Capitolul 1.

Introducere

Obiectivele Cursului

Despre Modularitate, PCAP

Definirea Robotului

Complexitatea

Modelul Obiect

Capitolul nti al Bazelor Roboticii este o introducere n cunoaterea conceptelor utilizate la studiul,

sistemelor complexe din care robotul face parte. Structura lui este organizat pe cinci subcapitole care

se refer la urmtoarele aspecte: Obiectivele modulului Bazele roboticii n fapt dezvoltarea unui

fundament conceptual necesar studiului roboilor; Modularitatea i abstractizarea, dou construcii

mentale care se pot apoi dezvolta prin mecanismul al crui acronim este PCAP; Definirea robotului unde

alturi de definiiile canoice ale acestui sistem mecatronic se propune o definiie de lucru care ofer

posibilitatea de analiz a acestor sisteme; definirea conceptului de Complexitate i a modurilor specifice

de analiz i sintez a acestor sisteme iar in final descrierea Modelului obiect paradigm utilizat in

cunoaterea sistemelor complexe.

1.1. Obiectivele cursului

Bazele Roboticii este unul din cursurile pe care programa analitic a specializrii de Robotic o cuprinde

sub forma unui curs de specialitate. Alaturi de acest curs studenii care parcurg aceast specializare

beneficiaz de cursuri precum, Robotica, Roboi mobili etc. Este deja evident faptul c Bazele Roboticii

este un curs care le fundamenteaz pe acestea. n consecin obiectivele la care se refer acest capitol

sunt derivate prin analiza fundamentelor menionate.

Vom preciza n primul rnd dorina de a prezenta utilizarea unor principii inginereti de proiectare

modular i de abstractizare. Modularitatea este un numitor comun al proiectarii inginereti specific i

celei mecatronice. Ea poate fi ntlnit n ingineria electric, n cea mecanic precum i n informatic.

Conceptul de modularitate este coroborat cu cel de abstractizare adic priceperea de a identifica

conceptele care definesc un anumit fenomen.

n al doilea rnd dorina de a prezenta procedee de modelare, adic de a realiza conexiuni n limbaj

matematic ntre conceptele care au fost amintite. Modelele matematice sunt utilizate n toate tiintele

care compun ingineria mecatronic (mecanica, electrica i informatica) ele reprezentnd singurul mod

de a explica fenomenele care apar n acest context i de a permite predicii asupra acestora.

Nu n ultimul rnd ne dorim s subliniem caracterul cibernetic al roboticii, faptul ca un astfel de produs

are conexiuni inverse (feedback) care analizeaz rezultatele obinute i le compar cu obiectivele iniiale

ale sarcinii de ndeplinit (task).

Cursul conine i o latur aplicativ n care modelele imaginate sunt transformate n algoritmi i

transpuse in programe de calcul. Soluia numeric a modelelor va fi realizat prin programare n Matlab

sau n Python.

1.2. Despre modularitate, PCAP

ntr-o celebra lucrare [Miller, G. A. (1956). "The magical number seven, plus or minus two: Some limits on our capacity for processing information". Psychological Review 63 (2): 8197 ] atragea atenia asupra faptului c n general un om poate utiliza concomitent apte idei. Se pune deci

ntrebarea care este modalitatea de a soluiona probleme complexe, adic de a utiliza concomitent mai

multe idei? Sau, cum putem imagina soluii inginereti care prin complexitatea lor depaete acest prag

maxim de apte?

Soluia este abstractizarea si modularizarea. Cele dou soluii sunt prezente n ziua de azi n toate

domeniile inginereti. Modularitatea este ideea de a construi componente care pot fi reutilizate, iar

abstractizarea este ideea de a simplifica imaginea unui sistem adic, de a eluda aspectele sale

particulare, de a ne concentra asupra aspectelor pe care le considerm eseniale. n acest mod

descrierea unui sistem complex poate fi enunat ca fiind o interaciune ntre module. Iar att

interaciunile ct i modulele sunt abstractizate sub form de modele, respectiv de componente.

Figura1.1 Domeniile care compun robotica, abstractizri succesive

Modularitatea i abstractizarea permit imaginarea unui proces repetitiv care va genera noi module prin

conectarea si abstractizarea modulelor iniiale.

Acest proces repetitiv este construit cu ajutorul unui mecanism (proces) de gndire care cuprinde

urmtoarele etape [Dennis Friedman Introduction to Electrical Emgineering MIT]:

Realizarea, imaginarea, unui set de componente de baz Primitive;

Coroborarea, mbinarea, Combinarea, primitivelor ntr-un sistem mai complex;

Abstractizarea sistemelor complexe, identificarea prilor lor eseniale;

Identificarea unor Paternuri (din eng. Pattern, tipare, abloane) comune ale abstractizrilor

realizate (adic abstractizarea abstracizrilor).

