SINTEZA LUCRARII

FAZA 1 / 2009

Proiect ID 005/2007, Contract 263/2007

CERCETARI FUNDAMENTALE SI APLICATIVE PENTRU CONTROLUL IN

POZITIE AL ROBOTILOR PASITORI HFPC MERO

ETAPA UNICA 2009:

Obiectivul principal al proiectului consta in elaborarea de noi concepte si noi abordari in

controlul hibrid forta-pozitie al robotilor pasitori modulari cu dezvoltarea si realizarea

experimentala a unui nou sistem multiprocesor, de control in timp real, cu arhitectura deschisa

HFPC MERO.

In etapa curenta s-au realizat cele doua obiective corespunzatoarei fazei 1 pe 2009, care au ca

principal scop dezvoltarea sistemului HFPC de control al robotilor pasitori:

1 Dezvoltarea unor noi capabilitati tehnologice pentru control compliant cu functii de

urmarire al robotilor pasitori modulari HFPC – REALIZAT INTEGRAL

2. Conceperea unei noi metode de control fuzzy ¨multi-stage¨ (MS) pentru robotii pasitori

HFPC MERO – REALIZAT INTEGRAL

Pentru cresterea mobilitatii si stabilitatii in conditii reale si pentru obtinerea unor

performante superioare legate de posibilitatea deplasarii robotilor pasitori pe terenuri cu o

configuratie cat mai aproape de situatiile reale, activitatile din aceasta etapa au condus la

dezvoltarea unor noi capabilitati tehnologice ale sistemului HFPC de control al robotilor

pasitori modulari pentru mersul in panta respectiv pentru depasirea sau ocolirea unor obstacole.

O alta directie, avand acelasi scop, a fost conceperea unei noi metode de control fuzzy ¨multi-

stage¨ prin modelarea cinematica inversa a mecanismului picioarelor, prin modelarea cinematica

directa si inversa a punctelor de sprijin Pi ale picioarelor si modelarea matematica a pozitiei

centrului de greutate al robotului.

In continuare sunt prezentate succint conceptele dezvoltate in aceasta etapa si performantele

rezultate.

2

2

DEZVOLTAREA UNOR NOI CAPABILITATI TEHNOLOGICE

PENTRU CONTROL COMPLIANT CU FUNCTII DE URMARIRE AL ROBOTILOR

PASITORI MODULARI HFPC

S-a dezvoltat o noua metoda de control al traiectoriei de deplasare al robotilor

pasitori, prezentata pe larg intr-o lucrare, acceptata spre publicare intr-o revista cotata ISI, in

care miscarea robotului este controlata numai in spatiul mediului robotului. Dupa prezentarea

conceptelor si fundamentelor teoretice asupra acestei metode de control al robotilor pasitori se

face o analiza a metodei prin particularizare la robotii MERO, cu prezentarea modelului

matematic, a programului de control in timp real si a rezultatelor obtinute prin simulare. S-a

definit metoda de control al functiilor locomotorie la hexapodul cu structura MERO, luand in

considerare doua moduri de pasire, pasirea succesiva si pasirea simetrica tripoda. S-a dezvoltat

modelul geometric direct MGD, care presupune cunoasterea pozitiilor relative ale cuplelor

cinematice si determinarea pozitiei relative a terminatiei piciorului in raport cu robotul. S-a

dezvoltat modelul geometric invers MGI, care presupune determinarea coordonatelor

generalizate ale lantului cinematic fiind dati vectorii de pozitie ai extremitatilor acestuia. Plecand

de la aceste consideratii teoretice s-a realizat functia de pasire cu algoritmul pentru un pas de

robot.

Rezultatele teoretice obtinute in strategia de control a functiilor locomotorii au fost

confirmate prin simulare pe calculator in care s-a ales deplasarea uniforma a punctului

caracteristic al vehiculului M, pe un segment de dreapta. Simularea propriu-zisa se realizeaza in

urmatoarea ipoteza: l1=l2=l; h- cota lui M fata de sol, h=l; lungimea unui pas, d=l/2; a- cota

maxima de pasire , a=l/10. Reprezentarea configuratiilor piciorului se realizeaza in faza de

pasire, la 1/10 din intervalul de timp alocat pasirii (fig. 1).

timp

platforma

P

Vplatforma

Articulatiepicior

Centrugreutateplatforma

robot

Varf piciorrobot

Picior Liber Faza sprijin

3

3

Fig. 1. Reprezentarea grafica a un ciclu de pasire

Rezultatele teoretice obtinute in strategia de control a functiilor locomotorii au fost

confirmate prin simulare pe calculator.

S-a efectuat o analiza teoretica complexa asupra determinarii distribuţiei reale de

forţe în mecanismele picioarelor unui robot păşitor, care se deplasează în teren accidentat.

