1

Sorin DUMITRU Mircea IVNESCU Dorian COJOCARU

SOLUII DE ACIONARE I CONDUCERE

PENTRU ROBOI HIPER-REDUNDANI

3

_______________ _______________

___________ Sorin DUMITRU ____________ Mircea IVNESCU Dorian COJOCARU

SOLUII DE ACIONARE I CONDUCERE PENTRU

ROBOI HIPER-REDUNDANI

Editura UNIVERSITARIA

Craiova, 2014

Editura PROUNIVERSITARIA

Bucureti, 2014

4

Refereni tiinifici: Prof. dr. ing. Mircea NIULESCU Prof. dr. ing. Viorel STOIAN Copyright 2014 Editura Universitaria Copyright 2014 Editura Pro Universitaria Toate drepturile sunt rezervate Editurii Universitaria i Editurii Pro Universitaria Nicio parte din acest volum nu poate fi copiat fr acordul scris al editorului. Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei DUMITRU, SORIN Soluii de acionare i conducere pentru roboi hiper- redundani / Sorin Dumitru, Mircea Ivnescu, Dorian Cojocaru. Craiova : Universitaria ; Bucureti : Pro Universitaria, 2014 Bibliogr. ISBN 978-606-14-0889-4 ISBN 978-606-26-0171-3

I. Ivnescu, Mircea II. Cojocaru, Dorian

62

Lucrarea a fost realizat i tiprit n cadrul proiectului Soluie pentru acionarea distribuit decuplat a robotului hiper-redundant HIPROB I, finanat prin competiia intern de granturi, 18C/27.01.2014, Universitatea din Craiova.

Arhitecturi tentaculare

9

CAPITOLUL 1

ARHITECTURI TENTACULARE

1.1 Arhitecturi tentaculare/hiper-redundante. Stadiu la zi Un manipulator tentacular ideal reprezint un bra robotic neconvenional cu

o mobilitate foarte mare. Posed capacitatea de a realiza forme sofisticate i de a atinge orice poziie i orientare n spaiul tridimensional. Manipulatorul tentacular este un manipulator hiper-redundant sau un manipulator cu foarte multe grade de libertate.

Roboii tradiionali au la baz structuri rigide ce limiteaz abilitile acestora de a interaciona cu mediul lor. De exemplu, manipulatoarele robotice convenionale prezint legturi rigide i pot manipula obiecte numai prin folosirea elementului terminal special. Aceti roboi ntlnesc adesea dificulti n operarea n medii nestructurate i foarte aglomerate, cu restricii.

Pentru manipularea n spaii cu restricii severe, n literatura de specialitate au fost dezvoltate structuri particulare de roboi cu mare mobilitate, ce permit acestora s opereze cu performane satisfctoare.

Majoritatea acestor roboi sunt de inspiraie biologic i au ca referin structuri binecunoscute n lumea animal, cum ar fi tentaculul caracatiei, trompa de elefant, arpele etc.

S-a observat faptul c exist o varietate de animale i plante ce prezint micri complexe avnd structuri uoare, lipsite de componente rigide. Hidrostaturile musculare (de exemplu braul de caracati i trompa de elefant) sunt aproape n ntregime compuse din muchi i esuturi de legatur i celulele plantelor putndu-i de asemenea modifica forma atunci cnd sunt presate de osmoz. Cercettorii s-au inspirat din biologie pentru construcia i proiectarea roboilor soft. Cu o structur uoar i grade de libertate redundante, aceti roboi pot fi utilizai pentru a ndeplini sarcini complexe n medii dezordonate i/sau nestructurate. n continuare vor fi prezentate capaciti ale roboilor soft, vor fi descrise cteva exemple din natura ce ofer inspiraie biologic i, de asemenea, va fi realizat o scurt trecere n revist a lucrrilor tiintifice elaborate n domeniu i o evideniere a provocrilor privind design-ul, modelarea, fabricarea i controlul roboilor soft.