Mecanismul de gndire menionat poate fi descris prin succesiunea Primitiv Combinare

Abstractizare Patern ceea ce a condus la denumirea de PCAP (omonim cu eng. pick up a ridica dar

Mecanisme

Structuri Mec.

Mec. Antropomorf

Mot. CC

Motoare

Servo Motoare

Calc.elect.

Sist. de calcul

Calc. pe care ruleaz un

program de conducere

mai ales - aici- cu a intelege). Cursul utilizeaz acest mecanism n vederea ordonrii conceptelor care

apar n robotic.

Vom ncepe cu un exemplu comun: crmida, cas, instalaia de ap, funcia de gatit. Crmizile sunt

obiecte modelate sub forma unor paralelopipede adic din punct de vedere geometric pot fi definite

prin 3 dimensiuni iar din cel funcional prin mas, rezisten etc. Mai multe tipuri de cramizi pot

constitui o mulime de Primitive, o clas. Combinnd aceste primitive la care adaugm i primitive din

alte clase (ferestre, usi, instalaii etc) se obtine o cas - o cladire care folosete drept locuin. Putem s

extragem din proiectul casei anumite pri pe care le vom utiliza i la alte case (de exemplu camera de

baia sau instalaiile de ap), ceea ce nseamn c am facut Abstracii. Dac avem o colecie de astfel de

abstracii putem s identificm Paternurile acestora, de exemplu faptul c o buctrie are ca elemente

definitorii locurile de procesare ale hranei, locurile de curire ale vaselor,etc. Astfel am definit o

funcionalitate a caselor, cea de a asigura un loc de pregtire a hranei.

Putem deci ntelege o cas, pe care trebuie s o proiectam, ca un ansamblui de funcionaliti, putem s

asociem fiecrei funcii diferite abstractiuni, putem apoi s accesm setul de primitive pe care n avem la

dispoziie i s le realizm efectiv.

Acest mod de gandire are urmtoarele consecine imediate: pentru a proiecta o cas trebuie s cunosc

funcionalitatea pe care doresc s o ofer dar nu trebuie s cunosc modul specific n care se reafizeaz

acea funcie; acel ansamblu care va realiza o anumit funcie are caracterul unui black box (cutie neagra)

ceea ce inseamn c pot opera cu ea fr a-i cunoate coninutul; pentru o anumit funcie am la

dispoziie mai multe astfel de black boxuri din care pot s o aleg pe cea care se potrivete mai bine

proiectului meu. Exist specialiti in anasmblurile menionate, ei cunosc nu numai cum se acceseaz

black box-ul dar i cum funcioneaz acesta. Dar atunci cand ansamblul este unul complex, la randul lor

specialitii menionai descriu funcionarea acestuia prin agregarea de alte black boxuri componente ale

ansamblului n discuie s.s.m.d.

Putem exepmlifica mecanismul PCAP n precizarea domeniilor inginereti care compun robotica (v.

fig.1.1). Parte a mecatronicii ea este compus din trei domenii inginereti: mecanica, electrica i

informatica. Aceste domenii i ofer primitivele i combinaiile necesare. Caracterul mecatronic al

produsului (robot) se releveaz prin proiectarea unitar a acestuia adic aeste combinaii trebuie s se

constituie ntr-un sistem cu legturi specifice.

n figura 1.2 aceast idee este dezvoltat. Creterea gradului de abstractizare implic sisteme care in

figura 1.1 apareau n clase diferite (Electric i Informatic).

Prima abstractizare se refer la elementele care compun circutele analogice rezistene, condensatoare,

bobine. Utilizarea acestora se realizeaz prin eludarea efectelor secundare i prin concentrarea asupra

fenomenul fundamental pe care l provoac. Mai precis o rezisten este utilizat doar datorit efectului

ei evideniat de legea lui Ohm iar capacitatea, inductana pe care o posed este de cele mai multe ori

neglijat. Un condensator la rndul lui posed rezisten dar i acest proprietate este neglijat vizavi de

proprietatea sa fundamentaal de capacitor.

Figura 1.2. Niveluri de abstractizare

A doua abstractizare se refer la circuitele analogice. Sisteme realizate din elemetele menionate n

paragraful anterior. n acest caz se dorete obinerea unei modulariti care poate fi reprezentat

conceptual (modelat) printr-o funcie intrare ieire. Mai mult, se dorete ca acest modularitate s

permit conectri (la alte module), iar acestea s nu modifice funciile iniiale. Figura 1.3.a prezint un

astfel de modul . Este vorba de un divizor de tensiune n care funcia menionat este descris de relaia

(1.1).