S-au definit sistemele de ecuatii care conduc la determinarea unei poziţii stabile a robotului

păşitor. S-au facut studii si cercetari teoretice referitoare la structura întărită de şase ori static

nedeterminată şi forţele de reacţiune în punctele de contact ale picioarelor cu terenul, prin

aplicarea metodei eforturilor:

S-a dezvoltat o strategie de control dinamic al mersului pentru roboţi pasitori

folosind ZMP şi informaţii inerţiale. Schema de control cuprinde generarea de modele ale

mersului compliante, compensarea ZMP în timp real într-o singura fază- faza de suport, cu

controlul amortizării articulaţiei piciorului, controlul unei pasiri stabile şi controlul poziţiei de

pasire bazat pe viteza unghiulară a platformei. În acest fel, robotul pasitor devine capabil să se

adapteze pe un teren denivelat, printr-un control in timp real, fără să-şi piardă stabilitatea în

timpul mersului. Pentru dezvoltarea unor noi capabilitati ale robotilor pasitori, cum ar fi mersul

pe panta, mersul prin depasirea sau ocolirea unor obstacole sunt necesare dezvoltarea unor

algoritmi inteligenti de inalt nivel. Aceasta deoarece mecanismul mersului este un process

complicat de înţeles, fiind un proces repetitiv de ‗înclinare‘ sau mişcări instabile care pot face ca

uneori, pe un teren denivelat, sa conduca la rasturnarea lui. Metoda aleasa, care se adapteaza

foarte bine la robotii pasitori modulari, este metoda punctului de moment zero ZMP (Zero

Moment Point).

Au fost realizate arhitectura sistemului si algoritmul de control pentu mersul

dinamic al robotului (fig.3) si s-a dezvoltat strategie de control al mersului care are la baza trei

moduri de control:

control al echilibrului robotului în timp real folosind feedback-ul sensorial

controlul schemei de mers - poate fi modificată periodic în funcţie de informaţiile

senzoriale din timpul fiecărui ciclu de mers;

controlul mişcării predictibile bazat pe o decizie rapidă din datele experimentale

anterioare.

CONTROL AL ECHILIBRULUI ROBOTULUI ÎN TIMP REAL. Pentru un robot

pasitor care se deplaseaza in panta sau pe un teren denivelat s-au dezvoltat 4 tipuri de bucle de

4

4

control online: controlorul de amortizare, control compensator ZMP, controlul orientării la

aterizare, controlorul timing la pasire.

CONTROLUL SCHEMEI DE MERS. Schema de control a modelului de mers conţine

două feluri de bucle de control online — controlorul amplitudinii balansului platformei şi control

avans/rotire al platformei.

CONTROLUL MIŞCĂRII PREDICTIBILE. Controlul mişcării predictibile se

bazează pe mişcările probabile ale robotului, fiind necesar sa prevenim mişcările anormale.

Aceasta înseamnă că anticipăm mişcările viitoare cu ajutorul informaţiilor experimentale

statistice şi apoi încercăm să prevenim condiţiile anormale prin controlul mişcărilor adiţionale. În

această metodă sunt 2 bucle de control online — bucla de control a poziţiei de aterizare şi

controlorul supra-inclinare prin prelucrarea semnalelor unor traductori inerţiali. Bucla de control

a poziţiei de aterizare este folosita să compenseze poziţia de contact pe pământ prin măsurarea

vitezei unghiulare.

platformei este esenţială pentru a mişca ZMP pe fiecare talpă în timpul mersului.

Au fost stabilite strategiile de programare pentru schemele de control raportate la

buclele de control si fazele mersului robotului, astfel: in controlul de balans in timp real se

realizeaza controlul de amortizare, compensarea ZMP, controlul orientarii la aterizare in fazele 1,

2 FSU, 3 si 4 FSU; in controlul mersului se realizeaza controlul amplitudinii si controlul

avansului/rotirii in fazele 2 FDS si 4 FDS; in controlul miscarii predictibile se realizeaza

controlul supra-aplecări robotului in faza 3 si controlul pasirii in fazele 1, 2 FSU si FDS, 4 FSU

si FDS, unde FSU şi FDS reprezinta: stare faza unic suport, respectiv faza dublu suport.

Tipurile de mers ale robotului sunt generate de trei programe-bloc, aflate in sistemul PC-OAH

şi anume: blocul de control al schemei de mers, care determină succesiunea şi modul de

deplasare a picioarelor; blocul de control al stabilităţii statice, care asigură deplasarea robotului

astfel încât proiecţia centrului de greutate al sistemului să rămână în interiorul poligonului

convex format de punctele de sprijin ale picioarelor; blocul de control al platformei care mentine

înălţimea prescrisa şi poziţia orizontala a platformei.

5

5

UTILIZAREA SENZORILOR DE FORTA PENTRU MERSUL ROBOTILOR

PASITORI MODULARI IN PANTA, DEPASIREA SAU OCOLIREA OBSTACOLELOR

S-a efectuat un amplu studiu asupra elementelor de baza in vederea determinarii

fortelor de reactiune din cuplele cinematice ale mecanismului piciorului unui robot pasitor.

