COLEGIUL TEHNIC „TRAIAN VUIA” - GALAŢI

Calificare profesională: technician mecatronist

TEMA: ROBOTI MOBILI

Îndrumător: Elev:

Ing. Dinu Cristina Mitita Dragos-Manuel

Clasa :a 12-a D

Cuprins

ARGUMENTUL................................................................................................................2

CAP 1 . STUDIU PRIVIND STADIUL ROBOŢILOR MOBILI

1.1 Roboţi mobili……………………………………………...................................................3

1.2 Clasificarea roboţilor mobili..…………………………………………….....41.3 Utilizari ai roboţilor mobili…………………………………………………...51.4 Structura unui robot mobil…………………………………………………..61.5 Acţionarea roboţilor mobile…………………………………………………7

CAP2. ROBOŢI PĂŞITORI

2.1 Generalităţi roboţi păşitori.......................................................................7

2.2 Tipuri de mers………………………………………………………………….8

2.3 Stabilitatea in mers……………………………………………………………9

CAP3. ROBOŢI UMANOIZI

3.1 Generalităţi roboţi umanoizi..................................................................10

3.2 Mersul biped............................................................................................11

3.3 Manipularea şi prinderea.......................................................................12

ANEXE

ARGUMENTUL

Unul din cele mai importante aspecte în evoluţia fiinţei umane este folosirea uneltelor care să simplifice munca fizică. În aceasta categorie se înscriu şi roboţii, ei ocupând totuşi o poziţie  privilegiată datorită complexităţii lor.

 Noţiunea de robot datează de peste 4 mii de ani. Omul şi-a imaginatdispozitive

mecanizate inteligente care să preia o parte însemnata din efortul fizic depus. Astfel s-au construit jucării automate si mecanisme inteligente sau şi-a imaginat roboţii in desene, carti, filme "SF" etc.

Revoluţia informatică a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea avansat informatizată generând un val de înnoiri în tehnologie şi în educaţie.Acest lucru a dus şi la apariţia roboţilor

Termenul "robot" a fost folosit in 1920 de cehul Karel Capek într-o piesa numită "Robotul universal al lui Kossum". Ideea era simplă: omul face robotul după care robotul ucide omul. Multe filme au continuat sa arate că roboţii sunt maşinării dăunătoare si distrugătoare.

2

CAP1 . STUDIU PRIVIND STADIUL ROBOŢILOR MOBILI

1.1 Roboţi mobili

Robotul mobil este un sistem complex care poate efectua diferite activităţi într-o varietate de situaţii specifice lumii reale. El este o combinaţie de dispozitive echipate cu servomotoare şi senzori (aflate sub controlul unui sistem ierarhic de calcul) ce operează într-un spaţiu real, marcat de o serie de proprietăţi fizice (de exemplu gravitaţia care influenţează mişcarea tuturor roboţilor care funcţionează pe pământ) şicare trebuie să planifice mişcările astfel încât robotul să poată realiza o sarcină înfuncţie de starea iniţială a sistemului şi în funcţie de informaţia existentă,legată de mediul de lucru.

Succesul în îndeplinirea acestor sarcini depinde atât de cunoştinţele pe care robotul le are asupra configuraţiei iniţiale a spaţiului de lucru, cât şi de cele obţinute pe parcursul evoluţiei sale.

Problemele specifice ce apar la roboţii mobili ar fi următoarele: evitarea impactului cu obiectele staţionare sau în mişcare, determinarea poziţiei şi orientării robotului pe teren, planificarea unei traiectorii optime de mişcare.

Evitare coliziunii cu obstacole fixe sau mobile (de exemplu alţi roboţi mobili)aflate în spaţiul de lucru al robotului se poate face prin mai multe metode:realizarea uneiapărători mecanice care prin deformare opreşte robotul, folosireasenzorilor care măsoarădistanţa până la obstacolele de pe direcţia dedeplasare, folosirea senzorilor deproximitate, folosirea informaţiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori.

