Actionarea Neconventionala A Robotilor Hyper Redundanti

ACȚIONAREA NECONVENȚIONALĂ A

ROBOȚILOR HYPER-REDUNDANȚI

REZUMATUL PROIECTULUI

Lucrarea își propune abordarea unor noi direcții atât în dezvoltarea roboticii și a automaticii, concretizate în utilizarea unor materiale cu proprietăți fizico-chimice noi, care să confere arhitecturilor finale o flexibilitate sporită și, mai ales, o eficiență ridicată, cât și în dezvoltarea unor metode de modelare și algoritmi de control menite să ofere o robustețe deosebită a task-urilor, în general.

Problemele pe care autorul le abordează sunt prezentate sintetic în cele ce urmează:

Analiza stadiului actual al realizărilor în domeniul aplicațiilor materialelor inteligente, precum și a direcțiilor principale de cercetare în domeniu. Prin aceasta s-a urmărit fixarea clară a cercetărilor efectuate de autor precum și direcționarea preocupărilor de perspectivă.

Analiza stadiului actual al realizărilor în domeniul aplicațiilor fluidelor inteligente pentru construcția subansamblelor robotice și a structurilor robotice. Este prezentată structura, proprietățile fizico-chimice, modelele de comportament vâscoelastic ale acestor fluide, în particular ale fluidelor electrorheologice si magnetorheologice.

Studiul dinamicii structurilor cu lichide inteligente, menit a evidenția importanța modificării vâscozității aparente sub acțiunea unui câmp energizant. Fenomenele dinamice care apar la aplicarea unei intrări treaptă, fie a câmpului energizant, fie a presiunii, sunt deosebit de importante în realizarea unei arhitecturi viabile din punct de vedere al robusteții structurale și al comportamentului în regim de comutație.

Conceperea, proiectarea și realizarea unui stand experimental de laborator pentru determinarea parametrilor valvelor rheologice. Acest stand de determinări este necesar pentru proiectarea, realizarea și testarea valvelor rheologice.

Conceperea, proiectarea și realizarea electrovalvelor magnetorheologice. Studiul comparativ al comportametului electrovalvelor funcție de tipul și dimensiunile constructive, precum și funcție de câmpul aplicat.

Conceperea, proiectarea și realizarea unui piston pneumatic cu comportament dinamic complet controlat.

Conceperea, modelarea, proiectarea și realizarea unui braț tentacular hyperredundant bazat pe fluide inteligente.

Realizarea activității de cercetare ale cărei obiective au fost enumerate implică cunoștințe din domenii diferite: mecanică, acționări, teoria sistemelor automate, informatică, matematică și robotică. Rezultatele obținute se datorează efortului și experienței personale a autoarei în colaborare cu Dr.ing. Cristian VLADU, fără însă a omite sprijinul științific oferit de conducătorul științific, Prof.dr.ing. Mircea Ivănescu și cel oferit de colegii din cadrul catedrei de automatică a facultății.

Termenii cheie: roboți hyper-redundanți, acționări neconvenționale, lichide rheologice, valvă-stop rheologică.

CUPRINSUL

1 INTRODUCERE

1.1 SCOPUL

1.2 MOTIVAȚIA

2 ROBOȚI DE INSPIRAȚIE BIOLOGICĂ

2.1 HYPER-REDUNDANȚI. GENERALITĂȚI.

2.2 TIPURI DE LOCOMOȚIE

2.2.1 Roboți sau șenile

2.2.2 Roboți pășitori non-bipezi

2.2.3 Roboți târâtori

2.2.4 Roboți pentru inspecție țevi

2.3 ROBOȚI HARD ȘI SOFT

2.4 ROBOȚI HYPER-REDUNDANȚI

2.4.1 Hydrostaturi musculare

2.4.2 Arhitecturi de roboți hiper-redundanți de tip trompa de elefant

2.4.3 Hydrostaturi musculare

2.4.4 Arhitecturi de roboți hiper-redundanți de tip structură continuă

2.5 ROBOȚI AUTOCONFIGURABILI

3 SISTEME DE ACȚIONARE NECONVENȚIONALE PENTRU ROBOȚII HYPER-REDUNDANȚI

3.1 SISTEME DE ACȚIONARE CONVENȚIONALE

3.1.1 Exemple de sisteme de acționare electrice

3.2 SISTEME DE ACȚIONARE NECONVENȚIONALE

3.2.1 Sisteme de acționare cu SMA

3.2.2 Exemple de sisteme de acționare cu aliaje cu memoria formei (SMA)

3.2.3 Mecanisme de cuplare cu aliaje cu memorie a formei

3.2.4 Mecanisme de cuplare cu lichide rheologice

CONCLUZII

4 BIBLIOGRAFIE

5 REFERINȚE WEB

A. DISEMINĂRI ȘTIINȚIFICE LA CONFERINȚE

C. CD / DVD

INDEX

LISTA FIGURILOR

Figura 1. Manipulator discret 17

Figura 2. Manipulator tip trompă de elefant 18

Figura 3. Vehicul pe șenile 21

Figura 4. Robot cu sistem de locomoție tip șenilă 21

Figura 5. Robot tip păianjen 22

Figura 6. Robot tip păianjen pentru detectarea minelor explozive 23

Figura 7. Robot târâtor de tip șarpe 23

Figura 8. Robot târâtor de tip șarpe – detaliu construcție 24

Figura 9. Roboți pentru inspecție țevi. 26

Figura 10. Exemple reprezentative de sisteme robotizare pentru inspecție prin tevi si explorare 28

Figura 11. Modalități de locomoție în țevi 28

Figura 12. Microsisteme pentru inspecții și reparații în echipamente 29

Figura 13. Clasificarea roboților bazată pe materiale și grade de libertate 30

Figura 14. Caracteristicile roboților hiper-redundanți 31

Figura 15. Exemple de hidroscheleți și hidrostaturi musculare: a. Tubul de hrănire la stea de mare; b. Brațele de caracatiță; c. Coloana anemonei; d. Limba mamiferelor; e. Calmar; f. Echinoid; g. Illex illecebrosus;h. Illex illecebrosus; i Viermele de cerneala j. Picioarele de melc 34

Figura 16. Manipulator robotic cu forma unei trompe de elefant 35

Figura 17. Manipulatorul Elephant’s Trunk Robot – vedere în detaliu 36

Figura 18. Manipulatorul Festo Bionic Handling Assistant 36

Figura 19. Festo Bionic Handling Assistant în timp ce manevrează diverse obiecte 37