Torsorul sistemului forţelor de reacţiune dintr-o cuplă cinematică, în ipoteza

simplificatoare a absenţei frecării dintre elementele adiacente, are două componente, şi anume:

forţa de reacţiune şi momentul de reacţiune. Aceste componente au un număr de proiecţii diferite

de zero, pe axele sistemului Denavit – Hartenberg din cupla respectivă, egal cu clasa cuplei. La

acestea se adaugă forţa de echilibrare sau momentul de echilibrare dacă cupla este motoare, de

translaţie, sau respectiv de rotaţie. Astfel, în cupla de rotaţie i se calculează trei componente ale

forţei de reacţiune şi două componente ale momentului de reacţiune, de-a lungul axelor OXi şi

OYi. În mod asemănător, în cuple de translaţie i, se calculează două componente ale forţei de

reacţiune, de-a lungul axelor OXi şi OYi, şi toate componentele momentului de reacţiune. Pentru

o forţă 111 kFjFiFF ZYX , definită prin componentele pe axele sistemului O1X1Y1Z1

anexat platformei robotului şi aplicată în punctul de sprijin P, rezultă valoarea torsorului

reactiunii din cupla 1, de-a lungul axei O1X1, deplasarea virtuală 1X :

.1111 ZPYPXPX FZFYFXR

care poate fi determinat din relatia:

.

10

1

4

4

4321

1

1

1X

Z

Y

X

Z

Y

X

P

P

PRX

P

P

PAAAQ

in care QRX este un operator al deplasarii virtuale, 1 2 3A A A matricele de transformare Denavit –

Hartenberg. În mod asemănător, proiecţia pe axa O2X2 a momentului de reacţiune din cupla

cinematică 2, ecuaţia (3) are forma:

,

10

2

4

4

4321

1

1

1X

P

P

PMX

P

P

PM

Z

Y

X

Z

Y

XAAQA

respectiv, momentele reactiunilor sunt: .1112 ZPYPXPX FZFYFXMR

Pentru robotii modulari MERO a fost conceput si experimentat un program de

calcul al fortelor de reactiune in articulatiile robotului in functie de o sarcina unitara data,

relatii necesare pentru proiectarea si controlul compliant al robotilor pasitori .

6

6

S-a dezvoltat o noua solutie constructiva, cu un grad ridicat de inovare, impreuna cu

arhitectura sistemului de comanda pentru robotii pasitori modulari care are la baza un

brevet european. Picioarele roboţilor păşitori în general trebuie să fie astfel realizate încât aceştia

să se poată deplasa cu un mers uniform şi rapid, asemănător cu mersul uman, în orice condiţii,

indiferent daca terenul este plat sau cu denivelari. Este de dorit ca robotul să aibă tălpile

picioarelor adecvate mersului pe orice fel de suprafeţe. Dacă tălpile picioarelor nu au forme

corespunzătoare, care să se adapteze terenului neregulat, atunci acestea nu sunt apte să aplice

terenului forţele motoare necesare deplasării, rezultând o forţă de reacţiune insuficient de mare

din partea terenului. Astfel, este imposibil de a se controla cu precizie poziţia şi direcţia de

înaintare, robotul face paşi greşiţi în teren şi se împiedică. Când talpa piciorului unui robot

păşitor se aşează pe teren, ea suferă un şoc mai mult sau mai puţin puternic datorită forţei de

reacţiune din partea terenului. Este necesară amortizarea şocului datorat forţei de reacţiune din

partea terenului, la contactul cu talpa piciorului robotului, pentru a se putea transmite forţele

necesare in cuplele motoare, în scopul menţinerii poziţiei dorite a corpului robotului si în

concordanţă cu mişcările periodice de păşire ale picioarelor.

S-au conceput variante simplificate in care numai primul modul, care reprezinta picioarele

din fata ale robotului pasitor, este echipat cu traductori, celelalte picioare urmand sa fie dotate cu

un numar redus de traductoare necesare realizarii masuratorilor ZMP si a sarcinilor externe.

Robotul păşitor echipat cu astfel de picioare poate păşi uniform şi repede şi – de asemenea – cu o

eficacitate sporită a consumului de energie în faza de transfer a piciorului.

S-au determinat experimental fortele de reactiune din punctele de contact cu terenul

pentru picioarele robotilor pasitori modulari. Distribuirea reacţiunilor în punctele de sprijin

este una din problemele cheie la organizarea mişcării robotului păşitor pe teren cu relief

complicat. Conurile de frecare în punctele de sprijin pe terenuri denivelate pot fi orientate

suficient de arbitrar, iar înseşi punctele de sprijin pot să nu aparţină simultan unui plan. Ca

premiza pentru posibilitatea rezolvării problemei distribuţiei raţionale a reacţiunilor serveşte

nedeterminarea statică. Se presupune că, fiecare picior al robotului se sprijină pe suprafaţă într-

un punct. Se analizează problema organizării paşilor dinamici ai robotului încât stabilitatea

statică să fie asigurată în fiecare moment de timp. Controlul mişcării robotului păşitor poate fi

descompus în două procese complementare: controlul ţinutei si controlul activ. Controlul ţinutei

se utilizează pentru a menţine înclinaţia corpului într-o orientare dorită astfel ca proiecţia

greutăţii să se facă în poligonul de sprijin. Controlul activ este asigurat prin senzorii de contact şi

senzorii care măsoară forţa de contact a fiecărui picior cu solul. Controlul activ extins şi în

7

7

articulaţiile platformei creează premizele unui control prin forţă al robotului păşitor la deplasarea

pe terenuri neregulate.