Navigarea robotului este posibilă şi fără o determinare a poziţiei şi orientării faţă deun sistem de coordonate fix, dar această informaţie este utilă pentru sisteme de comandăa mişcării. Dintre metodele de navigaţie mai des utilizate se pot menţiona: măsurareanumărului de rotaţii făcute de roţile motoare, folosirea de acceleratoare şi giroscoape,geamanduri electromagnetice instalate în teren, semnalizatoare pasive sau semipasive detip optic sau magnetic.

3

1.2 Clasificarea roboţilor mobili

Roboţii mobili se clasifică astfel: În funcţie de dimensiuni: macro, micro şi nano-roboţi.

În funcţie de mediul în care acţionează: roboţi tereştri – se deplasează pe sol,roboţi subacvatici – în apă, roboţi zburători – în aer, roboţi extratereştri – pe solul altor  planete sau în spaţiul cosmic;

În funcţie de sistemul care le permite deplasarea în mediul în care acţionează există de exemplu pentru deplasarea pe sol

o .roboţi păşitori: o .roboţi săritori, care imită deplasarea broaştelor, cangurilor etc.;o .roboţi de formă sferică (se deplasează prin rostogolire) etco .roboţi pe roţi sau şenileo roboţi târâtori: care imită mişcarea unui şarpe, care imită mişcarea unei râme

etc.;.

Roboti umanoizi

4

1.3 Utilizări ale roboţilor mobili.

Utilizările pentru care au fost, sunt şi vor fi concepuţi roboţii mobili sunt dintre cele mai diverse . Mulţi roboţi din zona micro îşi găsesc utilizarea în medicină,fiind capabili să se deplaseze de-a lungul vaselor şi tuburilor corpului omenesc, în scopul investigaţiilor, intervenţiilor chirurgicale, dozării şi distribuirii de medicamente etc. La fel de spectaculoase sunt şi multe utilizări ale macro-roboţilor:

În domeniul industrial, agricol, forestier: în domeniul industrial roboţii mobilisunt reprezentaţi de AGV-uri (Automated-Guided Vehicles), vehicule pe roţi, cughidare automată, care transportă şi manipulează piese, constituind o alternativă flexibilă la benzile de montaj; în agricultură există tractoare şi maşini agricole fără pilot, capabile să execute singure lucrările pe suprafeţele pentru care au fost programate; în domeniul forestier roboţii mobili pot escalada copacii înalţi

În domeniul militar: este luată în considerare de către armata americană perspective înlocuirii soldaţilor combatanţi cu roboţi, pentru a reduce riscul pierderilor umane în luptă; roboţi mobili de cele mai ingenioase şi robuste configuraţii sunt aruncaţi în clădiri şi incinte din zone de conflict, în scopuri de investigare şi chiar anihilare a inamicului

În domeniul utilităţilor publice: una dintre cele mai utile şi economice utilizăriale roboţilor mobili o reprezintă inspectarea conductelor de combustibili gazoşi şilichizi şi a canalelor de canalizare. De exemplu reţeaua de canalizare a Germaniei însumează 400.000 km, iar inspectarea şi curăţirea acesteia presupune costuri de 250 de Euro pe metru. Numai 20% din conducte sunt accesibile, iar utilizarea roboţilor poatereduce costurile cu un sfert

În domeniul operaţiilor de salvare: Roboţii salvatori (Rescue robots) suntutilizaţi în operaţiile de salvare a victimelor unor calamităţi: cutremure, incendii,inundaţii.

