mecanisme pentru roboti care se deplaseaza prin salt

5/14/2018 Mecanisme Pentru Roboti Care Se Deplaseaza Prin Salt - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/mecanisme-pentru-roboti-care-se-deplaseaza-prin-salt

MECANISME PENTRU ROBO I CARE SE DEPLASEAZ PRINŢ Ă

SALT

OB INUTE PRIN STUDII PE SUBIEC I VIIŢ Ţ

1. INTRODUCERE

A a cum se tie, prinş ş biologie se în elege tiin a vie ii (gr.ţ ş ţ ţ bios - via ,ţă logos - tiin ) .ş ţă

Stabilirea i elucidarea unor analogii între sistemele tehnice i cele biologice a fost iş ş ş r mâne oă

inepuizabil surs de inspira ie în stimularea i dezvoltarea creativit ii tehnice.ă ă ţ ş ăţ

Una din cele mai tinere tiin e care s-au delimitat în ultimele decenii, esteş ţ bionica.

No iunea a fost introdus de americanul J.E.Steele în 1960 (provine din cuplareaţ ă

no iunilor de biologie i electronic ), pentru a desemna cercet rile de ciberneticţ ş ă ă ă orientate înspecial spre studiul simul rii mecanice a unor func ii caracteristice organismelor.ă ţ

Bionica a fost definit ca tiin a care studiaz func iile organismelor vii i simularea prină ş ţ ă ţ ş

mijloace tehnice a acestor func ii. Printre obiectivele cercet rii bionice actuale, o aten ieţ ă ţ specială

este acordat :ă

- studiului sistemului nervos conceput ca re ea hipercomplex de senzori;ţ ă

- studiului organelor senzoriale;

- studiului organelor efectoare.Studiul organelor efectoare i al proceselor de transmitere a comenzilor c tre organeleş ă

efectoare reprezint o parte esen ial a bionicii.ă ţ ă

Solu iile existente în natura vie în acest domeniu sunt extrem de diverse i ingenioase.ţ ş

Studiul i imitarea lor este de o inestimabil utilitate în circumstan e nenum rate. Caş ă ţ ă

exemple tipice pot fi citate cele ale construc iei manipulatoarelor automate i aleţ ş pedipulatoarelorautomate.

A a cum se tie,ş ş mecanismul este un sistem mecanic în care corpurile materiale

rezistente componente, între care exist leg turi mobile, î i pot schimba sub ac iuneaă ă ş ţ for elorţ

pozi ia relativ , în mod determinat, pentru îndeplinirea unor func ii necesareţ ă ţ (transmiterea puteriimecanice, a for elor, a mi c rilor, ghidarea corpurilor etc.).ţ ş ă

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

caracteristici



comune cu mecanismul definit anterior.

Mecanismul bionic reprezint acele mecanisme care modeleaz structura i func iileă ă ş ţ

biomecanismelor. Acesta se mai poate defini ca fiind mecanism echivalent

biomecanismului 9 .ă ş

Biomecanismul este mecanismul existent în biosisteme.Mecanismul bionic este mecanismul care modeleaz structura i func iileă ş ţ

biomecanismului.Devin astfel, interesante, biomecanismele care realizeaz performan e deosebite. Întreă ţ

acestea, biomecanismele care realizeaz locomo ia prin salt se caracterizeaz prin:ă ţ ă

- deplasarea rapid ;ă

- consum energetic minim;- echilibrare dinamic ;ă

- prezint componente care realizeaz recul elastic.ă ă

Locomo ia prin salt a început s fie studiat relativ recent.ţ ă ă P rintele deplas rii prin salt, ă ăM. H. Raibert, a înfiin atţ MIT Leg Laboratory în 1980 pe care l-a condus pân în 1995.ă

În 1980Marc Raibert era cadru diadctic asociat i preda metode computa ionale la Institutul deş ţ Robotic ,ă

dup care a devenit profesor de inginerie electric i de tiin e informa ionale devenindă ă ş ş ţ ţ membru

al Artificial Intelligence Laboratory. În 1995 Raibert a devenit pre edintele companieiş

private

Boston Dynamics Inc.În

perioada

1980-2000 MIT Leg Laboratory a proiectat i a realizat aproximativ 20 deş

robo i, majoritatea ob inu i pe baza studiilor realizate pe subiec i din regnul animalţ ţ ţ ţ (dinozaur,

flamingo, curcan, capr , cal, cangur etc.)ă [10].