Roboii pot fi clasificai ca fiind hard sau soft n funcie de materialele ce stau la baza confecionrii acestora, dup cum se poate observa n fig. 1.1. Un robot soft este n mod inerent conformabil i prezint o for mare n operaiile normale. n anul 2008, Deepak Trivedi .a. [186] au publicat lucrarea Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research n care acetia prezint un stadiu la zi privind cercetarea manipulatoarelor continue inspirate din biologie, prezentnd totodat i o clasificare a acestora. n ultimii 15 ani,

Arhitecturi tentaculare

10

cercettorii au dezvoltat astfel de roboi ce prezint abiliti noi relative la roboii tradiionali. Roboii tradiionali cei mai des utilizai sunt roboii cinematici neredundani. Aceti roboi sunt de obicei utilizai n medii bine definite, n care, n mod repetat, execut o micare prescris cu o precizie foarte bun. Aceti roboi sunt construii pentru a fi rigizi, astfel nct vibraia i deformarea structurii s nu le reduc acurateea micrii. n general, roboii tradiionali prezint articulaii flexibile multiple, conectate prin legturi rigide. Fiecare articulaie este flexibil ntr-o direcie rotativ sau translaional pentru a oferi un grad de libertate al micrii robotului. Micarea combinat a tuturor gradelor de libertate acoper ntregul spaiu de lucru sau locul geometric al punctelor, astfel nct poziia indicat s poat fi obinut cu uurin. Roboii tradiionali (hard) sunt hiper-redundani atunci cnd numrul articulaiilor este foarte mare. Roboii construii din materiale grele, cum ar fi aliaje cu memoria formei (SMAS), pot fi de asemenea proiectai pentru a avea deformri continue i un numr infinit de grade de libertate. Roboii hiper-redundani au potentialul de a lucra n medii nestructurate i de a oferi o dexteritate mare.

Fig. 1.1. Clasificarea roboilor bazat pe materiale i grade de libertate. Suprafaa haurat reprezint mulimea goal

Roboii soft i cei hard folosesc mecanisme diferite pentru a putea avea o

dexteritate mobil (vezi fig. 1.2.a). Roboii soft prezint o deformaie distribuit, avnd, din punct de vedere teoretic, un numr infinit de grade de libertate. Acest lucru conduce la un spaiu de lucru cu o configuraie hiper-redundant, unde robotul poate atinge fiecare punct n spaiul tridimensional, putnd folosi un numr infinit de forme i configuraii. Acest tip de roboi prezint un avantaj adiional fa de roboii tradiionali hiper-redundani, i anume faptul c genereaz o rezisten minor la forele de compresiune i astfel se pot conforma la apariia obstacolelor (pot ndeplini astfel sarcini fragile i fine fr a deteriora). Folosind un efort de deformare mare, se pot strecura prin deschideri mai mici dect mrimea lor iniial. Acest lucru i face ideali pentru aplicaii cum ar fi roboii personali ce

Arhitecturi tentaculare

11

interacioneaz cu oameni fr a rni, roboi ce asigur service-ul sau picteaz, ce au nevoie de o dexteritate foarte mare pentru a ajunge n spaiile limit, roboi medicinali (n mod special pentru utilizarea lor n chirurgie), roboi de aprare i salvare ce opereaz n medii nestructurate.

Fig. 1.2. Caracteristicile roboilor hiper-redundani : a. dexteritate; b. senzor de poziie; c. manipulare; d. ncrcare

Roboii soft difer de cei hard, hiper-redundani (roboii cu structur ca a

arpelui i cu forma continu). S. Hirose [95] a revzut aplicaiile, cinematica i proiectarea roboilor care au structur asemnatoare cu a arpelui.

Robinson i Davies [162] au prezentat un mic rezumat al roboilor cu forma continu, fcnd diferena fa de cei discrei (neredundani) i cei cu structura hiper-redundant. Acetia au clasificat roboii cu forma continu n roboi intrinseci, extrinseci sau hibrizi, n funcie de metoda i locaia executorului mecanic.

Simaan .a. [169] a prezentat un rezumat al dispozitivelor ce se ndoaie precum un arpe, folosite pentru chirurgia minimal invaziv (MIS) a gtului.

Gradele de libertate finite i controlabile ale unui robot soft sunt date de ctre dispozitivul de acionare al acestuia. Roboii cu legturi rigide au un dispozitiv de acionare, de obicei acesta fiind un motor electric, pentru fiecare articulaie. Deformarea ce rezult din activarea unui sistem de acionare este definit de mecanismul de acionare, de efortul i de mrimea actuatorului, forma i locaia acestuia n structura robotic. Acest tip de roboi se ncadreaz ntr-o clas de sisteme i sunt numiti subacionai deoarece, spre deosebire de roboii tradiionali (hard), nu exist un executor pentru fiecare grad de libertate. Alte grade de libertate ar putea fi influenate de ctre sistemele de acionare, dar majoritatea gradelor de libertate nu sunt controlabile.