(1.1)

Putem conecta un astfel de modul la un motor de curent continuu (motor CC) iar pentru a asigura

prezervarea funciei dat de modelul (1.1) este necesar utilizarea unui element de legtur special de

exemplu un amplificator operaional.

Al treilea nivel al abstractizrii sunt circuitele digitale. n acest caz funciile de ieire pot lua dou valori

nalt i joas ceea ce este modelat prin 1 i 0. Circuitele numerice sunt deja proiectate n sensul

conectrii lor cu alte module. Utiliznd mai multe module de acest tip putem genera o mare varietate de

funcii.

Figura 1.3. Divizor de tensiune, conectarea la un motor CC

Elemente Analogice Circuite

Analogice Circuite Numerice Calculator

Program

Vout

R1

R2

Vin

+

R1

R2

Vout

Vin

-

Am

p.

Mo

t.

CC

Urmtorul nivel de abstractizare l reprezint calculatorul electronic. Este compus din circuite digitale,

este interfaat pentru a fi conectat la alte module digitale i pentru a fi programat (utilizat) de un om.

Dac n cazul circuitelor digitale funciile menionate erau binedefinite (nu se modificau n timp), n cazul

calculatorului acestea sunt subiectul programelor de calcul

Ultimul nivel de abstractizare este programul de calcul. Pornind de la un anumit limbaj de programare,

care conine convenii specifice, programarea permite transpunerea unor algoritmi n funcii care (se

manifest) au efect vizavi de modulele cu care este conectat calculatorul sistemul de acionare al

robotului, sistemul de senzori etc - dar i ctre utilizator simulatoare, interfee etc.

Sistemul robotic este subiect de abstractizare, de exemplu evidenietre de subsisteme specifice (de

orientare, de pozitionare, de prehensare, de calcul etc.) ceea ce permite gsire de paternurilor

(manipularea obiectelor, definirea taskului etc).

1.3. Definirea robotului

Vom ncepe prin a meniona faptul c este vorba de un concept de tip suitcase (eng. Valiza), adic un

sistem pentru care exist mai multe definiii recunoscute i care n zilele noastre evolueaz cu rapiditate.

Vom prezenta cteva definiii girate de ISO (Organizaia Internaional de Standardizare), EURON

(European Robotics research Network) i de RAI (Robotic American Institute) iar apoi von trece la o

definiie de lucru (de la care vom ncepe analiza).

Conform ISO i EURON: Robotul este un manipulator controlat n mod automat , reprogramabil,

utilizat pentru scopuri multiple, n automatizarea aplicaiilor industriale;

Conform RAI: Roboii Industriali sunt manipulatoare reprogramabile, multifuncionale, utilizate

pentru a manipula materiale, unelte sau echipamente

Vom dezvolta aceste definiii prin a spune c Robotul este un sistem mecatronic, programat care

interacioneaz cu obiectele din jur.

Faptul c genul proxim al roboticii este mecatronica conduce la ideea ca vorbim despre un

sistem n bucl nchis (cibernetic).

Sistemul poate fi definit la randul lui ca fiind un ansamblu de elemente ntre care apar

legturi specifice. Vom meniona faptul acest ansambul este gndit ca un interior care

se gsete n anumite relaii (specifice fiecrui sistem n parte ) cu exteriorul (restul

Univesului). Aceast ultim idee expliciteaz aa numita gndire sistemic.

Atributul de programat (reprogramat) vine s sublinieze faptul c sarcinile robotului sunt

flexibile iar acest flexibilitate este implementabil prin programare (reprogramare).

Interaciunea menionat poate fi de mai multe tipuri dintre care menionm, manipularea

obiectelor i deplasarea (manipularea propriului corp) n anumite medii.

A manipula un obiect nseamna a-i modifica postura (ntr-un anumit timp), adic a

modifica poziia i orientarea obiectului.

Apare astfel posibilitatea de a evidenia funciile robotului i de a realiza o prim clasificare a acestor

sisteme. Definiia anterioar a evideniat dou tipuri de roboi. Cei cu post fix n care un elemet

(particular, numit baz) nu i modific postura n timpul funcionrii i care se numesc Manipulatoare.

Cei care se deplaseaz n anumite medii modificnd astfel postura tuturor elementelor din care sunt

compui i care poart denumirea de roboi mobili. Evident apare i situaia n care robotul mobil

conine un bra ataat de corpul su care are rol n manipularea de obiecte.