5

1.4 Strucura unui robot mobil

Structura roboţilor mobili (RM) corespunde arhitecturii generale a roboţilor, avânddouă părţi:· Structura mecanică, respectiv manipulatorul, care determină performanţeletehnice;· Structura electronică, respectiv de comandă-control, care condiţionează calitateaperformanţelor.Indiferent de generaţia robotului, probleme complexe apar la realizarea structuriimecanice de volum, greutate şi cost reduse, la transmiterea mişcării şi adaptarea lastructura mecanică a motoarelor electrice şi hidraulice, la proiectarea mâinilor mecanicepentru a apuca obiecte de diferite forme. Referitor la structura electronică, posibilităţileactuale permit folosirea a câte unui microprocesor pentru comanda fiecărui grad demobilitate, precum şi a altor microprocesoare specializate pentru tratarea semnaluluisenzorial. Robotul mobil interacţionează cu mediul înconjurător prin structura samecanică, asigurând astfel deplasarea, poziţionarea şi orientarea organului de execuţie.

Structura mecanică a roboţilor mobili este formată din:· sistemul de locomoţie (pe şenile sau roţi), prin care se asigură deplasarearobotului pe o suprafaţă de lucru (în cadrul unei autonomii sporite);· sistemul de manipulare, care asigură poziţionarea şi orientarea organului de lucru.Robotul mobil în procesul de deplasare pe o anumuită traiectorie este caracterizatprin 3 funcţi:1. funcţia de locomoţie;2. funcţia de percepţie-decizie;3. funcţia de localizare;

Funcţia de locomoţie cuprinde sistemul de acţionare electric(de propulsie) şisistemul de sprijinire(suspensie).Modalităţile de propulsare sunt dintre cele maidiverse,cum ar fii:pe roţi, cu jet de apă, cu aer etc;

Roboţii mobili pot fii dotaţi cu camera video sau alţi senzori de percepere almediului în care activează. Memoria robotului conţinută in microcontroler înmagazinează

cunoştinţele necesare localizării tuturor segmentelor de traseu posibile

6

1.5 Acţionarea roboţilor mobili

Se face cu motoare electrice de putere mică, cu moment de inerţie redus,cucapacitate de suprasarcină, cu reductoare de raport mare (i>100) şi moment de inerţieredus de tip procesional sau armonic.Se pot folosi şi unităţi integrate motor-reductorMotoare electrice cu inerţie redusă utilizate:motoare de curent continuu cu pahar sau indus disc;motoare sincrone cu magneţi permanenţi;motoare pas cu pas cu reluctanţă variabilă cu indus pahar şi intrefier radial sau cuindus tip disc şi intrefier radial;motoare sincrone cu magneţi permanenţi;

CAP2. ROBOŢI PĂŞITORI

2.1Generalităţi roboţi păşitori In afara roboţilor de topologie serială şi a celor de topologie paralelă în ultimii ani au

proliferat roboţii păşitori , datorită avantajelor lor care ii recomandă in anumite tipuri de activităţi. Domeniile în care aceştia sunt din ce în ce mai prezenţi sunt : explorările planetare , medicină ( asistarea persoanelor cu handicap) , explorări submarine , activităţi nucleare , aplicaţii militare, ( detectari de mine antipersonal ) precum şi explorarea zonelor periculoase pentru om.

Roboţii păşitori au următoarele caracteristici :

se pot deplasa şi pe teren accidentat ; necesită un consum energetic redus ; garda la sol ridicată le permite să depaşească obstacole ;

contactul cu solul este discontinuu piciorul având posibilitatea de a selecta punctul de contact ( sprijin ) ;

posibilitatea perceperii contactului cu solul ; se pot deplasa pe un teren moale ; deterioarează puţin solul pe care se deplasează ( aspect important in exploatările

forestiere ) ; viteza de deplasare este scăzuta ; controlul mersului este complicat , datorită numărului ridicat de grade de libertate .

7

Roboţii păşitori sunt în prezent utilizaţi în următoarele domenii de activitate :

Întreţinerea mediilor nucleare ;

Explorări planetare ;

Exploatări forestiere ;

Explorări submarine ;

Inspecţia, curăţirea si repararea unor suprafete greu accesibile se poate face uşor de către roboţii căţărători.

