Cercetri privind realizarea sistemelor robotizate mobile cu deplasare prin salt

Cuprins1

Introducere. pg.3 Domenii n care este incident mecatronica i roboii industriali.............................pg.4 Analiza micarii de salt a broatei-de lac................................................................pg.7 Concluzii................................................................................................................pg.13

2

Introducere

Aa cum se tie, prin biologie se nelege tiina vieii (gr. bios - via, logos tiin) . Stabilirea i elucidarea unor analogii ntre sistemele tehnice i cele biologice a fost i rmne o inepuizabil surs de inspiraie n stimularea i dezvoltarea creativitii tehnice. Una din cele mai tinere tiine care s-au delimitat n ultimele decenii, este bionica. Noiunea a fost introdus de americanul J.E.Steele n 1960 (provine din cuplarea noiunilor de biologie i electronic), pentru a desemna cercetrile de cibernetic orientate n special spre studiul simulrii mecanice a unor funcii caracteristice organismelor. Bionica a fost definit ca tiina care studiaz funciile organismelor vii i simularea prin mijloace tehnice a acestor funcii. Printre obiectivele cercetrii bionice actuale, o atenie special este acordat: - studiului sistemului nervos conceput ca reea hipercomplex de senzori; - studiului organelor senzoriale; - studiului organelor efectoare. Studiul organelor efectoare i al proceselor de transmitere a comenzilor ctre organele efectoare reprezint o parte esenial a bionicii. Soluiile existente n natura vie n acest domeniu sunt extrem de diverse i ingenioase. Studiul i imitarea lor este de o inestimabil utilitate n circumstane nenumrate. Ca exemple tipice pot fi citate cele ale construciei manipulatoarelor automate i ale pedipulatoarelor automate. Aa cum se tie, mecanismul este un sistem mecanic n care corpurile material rezistente componente, ntre care exist legturi mobile, i pot schimba sub aciunea forelor poziia relativ, n mod determinat, pentru ndeplinirea unor funcii necesare (transmiterea puterii mecanice, a forelor, a micrilor, ghidarea corpurilor etc.). Biomecanismul este acel sistem mecanic ntlnit n organismele vii, care are caracteristici comune cu mecanismul definit anterior.

3

Mecanismul bionic reprezint acele mecanisme care modeleaz structura i funciile biomecanismelor. Acesta se mai poate defini ca fiind mecanism echivalent biomecanismului. Biomecanismul este mecanismul existent n biosisteme. Mecanismul bionic este mecanismul care modeleaz structura i funciile biomecanismului. Devin astfel, interesante, biomecanismele care realizeaz performane deosebite. ntre acestea, biomecanismele care realizeaz locomoia prin salt se caracterizeaz prin: - deplasarea rapid; - consum energetic minim; - echilibrare dinamic; - prezint componente care realizeaz recul elastic. Locomoia prin salt a nceput s fie studiat relativ recent. Printele deplasrii prin salt,M. H. Raibert, a nfiinat MIT Leg Laboratory n 1980 pe care l-a condus pn n 1995. n 1980 Marc Raibert era cadru diadactic asociat i preda metode computaionale la Institutul de Robotic, dup care a devenit profesor de inginerie electric i de tiine informaionale devenind membru al Artificial Intelligence Laboratory. n 1995 Raibert a devenit preedintele companiei private Boston Dynamics Inc. n perioada 1980-2000 MIT Leg Laboratory a proiectat i a realizat aproximativ 20 de roboi, majoritatea obinui pe baza studiilor realizate pe subieci din regnul animal (dinozaur,flamingo, curcan, capr, cal, cangur etc.) Domenii n care este incident mecatronica i roboii industriali Primele cercetari in domeniul roboticii au fost initiate la inceputul anilor '60. Dupa un avant substantial al aplicatiilor roboticii in domeniul industrial, cu precadere in industria automobilelor, la inceputul anilor '90 s-au conturat multiple aplicatii in domeniile neindustriale (nemanufacturiere). Asupra acestor aplicatii dorim sa atragem atentia, cu atat mai mult cu cat s-a estimat ca robotica urmeaza sa joace un rol raport insemnat (pe 2001) in al restructurarea IFR civilizatiei Federation mileniului of trei. Aceasta afirmatie poate fi usor sustinuta cu cateva date statistice continute in ultimul (International Robotics). 4