S-a obtinut un traductor de forta pentru controlul miscarii robotilor păşitori modulari

MERO in care valoarea lui cit este suficient de mare, pentru a fi achiziţionată şi prelucrată de

sistemul de comandă şi control HFPC. Se observa obtinerea unei deformatii specifice care prin

amplificare si formatare printr-o punte Wheatstone a condus la generarea unui semnal de iesire

cu liniaritate satisfacatoare pentru asigurarea unei conversii cu precizie de 10 biti. Aceasta eroare

de masura este suficient de mica pentru a nu influenta controlul miscarii in bucla al robotului

pasitor.

INTEGRAREA SISTEMULUI DE CONTROL

Sistemul de control este distributiv, deoarece el are multe articulaţii, senzori şi

echipamente periferice, cum ar fi: retea de comuncatii LAN pentru comunicari off-line, retea de

comunicatii rapida CAN pentru control in timp real, module de interfaţă digitale si analogice,

etc.

Prin folosirea arhitecturii de control distributive, încărcarea informaţională a controlerului

principal a fost efectiv diminuată. Pentru aceasta a trebui să se dezvolte sisteme slave de control

şi linii de comunicaţie între sistemul de control principal (master) şi sistemele slave. Sistemul

HFPC a fost conceput in structura distribuita si descentralizata pentru a permite dezvoltarea cu

usurinta a unor aplicatii noi sau suplimentarea cu noi module hardware sau software pentru noi

functii de control.

In baza studiilor si analizelor realizate a fost completata arhitectura sistemului de

control compliant cu functii de urmarire a robotilor pasitori HFPC prin implementarea a

numeroase bucle de control in diferitele faza de mers ale robotului care asigura dezvoltarea de

noi capabilitati tehnologice, cu adaptarea pasirii robotului la mersul pe terenuri in panta, cu

obstacole respectiv denivelari. In acest sens, a fost studiat si analizat un nou algoritm de control

al mersului dinamic pentru roboţii bazat pe instrumente senzoriale cum ar fi forţa/cuplul şi

senzori inerţiali. Sistemul de control a fost conceput prin proiectarea tuturor structurilor

mecanice şi echipamentelor hardware, incluzând controllerii actuatoarelor şi dispozitivele cu

traductoare de forta. Arhitectura de control a sistemului distribuit a fost integrată in arhitectura

HFPC astfel încât să poată fi controlată cu bună eficienţă şi performanţă.

Factorii esenţiali pentru generarea modelului de mers au fost definiţi şi cuantiifcaţi prin

studiile si cercetarile asupra mişcărilor omului şi experimentele de mers ale lui robot pasitor. In

paralel a fost proiectat modelul standard de mers pentru mersul înainte şi au fost definite fazele

8

8

de mers prin împărţirea modelului de mers în 5 faze distincte. Din punct de vedere al controlului

miscarii robotului pasitor au fost stabilite 3 tipuri de modele de control cu scopul de a proiecta

buclele de control online pentru un mers stabil. Controlori online au fost proiectati conform

obiectivelor schemelor de control şi planificaţi în fazele de mers. S-a obtinut in final, algoritmul

de control al mersului, care a fost integrat structurii mecanice ale robotului. Proiectarea tălpii a

fost actualizată atfel incat să facă faţă condiţiilor unui sol denivelat. Din analizele efectuate a

rezultat eficienţa strategiei propuse de control al mersului unui robot pasitor cu aplicare la

robotul modular MERO.

NOI METODE DE CONTROL FUZZY “MULTY-STAGE”

DEZVOLTAREA SISTEMULUI HFPC PRIN MODELAREA MATEMATICA A

POZITIEI CENTRULUI DE GREUTATE AL ROBOTULUI

S-a efectuat modelarea matematica a pozitiei centrului de greutate, care permite

controlul roboţilor păşitori la deplasarea pe terenuri cu configuraţie complicată.

S-au determinat relatia pentru coordonatele poziţiei centrului de greutate al robotului,

necesare controlului in timp real a stabilitati robotului, conform relatiei:

6

1

3

1

6

1

3

1

0

i j

ij

i j

ij

kij

kO

kG

m

GXmXm

X

unde, Xk ={X, Y, Z} (k=1.2.3.), j=1-4 iar i=1-6 pentru varianta de robot păşitor hexapod şi i=1-4

pentru varianta de robot păşitor patruped. Cunoscând poziţia centrului de greutate, s-au

determinat prin derivare viteza kGX şi dubla derivare, acceleratia k

GX .

9

9

Z6

2

1

2

3

4

5

6

Z1

2

1

Z 1

Z 13

P

P

N

T1

1

_

__N

P T_

3

3

P

N_

T_

4

4

Z12

Z32

1Z

1Z

1Z 4

5

6

N_

N_

5

6

T_

T_

6

5

P

P

Z63

T_

2

Figure 18. Modelarea matematica a centrului de greutate pentru robotul pasitor modular MERO

Mentinerea verticalei centrului de greutate in suprafata de suport, este cu atat mai dificila daca

robotul se deplaseaza pe o panta. In acest caz mentinerea stabilitati depinde de sarcina

transportata (fi) si de distanta XC de la suprafata punctelor de sprijin la centru de greutate.