2. ANALIZA MI C RII DE SALT A BROA TEI-DE-LACŞ Ă ŞPentru identificarea func iilor cinematice ale biomecanismului aferent locomo iei prinţ ţ

saltla broasc a fost necesar filmarea în condi ii de laborator a subiectului viu. S-au folosită ă ţ

două

exemplare de broasc -de-lac mareă (Rana ridibunda ridibunda) dintre care unul de masă

10,7 g,iar cel lalt de mas 25 g.ă ă

Filmarea s-a realizat în dou etape:ă



1. În condi ii de studio cu douţ ă camere mobile de tipul PANASONIC M40 i SONY 8ş

mm.

2. În condi ii de studio cu douţ ă camere fixe de tipul JVC cu 20 cadre/sec.

Subiec ii au fost introdu i într-o cutie de sticl la care s-au ata at repere fixe trasate peţ ş ă ş

hârtiemilimetric pe dou fe e ale acesteia. S-au realizat film ri paralel cu planul YOZ, XOY iă ă ţ ă ş XOZcare au pus în eviden parametrii cinematici necesari pentru identificarea mi c riiţă ş ă spa iale.ţ

S-au utilizat mai multe scheme principale de filmare utilizând în principal două camere

de luat vederi. O astfel de schem de filmare este prezentat în fig.1.ă ă

Fig.1. Schema de filmare la care o camer a fost amplasat perpendicular pe planul YOZ,ă ă iar

cealalt perpendicular pe planul XOY.ă

Film rile s-au realizat cuă camere fixe fixate pe trepied sau cu camere mobile cu operator

uman, analiza mi c rii studiindu-se fa de reperul fix XYZ sau fa de un alt reper fixş ă ţă ţă

paralel cuacesta. Filmarea s-a realizat în timp real cu 20 de cadre pe secund , f r contorizareaă ă ă

timpului pevideocamer , baza de timp luându-se în considerare pe filmele digitale ob inute.ă ţ

Utilizând unvideocasetofon PANASONIC NV-P2U (videoplayer cu înregistrare) i un calculator cuş

procesorPentium II dotat cu o plac de captură ă video 3DEMON iar cu programul Adobe Premiere

4.2. s-a

transformat semnalul video în fi iere TIFF Bitmap (20 de fi iere pentru fiecare secundş ş ă

de film)



la rezolu ia 320x420 dpi. Programul Adobe Premiere 4.2. este un program de captur deţ ă imagine

care pe lâng posibilitatea transform rii semnaluluiă ă video în film digital permite

selectarea

secven elor i montarea acestora, având toate instrumentele necesare unui laborator deţ ş montaj.

Pentru filmele realizate (care s-au ob inut cuţ camere care filmeaz cu 20 de cadre peă

secund )ă

s-au ob inut secven e TIFF pentru fragmentele selectate care cuprind salturile interesante.ţ ţ Trebuieremarcat faptul c , din materialul vast filmat numai o parte foarte mic devine materială ă realpentru analiza saltului, deoarece:

- condi iilor de studio sunt complet diferite de ecosistemul animalelor studiate;ţ- exist timpi de preg tire i de a teptare;ă ă ş ş

- subiec ii obosesc relativ repede (dup 4-5 salturi);ţ ă

- subiec ii analiza i sunt activi noaptea i mai pu in în timpul zilei;ţ ţ ş ţ

- deseori, subiec ii lovesc pere ii în timpul saltului datorit reflexiei de oglind a sticleiţ ţ ă ă

(animalul consider c este prezent un alt exemplar în apropiere).ă ă

Materialul selectat i transformat în imagini TIFF este supus opera iei de contorizare prinş ţ introducerea bazei de timp; prin filmare cu 20 de cadre pe secund se poate considera că ă se ob ineţ

o imagine la fiecare 0,05 secunde. De asemenea, se traseaz sistemul global fix la care seă varaporta mi carea de salt. În figura 7 se prezint o imagine cu contorul de timp i sistemulş ă ş

fix deaxe.

Se constat c se pot ob ine solu ii relativ precise pentru pozi iile punctelor caracteristiceă ă ţ ţ ţ

biomecanismului broa tei-de-lac, chiar dac se face analiza unor imagini laterale (prinş ă

filmareaplanului XOZ) utilizând aceste unelte auxiliare suprapuse peste imaginea brut ob inută ţ ă

prin prelucrarea cu Adobe Premiere, urmat de prelucrarea cu CorelDraw. Astfel, seă

poate extragecoordonata Y pentru punctele aflate în centrul articula iilor prin trasarea auxiliar aţ ă proiectantelorpe planul XOY.Pentru sistematizarea datelor s-a considerat c este necesar schematizarea structuriiă ă



biomecanice a subiectului studiat, precum i notarea articula iilor principale careş ţ particip laă

locomo ia prin salt. Astfel, s-a ob inut schema din figura 2 care s-a creat printr-o serie deţ ţ

simplific ri evidente.ă

Fig.2. O schem a biomecanismului broa tei-de-lac creat pentru sistematizarea datelor.ă ş ă