Astfel, in anul 2000 s-au pus in functiune 98700 unitati de roboti, numarul total ajungand la 749800 de unitati, iar valoarea totala a pietei corespunzatoare acestui domeniu a fost estimata la 5,7 mld. de dolari SUA. Statisticile privind tipurile de roboti arata sugestiv cresteri importante ale numarului robotilor care raspund unor aplicatii neindustriale. Daca in cursul anului 2000 numarul unitatilor instalate a ajuns la 112500, la sfarsitul anului 2004 se estimeaza ca numarul acestora va ajunge la aproape 625000. Aceasta dezvoltare, chiar spectaculoasa, in directia aplicatiilor neindustriale justifica trecerea in revista in randurile de mai jos a principalelor subdomenii in care robotii nemanufacturieri sau robotii de serviciu isi pot gasi aplicabilitate. Aceste domenii sunt constructiile, reabilitarea bolnavilor, comert, transport si circulatia marfurilor, administratia locala, protectia mediului inconjurator si agricultura; supraveghere, inspectie, protectia de radiatii si interventii in caz de catastrofe; hoteluri si restaurante; in medicina, gospodarie, hobby si petrecerea timpului liber. Pentru a sugera aplicatii concrete in aceste subdomenii, aplicatii abordabile in colective interdisciplinare de ingineri, sunt precizate mai departe directiile care pot fi avute in vedere. In medicina: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru interventii neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopica; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizati la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, bauturilor si lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activitati de curatenie si dezinsectie in spitale; sisteme robotizate pentru pregatirea prin simulare, inainte de operatie, a unor interventii chirurgicale etc. Pentru reabilitare se pot identifica urmatoarele aplicatii: scaun cu rotile pliant, imbarcabil in autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevazatorilor etc. In constructii: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea soselelor, sistem robotizat pentru stropirea betonului in constructia tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea si nivelarea suprafetelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea fatadelor cladirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc. In administratia locala: vehicul autonom pentru curatirea zapezii de pe autostrazi; vehicul autonom pentru mentinerea curateniei pe strazi; sistem robotizat 5

pentru

inspectia

si

intretinerea

automata

a

canalelor

etc.

Pentru protejarea mediului inconjurator: sistem robotizat de sortare a gunoiului in vederea reciclarii, sistem automat de inspectare, curatare si reconditionare a cosurilor de fum inalte; platforme autonome mobile pentru decontaminarea persoanelor, cladirilor strazilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului etc. In agricultura, dintre aplicatiile posibile amintim: sistem robotizat de plantare a rasadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc. In comert, transporturi, circulatie: vehicule ghidate automat pentru intretinerea curateniei pe suprafete mari (peroane de gari, autogari si aerogari); sistem robotizat de curatire automata a fuselajului si aripilor avioanelor; sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc. Hotelurile si restaurantele pot fi prevazute cu: sisteme robotizate pentru pregatirea automata a salilor de restaurant, de conferinte; sistem de manipulare automata a veselei; minibar mobil pentru transportul bauturilor, ziarelor etc. Pentru siguranta si paza: robot mobil de paza pe timpul noptii in muzee; robot mobil pentru paza cladirilor si santierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; robot mobil pentru detectarea si dezamorsarea minelor; sistem robotizat pentru interventii in spatii periculoase etc. In gospodarie, pentru hobby si petrecerea timpului liber se pot identifica urmatoarele aplicatii: robot de supraveghere copii pentru diverse intervale de varsta; robot de gestionare si supraveghere generala a locuintei, robot mobil pentru pentru tunderea automata a gazonului; instalatie robotizata pentru curatirea barcilor de agrement si sport etc. Aspectele prezentate vin sa sprijine intentiile de a demara activitati in domeniul roboticii, unele din acestea putand deveni chiar activitati de succes, care pot constitui adevarate provocari pentru specialistii in robotica sau in domeniile apropiate.

6

Analiza micarii de salt a broatei-de lac Pentru identificarea funciilor cinematice ale biomecanismului aferent

locomoiei prin salt la broasc a fost necesar filmarea n condiii de laborator a subiectului viu. S-au folosit dou exemplare de broasc-de-lac mare (Rana ridibunda ridibunda) dintre care unul de mas 10,7 g, iar cellalt de mas 25 g.

Filmarea s-a realizat n dou etape: 1. n condiii de studio cu dou camere mobile de tipul PANASONIC M40 i SONY 8 mm. 2. n condiii de studio cu dou camere fixe de tipul JVC cu 20 cadre/sec. Subiecii au fost introdui ntr-o cutie de sticl la care s-au ataat repere fixe trasate pe hrtie milimetric pe dou fee ale acesteia. S-au realizat filmri paralel cu planul YOZ, XOY i XOZ care au pus n eviden parametrii cinematici necesari pentru identificarea micrii spaiale.