Stabilitatea se obtine prin reducerea componentei XC la cresterea sarcini fi, in functie panta de

deplasare a robotului.

S-a dezvoltat o noua metoda de control care elimina practic instabilitatile si care are

un raspuns rapid al buclei de control . Aceasta consta intr-un control fuzzy ―multi-stage‖ (MS)

care presupune realizarea a doua bucle de control fuzzy, una in pozitie si alta in forta, pe doua

niveluri (―stage‖) de decizie diferite pentru a determina distanta XP de la suprafata punctelor de

sprijin la centru de greutate, in vederea cresterii stabilitatii. Controlul fuzzy MS are baze de

reguli multiple unde rezultatul unei inferente a bazei de reguli este transmis la urmatorul nivel. In

acest mod dimensiunile cele mai importante ale inferentei pot fi grupate in seturi mai mici si

combinate cu regulile de baza. In structura MS rezultatele bazei de reguli ale controlului de

pozitie P sunt transmise la baza de reguli de control poziie-forta PF.

S-au defint sarcinile controlerului, forma regulii de decizie si a variabilelor fuzzy folosite

in luarea deciziilor. Valorile abaterilor detectate prin senzori au fost cuantificate intr-un numar de

puncte corespunzator elementelor universului de discurs, iar apoi valorile s-au alocat drept grade

de apartenenta in cateva subseturi fuzzy. Relatiile dintre intrari, de exemplul abaterile masurate,

sau iesiri, ca de exemplul vitezele, si gradul de apartenenta au fost definite in conformitate cu

experimentele efectuate si cerintele sarcinii. S-au ales valorile fuzzy dupa cum urmeaza: NM –

negativ mare, NM – negativ mediu, Nm – negativ mic, ZO- zero, Pm– pozitiv mic, PM – pozitiv

mediu, PM – pozitiv mare. Rezultatul inferentei logice s-a aplicat modului de defuzificare.

Alegand ca metoda de defuzificare metoda centrului de greutate a ariei, s-au determinat iesirile

pentru un univers de discurs discret al iesirilor.

10

10

DEZVOLTAREA UNOR NOI METODE FUZZY MULTY-STAGE PRIN

UTILIZAREA MODELELOR DINAMICE IN CONTROLUL COMPLIANT

AL ROBOTILOR PASITORI MODULARI

Avand ca punct de pornire metoda fuzzy multi-stage prezentata in capitolul anterior s-au

efectuat analizele mai multor metode de control compliant, care au condus la dezvoltarea unei

noi metode pentu controlul compliant al robotilor pasitori modulari HFPC,

S-a efectuat modelarea cinematică a punctelor de sprijin. Modelarea cinematica

inversa a mecanismelor picioarelor si modelarea cinematica directa si inversa a punctelor de

sprijin Pi ale picioarelor au fost studiate si analizate pe larg in fazele 1 si 2 ale proiectului. In

aceasta faza s-a pus acentul pe controlul compliant al miscarii robotilor pasitori modulari HFPC-

MERO prin utilizarea modelelor dinamice in bucla de control, care au fost implementate in

schema de control fuzzy multi-stage.

S-au analizat mai multe scheme de control compliant in vederea obtinerii unor

performante cat mai ridicate in controlul traiectoriei robotului, care genereaza parametrii de

pozitie si forta pentru controlul fuzzy multi-stage, printre care unele care includ un model

dinamic in bucla de control, metoda spatiului operational, controlul impedantei si unele care nu

includ modele dinamice: controlul hibrid (Railbert si Craig) si controlul rigiditatii (Salisbury).

Sunt prezentate analizele de stabilitate si implementarile experimentale ce demonstreaza nu

numai ca folosind modele dinamice se ajunge la un control mai precis, dar si ca folosirea unui

model dinamic neadecvat poate duce in anumite cazuri la un control instabil al fortei. Prin

controlul compliant se realizeaza controlul hibrid al pozitiei si fortei in coordonate carteziene,

unde unele directii sunt controlate prin pozitie iar altele sunt controlate prin forta. Rationamentul

pentru controlul cartezian al fortei este ca geometria lumii inconjuratoare defineste un set de

coordonate naturale ce pot fi partitionate in variabile controlate prin forta si variabile controlate

prin pozitie (Mason; Lipkin si Duffy). Controlul astfel definit este dat in functie de aceste

variabile. Separarea variabileleor de forta de variabilele de pozitie este indicata printr-o matrice S

(Raibert si Craig 1981).

S-au realizat urmatoarele analize de stabilitate pentru controlul hibrid al robotilor:

Analiza stabilitatii controlului hibrid pentru cazul in care piciorul robotului este in

spatiu liber si nu interactioneaza cu mediul.

Analizele controlului hibrid cu criteriul Routh in conditii de instabilitate.

11

11

Analizele controlului hibrid pentru piciorul robotului in contact cu un teren rigid.

Analiza stabilitatii controlului cu acceleratie solutionata pentru cazul in care piciorul

robotului este in spatiu liber si nu interactioneaza cu mediul.