Figura 20. Robotul Octarm 38

Figura 21. S5 Snake Robot Prototype (1998-99) 39

Figura 22. S7 Snake Robot Prototype (2001-2005) – Imită structura unui piton 42

Figura 23. Platforma Sensei X Robotic Catheter System-vedere de ansamblu 43

Figura 24. Platforma Sensei X Robotic Catheter System 43

Figura 25. Robotul CardioARMTM articulat în jurul unei inimi 44

Figura 26. Robotul CardioARMTM 44

Figura 27. Robotul M-TRAN II 45

Figura 28. Robotul Polybot 46

Figura 29. Robotul Telecube 46

Figura 30. Robotul Crystalline 47

Figura 31. Robotul Molecule 48

Figura 32. Robotul Cube 48

Figura 33. Robotul Atron 49

Figura 34. Reconfigurarea unui robot în funcție de teren 51

Figura 35. Exemplu de articulație non-serială (Yim) 52

Figura 36. Exemple de deplasare: 55

Figura 37. a. Incărcarea gravitațională la un manipulator robotic cu forma continuă provoacă deviere în jos; b. actuatorii îndoaie structura în sus; c. deplasarea netă are poziția zero a actuatorului, dar forma non-zero 57

Figura 38. Robot hiper-redundant de tip trompă de elefant 58

Figura 39. Robot hyper-redundant de tip șarpe 58

Figura 40. Robot hiper-redundant cu structură continuă 58

Figura 41. Modelul virtual al unității robotice poliarticulate tronconice 59

Figura 42. Unitate robotică poliarticulată tronconică 60

Figura 43. Evidențierea unei cuple elicoidale din structura sistemului de acționare al unității robotice 60

Figura 44. Suporții de susținere ai sistemului de acționare 61

Figura 45. Detaliu pentru evidențierea elementelor de siguranță împotriva rotirii piulițelor cuplelor elicoidale 61

Figura 46. Detaliu privind evidențierea rulmenților radiali-axiali cu bile pentru susținerea cuplelor elicoidale 62

Figura 47. Sistemul de comandă și control al robotului: PC și cele 9 controlere 63

Figura 48. Modulul interactiv al robotului autoconfigurabil Cristalline 64

Figura 49. Robotul autoconfigurabil Cristalline, exemplu de deplasare 65

Figura 50. Modul Cube 65

Figura 51. Modul ATRON 65

Figura 52. Modul ATRON – deplasare 66

Figura 53. Robotul RightTroad 66

Figura 54. Robotul PetRo 67

Figura 55. Robotul CONRO – detaliu 67

Figura 56. Robotul CONRO – deplasare 68

Figura 57. Robotul Yim 68

Figura 58. Robotul Molecule 69

Figura 59. Transformările structurii SMA funcție de temperatură 70

Figura 60. Transformările de fază într-un interval de temperatură 70

Figura 61. Modalități de generare a forței de relaxare 72

Figura 62. Reglare pasivă, schema de principiu și implementare 73

Figura 63. Reglare activă, Schema de principiu și implementare 73

Figura 64. Reglare prin PWM, schema de principiu 74

Figura 65. Reglare activă, modulator PWM 74

Figura 66. Schema de control 75

Figura 67. Mecanism de cuplare cu SMA 76

Figura 68. Robotul Polybot – mecanism de cuplare 76

Figura 69. Robotul Cube – mecanism de cuplare 76

Figura 70. Robotul Cube – simulare deplasare 77

Figura 71. Robotul CONRO – mecanism de cuplare 78

Figura 72. Robotul Tran II – conectarea 78

Figura 73. Robotul Polybot – mecanism de cuplare 79

Figura 74.Cather 79

Figura 75Figura 42 Structură telechirurgie 79

Figura 76. Detaliul unei articulații de tip deget 79

Figura 77. Structura unui milirobot 79

Figura 78. Micro-robot flexibil dezvoltat de Toshiba Corporation și Yokohama University 80

Figura 79. Exemplificarea gradelor de libertate ale Micro-robotului flexibil 80

Figura 80. Structura Micro-robotului flexibil 81

Figura 81. Forma generală a modelului tentacular ER 82

Figura 82. Structura MR bazată exclusiv pe utilizarea unor microcontrollere MR 82

Figura 83. Controller MR utilizat în cadrul structurilor de miliroboți destinați intervențiilor chirurgicale 84

Figura 84. Funcția de apucare prin încovoiere în lumea animală 85

Figura 85. Braț tentacular hyperredundant cu funcție de apucare prin încovoiere 86

Figura 86. Mână cu trei degete triortogonal opuse. Funcția de apucare prin încolăcire 86

Figura 87. Mână cu trei degete triortogonal opuse. Funcția de apucare prin presare cu vârful degetelor 87

Figura 88. Forma generală a brațului 87

Figura 89. Corpul cilindric 87

Figura 90. Distribuția senzorilor de forță 88

LISTA TABELELOR

Tabelul 1. Caracteristici ale diferitelor tipuri de roboți tradiționali (hard) (primele trei coloane) și roboți soft 17

Tabelul 2. Clasificare funcție de deplasare 39

Introducere

Scopul

Roboții prin structura și funcțiile lor reprezintă o clasă de sisteme ce sintetizează elemente de vârf dintr-o serie de domenii tehnico-științifice. Este evident, deci, că robotul reprezintă un sistem extrem de complex, descris prin modele matematice sofisticate definite prin sisteme de ecuații diferențiale neliniare, cu parametri variabili, deterministe sau stohastice, cuprinzând un număr mare de variabile de intrare și ieșire (Figura 1).

Figura 1. Manipulator discret

În ultimele decenii cercetarea roboților manipulatori s-a concentrat în principal pe structuri care imită brațul uman. Acești roboți convenționali pot fi descriși ca manipulatoare discrete, deoarece arhitectura lor se bazează pe un număr mic de articulații care sunt conectate în serie prin legături rigide discrete.

Manipulatoarele discrete pot deservi eficient diferite tipuri de sarcini, dar au limitări. Acest tip de roboți au de la 5 la 7 grade de libertate și într-un mediu spațial au nevoie aproape întotdeauna de toate gradele de libertate pentru a poziționa efectorul. Această arhitectură este foarte eficientă pentru medii deschise, dar dacă mediul adaugă constrângeri este posibil ca efectorul să nu poată fi poziționat. Acest eșec se datorează lipsei gradelor de libertate ale robotului, necesare pentru a satisface atât condițiile de mediu cât și poziția finală a efectorului. De asemenea manipulatoarele discrete prezintă inconvenientul necesității schimbării efectorului în funcție de tipul sarcinii. Deși aceste metode pot deservi sarcina respectivă uneori este posibil ca apucarea prin încolăcire, folosind secțiuni ale manipulatorului pentru aceasta, poate fi o soluție mai bună.

Prezența mai multor grade de libertate pentru manipulatoarele convenționale poate spori manevrabilitatea și flexibilitatea acestora, putând astfel deservi și sarcini care impun constrângeri ale mediului de operare.

Un manipulator tentacular ideal reprezintă un braț robotic neconvențional cu o mobilitate foarte mare. Posedă capacitatea de a realiza forme sofisticate și de a atinge orice poziție și orientare în spațiul tridimensional. Manipulatorul tentacular este un manipulator hiper-redundant sau un manipulator cu foarte multe grade de libertate.