Arhitecturi tentaculare

12

Tabelul 1.1. Caracteristici ale diferitelor tipuri de roboi traditionali (hard) (primele trei coloane) i roboi soft

Rigid Hiper-

redundant discontinuu

Continuu compact Soft

Proprieti Grade de libertate Numr redus Numr mare Infinit Infinit

Actuatori Numr redus,

separaiNumr mare,

separati Continuu Continuu

Deformabilitatea materialului Nu Nu Sczut

Foarte ridicat

Materiale Metal, plastic Metal, plasticAliaje cu memoria formei

Cauciuc, polimer

electroactiv Caracteristici

Acuratee Foarte mare Mare Mare Sczut Capacitatea de

ncrcare Mare Sczut Sczut Cea mai sczut

Sigurana Periculos Periculos Periculos Sigur Dexteritate Nivel sczut Nivel nalt Nivel nalt Nivel nalt

Mediu de lucru Numai structurat Structurat i nestructurat

Structurat i

nestructurat

Structurat i nestructurat

Obiecte ce pot fi manipulate Mrimi fixe

Mrimi variate

Mrimi variate

Mrimi variate

Manipulare n mediu cu obstacole Nu Bun Acceptabil Foarte bun

Design Controlabilitate Uor Mediu Dificil Dificil

Planificarea traiectoriei Uor Greu Dificil Dificil

Determinarea poziiei Uor Greu Dificil Dificil

Modele de inspiraie biologic

Membrele mamiferelor erpi, Peti

Hidrostraturi musculare

Controlarea i identificarea formei unui robot soft reprezint o mare

provocare. Structura acestora este continu, deci msurtori exacte ale formei i poziiei dorite se pot realiza cu dificultate. Roboii tradiionali (hard) msoar poziia fiecrei articulaii printr-o codificare cu o mare rezoluie, dup cum se poate observa n Fig. 1.2.b. Presupunnd un robot tradiional (hard), poziiile articulaiei

Arhitecturi tentaculare

13

pot fi procesate prin cinematica direct pentru a determina cu acuratee forma i poziia final a robotului. n mod asemntor, cinematica invers poate fi folosit pentru a determina poziiile articulaiei ce ofer poziia final dorit. Poziiile articulaiei msurate prin codificatori sunt comparate cu poziiile dorite calculate prin cinematica invers i deci sistemele de acionare conduc erorile ctre zero. Aceast servo-aciune este destul de rapid i foreaz articulaiile s urmreasc n mod precis poziiile dorite.

Roboii cu forma continu interacioneaz cu mediul n mod diferit fa de cei tradiionali (hard). Mediul aplic ncrcri structurii att prin ncrcare distribuit (gravitaia), ct i prin contact. n cazul unui robot cu legturi rigide, fig. 1.2.c arat faptul c ncrcarea cauzeaz modificarea poziiei articulaiilor uoare (soft), n timp ce legturile rigide rmn drepte. Codificatorii msoar modificarea poziiei i controlerul poate fie s compenseze ncrcarea, fie s neleag c robotul a luat contact cu mprejurimile. n oricare caz, att forma ct i poziia final pot fi determinate cu precizie. Gravitatea i contactul cauzeaz o deformare continu la un robot cu forma continu, deformare ce ar putea s nu fie observabil sau controlabil de ctre senzorii limitai i, respectiv actuatori.

Contactul i conformarea cu mediul nconjurtor joac un rol important n mobilitatea roboilor soft. De exemplu, braele roboilor cu form continu folosesc manipularea complet a braului pentru a apuca i manevra obiecte de mrimi diferite ca n fig.1.2.d. Braul se nfoar n jurul obiectului i printr-o apucare precis i o frecare ridicat i este permis braului s ridice obiectul. Braele roboilor tradiionali (hard) apuc i manipuleaz obiecte cu un capt executant specializat ce este proiectat special pentru un obiect cu o anumit mrime i form. Roboii soft se pot deplasa prin utilizarea diferitelor tipuri de mers, avnd o parte considerabil ce intr n contact cu solul n orice moment. Roboii tradiionali (hard) folosesc picioare separate, enile i roi pentru a intra n contact cu solul i pentru a permite realizarea deplasrii.

Fig. 1.3 prezint modul n care braul unui robot cu forma continu se deformeaz sub diferite ncrcri gravitaionale i acionri combinate. Roboii hard pot s ghideze braul n orice form dac legturile sunt suficient de rigide i ncrcarea este foarte mic. Actuatorii braului unui robot cu forma continu de obicei aplic un moment sau un cuplu la captul braului. Pentru deplasri mici, acest moment cauzeaz ndoirea braului n sus ntr-o form ptratic. ntr-un mediu gravitaional, greutatea proprie ndoaie braul n jos ntr-o form cubic. Momentul captului poate fi ajustat s ridice captul la orizontal, dar braul va avea o form non-zero asociat cu diferena dintre forma ptratic i cea cubic [159]. n mod asemntor, dac un senzor este nsrcinat s msoare momentul la baza braului robotului cu form continu, nu pot fi fcute diferene ntre punctul de ncrcare al captului i ncrcarea distribuit. Totui, aceste ncrcri produc forme diferite ale braului.