Figura1: Schema de filmare la care o camer a fost amplasat perpendicular pe planul YOZ, iar cealalt perpendicular pe planul XOY.

7

Filmrile s-au realizat cu camere fixe fixate pe trepied sau cu camere mobile cu operator uman, analiza micrii studiindu-se fa de reperul fix XYZ sau fa de un alt reper fix paralel cu acesta. Filmarea s-a realizat n timp real cu 20 de cadre pe secund, fr contorizarea timpului pe videocamer, baza de timp lundu-se n considerare pe filmele digitale obinute. Utiliznd un videocasetofon PANASONIC NV-P2U (videoplayer cu nregistrare) i un calculator cu procesor Pentium II dotat cu o plac de captur video 3DEMON iar cu programul Adobe Premiere 4.2. s-a transformat semnalul video n fiiere TIFF Bitmap (20 de fiiere pentru fiecare secund de film) la rezoluia 320x420 dpi. Programul Adobe Premiere 4.2. este un program de captur de imagine care pe lng posibilitatea transformrii semnalului video n film digital permite selectarea secvenelor i montarea acestora, avnd toate instrumentele necesare unui laborator de montaj. Pentru filmele realizate (care s-au obinut cu camere care filmeaz cu 20 de cadre pe secund) s-au obinut secvene TIFF pentru fragmentele selectate care cuprind salturile interesante. Trebuie remarcat faptul c, din materialul vast filmat numai o parte foarte mic devine material real pentru analiza saltului, deoarece: - condiiilor de studio sunt complet diferite de ecosistemul animalelor studiate; - exist timpi de pregtire i de ateptare; - subiecii obosesc relativ repede (dup 4-5 salturi); - subiecii analizai sunt activi noaptea i mai puin n timpul zilei; - deseori, subiecii lovesc pereii n timpul saltului datorit reflexiei de oglind a sticlei(animalul consider c este prezent un alt exemplar n apropiere). Materialul selectat i transformat n imagini TIFF este supus operaiei de contorizare prin introducerea bazei de timp; prin filmare cu 20 de cadre pe secund se poate considera c se obine o imagine la fiecare 0,05 secunde. De asemenea, se traseaz sistemul global fix la care se va raporta micarea de salt. Se constat c se pot obine soluii relativ precise pentru poziiile punctelor caracteristice biomecanismului broatei-de-lac, chiar dac se face analiza unor imagini laterale (prin filmarea planului XOZ) utiliznd aceste unelte auxiliare suprapuse peste imaginea brut obinut prin prelucrarea cu Adobe Premiere, urmat de prelucrarea cu CorelDraw. Astfel, se poate extrage coordonata Y pentru punctele aflate n centrul articulaiilor prin trasarea auxiliar a proiectantelor pe planul 8

XOY. Pentru sistematizarea datelor s-a considerat c este necesar schematizarea structurii biomecanice a subiectului studiat, precum i notarea articulaiilor principale care particip la locomoia prin salt. Astfel, s-a obinut schema din figura 10 care s-a creat printr-o serie de simplificri evidente.

Fig. 2. O schem a biomecanismului broatei-de-lac creat pentru sistematizarea datelor. Pentru determinarea poziiilor punctelor caracteristice ale biomecanismului s-a analizat o secven de film format din nou imagini prezentate n figura 3.

Fig.3. Nou imagini ale unui ciclu de salt.

9

Cu instrumentele expuse anterior i prin citirea direct a coordonatelor pe imagini s-au obinut rezultate de tipul celor prezentate n tabelul 1: Tabelul 1-Datele msurate ale punctului A Punctul 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 A X(mm) Y(mm) Z(mm) 70 65 0 70 65 0 7o 65 0 70 65 0 92 56 9 160 67 0 160 67 0 160 66 0 160 65 0

Curbele pe care se deplaseaz punctele caracteristice ale biomecanismului pot fi vizualizate prin intermediul funciei 3DPOLY din programul AUTOCAD. n acelai program se poate obine o interpolare grafic de tip spline-spaial utiliznd comanda PEDIT. figura 4 se prezint variaia obinut prin ncrcarea direct a datelor (cu albastru) i curba realizat prin interpolare spline (rou).

Fig.4. Variaia punctului A n funcie de timp.