Roboții tradiționali au la bază structuri ibil ca efectorul să nu poată fi poziționat. Acest eșec se datorează lipsei gradelor de libertate ale robotului, necesare pentru a satisface atât condițiile de mediu cât și poziția finală a efectorului. De asemenea manipulatoarele discrete prezintă inconvenientul necesității schimbării efectorului în funcție de tipul sarcinii. Deși aceste metode pot deservi sarcina respectivă uneori este posibil ca apucarea prin încolăcire, folosind secțiuni ale manipulatorului pentru aceasta, poate fi o soluție mai bună.

Prezența mai multor grade de libertate pentru manipulatoarele convenționale poate spori manevrabilitatea și flexibilitatea acestora, putând astfel deservi și sarcini care impun constrângeri ale mediului de operare.

Un manipulator tentacular ideal reprezintă un braț robotic neconvențional cu o mobilitate foarte mare. Posedă capacitatea de a realiza forme sofisticate și de a atinge orice poziție și orientare în spațiul tridimensional. Manipulatorul tentacular este un manipulator hiper-redundant sau un manipulator cu foarte multe grade de libertate.

Roboții tradiționali au la bază structuri rigide ce limitează abilitățile acestora de a interacționa cu mediul lor. De exemplu, manipulatoarele robotice convenționale prezintă legături rigide și pot manipula obiecte numai prin folosirea elementului terminal special. Acești roboți întâlnesc adesea dificultăți în operarea în medii nestructurate și foarte aglomerate, cu restricții.

Pentru manipularea în spații cu restricții severe, în literatura de specialitate au fost dezvoltate structuri particulare de roboți cu mare mobilitate, ce permit acestora să opereze cu performanțe satisfăcătoare.

Figura 2. Manipulator tip trompă de elefant

Majoritatea acestor roboți sunt de inspirație biologică și au ca referință structuri binecunoscute în lumea animală, cum ar fi tentaculul caracatiței, trompa de elefant, șarpele etc.

S-a observat faptul că există o varietate de animale și plante ce prezintă mișcări complexe având structuri ușoare, lipsite de componente rigide. Hidrostaturile musculare (de exemplu brațul de caracatiță și trompa de elefant) sunt aproape în întregime compuse din mușchi și țesuturi de legătură și celulele plantelor putându-și de asemenea modifica forma atunci când sunt presate de osmoza. Cercetătorii s-au inspirat din biologie pentru construcția și proiectarea roboților soft. Cu o structură ușoară și grade de libertate redundante, acești roboți pot fi utilizați pentru a îndeplini sarcini complexe în medii dezordonate și/sau nestructurate. In continuare vor fi prezentate capacități ale roboților soft, vor fi descrise câteva exemple din natura ce oferă inspirație biologică și, de asemenea, va fi realizată o scurtă trecere în revistă a lucrărilor științifice elaborate în domeniu și o evidențiere a provocărilor privind design-ul, modelarea, fabricarea și controlul roboților soft..

Motivația

Autorul justifică aici alegerea și interesul său pentru tema aleasă.

roboți de inspirație biologică

Hyper-redundanți. Generalități.

Cu mici excepții putem spune ca majoritatea roboților sunt de inspirație biologică; de la diverse tipuri de manipulatoare care imită brațul uman, roboți pășitori care imită insectele (și nu numai), roboți pășitori bipezi care imită omul, până la roboți hyper-redundanți care imită hidrostaturi musculare (brațul caracatiței, trompa de elefant, etc.), sau șarpele. Studiind manipulatorii biologici observăm, comparativ cu brațul uman, diferite animale, de exemplu șerpi, elefanți sau caracatițe, pot produce mișcări pe traiectorii complexe și pot manipula obiecte foarte diferite deși structura lor diferă de structura brațului uman. Trăsătura comună, principală, constă în numărul mare de grade de libertate. Studiul manipulatoarelor cu un număr foarte mare de grade de libertate, sau un grad ridicat de manevrabilitate, numite roboți hyper-redundanți a dus la crearea multor modele diferite.

Cea mai populară structură este cea de tip “coloană vertebrală” acționată de un set de cabluri. Un alt model folosește tuburi umplute cu fluide pentru acționare. De asemenea există si alte modele derivate din structurile convenționale. Aceste tipuri de manipulatori sunt frecvent menționate ca manipulatori/roboți hyper-redundanți datorită numărului mare de grade de libertate mult mai mare decât gradele de libertate destinate spațiului de lucru.

Putem avea trei clase principale pentru arhitectura roboților:

manipulatoare convenționale numite roboți discreți;

roboți serpentine care derivă din manipulatoarele convenționale prin creșterea numărului de articulații, această clasă include și roboții hyper-redundanți;

roboți continui care nu conțin articulații discrete sau elemente rigide, curbându-se continuu pe toată lungimea sa similar cu trunchiurile și tentaculele biologice.

Numărul foarte mare de grade de libertate care permit roboților hyper-redundanți și continui de a deveni mai manevrabili generează o complicare a cinematicii acestora.

Tipuri de locomoție

În continuare vom face o clasificare a roboților din punct de vedere al locomoției, ceea ce presupune o deplasare independentă a robotului în mediul de lucru.

În funcție de tipul de locomoția roboților avem:

biomimetic – unde robotii modelează mișcările unui animal;

non-biomimetic – locomoția nu este bazata pe modul de deplasare al unui animal.

și moduri uzuale de deplasare:

cu ajutorul picioarelor;

cu șenile(ca la tancuri);

cu roți, cea mai des folosita metodă;

neconvenționale (târâre, salturi, samd.).

Roboți sau șenile

Roțile sau șenilele nu au corespondent direct în natură.

Rotile sunt folosite mai ales în cazul roboților care lucrează în fabrici, șenilele pentru deplasarea pe terenurile accidentate (Figura 3), picioarele fiind folosite în cazul roboților utilizați în mediu uman.

Figura 3. Vehicul pe șenile

Un vehicul pe șenile este mai bun,dar în același timp complex și astfel se tinde spre un model hibrid, o combinație între șenile și roți (Figura 4).

Figura 4. Robot cu sistem de locomoție tip șenilă

Roboți pășitori non-bipezi

Un asemenea tip de mișcare imită deplasarea insectelor. Sunt roboți cuadripozi (4 picioare), hexapozi, octopozi sau miriapozi.

Un robot cu picioare este mai ușor de realizat. Echilibru și o tracțiune bună se obțin folosind 6 picioare, dar 8 sau mai multe picioare dovedesc o mobilitate superioară.

Această variantă merită de luat în calcul când se dorește creșterea vitezei de deplasare, a stabilității și ușurinței în manevrare, precum și minimizarea energiei folosite. Se crede că folosind un număr mai mare de piciorușe solicită mai puțină energie decât folosind mai puține dar mai mari. Roboții cu picioare pot fi foarte folositori în executarea anumitor sarcini în mediul înconjurător unde terenul exclude posibilitatea de folosire a roților.