Din punctul de vedere al mecanismului PCAP ne intereseaz funciile care sunt cuprinse n definiie. Vom

neniona urmtoarele:

Este un sistem n bucl nchis ceea ce nseamn existena unor subsisteme (componente

blackbox la acest nivel de cunoatere) care permit:

o Interfaarea la un utilizator, n vederea menionrii sarcinii de lucru;

o Citirea starii curente (subsistem senzoristic);

o Compararea starii curente cu taskul impus i determinarea diferenei dintre acestea;

o Transformarea diferneei menionate ntr-o comand care are rolul de a diminua acest

difern;

o Accesul de o surs de energie care permite funcionarea sistemului;

o Transformarea comenzii ntr-o aciune care modific starea sistemului;

Sarcinile specifice sunt de manipulare ceea ce conduce la necesitatea unor subsisteme care

permit :

o Modificarea poziiei;

o Modificarea orientrii;

o Prehensarea obiectului, apucarea lui.

1.4. Complexitatea

Complexitatea este un concept (idee) care se refer la sisteme alctuite din multe elemente i este de

multe ori sinonim cu complicat, greu de neles (nclcit). Sublinierea acestui caracter al sistemelor cu

care operm din ce in ce mai mult are rolul de a imagina strategii de analiz i de sintez (proiectare) ale

acestora.

Cunoaterea sistemelor complexe necesit imaginarea unor niveluri de abstractizare ierarhizate n care

fiecare nivel se refer la un anumit sistem care este alctuit din elemente conectate n vererea realizrii

unor funcii specifice acestui sistem. Funciile menionate depesc din punct de vedere al abstractizrii

funcionarea elementelor care compun sistemul. Dac ne intereseaz funcionarea unui anumit element

al sistemului atunci ne vom referi la un nivel de abstractizare inferior.

Apar deci dou tipuri de funcii. Cele care sunt realizate de sistem, acestea sunt emergente, sunt impuse

de ctre utilizator. Respectiv cele specifice elementelor, impuse de proiectant, necesare pentru

realizarea primelor tipuri de funcii, eludate ns de utilizator. Existena acestei tipologii poate fi

neleas i ca o relaie de tipul extern, intern. Mai precis, funciile sistemului sunt relaii cauzale ntre

conexiunile acestuia cu exteriorul (universul), funciile elementelor sunt relaii ntre elementele

componente. Poate fi sesizat deasemenea i o ruptur n modul de gandire al utilizatorului, cel care

beneficiaz de funciile sistemului i priectant cel care trebuie s implementeze funciile interioare.

Sistemele complexe pot fi descrise prin urmtoarle atribute:

Structur ierarhic: sistemul complex este compus din subsisteme care la rndul lor pot fi

divizate n alte subsisteme;

Primitivele relative: din raiuni de cunoatere sunt evideniate primitivele, cele care constituie

baza de elemente de la care pornete construcia subsistemelor i a sistemelor. Este evident

faptul c definirea unui element, subsistem ca primitiv este un proces subiectiv care este la

latitudinea observatorului;

Legturile dintre elemente: constituie, in final, principalul mod de a identifica subsistemele,

subsistemele acestor subsisteme etc. Putem observa legaturi puternice - cu o dinamic mai

puternic, cu frecven nalt, cu timpi de stabilizare redui care sunt specifice ntre

elementele unui sistem, precum i legaturi mai slabe cu o dinamic mai redus, cu frecvene

mai joase cu timpi de stabilizare mai mari care sunt specifice ntre subsisteme;

Stucturi comune: evideniaz dorina de a utiliza n realizarea, cunoaterea acestor sisteme de

paternuri, abloane pe care le cunotem deja;

Evoluia prin forme intermediare stabile: nelegerea, proiectarea i realizarea unui sistem

complex este una evolutiv care dezvolt sisteme simple. Stabilitatea rezultatelor succesive, a

iteraiilor, care apar ntre variantele iniiale i cele finale se refer la faptul c acestea

funcioneaz n limitele unor anumite cerine din ce n ce mai aproape de cele ale utilizatorului.

Descrierea (cunoaterea) unui sistem complex necesit surprinderea a dou ierarhi. Este vorba despre

ierarhia clasei din care face parte sistemul i cea a obiectului din care este parte.