2.2 Tipuri de mers

Mentinerea robotului in echilibru ;

Deplasarea acestuia cu o anumita viteza.

Aceste deziderate se pot realiza utilizind mai multe tipuri de mers , cum ar fi :

Mersuri periodice = toate picioarele robotului au aceasi durata a unui ciclu complet ;

Mers in unde adaptiv = permite utilizarea secventelor fixe de miscare la deplasari omnidirectionale. Acest tip de mers se caracterizeaza prin faptul ca fazele de transfer se propaga de la un picior la altul asemenea unor valuri. In functie de sensul de propagare al fazelor de transfer putem avea :

mers in unde inainte = fazele de transfer se propaga incepand de la piciorul 5 la piciorul 1 ;

mers in unde inapoi = fazele de transfer se propaga de la piciorul 2 la piciorul 5 ;

Coordonarea neurobiologica  = se bazeaza pe un model al mecanismelor coordonatoare la insecte ;

Mers liber = asigura controlul robotului in functie de viteza impusa si de obstacolel intalnite.

8

2.3 Stabilitatea în mers

 Mentinerea echilibrului unui robot industrial este o problema de cea mai mare importanta. In functie de acest criteriu robotii pasitori se clasifica astfel :

Roboti stabili static = sunt in echilibru in permanenta , avand cel putin 3 picioare in contact cu solul in timpul locomotiei ;

Roboti cvasi-stabili static = au o configuratie instabila pentru foarte scurt timp ;

Roboti stabili dinamic = nu au configuratii stabile pe durata locomotiei.

Echilibrul static al unui robot pasitor poate fi verificat cu ajutorul poligonului de sprijin , care este poligonul format din proiectiile in plan orizontal de punctele de sprijin ale picioarelor in faza de suport.

Mersul este static stabil daca in orice moment proiectia verticala a centrului de greutate G este in interiorul poligonului de sprijin.

          

  O alta problema care poate sa apara este cea a interferentei geometrice a picioarelor. In cazul in care cursa picioarelor este mai mare decat distanta dintre doua picioare adiacente  ( C > P ), spatiile de lucru ale picioarelor se intersecteaza, ceea ce inseamna ca interferenta este posibila. Interferenta geometrica a picioarelor poate fi evitata prin corelarea corespunzatoare a unor parametrii ce caracterizeaza mersul.

            Si in acest caz al robotilor pasitori , in afara problemelor specifice, exista toate celelalte probleme specifice robotilor industriali cum ar fi :

modelarea deplasarilor in spatiul de lucru ;

problema cinematica directa ;

problema cinematica inversa ;

modelarea dinamica .

9

CAP 3. ROBOŢI UMANOIZI

3.1 Generalităţi roboţi umanoizi

Din vasta tematică a roboţilor mobili se vor expune succint câteva aspecte din domeniul

roboţilor umanoizi şi al roboţilor LEGO, menite să scoată în evidenţăprincipalele probleme pe

care le ridică construcţia şi funcţionarea acestor sisteme şipe care specialistul în mecatronică

trebuie să le stăpânească şi să le rezolve.

Consideraţiile privind roboţii umanoizi sunt preluate dintr-un studiu foarte interesant, de

previzionare a dezvoltarii în viitor a acestor roboţi, finanţat de Comisia Europeană. Autorii

împart principalele componente tehnice studiate în şase grupe .

Cele 6 componente sunt:1-inteligenţa,2- percepţia,3- comunicarea, 4- alimentarea

cu energie, 5- manipularea şi 6- mersul biped

Dintre cele şase componente se vor detalia două, care reprezintă domeniideosebit de interesante de studiu şi inovaţie pentru mecatronişti: mersul biped şimanipularea.