Pentru exemplificare un model destul de interesant care copiază mișcările și comportamentul unui păianjen (Figura 5).

Figura 5. Robot tip păianjen

Construcția:

Pentru început câteva dimensiuni ale robotului-păianjen: măsurile corpului 12 x 11 x 3.5 cm, lățimea este de 22 cm (incluzând picioarele). În poziție nemișcată se află la o distanță de 2,3 cm de pământ, ridicându-se la deplasare până la 3,3 cm distanță de la pământ. Păianjenul robot cântărește 92 de grame și consumă în jur de 61 mW la deplasarea pe o suprafață netedă. Un pas complet, adică mișcarea tuturor celor 8 picioare durează 4 secunde, viteza de înaintare fiind de 70 cm/minut.

Pentru rezolvarea sarcinilor, păianjenul robot este avantajat de aptitudinea de a sari cu ajutorul piciorușelor de oțel de numai 1 mm. Ținându-și unul din piciorușe într-o poziție fixă raportat la restul corpului, mecanismul se întoarce motorul consumând la o astfel de mișcare mai puțin de 40 mA.

Modelul a furnizat o importanta sursă de inspirație, astfel realizându-se modele asemănătoare dar mult mai inteligente, capabile chiar să detecteze mine explozive cum este cel din Figura 6.

Figura 6. Robot tip păianjen pentru detectarea minelor explozive

Roboți târâtori

Un alt mod de deplasare imitând mișcarea șarpelui. (Figura 7).

Figura 7. Robot târâtor de tip șarpe

Șarpele se mișcă în teren accidentat, depășește obstacole și de asemeni se deplasează cu ușurință în spații înguste, motiv care a determinat construirea unui robot-șarpe cu scopul inspectării suprafețelor dificile și periculos de analizat pentru om, cum ar fi țevile înguste într-o canalizare sau clădirile distruse.

Pozele făcute cu o cameră plasată în zona capului robotului șarpe sunt trimise către un ecran îndepărtat astfel putând fi monitorizate de un operator uman. Operatorul uman poate de asemenea controla și locomoția robotului, dar nu fiecare parte a corpului, ar fi mult prea greu chiar și pentru un simplu robot șarpe construit doar din 5 bucăți datorită numeroaselor grade de libertate. În acest fel, operatorul va da doar directive generale și robotul ar trebui să le poată urma autonom; robotul trebuie să fie capabil să acționeze autonom în cazul în care s-ar pierde contactul cu operatorul.

Șarpele robot folosește diferite tipuri de mișcare în funcție de mediul înconjurător, astfel el poate imita mișcarea unei omide prin îndoirea și întinderea corpului; alți șerpi care se deplasează pe nisipul fierbinte al deșerturilor folosesc o mișcare sinuoasă în care fiecare parte a corpului atinge pământul doar pentru un moment foarte scurt.

În timpul deplasării șarpelui propulsia principală este determinată de o sursă neobservată de la o prima analiză: sute de scări subțiri de pe partea ventrală a șarpelui ajută la deplasarea înainte.

Modul de locomoție al șarpelui are câteva avantaje în plus:

împiedică aplecarea corpului șarpelui

calea de deplasare poate fi definita arbitrat pentru evitarea obstacolelor;

este mai ușor de controlat deoarece numai locomoția capului trebuie definită, restul corpului fixându-se mai apoi.

Construcția:

Robotul cântărește 15 kg, are un diametru de 18 cm (incluzând roțile), lungimea fiecărei secțiuni fiind de 13,5 cm, în total lungimea fiind de 1,5 m.

Figura 8. Robot târâtor de tip șarpe – detaliu construcție

În realizarea șarpelui robot au fost folosite articulații de cauciuc pentru a permite o flexibilitate în îndoirea părților corpului. Un dezavantaj a fost totuși apariția unui efect nedorit de răsucire atunci când șarpele își ridică părți ale corpului, de exemplu la urcarea pe o treaptă. Varianta a fost îmbunătățită prin realizarea unui nou robot șarpe al cărui corp este construit din 5 părți identice conectate prin articulații universale. În zona capului au fost montați 2 senzori de sunet pentru detecția obstacolelor și o cameră video cu un transmițător în așa fel încât imaginile captate să poată fi monitorizate pe un ecran la distanță. In coadă sunt plasate bateriile care permit robotului deplasarea pe o perioadă de mai bine de o ora după reîncărcarea acestora. Microcontrolerul din zona capului preia controlul central al robotului. In interiorul fiecărei secțiuni a corpului un microcontroler pe 16 biți procesează informațiile provenind de la senzorii locali și acționează motoarele. In fiecare din cei 5 cilindri componenți există 3 motoare de 5W-DC care controlează poziția articulațiilor. Intre aceste motoare toate părțile electrice au fost integrate, incluzând un procesor C167 pe secțiune, fiecare cu o interfață CAN pentru bus-ul de comunicație. Pentru a realiza tehnic o mișcare echivalentă cu cea din realitate s-a implementat folosind un inel cu roți în jurul fiecărei secțiuni a corpului dirijat de un motor adițional astfel încât fiecare secțiune să-și poată controla propria forță de înaintare, rolul inelului cu roți fiind de continuare a mișcării în cazul în care robotul șarpe s-a răsturnat pe una din părți sau pe spate.

Noul tip de acționare mecanică denumit "fibră musculară" este realizat dintr-un mănunchi de fibre speciale din nichel-titanium care la trecerea curentului electric își micșorează lungimea. Acest tip de acționare este foarte eficient datorită puterii deosebite pe care o dezvoltă: pot ridica greutăți cântărind până la mii de ori mai mari față de propria lor greutate. Datorită mișcării liniare asemănătoare musculaturii corpului uman se pot implementa noi mișcări inaccesibile vechilor implementări clasice.

Acest tip de acționare mecanică este ideal implementării roboților de dimensiuni reduse: roboti mergători. In comparație cu motoare sau solenoizi "fibrele musculare" (cunoscute si cu numele de nitinol) au multe avantaje: dimensiuni reduse, greutate foarte mică, consum redus de energie electrică, un foarte mare raport putere de ridicare/greutate, precizie în control, pot fi alimentate în curent continuu cât și în curent alternativ și au o durată de viață foarte mare. Toate aceste caracteristici determină folosirea acestui tip de acționare mecanică în realizarea diferitelor idei greu de implementat cu resursele clasice.

Roboți pentru inspecție țevi

Rețelele de țevi au o importanță majoră în transportul petrolului, a gazelor și a apei potabile și menajere. Problemele diverse datorate îmbătrânirii țevilor, a coroziunii acestora, precum și a apariției crăpăturilor determină o creștere a activităților de inspecție, întreținere și reparare.