Analizele controlului cu acceleratie solutionata pentru piciorul robotului in contact

cu un teren rigid..

S-a efectuat un studiu comparativ al performantelor metodelor de control compliant

prezentate.

S-a conceput si dezvoltat o noua metoda fuzzy multi-stage prin utilizarea controlului

cu acceleratie solutionata al robotilor pasitori modulari.

APLICATIE DE SIMULARE A ROBOTILOR PASITORI PRIN PROIECTIE

VIRTUALA.

Aplicatia are ca scop generarea, vizualizarea si trimiterea de referinte robotului pasitor format

din 3 module a cate 2 picioare fiecare, pozitionate in colturile unui triunighi. Deoarece mersul

adoptat este tripod (trei picioare, cate unul de la fiecare modul, se misca pe aceeasi traiectorie

simultan), traiectoriile ce vor fi introduse de catre utilizator manual sau receptionate prin

transmisie seriala sub forma unui fisier, au in vedere un singur modul format din 2 picioare,

miscarea celorlalte 4 picioare facandu-se respectiv similar cu acestea. La acest mers apar doua

situatii: platforma se deplaseaza discret pe intervale de miscare avand si puncte in care

stationeaza, respectiv platforma se deplaseaza cu o viteza constanta pe tot timpul in care

picioarele isi urmaresc traiectoriile.

Aplicatia contine doua sectiuni cu cele 2 picioare afisate in 2D vazute din lateral pentru o mai

buna observare a miscarii, sectiuni ce includ si posibilitatea de a seta starea fiecarui picior,

respectiv varful definit ca punct fix sau extremitatea conectata la platforma definita ca punct fix,

ambele raportate la sistemul de axe al piciorului. Abordarea se face rapordat la sistemul de axe al

piciorului deoarece in cazul al doilea, daca platforma este in miscare, putem considera punctul

dintre picior si platforma ca un punct fix virtual, varful miscandu-se in raport cu platforma.

Aplicatia contine si o reprezentare 3D a robotului pasitor cu posibilitatea de vizualizare a

traiectoriilor, a deplasarilor si a rotirii cadrului. Daca se opteaza ca platforma sa aiba o viteza

constanta, aceasta inregistreaza in unitati de masura/pachet de date de referinta (de exemplu,

platforma poate inainta 1 mm la fiecare set de referinte trimis catre robot). In acest caz, platforma

se va deplasa atunci cand varfurile ambelor picioare vor fi considerate puncte fixe. Se considera

sistemul de referinta la care se raporteaza miscarea fixata in centru de greutate, fara sarcina, al

platformei. Traiectoriile ambelor picioare sunt construite din segmente introduse manual sau

12

12

prin coordonate de puncte in mm receptionate prin transmisie seriala sub forma unui fisier,

relative la un sistem de axe atasat varfului, piciorului daca acesta nu este fix, sau platformei daca

varful piciorului este fix. Segmentele se pot adauga unul cate unul, alcatuind o traiectorie vizibila

prin reprezentarea 2D cat si in 3D. Este disponibila si o optiune de UNDO ce va sterge din

traiectorie ultimul segment introdus.

Fig. 29. Contolul miscarii robotilor pasitor cu vizualizare prin proiectie in 2D

Viteza de deplasare a piciorului in u.m./pachet de date de referinta poate de asemenea sa fie

setat. (de ex. 1 mm la fiecare set de date). Avand traiectoriile complete, se poate opta pentru

generarea de referinte (generarea de unghiuri pe 16 biti aferente fiecarei articulatii pentru ca

robotul sa urmareasca traiectoriile definite cu variabilele setate).

Fereastra de control contine in partea superioara:

sectiunea ce faciliteaza deschiderea unui fisier xls ce contine unghiurile fiecarei cuple si

deplasarea robotului pe baza acelor unghiuri, avand si un buton de refresh al ferestrei

grafice si unul pentru revenirea la pozitia initiala;

sectiunea de dimensionare a picioarelor robotului in cm;

sectiunea de fixare a punctului Look-at al camerei ferestrei grafice, cu incrementari (+) si

decrementari (-) pe cele 3 axe.

si un text-box unde poate fi setat delay-ul in ms intre doua miscari ale robotului.

In partea mediana a ferestrei de control exista sectiunea ―Generare referinte‖ compusa din:

13

13

doua text-box-uri ce pot stabili viteza de deplasarea a platformei robotului in cm/pas si

pasul de interpolare a traiectoriei citite dintr-un fisier xls.

un buton de deschidere a unui fisier xls ce contine o traiectorie pe care o vor urma

picioarele robotului;

un buton de interpolare ce imparte traiectoria din fisier in segmente de marimea stabilita

prin pasul stabilit anterior

a) Fereastra control simulare robot

b) Robot in pozitie de start

c) Vizualizare urma miscare cu camera lateral

dreapta

d) Vizualizare urma miscare cu camera lateral

dreapta si zoom

Fig.30. Fereastra control miscare roboti pasitori modulari HFPC-MERO

un buton de generare unghiuri cuple pe baza pozitiei platformei si a pozitiei varfurilor

picioarelor pe traiectoria incarcata;

14

14

un buton de parcurgere grafica in mediul virtual al traiectoriei, cu optiunea de a face un

trace al miscarii;

si doua butoane ce permit transmiterea unghiurilor prin protocolul RS232 sau UDP la

robotul fizic.