De exemplu un motor MaxonEC, face parte din clasa motoarelor de CC dar utilizat pentru construcia

robotului face parte din sistemul su de acionare. Faptu c Maxom EC este un motor de CC permite

utilizarea (prin adaptare la parametrii acestui motor) tuturor cunotinelor pe care le avem relativ la

motoarele de CC: modelul su dinamic, schemele de legare la o surs de putere, schemele de control

aferente etc. Apartenena sa la sistemul de acionare permite accesarea cunotinelor relativ la aceste

sisteme: funciile pe care trebuie s le genereze, viteza de reacie, puterea, asamblarea la structura

robotului etc.

ntelegerea complexitii poate fi de tip algoritmic, cea care evideniaz operaiile necesare realizrii

unei funcii, obiectiv, task, respectiv cea orientat pe obiecte (OO). Mecanismul PCAP se refer la cea din

urm.

Prin obiect nelegem un element tangibil din realitate de exemplu element al structurii de poziionare,

motor de CC, senzor, program de realizare a unui task, interfaa cu utilizatorul etc. Obiectul este acea

entitate care se comport ntr-un mod predefinit adic este cauzal definit. nelegereaorientat pe

obiecte include modularizarea i abstractizarea (cele dou concepte iniiale de la care s-a pornit). Ea

presupune identificarea obiectelor care particip la realizarea sarcinii.

1.5. Modelul Obiect

Conceptul de Frame, (cadru) a fost propus de Marvin Minski [A Framework for Representing KnowledgeThe

Psychology of Computer Vision, P. Winston (Ed.), McGraw-Hill, 1975]ca structur de date si de funcionalitai

utilizabil n cadrul tiinei numit Inteligena artificial (IA). Un Frame se referea la o mulime de entiti

care au un anumit comportament apriori cunoscut. Originea acestui concept consta n dorina de a

rezolva una din (complicatele) probleme ale IA: percepia. Agentul inteligent tia c n anumite condiii

pot fi ntlnite anumite entiti care se comport ntr-un anumit mod. n consecin acesta se concentra

asupra acestora, trecand cu vederea restul obiectelor (n numr considerabil) care se gsesc n univers.

Economia n gndire (procesare de informaii) era una din beneficiile acestei idei.

Pentru a exemplifica conceptul menionat ne vom imagina (experiment mental) c intrm ntr-o

buctrie. Ceea ce n mod legitim tim c vom percepe sunt entiti ca: mese, scaune, chiuvete, sobe de

gtit etc. Nu tim cum va arta concret masa pe care o vom vedea dar cunoatem deja clasa maselor

astfel nct ceea ce trebuie s facem este s adaptm conceptul de mas la ceea ce vedem. Este puin

probabil ca n buctrie vom vedea un pian, astfel nct nu ne vom aduce n memoria de scurt durat

conceptul clasei pianelor. Exemplul aduce n discuie dou noiuni pe care le utilizm n mod curent,

conceptul i clasa. Clasa este o mulime de entiti care au proprieti comune (clasa scaunelor, meselor,

pisicilor etc.) iar conceptul clasei este acel element (real sau imaginar)al clasei care este reprezentativ

acesteia. (Termenul de concept se poate utiliza i pentru a meniona o idee important , semnificativ)

Ideea de Frame a fost preluat i dezvoltat n cea de Obiect. Dup cum am menionat n paragreafele

anterioare ea poate fi utilizat n cunoaterea (analiza) i proiectarea (sinteza) sistemelor complexe.

Aceste sisteme sunt din domeniul realului (camion, robot, fier de clcat etc.) ct i din domeniul

abstractului (algoritm, program etc.). Conceptul de obiect s-a dezvoltat foarte mult n programare,

programarea orientat pe obiecte (OO) devenind una din paradigele acestui proces. Aceast dezvoltare

a inclus mecanisme de analiz i de sintez care constitue un exemplu care a fost utilizat i la alte

sisteme (mecanice, electrice etc.). PCAP este un astfel de mecanism care surprinde un modul de

cunoatere al sistemelor complexe.

Datorit caracterului exemplificator al programrii OO vom prezenta n cele ce urmeaz cteva din

elementele care o definesc. Obiectul este o entitate tangibil care reunete ideea de algoritm cu cea de

date. Obiectul are anumite comportamente descrise prin algoritmi, poate avea modificri de stare, dar

are o structur de proprieti invariante.

Pentru c s-a menionat faptul c programarea OO a devenit o paradigm de programare vom aminti c

ea a evoluat prin dou abstractizri. Prima este una structural n care comportamente care se repetau

au fost reunite n subprograme iar a doua este una de modularizare n care structuri de progame

asemnatoare au fost reunite (abstratizare i modularizare). Dac paradigma (anterioar) a procedurilor

poate fi pus n coresponden cu verbele (aciunea asupra unei date), programarea OO este asociat cu

pronumele (date asupra crora se acioneaz ntr-un mod specific). La fel ca n cazul Frame-urilor o

anumit dat (ansamblu de date) implic aciuni specifice.