Realizarea acestor activități de către operatorii umani necesită cheltuieli substanțiale. De aceea utilizarea roboților pentru întreținerea țevilor este una din soluțiile cele mai atractive în acest moment. Inspecția în țevi este relevantă și pentru îmbunătățirea securității și eficienței în mediul industrial.

Roboții de inspecție în țevi sunt sisteme mecatronice ce utilizează unul sau mai mulți senzori pentru evaluarea stării generale a țevii și a integrității structurale a acesteia. In structura acestora un rol esențial îl are sistemul locomotor sau platforma mobilă ce transportă sistemul senzorial ce are rol în explorare.

Roboții din aceasta categorie ce au o structură flexibilă sunt adaptabili mediului în care operează în special diametrului țevii, au o dexteritate îmbunătățită și o manevrabilitate ridicată, fiind capabili să opereze în medii ostile.

Clasificarea roboților ce desfășoară activități în țevi se poate face – în funcție de sistemul de locomoție pe care îl utilizează așa cum se prezintă în Figura 9.

Figura 9. Roboți pentru inspecție țevi.

robot de tip pig b) robot pe roti c) robot pe senile d) robot cu elemente flexibile e) robot cu picioare f) robot de tip inchworm g) robot cu deplasare prin rotație axiala

roboti de tip pig – se deplasează in interiorul țevilor împinși de presiunea fluidului care circulă prin țeavă, dar prezintă dezavantajul că pot fi antrenați în mișcare de rotație în jurul axei longitudinale proprii;

roboți pe roți – au avantajul controlului facil al direcției și vitezei de deplasare dar sunt limitați de factorul energetic și se pot răsturna, rămânând blocați în interiorul țevii;

roboti pe șenile – sunt foarte stabili și pot traversa anumite obstacole în țevi, dar ca și robotii pe roți se pot răsturna;

roboți cu elemente flexibile – sunt construiți cu elemente flexibile care apasă pe suprafața țevii ajutând la fixare și au avantajul important de a se putea deplasa prin secțiuni verticale de țeavă;

roboți cu picioare – sunt construiți cu picioare articulate care pot realiza diferite mișcări în țevi;

roboți de tip „ inchworm " – sunt folosiți în special la inspecția țevilor cu diametre mici;

roboți cu deplasare prin rotație axială – se deplasează imitând mișcarea unui șurub. Majoritatea acestora sunt proiectați în funcție de sarcinile specifice ce trebuie să le îndeplinească. Din punctul de vedere al gradului de autonomie roboții mobili pentru inspecție în țevi se clasifică în:

roboți telecomandați permanent de un operator uman (operatorul comandă și controlează toate sarcinile elementare).

roboți comandați periodic de un operator uman (operatorul intervine numai pentru a asigura nivelul decizional global).

roboți autonomi (realizează obiectivele predefinite cu ajutorul capacitații decizionale proprii într-un mediu parțial cunoscut și structurat).

În funcție de structura mecanică roboții pentru inspecție în țevi pot fi:

roboți cu structură fixă – folosiți la inspecția unor țevi cu un anumit diametru.

roboți cu structură adaptabilă – au mecanisme care le permit să se adapteze la diferite diametre ale țevilor.

Roboții menționați mai sus se deplasează în general prin țevi așezate în poziție orizontală, iar unii se pot deplasa și prin țevi dispuse vertical, țevi curbe sau prin coturi (joncțiuni L). Doar câțiva dintre roboții mobili pot naviga prin joncțiuni T sau țevi dispuse perfect vertical.

O cerință fundamentală a acestor roboți este abilitatea de a se deplasa printr-o varietate de configurații din structura țevilor, depășind obstacole și în același timp îndeplinind sarcinile propuse. O categorie distinctă o constituie sistemele robotizate pentru inspecție și explorare modularizate ce au structura adaptabilă la forma și dimensiunile țevii.

Aceste sisteme mobile sunt realizate în diferite soluții constructive dispun de diverse sisteme de locomoție, sisteme de acționare, anumite subsisteme senzoriale si de module de comunicație speciale.

Deplasarea în interiorul țevilor se realizează cel mai frecvent, prin intermediul roților, prin pășire, pe șenile sau prin intermediul sistemelor de locomoție combinate.

La realizarea lor și pentru realizarea locomoției în interiorul țevilor trebuie luate în considerare următoarele constrângeri: – aspectul țevii; rezidurile acumulate in țeava; curbura țevii (în funcție de raza de curbură, sistemul robotizat poate avea dificultăți în timpul deplasării); alternanța tronsoanelor orizontale și verticale; variația diametrului țevii; starea suprafeței din interiorul țevii; distanța care trebuie parcursă în țeavă; rigiditatea țevii; crăpăturile țevii; materialul țevii (conductori electrici sau izolatori). Cum majoritatea sistemelor sau construcțiile urbane/industriale, utilajelor de exploatare, au încorporate în structura lor trasee tubulare (țevi, racorduri etc.) de alimentare (apă, energie termică) sau cu alte utilizări (conducte de transfer produse petroliere, gaze, etc.) ce au dimensiuni variabile, de la câțiva centimetri până la câțiva metri, necesitatea unui sistem robotizat cu o mobilitate deosebită dotat cu un algoritm de control corespunzător este perfect justificată.

Câteva exemple reprezentative de astfel de sisteme robotizate modularizate de inspecție în țevi și explorare sunt prezentate în figurile următoare (Figura 10):

Figura 10. Exemple reprezentative de sisteme robotizare pentru inspecție prin tevi si explorare

În cazul deplasării microroboților pentru țevi sau pentru spații înguste și sinuoase se disting trei modalități de locomoție: locomoția scolopendrică (Figura 11) – la care se utilizează structuri inextensibile, articulate după două axe ortogonale; locomoția peristaltică (Figura 11.a) – la care se realizează deplasarea laterală a unui modul (celulă) față de modului vecin; locomoția inchworm (Figura 11.c și d).

Figura 11. Modalități de locomoție în țevi

b) scolopendrică, b) perisaltică, c), d) inchworm

In Figura 12 a se prezintă un microsistem pentru inspecții și reparații în echipamente complexe. Este compus din: modulul de baza, modulul de inspecție, modulul de reparații și microcapsula. Microsistemul servește la realizarea inspecției și reparației unui sistem de conducte ce lucrează cu mediu fluid. Alte exemple reprezentative de sisteme microrobotice din această categorie sunt prezentate în Figura 12 b si c.

Figura 12. Microsisteme pentru inspecții și reparații în echipamente

Un astfel de sistem robotizat va fi format din mai multe module motoare și pasive. Modulele motoare au rolul asigurării funcției de propulsie a sistemului robotizat iar modulele pasive au rolul de a transporta echipamentul necesar realizării inspecțiilor, explorărilor etc.