10

3.2 Mersul biped

Chiar dacă un robot pe roţi este mai rapid, mai ieftin şi mai puţin complex decât un robot păşitor, abilitatea mersului biped, în poziţie dreaptă, este considerată ca o condiţie esenţială pentru ca el să fie tratat, mai degrabă ca partener, decât ca maşină,în relaţiile cu oamenii cu care cooperează. Pentru impactul emoţional al robotului,acest tip de mers este un mare avantaj, spre deosebire, de exemplu, de cel asemănător unui păianjen, care poate genera multor oameni frică şi dezgust. Alte avantaje ale mersului biped constau în mobilitatea mai mare pe terenuri accidentate, facilitatea dea se deplasa în medii construite pentru oameni, punctul înalt al sistemului de vedere,posibilitatea utilizării picioarelor şi în alte scopuri decât pentru deplasare şifacilizarea utilizării membrelor anterioare pentru operaţii de manipulare.

Astfel, roboţii umanoizi pot lovi o minge, pot acţiona pedalele unai vehicul,pot urmări podeaua, utilizând picioarele, sau pot deschide uşi, pot manevra obiecte depe rafturi, pot acţiona butoane şi comutatoare cu mâna. În ceea ce priveşte viteza,mobilitatea, stabilitatea sau complexitatea, mersul cu patru sau mai multe picioareeste mult mai eficient. Animale cu picioare mai mici şi mai puţin puternice pot alergamult mai rapid ca omul, utilizând patru picioare, iar insectele, care utilizează principiide deplasare foarte simple, se pot mişca extrem de eficient, utilizând multe picioare şiun centru de greutate plasat foarte jos.

Mersul biped de tip uman are dezavantajul unui centru de greutate înalt cu osuprafaţă mică de contact cu solul, rezultând un poligon mic de echilibru al corpului,cu consecinţa pericolului permanent de pierdere a echilibrului, lucru evident, deexemplu, la copii mici care învaţă să meargă.

11

3.3 MANIPULAREA ŞI PRINDEREA

Un robot, umanoid sau de alt tip, n-are nici un sens dacă nu interacţionează cumediul său

înconjurător. În această interacţiune un rol important revine funcţiilor demanipulare, care servesc

la prinderea, transportul şi manipularea obiectelor. Modelulrobotului umanoid - omul este

înzestrat cu metode sofisticate de manipulare,ajutându-se de braţe şi de mâini.

Fiecare braţ reprezintă un lanţ cinematic deschis (care a constituit un motiv deinspiraţie

pentru roboţii industriali de tip braţ articulat), legat printr-o articulaţiesferică de umăr, şi posedă

7 grade de mobilitate: 3 din umăr, 2 din cot şi 3 dinîncheietura mâinii.

Mâna omului, compusă din oase, muşchi, cartilagii şi tendoane, conectate înîncheietura mâinii, are în total 21 de grade de libertate]. Fiecare deget, cuexcepţia celui mare, are 4 grade de libertate, două la conexiunea cu palma, unul lacapătul primului segment, iar altul la capătul celui de-al doilea segment al degetului

Degetul mare are o dexteritate deosebită şi este mult mai complicat, întrucât omare parte

din acest deget este integrată în palmă. Multe modele de studiu ale mâiniiumane aproximează

degetul mare cu un manipulator cu 5 grade de libertate.

Mâna este acţionată de circa 40 de muşchi, unii localizaţi în mână, dar cei maimulţi dintre

muşchii care servesc la ridicarea obiectelor sunt plasaţi în antebraţ şi suntconectaţi prin tendoane

la articulaţiile mâinii. Realizarea unor mâini artificiale, caresă se apropie cât mai mult de mâna

omului, reprezintă o provocare deosebită pentruspecialiştii în mecatronică, iar eforturile sunt

dirijate, mai ales, în sensul realizăriiunor proteze performante, care să asigure funcţii de

manipulare normale persoanelorcu handicap.

12

ANEXE