De asemenea fereastra de control contine si doua sectiuni de configurare a protocoalelor RS 232

si UDP. Seturile de date fiind generate pot fi trimise la robot prin 2 protocoale:

RS-232 trimitandu-se 2 octeti (valoarea unghiului pe 16 biti) pentru fiecare articulatie in

parte intr-o ordine predefinita, putandu-se seta portul RS-232, viteza precum si ceilalti

parametrii aferenti comuticatiei prin acest tip de protocol.

UDP unde aceleasi date sunt transmise in functie de structura dispozitivelor de comanda,

impachetate comform protocolului, la 1 sau mai multe adrese IP.

Suplimentar se asigura si importarea unei curbe de traiectorie dintr-un fisier intr-un anumit

format.

Capturile de ecran prezentate in figura sunt rezultate obtinute prin simulare pe calculator si

reprezinta vizualizarea din mai multe unghiuri a robotului pasitor in doua ipostaze: in pozitie

initiala, considerata cu unghiurile cuplelor PI/4 si o pozitie intr-un punct intermermediar al unei

secvente de miscare, capturile la care este vizibil trace-ul miscarii (fig. 29).

Fiecare captura de ecran contine doua ferestre: una de control al aplicatiei si una de vizualizare a

robotului intr-un plan virtual tridimensional, cu camera orientabila cu ajutorul mouse-ului,

construit pe baza tehnologiilor DirectX si Direct3D.

Asa cum rezulta si din sinteza lucrarii, obiectivele etapei au fost indeplinite.

Rezultatele obtinute indreptatesc echipa de cercetare sa considere ca poate trece cu succes la

realizarea etapei din 2010 in controlul robotilor modulari pasitori HFPC MERO. Studiile si

cercetarile membrilor echipei au stat la baza a numeroase articole publicate in conferinte

internationale cotate ISI, reviste cotate ISI sau in baze de date internationale si asigura premizele

publicarii unor viitoare articole cu impact in domeniul temei proiectului.

Rezultatele obtinute au asigurat vizibilitate echipei de cercetare si impact prin

publicarea sau acceptarea spre publicare a 48 lucrari din care 2 in reviste ISI, 6 in reviste cu

BDI (INSPEC), publicarea unui capitol de carte in Springer Verlag, publicarea/acceptarea spre

publicare a 3 monografii, 19 articole in ISI Proceedings, 3 in reviste nationale recunoscute

CNCSIS sau ale Academiei Romane, alte 11 articole publicate sau acceptarea spre publicare in

conferinte de specialitate, conferinte desfasurate sub egida Academiei Romane sau proceedings

editate in edituri recunoscute. Membrii echipei de cercetare au primit 7 premii

15

15

internationale/medalii de aur acordate de asociatii profesionale si institutii de prestigiu in

urma unui proces demonstrabil de evaluare internationala. Participarea la Salonul Mondial

de Inventica Geneva, 2009 a fost obtinuta prin competitie organizata de ANCS.

Responsabilul de proiect este editor a 11 proceedings publicate sau acceptate spre publicare

pe durata desfasurarii acestei faze si chairman a 9 conferinte internationale cotate ISI, IEE,

ELSEVIER, CSA. Membrii echipei au participat la o propunere de proiect FP7: titlul ¨ Open

Architecture Systems for Nano-Micro Manipulators Working in a Cooperative Regime¨ ,

Acronym: ARMSCOR, Cal FP7-NMP-2009-SMALL-3, Theme 4 – NMP - Nanosciences,

Nanotechnologies, Materials and new Production Technologies, Work programme topics:

NMP-2009-3.2-2 Adaptive control systems for responsive factories, ID 246003. Impactul

activitatii de cercetare este dat si de interesul manifestat de colaborare prin schimb

interuniversitar/interacademic cu Universitatea din Mexico City, si colaborare in proiecte

europene cu alte 7 universitati recunoscute la nivel european: Staffordshire University, UK,

University Politecnica of Valencia, Spain, Belfort Montbéliard University, FR., Institute for

Information Technology, DE, City University, UK, CEDRAT Technologies, FR., University of

Amiens, FR., Industrial Systems Institute, GR.