De exemplu o mas este utilizat pentru a susine anumite obiecte n anumite condiii, dei aparent are

proprieti diferite (cunoatem o mare varietate de mese) n fapt ne referim la valori diferite ale unei

mulimi de proprieti de acelai tip.

La rndul ei programarea OO a cunoscut abstractizri interioare de tipul Obiecte, Clase i Clustere. Este

vorba de a reuni anumite obiecte sub forma unei definiii comune care le poate genera ceea ce a condus

la apariia conceptului de Clase, respectiv de a reuni obiecte cu funcionalitate comun adic definirea

unui Cluster.

Paradigma programarii OO conine mecanisme de analiza OO, proiectare OO, programare propriu zis

OO. Astfel:

Programarea OO este o metod de de programare n care programele sunt aranjate sub forma

unor colecii de obiecte care coopereaz. Obiectele sunt instanieri ale claselor care la rndul lor

aparin anumitor ierarhi;

Proiectarea OO este o metod de proiectare care se bazeaz pe descompunerea n obiecte;

Analiza OO este o metod de analiz caredescompune cerinele unui sistem n cerine specifice

obiectelor

Figura 1.4. Succesiunea mecanismelor utilizate la realizarea unui program

Figura1. 4 surprinde succesiunea utilizabil la realizarea unui program OO. Procesul ncepe cu analiza OO

care are ca rezultat realizarea unor modele. Modelele sunt apoi transformate n obiecte de ctre

Analiza OO Proiectarea OO Programarea OO

Alte metode

Modele Obiecte Programe

proiectarea OO, urmnd ca n final acestea s fie transpuse n programe prin programarea OO. Se

menioneaz i faptul c exist i alte posibiliti de a transpune modlele n programe.

Definiia conceptului de Obiect este completat prin evidenierea caracteristicilor sale. Acestea sunt n

conformitate cu Grady Booch [Object Oriented Analysis and Design with Applications, Addison Wesley2007] de

dou tipuri, majore cele care sunt mereu prezente i minore, cele care pot s apar. Din categoria

caracteristicilor majore menionm:

Abstracia, care se refer la eludarea a tot ceea ce este nesemnificativ. Prin evidenierea

trsturilor eseniale care prin valorile lor pot diferenia obiectele, abstracia permite definirea

clasei. Tot aici sunt precizate posibilitile, protocolul, de conectare cu un alt obiect. n concluzie

abstractizarea este cea care definete obiectul;

ncapsularea, cea care secretizeaz obiectul vizavi de utilizator, definind cele dou pri ale

obiectului, interfaa i implementarea. Interfaa este vizibil utilizatorului i cuprinde

modalitile de generare ale comportamentelor specifice ale acestuia, iar implementarea este

partea invizibil pentru utilizator, cea care permite (de fapt) realizarea comportamentelor

solicitate prin interfa;

Modularitatea, proprietatea sistemelor de a fi descompuse n module, grupeaz clasele i

obiectele care au legturi specifice n mulimi.

Ierarhia permite ordonarea claselor i obiectelor. Astfel clasa aparine unei structuri ce poate fi

definit prin sintagma Este o..., iar obiectul uneia de tipul Parte a....Ierarhiile sunt descrise prin

concepte de tipul:

o Motenire, ceea ce implic generalizare i existena subclaselor , a prinilor i a

urmailor. Motenirea permite reutilizarea datelor sau a metodelor claselor prini de

ctre clasele urmasi.De exemplu, robotul este un manipulator programabil sau SCARA

este un robot cu trei grade de mobilitate, el motenete de la clasa robot faptul c

acesta este un maipulator, faptul c poate fi programat etc. dar n acelai timp

particularizeaz anumite proprieti, metode ale acestuia are doar trei grade de

mobilitate, respectiv introduce metode, proprieti noi ;

o Agregarea , ceea ce implic o legtur de tipul unei cooperri n vederea realizrii unui

obiectiv comun. De exemplu, sistemul de acionare al robotului este parte a acestuia.

Din categoria caracteristicilor minore menionm:

Tipologia, cea care ramforsez caracterul unuei anumite clase i permite conexiunea obiectelor.

De exempul, sistemul de acionare al acestui robot este unul cu motoare CC; el poate fi conectat

la anumite surse de energie i nu la altele.

Concurena.