Fiecare modul este realizat din mecanisme (cu elemente articulate) dispuse la 120° fata de un ax central, soluție ce conferă sistemului o stabilitate buna în țeavă. Cupla cinematică dintre modulele robotului va asigura capacitatea de orientare în țevi determinându-i robotului o flexibilitate ridicată la deplasări prin ramificații, coturi, etc.

Proiectarea sistemelor robotizate propuse este constrânsă de condițiile geometrice ale rețelelor de țevi, de diametrul țevii, curbură și de starea actuală a tehnologiei utilizate.

O problemă importantă în proiectarea acestor sisteme de roboți (în special a mecanismelor din structură) o constituie obținerea puterii de tracțiune necesară ca robotul să se poată deplasa împreună cu instrumentația din dotare. In special în conducte verticale este de dorit să se controleze forțele de apăsare asupra peretelui țevii pentru a asigura o forță de tracțiune suficient de mare. Forța de tracțiune prea mare va duce la un consum de putere ridicat și poate avaria structura robotului, iar o forță prea mică poate lăsa robotul să cadă liber în țeavă.

O condiție importantă este ca roțile motoare să nu alunece pe suprafața țevii, forța de tracțiune a roții trebuie să fie deci proporțională cu coeficientul de frecare dintre roți și suprafața țevii și cu forța de presiune dintre roți și suprafața țevii. Deoarece coeficientul de alunecare depinde de materialul roții și a peretelui țevii este indicat să se proiecteze un mecanism care să poată regla forța de presiune iar roțile să fie prevăzute cu anvelope din cauciuc.

Configurația conductelor restricționează întreg ansamblul sistemelor robotizate. Obstacolele tipice din interiorul rețelelor de conducte sunt: coturile, ramificațiile, reducțiile, traseele verticale, valvele, precum si reziduurile acumulate in țeava etc. O cerința fundamentala ce trebuie sa o îndeplinească sistemele robotizate de inspecție in țevi/explorare este abilitatea in deplasare printr-o varietate de configurații din structura țevilor, învingând obstacole si in același timp îndeplinind sarcina de rezolvat. Dintre mulți roboti dezvoltați si prezentat! in literatura de specialitate doar câțiva satisfac aceste cerințe. Majoritatea acestor sisteme robotizate utilizează roți motoare ce exercită o presiune asupra pereților țevii prin utilizarea arcurilor și elementelor articulate.

Proiectarea sistemului robotizat este impusă de condițiile geometrice ale rețelelor de țevi (diametrul, curbura, etc) dar si de starea actuală a tehnologiei. In proiectarea acestor sisteme de roboți trebuie să se țină seama și de sistemul de locomoție, sursa de energie, sistemul de comunicare și instrumentația necesară, inspecțiilor/explorărilor. O soluție în acest sens o constituie utilizarea structurilor articulate (asemănătoare unui șarpe) sau a unor structuri modulare cu mecanisme articulate pentru care însă controlul devine mai dificil de realizat.

La momentul actual realizarea unui sistem microrobotic ce include actuatorii, microcontrolerele, sursele de alimentare, senzorii si instrumentele de comunicare și alte componente electronice care trebuiesc amplasate în spații extrem de mici este destul de dificil de realizat.Sds

Roboți hard și soft

În funcție de materialele ce stau la baza confecționării roboților avem:

roboți hard;

roboți soft.

Figura 13. Clasificarea roboților bazată pe materiale și grade de libertate

Roboții pot fi clasificați ca fiind hard sau soft în funcție de materialele ce stau la baza confecționării acestora, după cum se poate observa în Figura 13. Un robot soft este în mod inerent conformabil și prezintă o forță mare în operațiile normale. In general, roboții tradiționali prezintă articulații flexibile multiple, conectate prin legături rigide. Fiecare articulație este flexibilă într-o direcție rotativă sau translațională pentru a oferi un grad de libertate al mișcării robotului. Mișcarea combinată a tuturor gradelor de libertate acoperă întregul spațiu de lucru sau locul geometric al punctelor, astfel încât poziția indicată să poată fi obținută cu ușurință. Roboții tradiționali (hard) sunt hiper-redundanți atunci când numărul articulațiilor este foarte mare.

Roboții construiți din materiale „grele”, cum ar fi aliaje cu memoria formei (SMAS), pot fi de asemenea proiectați pentru a avea deformări continue și un număr infinit de grade de libertate. Roboții hiper-redundanți au potențialul de a lucra în medii nestructurate și de a oferi o dexteritate mare.

Figura 14. Caracteristicile roboților hiper-redundanți

a-dexteritate;b-senzor de poziție; c-manipulare; d. încărcare

Roboții soft și cei hard folosesc mecanisme diferite pentru a putea avea o dexteritate mobilă (Figura 14.a). Roboții soft prezintă o deformație distribuită, având, din punct de vedere teoretic, un număr infinit de grade de libertate. Acest lucru conduce la un spațiu de lucru cu o configurație hiper-redundantă, unde robotul poate atinge fiecare punct în spațiul tridimensional, putând folosi un număr infinit de forme și configurații. Acest tip de roboți prezintă un avantaj adițional față de roboții tradiționali hiper-redundanți, și anume faptul că generează o rezistență minoră la forțele de compresiune și astfel se pot conforma la apariția obstacolelor (pot îndeplini astfel sarcini fragile și fine fără a deteriora). Folosind un efort de deformare mare, se pot strecura prin deschideri mai mici decât mărimea lor inițială. Acest lucru îi face ideali pentru aplicații cum ar fi roboții personali ce interacționează cu oameni fără a răni, roboți ce asigură service-ul sau pictează, ce au nevoie de o dexteritate foarte mare pentru a ajunge în spațiile limită, roboți medicinali (în mod special pentru utilizarea lor în chirurgie), roboți de apărare și salvare ce operează în medii nestructurate. Roboții soft diferă de cei “hard”, hiper-redundanți (roboții cu structură ca a șarpelui și cu forma continuă).

Gradele de libertate finite și controlabile ale unui robot soft sunt date de către dispozitivul de acționare al acestuia. Roboții cu legături rigide au un dispozitiv de acționare, de obicei acesta fiind un motor electric, pentru fiecare articulație. Deformarea ce rezultă din activarea unui sistem de acționare este definită de mecanismul de acționare, de efortul și de mărimea actuatorului, forma și locația acestuia în structura robotică. Acest tip de roboți se încadrează într-o clasă de sisteme și sunt numiți “subacționați” deoarece, spre deosebire de roboții tradiționali (hard), nu există un executor pentru fiecare grad de libertate. Alte grade de libertate ar putea fi influențate de către sistemele de acționare, dar majoritatea gradelor de libertate nu sunt controlabile.

Roboții cu forma continuă interacționează cu mediul în mod diferit față de cei tradiționali (hard). Mediul aplică încărcări structurii atât prin încărcare distribuită (gravitația), cât și prin contact.