REZULTATELE STUDILOR SI CERCETARILOR ECHIPEI DE CERCETARE

Rezultatele studilor si cercetarilor echipei de cercetare, corespund rezultatelor

planificate ale proiectului, fiind publicate sau acceptate pentru publicare un numar de 48 lucrari

din care amintim:

1. Luige Vladareanu, Ovidiu I. Sandru, Lucian M. Velea, Hongnian YU, The Actuators

Control in Continuous Flux using the Winer Filters, Proceedings of Romanian Academy,

Series A: Mathematics, Physics, Technical Sciences, Informantion Science, Volume: 10

Issue: 1 Pg.: 81-90, 2009, ISSN 1454-9069, cotata ISI, cu factor de impact,

http://www.ear.ro/3brevist/rv1/rv1.htm

2. S. Cononovici, A. Curaj, An approach to walking robots planning and control,

Proceedings of Romanian Academy, Series A: Mathematics, Physics, Technical

Sciences, Informantion Science, cotata ISI, cu factor de impact, acceptata pentru

publicare in 2010, http://www.ear.ro/3brevist/rv1/rv1.htm

3. Luige Vladareanu, Ion Ion, Marius Velea, Daniel Mitroi, The Robot Hybrid Position and

Force Control in Multi-Microprocessor Systems, WSEAS Transation on Systems, Issue

16

16

1, Vol.8, 2009, pg.148-157, ISSN 1109-2777, BDI Journals – INSPEC,

http://www.wseas.us/e-library/transactions/systems/2009/31-759.pdf

4. Ion Ion, Luige Vladareanu, Ion Simionescu, Aurelian Vasile, The Structure of

Modular Walking Robot MERO Displacement Systems, Support of the Heavy Load

Transportation, WSEAS Transactions on Systems and Control, Issue 1, Vol. 4, 2009, pg.

35-44, ISSN: 1991-8763, BDI Journals – INSPEC, http://www.wseas.us/e-

library/transactions/control/2009/31-760.pdf

5. Ion I, A. Marin, A. Curaj, L. Vladareanu - Desing and Motion Synthesis of Modular

Walking Robot MERO, Journal of Automation, Mobile Robotics_Intelligent Systems,

vol.2, no.4, 2008, pg. 25-30, ISSN 1897-8649, BDI SCOPUS,

http://www.jamris.org/issue_04_2008.php?p=25

6. LLuuiiggee VVllaaddaarreeaannuu,, IIoonn IIoonn,, MMiihhaaii MMuunntteeaannuu,, DDaanniieell MMiittrrooii,, ¨̈MMEERROO MMoodduullaarr

WWaallkkiinngg RRoobboottss CCoonnttrrooll,, RReevvuuee RRoouummaaiinnee ddss SScciieenncceess TTeecchhnniiqquueess sseerriiee ddee ¨̈MMeeccaanniiqquuee

AApppplliiqquueeee , no.1, tome 53, jjaannvviieerr--aavvrriill 22000088,, EEddiittuurraa AAccaaddeemmiieeii RRoommaannee,, pprr..5555--6633,,

IISSSSNN:: 00003355--44007744,, hhttttpp::////wwwwww..eeaarr..rroo//33bbrreevviisstt//rrvv5511//rrvv5511..hhttmm

7. Vladareanu L., L. M. Velea, R. Munteanu, A. Curaj, Mihai Munteanu, et. All., Real

time control method and device for robot in virtual projection, inventie inregistrata EU,

patent no. EPO-09464001, Mai 2009.

8. Radu I. Munteanu, L. Vladareanu, O.I. Sandru, LMVelea, Hongnian Yu, N. Mastorakis,

et.all., Metoda si dispozitiv de actionare si control al robotilor mobili inertiali, propunere

brevet OSIM, nr. A00626/07.08.09

9. L. Vladareanu, L. M. Velea, R. Munteanu, et. all., Metodă şi dispozitiv de măsurare a

vitezei de rotaţie in mediu puternic perturbant, brevet OSIM nr.122380 din Ian. 2009

10. Medalie de aur la ¨Salon International des Inventions¨, Geneve, 37th

Edition, 1 – 5

Aprilie 2009, Geneva, Elvetia, pentru ¨Real time control method and device for robot in

virtual projection¨

11. Premiu international cu ocazia ¨Salon International des Inventions¨, Geneve, 37th

Edition, 1 – 5 Aprilie 2009, Geneva, Elvetia acordat de Ministry of Industry and Trade of

Russian Federation, The Radio Electronics Industry Department.

12. Medalie de aur la Salonul International de inventica: INNOVA ENERGY, 13-15

Noiembrie 2008 la Bruxelles, BELGIA, « «Method and devices for Real Time control of

17

17

the Actuators »

13. Premiu international ¨CPExposition 2008¨ acordat de organizatorii Salonului

International de inventica: INNOVA ENERGY, 13-15 Noiembrie 2008 la Bruxelles,

BELGIA

14. Plenary Lecture: The 8th International Conference on Applications of Electrical

Engineering (AEE ‘09), Houston, USA , April 30-May 2, 2009

15. Cercetator invitat la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, Mexico City

cu prelegerea (mini-curs) Applied Control Theory: ¨ Real Time Control in Solid

Mechanics¨

Trei din membrii echipei de cercetare, Luige Vladareanu, Lucian Marius Velea si Mihai

Munteanu, in calitate de autori ai brevetului ¨Method et dispositif de controle en temps reel

d‘actuatoires ¨, au primit o medalie de aur la Salonul Mondial al Inventatorilor de la Geneva

2009 si un premiu international din partea Federatiei Ruse. Intreaga activitate desfasurata

pentru diseminarea rezultatelor cercetariilor si cresterea vizibilitatii echipei de cercetare

sunt prezentate in anexa sintezei proiectului.