Pentru determinarea pozi iilor punctelor caracteristice ale biomecanismului s-a analizat oţ

secven de film format din nou imagini prezentate în figura 3.ţă ă ă

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

Cu instrumentele expuse anterior i prin citirea direct a coordonatelor pe imagini s-auş ă

ob inut rezultate de tipul celor prezentate în tabelul 1:ţ

Tabelul 1-Datele m surate ale punctului Aă

Curbele pe care se deplaseaz punctele caracteristice ale biomecanismului pot fiă



vizualizate prin intermediul func ieiţ 3DPOLY din programul AUTOCAD. În acela iş

program se

poate ob ine o interpolare grafic deţ ă tip spline-spa ial ţ utilizând comanda PEDIT . În

figura 4 se

prezint varia ia ob inut prin înc rcarea direct a datelor (cu albastru) i curba realizată ţ ţ ă ă ă ş ă prininterpolare spline (ro u) 6 .ş ă ş

Fig.4. Varia ia punctului A în func ie de timp.ţ ţ

Pe baza datelor m surate s-a încercat interpolarea rezultatelor cu func ii polinomiale deă ţ

gradul 8 de tipul:

F(t)=a tPentru aceasta s-a utilizat programul Mathematica 2.2

În acest program s-a format un sistem de 9 ecua ii cu 9 necunoscute pe baza datelorţ

prezentate în tabelele 1-15 care este rezolvat cu func iaţ NAlgebraicRules

Dup rezolvare se ob ine urm toarea func ie de gradul 8 pentru coordonata x a punctuluiă ţ ă ţA:

2 6 3 7 4

XA(t) = 70 + 5599.13 t - 286390. t + 5.62982 10 t - 5.61025 10 t +

8 5 8 6 9 7 8 8

3.0924 10 t - 9.50151 10 t + 1.52044 10 t - 9.86178 10 t

Pentru

ob inerea graficului func iei x(t) pentru punctul A se aplic func iaţ ţ ă ţ Plot . În figura

5 este prezentat varia ia coordonatei X în func ie de timp pentru punctul A.ă ţ ţ



Fig.5. Varia ia func iei X(t) a punctului A.ţ ţ

Pentruob inerea componentei pe axa OX a vitezei punctului A se deriveaz în func ie deţ ă ţ

timp func ia X(t) ob inut anterior, prin intermediul func ieiţ ţ ă ţ Dt i se ob ine func iaş ţ ţ

prezentat înă

figura 6.

Fig.6. Varia ia componentei pe axa OX a vitezei.ţ

Aceast component a vitezei se mai deriveaz înc o dat i se ob ine componentaă ă ă ă ă ş ţ

accelera iei pe axa ox a punctului A care este prezentat în figura 7.ţ ă

Fig.7. Varia ia componentei pe OX a accelera iei punctului A.ţ ţ

Asem n tor, se determin varia iile coordonatelor, vitezelor i accelera iilor pentruă ă ă ţ ş ţ

celelalte puncte caracteristice ale biomecanismului .Pentru determinarea unor mecanisme echivalente care s permit deplasarea prin salt esteă ă foarte important studiul scheletului i a mobilit ilor acestuia.ş ăţ

Corpul vertebrelor este individualizat, fiind amficelic la urodele inferioare. În lungulcoloanei vertebrale se disting patru regiuni: cervical , dorso-lombar , sacral i codal .ă ă ă ş ă



În regiunea gâtului se g se te o singur vertebr care nu corespunde cu atlasulă ş ă ă amniotelor.Regiunea toraco-lombar are vertebre prev zute cu apofize transversale la care s-au sudată ă rudimentele coastei. Acestea nu se unesc într-un stern adev rat. Vertebra unic careă ă

alc tuie teă şregiunea sacral are apofize transverse foarte dezvoltate, servind la articularea cu centuraă

pelvian (fig.8.).ă

Fig.8. Scheletul la broasc , vedere general .ă ă

În urma studiilor prezentate anterior s-au ob inut lan uri cinematice echivalente pentruţ ţ

fiecare component al scheletului, inând seama i de elasticit ile importante. Acesteţ ş ăţ componenteale viitorului mecanism echivalent sunt prezentate în figura 9.

Fig.9. Paralelism între elementele biomecanismului i lan urile cinematice echivalente.ş ţ

Prin asamblarea lan urilor echivalente biomecanismului se ob ine mecanismul din figuraţ ţ

10.



Fig.10. Mecanismul echivalent al broa tei-de-lac compus din 99 elemente.ş

mecanisme pentru roboti care se deplaseaza prin salt

Documents