Tabelul 1. Caracteristici ale diferitelor tipuri de roboți tradiționali (hard) (primele trei coloane) și roboți soft

În natură există numeroase exemple de structuri mobile realizate din materiale ușoare (soft). Hidrostaturi musculare, cum ar fi trompa elefantului, limbile mamiferelor și șopârlelor, precum și brațul de caracatiță, reprezintă structuri ușoare (soft) ce se pot îndoi, extinde și răsuci. Fibra de armare în pereții celulari ai plantelor ușoare (soft) permite celulelor să își modifice forma atunci când sunt sub presiune. Pentru dezvoltarea roboților cu formă continuă mimica acestor structuri complexe nu este nici necesară, nici practică. Înțelegerea fundamentală a morfologiei și funcționalității structurilor ușoare (soft) în natura este în creștere și poate conduce la concepte noi de proiectare în robotica cu formă continuă. Lumea naturală demonstrează capacitățile potențiale ale roboților soft.

Roboți hyper-redundanți

Hydrostaturi musculare

O clasă particulară de animale ca viermii și anemonele de mare, nu au schelet cu articulații rigide care poate fi întâlnit, de exemplu, la vertebrate (mamifere, păsări și reptile) și antropode (insecte, crabi). In schimb, aceste animale cu corpuri ușoare (soft) depind de un schelet hidrostatic pentru suport. Scheleții hidrostatici sunt cilindrici, cu cavități pline de fluid, înconjurate de către un perete muscular ce este consolidat cu fibre de țesut de legătură. Fluidul este de obicei un lichid (în mod normal apa) și astfel suferă modificări semnificative ale volumului. Deci, dacă fibrele musculare din perete se contractă pentru a micșora una dintre dimensiuni, o alta dimensiune trebuie să se mărească. Prin aranjarea musculaturii astfel încât toate dimensiunile să poată fi controlate activ, poate fi realizată o aranjare diversă a mișcărilor și modificarea formei. Transmiterea forțelor este deci oferită nu de către legăturile rigide, ci de presiunea din fluidul împrejmuit. Acest principiu simplu servește ca bază a suportului și mișcării într-un grup divers a animalelor cu corpuri ușoare (soft). Suportul scheletic hidrostatic poate fi de asemenea important la organisme ce de obicei se bazează pe un schelet rigid. De exemplu, crabii se bazează pe un suport scheletic hidrostatic după ce și-au lepădat exoschelet în timpul năpârlirii și înainte ca noua formată cuticulă să se întărească, și de asemenea, presiunea hidrostatică de sub pielea rechinilor poate oferi un înțeles al transmiterii forței către coadă.

Pe lângă spațiile mari umplute cu fluid și fibre musculare aranjate în orientări multiple, pereții majorității scheleților hidrostatici sunt consolidați cu fibre de țesut de legătură (cele mai cunoscute sunt proteinele de colagen) aranjate ca fascicule de fibre paralele continue ce înfășoară animalul în ambele tipuri de aranjări elicoidale, și anume dreptace sau stângace. Aceste aranjări de fibre de țesut elicoidal de legătura oferă consolidarea pereților și permit atât îndoirea lentă, cât și modificarea în lungime. Unghiul fibrei, unghiul pe care fibra îl face cu axa mare, s-a arătat că ar controla și limita modificările formei la o varietate de animale precum viermii și la structurile hidraulice, cum ar fi tubul de hrănire la echinoderme (stea de mare etc).

Kier și Smith au introdus termenul ‘’hidrostat muscular’’ pentru a descrie un grup de structuri de animale moi (soft) cărora le lipsesc cavitățile mari pline de fluid ce caracterizează sistemul suport scheletic hidrostatic al altor animale cu corp moale (soft). Exemplele de musculaturi hidrostatice includ și brațele de caracatiță, brațele și tentaculele de calmar, multe limbi, trompa elefantului și o varietate de structuri nevertebrate (vezi fig. 16). Aceste structuri sunt capabile de mișcări diverse și complexe și sunt neobișnuite deoarece musculatura lor generează atât forța pentru mișcare, dar oferă și suportul scheletic. Suportul și mișcarea sunt atinse într-un mod asemănător cu cel al scheleților hidrostatici prin exploatarea neînțelegerii mușchilor la presiunea psihologică și aranjarea musculaturii astfel încât să controleze toate cele trei dimensiuni. Morfologia și biomecanica diferiților hidrostatici musculari a fost examinată incluzând brațele și tentaculele de calmar, limba de cameleon, limba umană, limba broaștei africane ‘’nas de porc’’, înotătoarele de sepie și calmar, mrenele de caracatiță și limba de broască microhylid.

Figura 15. Exemple de hidroscheleți și hidrostaturi musculare: a. Tubul de hrănire la stea de mare; b. Brațele de caracatiță; c. Coloana anemonei; d. Limba mamiferelor; e. Calmar; f. Echinoid; g. Illex illecebrosus;h. Illex illecebrosus; i Viermele de cerneala j. Picioarele de melc

Mușchii și țesuturile de legătură de întărire joacă un rol important în funcționarea hidrostaturilor musculare. Mușchiul animal în particular se potrivește cel mai bine acționărilor ușoare (soft). Meijer ș.a. au rezumat mărimea performanței metrice a mușchilor incluzând forța maximă produsă pe lungimi constante, dependența lungimii de producerea forței, rata la care forța poate fi generată și dependența vitezei în funcție de producerea forței. Mușchii, în timp ce toți se contractă, prezintă o mare variație a caracteristicilor în funcție de specii și chiar în funcție de mușchi diferiți la același animal. De exemplu, musculatura extensivă a tentaculei calmarului se contractă la o viteza maximă de aproximativ 15 lungimi pe secundă și prezintă o tensiune maximă la aproximativ 130 mN mm-2, în timp ce musculatura analoagă din brațul calmarului (responsabilă de suportul brațelor) se contractă la numai 1.5 lungimi pe secundă, dar prezintă o tensiune maximă la aproximativ 470 mN mm-2.

Cu toate că musculatura extensivă a tentaculelor operează la o gamă de tensiune mai mică de 30%, musculatura retractoare a tentaculelor operează la o gamă de tensiune mai mare de 80%. Deoarece există mecanisme limitate de amplificare a tensiunii în structurile ușoare (soft) de obicei, este necesară o tensiune mare pentru o mobilitate ridicată. Mușchii inactivi pot fi cu ușurință extensibili și pot permite o deformare mare cu o tensiune limitată. Totuși, atunci când sunt activi, tensiunea poate fi mare pentru a permite structurii să lucreze în mediul respectiv. Această capacitate variabilă de tensiune a mușchiului animal oferă hidrostaturilor musculare o dexteritate unică și capacități de suportare a încărcărilor.