Arhitecturi tentaculare

14

Fig. 1.3. a. ncrcarea gravitaional la un manipulator robotic cu forma continu provoac deviere n jos; b. actuatorii ndoaie structura n sus; c. deplasarea net are poziia zero a actuatorului, dar forma non-zero

Inspiraia din biologie n natur exist numeroase exemple de structuri mobile realizate din

materiale uoare (soft). Hidrostaturi musculare, cum ar fi trompa elefantului, limbile mamiferelor i oprlelor, precum i braul de caracati, reprezint structuri uoare (soft) ce se pot ndoi, extinde i rsuci. Fibra de armare n pereii celulari ai plantelor uoare (soft) permite celulelor s i modifice forma atunci cnd sunt sub presiune. Pentru dezvoltarea roboilor cu form continu mimica acestor structuri complexe nu este nici necesar, nici practic. nelegerea fundamental a morfologiei i functionalitii structurilor usoare (soft) n natur este n cretere i poate conduce la concepte noi de proiectare n robotica cu form continu. Lumea natural demostreaz capacitile poteniale ale roboilor soft.

Schelei hidrostatici i hidrostaturi musculare O clas particular de animale ca viermii i anemonele de mare, nu au

schelet cu articulaii rigide care poate fi ntlnit, de exemplu, la vertebrate (mamifere, psri i reptile) i antropode (insecte, crabi). n schimb, aceste animale cu corpuri uoare (soft) depind de un schelet hidrostatic pentru suport [29] [30] [34] [81]. Scheleii hidrostatici sunt cilindrici, cu caviti pline de fluid, nconjurate de ctre un perete muscular ce este consolidat cu fibre de esut de legtur. Fluidul este de obicei un lichid (n mod normal apa) i astfel sufer modificri semnificative ale volumului. Deci, dac fibrele musculare din perete se contract pentru a micora una dintre dimensiuni, o alt dimensiune trebuie s se mreasc. Prin aranjarea musculaturii astfel nct toate dimensiunile s poat fi controlate activ, poate fi realizat o aranjare divers a micrilor i modificarea formei.

Arhitecturi tentaculare

15

Transmiterea forelor este deci oferit nu de ctre legturile rigide, ci de presiunea din fluidul mprejmuit.

Acest principiu simplu servete ca baz a suportului i micrii ntr-un grup divers a animalelor cu corpuri uoare (soft). Suportul scheletic hidrostatic poate fi de asemenea important la organisme care de obicei se bazeaz pe un schelet rigid. De exemplu, crabii se bazeaz pe un suport scheletic hidrostatic dup ce i-au lepdat exoschelet n timpul nprlirii i nainte ca noua format cuticul s se ntreasc [182] [183], i de asemenea, presiunea hidrostatic de sub pielea rechinilor poate oferi un neles al transmiterii forei ctre coad [193].

Pe lng spaiile mari umplute cu fluid i fibre musculare aranjate n orientri multiple, pereii majoritii scheleilor hidrostatici sunt consolidai cu fibre de esut de legtur (cele mai cunoscute sunt proteinele de colagen) aranjate ca fascicule de fibre paralele continue ce nfoar animalul n ambele tipuri de aranjri elicoidale, i anume dreptace sau stngace. Aceste aranjri de fibre de esut elicoidal de legtur ofer consolidarea pereilor i permit att ndoirea lent, ct i modificarea n lungime [194] [195]. Unghiul fibrei, unghiul pe care fibra l face cu axa mare, s-a artat c ar controla i limita modificrile formei la o varietate de animale precum viermii [86] [35] i la structurile hidraulice, cum ar fi tubul de hrnire la echinoderme (stea de mare, etc.) [139].

Fig. 1.4. Exemple de hidroschelei i hidrostaturi musculare: a. Tubul de hrnire la steaua de mare; b. Braele de caracati; c. Coloana anemonei; d. Limba mamiferelor; e. Calmar;

f. Echinoid; g. Illex illecebrosus; h. Illex illecebrosus; i. Viermele de cerneal; j. Picioarele de melc.