Un obiect este ceva perceptibil (tangibil sau vizibil) ceva care poate fi neles, ceva care poate fi descris

printr-o stare; are un anumit comportament specific; are o identitate precis.

Starea unui obiect cuprinde valorile proprietilor acestuia. De exemplu Robotul (n sens

general) nu este un obiect (este o clasa care poate fi instaniat n diferite obiecte), dar Robotul

ABB din laboratorul de robotic este un obiect, el are proprieti binedefinite: volum de lucru,

greutate,..., etc.

Comportamentul descrie modul n care obiectul acioneaz n anumite circumstane date,

putnd fi descris prin schimbrile (modificrile) strii acestuia. Afirmaie poate fi inversat n

sensul n care starea obiectului este rezultatul comportamentelor acestuia. De exemplu starea

frigiderului poate fi definit prin: temperatura la interiorul frigiderului, faptul c motorul electric

care acioneaz asupra compresorului este pornit sau oprit etc. Aceste stri au fost determinate

de comportamentul frigiderului adic de modul lui specific de reacie la temperatura (de rcire)

impus de utilizator. n cazul unui robot manipulator starea lui poate fi descris (ntre altele) de

vitezele i poziiile relative ale elementelor (braelor) sale. Aceast stare este o consecin a

comportamentului de control al robotului.

Un comportament poate fi abstractizat ca fiind o sum de operaii (funcii). Specific paradigmei OO se

pot identifica urmtoarele tipuri:

Constructorul: este operaia care creaz obiectul adic (ntr-un sens mai larg) iniializeaz starile

acestuia. n cazul unui robot acest operaie o putem observa n dou moduri. n primul rnd

construirea efectiv a robotului, adic asamblarea sistemului mecanic a celui electric, a celui

informatic etc. Iar n al doilea rnd putem s o observm ca ansamblul de aciuni care permit

pornirea robotului generarea strii de stand by. Programul de conducere al robotului este

alctuit la rndul lui din obiecte (program) care sunt iniializate prin constructor.

Destructorul: este operaia de distrugere a obiectului. Bineneles i de acest dat este vorba

de a conduce robotul ctre o anumit stare de repaus, iar referitor la subsistemul lui informatic

de a elibera memoria calculatorului de anumite obiecte.

Modificatorul: este o operaie n sens general care modific starile unui obiect. De exemplu

nchiderea sau deschiderea unui prehensor, etc.

Selectorul: este o operaie de alegere a unui obiect far a-i modifica starea.

Iteratorul: este operaia care permite accesul ntr-un mod ordonat. De exemplu n cazul

manipulatoarelor se utilizeaz strategia de manipulare de tipul pick and place ceea ce necesit

realizarea unor iteraii de tipul: pregensorul este adus lng obiectul de manipulat,

manipulatorul prehensez obiectul, robotul deplaseaz obiectul n noua sa locaie dorit i n

cele din urm eliberaz acest obiect.

Comportamentele menionate au generat urmtoarele relaii dintre obiecte:

Legtura este o conexiune fizic sau conceptual ntre obiecte. Tipul legturilor poate clasifica la

obiecte n urmtoarele tipuri:

o Controler , atunci cnd un obiect opereaz asupra altui obiect. De exemplu n cazul

roboilor exist un obiect denumit controler, conectat (legat) la actuatorii acestuia pe

care i conduce n scopul realizrii poziiilor dorite n cuplele robotului;

o Server, atunci cnd obiectul rspunde la comenzile altui obiect. Continund exemplul

anterior putem afirma ca motorul de CC este un server al controlerului;

o Proxy, atunci cnd obiectul are ambele statute menionate anterior. De exemplu un

panou de interfaare este n legtur cu senzorii robotului de la care cere informaii i pe

care le afiseaz ca urmare a mesajelor trimise de acetia.

n figura 1.5 este schematizat exemplul anterior, evideniindu-se tipul legturii si obiectele care

sunt astfel conectate.

Figura 1.5. Tipul legturilor caracterizeaz comportamentul obiectelor

Agregarea este o conexiune care implic o anumit ierarhie de tipul ntreg parte. Aceste

legturi asigur ncapsularea obiectelor una fa de cealalt. Conexiunea este o agregare mai

slab ea fiind o legtur carepoate fi desfcut. De exemplu senzorul este parte a nunui servo

motor care la rndul lui este parte a sistemului de actionare al robotului. Putem s nlocuim

senzorul dac acesta s-a stricat sau dac ne dorim o alt calitate a msurtorilor. Este ns clar

c robotul nu poate fi conceput fr senzori sau fr servomotoare etc.