10

Pe baza datelor msurate s-a ncercat interpolarea rezultatelor cu funcii 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. n acest program s-a format un sistem de 9 ecuaii cu 9 necunoscute pe baza datelor prezentate n tabelele 1-15 care este rezolvat cu funcia NAlgebraicRules. Pentru determinarea unor mecanisme echivalente care s permit deplasarea prin salt este foarte important studiul scheletului i a mobilitilor acestuia. Corpul vertebrelor este individualizat, fiind amficelic la urodele inferioare. n lungul coloanei vertebrale se disting patru regiuni: cervical, dorso-lombar, sacral i codal. n regiunea gtului se gsete o singur vertebr care nu corespunde cu atlasul amniotelor. Regiunea toraco-lombar are vertebre prevzute cu apofize transversale la care s-au sudat rudimentele coastei. Acestea nu se unesc ntr-un stern adevrat. Vertebra unic care alctuiete regiunea sacral are apofize transverse foarte dezvoltate, servind la articularea cu centura pelvian (fig.5.).

Fig.5. Scheletul la broasc, vedere general.

11

n urma studiilor prezentate anterior s-au obinut lanuri cinematice echivalente pentru fiecare component al scheletului, innd seama i de elasticitile importante. Aceste componente ale viitorului mecanism echivalent sunt prezentate n figura 6.

Fig.6. Paralelism ntre elementele biomecanismului i lanurile cinematice echivalente. Prin asamblarea lanurilor echivalente biomecanismului se obine mecanismul echivalent al broatei-de-lac compus din 99 elemente.

Fig.7. Mecanismul echivalent al broatei-de-lac compus din 99 elemente.

12

3. Concluzii n urma studiilor realizate, rezult urmtoarele aspecte semnificative: Locomoia prin salt caracteristic broatei este asemntoare deplasrii iepurelui, asemnarea pornind de la configuraia membrelor. Spre deosebire de iepure, locomoia prin salt, la broasc, nu este realizat prin repetarea saltului, deplasarea fiind ocazional. De asemenea, s-a observat pe durata experimentelor c indivizii studiai nu pot executa mai mult de 4-5 salturi n decurs de 10 minute. Prin studierea salturilor s-a constatat c exist cel puin patru faze pentru un ciclu complet de salt. Aceste faze de salt sunt: a. Staionarea. n aceast faz picioarele posterioare sunt pliate sub corp i sunt aezate pe sol. Membrele anterioare se sprijin de asemenea pe sol, asigurnd corpului o uoar nclinare fa de planul orizontal. Animalul se afl n ateptare, faza avnd un consum energetic minim. b. Extensia. La apariia unui stimul extern, subiectul trece n faza de extensie care are ca durat de desfurare de maxim 0,2 secunde. n aceast faz articulaiile membrelor inferioare se destind, iar prin aceasta corpul capt o nclinare de maxim 40-45 a de planul orizontal. f Vitezele din articulaii capt valori cuprinse ntre 0,2 i 4 m/s, iar acceleraiile ntre 6 i 100m/s2. Centrul de mas al subiectului se deplaseaz spre nainte cu o vitez de maxim 2m/s i cu o acceleraie cuprins ntre 4 i 50m/s2. La sfritul acestei faze corpul este complet extins viteza atingnd valori de aproximativ 2m/s, iar acceleraia de aproximativ 50m/s2 . c. Decolarea i zborul. Decolarea apare la sfritul fazei de extensie i are ca date iniiale viteza i acceleraia de la finalul fazei anterioare. Corpul este nclinat cu aproximativ 40-450 i se poate considera c subiectul este aruncat oblic fa de planul orizontal. Spre sfritul fazei picioarele posterioare se retrag, aterizarea realizndu-se pe membrele din fa. Durata acestei faze este de 0,05 secunde vitezele atingnd valori de maxim 2m/s i acceleraii de maxim 50m/s2 .

13

d. Aterizarea i amortizarea. Aterizarea se realizeaz pe picioarele anterioare, n prim faz, iar n momentul imediat urmtor intervin i membrele posterioare care ating solul. Urmeaz un moment n care picioarele posterioare se strng sub corp i subiectul intr n faza de ateptare. Durata acestei faze reprezint aproximativ 0,2 secunde, deci jumtate din totalul unui ciclu de salt. Vitezele sunt cuprinse ntre 5 i 8m/s, iar acceleraiile ntre -15 i -100 m/s2. Interesant este poziia picioarelor posterioare, care datorit anatomiei scheletului (articulaia oldului - oasele femur, ischium i ilium) permit doar rotiri ale femurului ntr-un plan nclinat la aproximativ 30-40 0fa de planul longitudinal al coloanei vertebrale. Astfel, micarea picioarelor posterioare este limitat, pe parcursul tuturor fazelor saltului, la rotirea n aceste plane.

14