentru explorare în paralel, deplasându-se pe principiul cascadei

(căderii de apă) – modaliate inspirtă de unele automate celulare.

pg. 67

Figura 52. Etapele locomoţiei pe principiul cascade

H) Cǎţǎrare– în figurile de mai jos este ilustrată deplasarea pe scări prin această metodă de

locomoţie

Figura 53. Etapele locomoţiei pe principiul căţărării

I)Locomoţie prin răsturnare / prăbuşire (tumbling) – această modalitate reprezintă un caz

particular al metodei de deplasare prin rostogolire. Modulele din structura se mişcă astfel încât întregul

ansamblu devine instabil şi se răstoarnă într-o nouă poziţie. Neregularităţile suprafeţei nu pot impiedica

modulele să ajungă în locaţiile noi.

Figura 54. Etapele locomoţiei prin răsturnare/ prăbuşire

J) Locomoţie pe roţi,

K) Locomoţie pe şenile

pg. 68

L) Locomoţie de tip Atomic Motion, Această modalitate de deplasare poate fi de trei feluri, şi

anume: pivot motion (a), forward-roll motion (b) combinat de trecere de la una la alta.

a b

C

Figura 55. Locomoţie de tip Atomic Motion pivot motion (a), forward-roll motion (b)

combinat de trecere de la una la alta.

Acţionarea subsistemelor de locomoţie şi de conectare / deconectare este asigurată de:

electromagneţi (celulele sunt conectate între ele prin acţionarea unor forţe (ex. electromagnetice);

motoare pas cu pas (+ transmisie şurub-piulita); motoare de curent continuu (+ reductor); SMA (tip arc)

+ magneţi permanenţi; electromagneţi + magneţi permanenţi; pneumatic.

Cei mai utilizaţi traductori pentru măsurarea forţelor sunt traductrorii electrotensometrici

rezistivi (TER), iar pentru măsurarea deplasărilor sunt utilizaţi traductori rezistivi liniari sau rotativi.

Implementarea unui sistem de control având ca variabilă internă rezistenţa prezintă următoarele

avantaje: histerezisul este mic, comportarea este aproximativ liniară, se poate evita supraîncălzirea

aliajului. În lucrare este propusă o modalitate de control care să combine rezistenţa internă şi deplasarea

ca mărimi de feed-back pentru implementarea unui algoritm de control. În lucrare, este prezentat şi un

model de control care să compenseze hysterezisul mare al aliajelor cu memoria formei. Acesta se

realizează prin utilizarea unei metode feed-forward care presupune alimentarea predictivă a

elementului activ astfel încât acesta să realizeze deplasarea dorită. Trei metode diferite de control au

fost aplicate în lucrare pentru a urmări răspunsul unui actuator pe bază de AMF: controlul PI, controlul

PI pe un model linearizat, şi controlul feedforward. Am subliniat că problemele esenţiale legate de

controlul AMF au fost timpul lent de răcire.

pg. 69

Mărimea de feedback a fost preluată dintr-un experiment care urmăreşte variaţia tensiune-efort

în funcţie de încălzire. Metodele prezintă un major dezavantaj, acela că nu a fost luată în considerare

sarcina externă. Este prezentat un sistem de control al poziţiei, aplicabil prin utilizarea mai multor

tipuri de controlere, dar verificat utilizând un algoritm PI, urmărind totodată şi aspecte privind

stabilitatea. Sunt prezentate si rezultate experimentale care confirmă faptul că actuatorii pe bază de

AMF permit controlul forţei generate rapid şi în mod precis. S-a studiat raspunsul în frecvenţă şi pentru

un semnal de test treaptă pentru un actuator răcit cu aer.

pg. 70