O clas reprezint o mulime de obiecte care posed o structur, un comportament i o semantic

comun. Este deja clar faptul c aceast noiune se refer la ceea ce n limbaj comun numim

conceptul unei clase, adic acel individ reprezentativ . Discutnd despre clase ne situm la un nivel

mai nalt al abstractizrii. Clasa roboilor conine toate atributele, comportamentele pe care le au

roboii dar acesta nu sunt instaniate (sunt variabile a cror valoare nu au fost atribuit).

Clasele posed interdependene de tipul:

Asociere: legturi slabe care apar la primele faze ale proiectrii i care pe parcursul aceteia se

vor transforma n legturi mai puternice (mai bine definite). De exemplu se poate spune ca

exist o legtur de asociere ntre clasa controlerelor si cea a senzorilor. n prim instan

aceast asociere nu d detalii asupra naturii intime a conexiunii;

Motenirea: este o legtur conceptual dintre o sub clas (urma, copil) i o super clas

(printe)n sensul n care o sub clas preia structura i sau comportamentele superclasei.

Motor CC Senzor

Controler Panou Afiare

[ controler] [ server]

[ proxy]

[ server]

[ proxy]

Motenirea se poate realiza prin extensie ceea ce nseamn c subclasa dezvolt setul de

comportamente precum i structura superclasei, respectiv prin restricie caz n care elementele

menionate se mrginesc. Motenirea poate fi singular, de la o singur superclas sau multipl

de la mai multe clase.

S-a fcut referire la analiza i proiectarea orientat pe obiecte (v. figura 1.4). Rolul obiectelor i a claselor

n aceste dou activiti apare acum mai clar. Astfel:

La nceput, n timpul analizei funciilor temei de proiectare i n primele etape ale acesteie se

face identificare claselor care formeaz vocabularul problemei (domeniului), identificarea

structurii pe care trebuie s o formeze conexiunea claselor pentru a rezolva problema. Adic

identificarea abstraciilor problemei i al mecanismul de implementare.

Proiectarea se face prin iteraii care dezvolt produsul printr-o succesiune de variante stabile.

Clasele sunt concretizate n obiecte care au comportamente specifice. Sistemele complexe (din

care fac parte i roboii) se proiectez i se realizeaz prin coroborarea mai multor echipe care

lucreaz n paralel. Acest lucru poate fi realizat dac funciile produsului sunt descompuse la un

nivel de abstractizare inferior specific subansamblelor. Un subansamblu este un sistem care

poate fi conectat n vederea realizrii sistemului care se afl la un nivel ierarhic superior.

Conexiunile menionate necesitatea imaginrii unor protocoale: contracte care prevd

funcionalitatea i interfaa fiecrui subansamblu. Subansamblele pot fi privite ca obiecte

ncapsulate cu o anumit funcionalitate ceea ce permite modularizarea lor.

Figura 1.6 ilustreaz o variant posibil a claselor care alctuiesc un robot. Vocabularul problemei a fost

identificat in subcapitolul consacrat definirii robotului. Pe scurt:

Interfaa Utilizatorului o clas care permite accesul utilizatorului n programarea robotului

respectiv afiarea datelor obinute prin monitorizarea robotului. Rolul acestei clase este n a

permite existena proprietii de ncapsulare, mai exact pentru un utilizator robotul este un

black box care are comportamente ce pot fi iniializate cu ajutorul acestei clase.

Comportamentul este descris prin evoluia mrimilor de stare care poate fi citit tot cu ajutorul

clasei. Exist multe variante de obiecte n care se concretizeaz aceast clas, o consol de

calculator, un pandant. La rndul lui acest obiect este n fapt un sistem complex alctuit din

conexiunea a mai multor obiecte.

La rdul ei figura 1.7 ilustreaz cele dou relaii de motenire i de agregare care pot fi identificate la

obiectele care compun lanul cinematic de poziionare i a celui de orientare al robotului.

Figura 1.6. Clasele care compun un robot (manipulator)

Interfa Utilizator

Program de Conducere

Task: Main de Stare

Comparator

Controler

Sistem de Actionare

Interfa surs de Energie

Mecanism Pozitionare, Orientare

Sistem Senzorial Intern

Sistem Senzorial Extern

Prehensor

Starea Curent

Obiect Manipulat

Mediu Extern

Figura 1.7. Relaii de motenire i de agregare ale obiectelor care compun lanul cinematic al robotului

Interfa

Mecanism

Obiect: Solid Rigid

Mecanism Pozitionare,

Legturi Mecanice: Cuple

Lan cinematic deschis

Mecanism Orientare