Arhitecturi de roboți hiper-redundanți de tip trompa de elefant

V.C. Anderson detaliază în lucrarea „Tensor Arm Manipulator Design” proiectul robotului cu formă continuă acționat cu cabluri, care reprezintă cea mai populară structură de robot cu formă continuă și utilizează o coloana vertebrală acționată de un set de cabluri. Aceasta coloana vertebrală este formată din 15 elemente mici conectate în serie, prin intermediul a 14 articulații, fiecare articulație având 2 grade de libertate. Rezultă un număr total de 56 de filamente prin acționarea fiecărei articulații, ce se realizează cu ajutorul a 4 tendoane monofilare. Pentru a realiza acționarea griperului era utilizat un număr de 3 filamente suplimentare. Hirose ș.a au propus în cartea „Biologically inspired robots: snake- like locomotion and manipulators” o serie de modele, reprezentând roboți cu formă continuă, diferite între ele. Unul dintre acești roboți realizat de Hirose avea ca sursă de inspirație un proiect asemănător cu cel realizat de Cieslak și Morecki și se baza pe un arc elicoidal de mari dimensiuni ce îndeplinea rolul de suport flexibil, fiind acționat în 8 puncte prin intermediul cablurilor.

Figura 16. Manipulator robotic cu forma unei trompe de elefant

Robotul inspirat de trompa de elefant („Elephant’s Trunk Robot”) a fost realizat de Hannan, fiind format dintr-un număr de 16 articulații, fiecare dintre acestea având 2 grade de libertate, conducând la un număr total de 32 de grade de libertate. În Figura 16 poate fi analizată structura acestui robot.

Acționarea secțiunilor manipulatorului se realizează prin folosirea unui sistem hibrid servo format din cabluri (acționare activă, asemănătoare mușchilor) și arcuri (acționare pasivă, asemănătoare tendoanelor), manipulatorul fiind compus din patru secțiuni principale al căror diametru variază între 10,16 centimetri (grosimea bazei robotului) la 6,35 centimetri în zona secțiunii finale.

Figura 17. Manipulatorul Elephant’s Trunk Robot – vedere în detaliu

Acest manipulator este structurat în patru secțiuni, fiecare dintre acestea având având două grade de libertate ce pot fi acționate de către un servo-sistem format din cabluri, ceea ce conduce la un manipulator cu 8 grade de libertate și fiecare secțiune fiind formată din 4 legături seriale foarte mici.

Compania Festo a construit Festo’s Bionic Handling Assistant ce reprezintă un manipulator robotic modelat după trompa unui elefant care poseda o flexibilitate foarte apropiata de cea a animalului. Utilizând camere cu cavități din plastic care își pot schimba mărimea odată cu presiunea aerului, robotul se poate mișca în spațiul tridimensional folosind o gamă foarte mare de mișcări. Este construit pentru a furniza forțe mici și să reacționeze atunci când este împins, aceste lucruri făcându-l sigur în interacțiunea cu oamenii în spațiul de lucru.

Figura 18. Manipulatorul Festo Bionic Handling Assistant

Figura 19. Festo Bionic Handling Assistant în timp ce manevrează diverse obiecte

Robotul a fost realizat în cadrul Festo’s Bionic Learning Network, rețea formată dintr-un grup coordonat de cercetători din mediul industrial și academic interesați în realizarea roboților inspirați din natură.

Continuum Robots”, Apoorva D. Kapadia, Ian D. Walker ș.a. au prezentat o nouă strategie de control a roboților de tip “trompă și tentacul”. Structura robotică analizată se numește OCTARM (OCTopus ARM), a fost construită printr-o colaborare dintre Pennsylvania State University și Clemson University și se aseamănă cu tentaculul unei caracatițe sau cu trompa unui elefant (Figura 20).

După cum se poate observa din figurile de mai sus, Octarm este un manipulator construit din 3 secțiuni, având 9 grade de libertate. Fiecare din cele 3 secțiuni poate fi îndoită cu o curbură constantă de-a lungul a două axe și poate fi de asemenea extinsă. Abilitatea acestuia de a se îndoi și extinde este semnificativă.

Figura 20. Robotul Octarm

Hydrostaturi musculare

Studiul locomoției șarpelui, trompei de elefant, tentaculului caracatiței etc și al structurilor concepute să imite astfel de forme de locomoție au început cu mult timp în urmă. Așa cum S. Hirose a evidențiat, prima cercetare cu adevărat inginerească asupra acestui fenomen a fost prezentată încă din 1946 de către cercetătorul biolog J. Gray. Gray identifică și analizează 4 moduri de locomoție observate la specii de șerpi. Deși o parte din concluziile articolului au fost formulate anterior, în anul 1932, de către W. Mosauer, Gray a prezentat, din punct de vedere ingineresc, comparații precise între capacitățile locomotorii ale animalelor și principiile fundamentale ale mecanicii Newtoniene. Cercetările acestuia au fost întregite de către colegul și colaboratorul său H. W. Lissmann. In anul 1949 cei doi au publicat împreună un studiu în care prezentau prin experimente forțele care acționează asupra corpului unui șarpe în timpul locomoției acestuia.

Eforturile celor doi au avut ca și efect apariția în comunitatea academică a unei noi arii de cercetare cunoscută în zilele noastre sub denumirea de biomecanică. Punctul central al acestei arii este folosirea principiilor de bază ale mecanicii pentru a verifica sau a prezice modul de funcționare al musculaturii mecanice sau/și al altor caracteristici morfologice sau anatomice. In 1962, Carl Gans a prezentat un eseu legat de acest subiect. In această lucrare este prezentată în mod esențial cercetarea cercetătorilor Gray și Lissmann. In plus, Gray a adăugat discuții legate de modul în care mecanismele de locomoție ale diverselor clase de animale sunt asociate avantajelor selective, a prezentat câteva dovezi experimentale și a adăugat comentarii asupra pielii șarpelui/caracteristici dimensionale și efectul aparent al acestora asupra diferitelor moduri de locomoție.

Figura 21. S5 Snake Robot Prototype (1998-99)

In anul 1985, B.C. Jayne a elaborat, ca și o completare a tezei sale de doctorat, o serie de lucrări despre cercetarea sa asupra locomoției șarpelui. Trei ani mai târziu, acesta a prezentat rezultatele cercetării sale asupra proprietăților mecanice a pielii șarpelui. Parte a acestui studiu au fost posibilele corelații dintre proprietățile mecanice ale pielii șarpelui și diferențierile privind locomoția. Una dintre observațiile cele mai interesante prezentate în lucrare a fost aceea ca îngroșările localizate ale dimensiunilor șarpelui pot contribui la dezvoltarea unei caracteristici de fricțiune anizotropice sau dependente de direcție privind pielea șarpelui. In același an, cercetătorul a publicat munca sa cu privire la activitatea musculară a două specii de șerpi colubrid în timpul ondulării laterale efectuate în mișcarea acestor specii. Aceste rezultate EMG indică activitatea mușchiului epaxial compatibilă cu scurtarea musculaturii în timpul ondulării laterale și a fost în concordanță cu Gray care a demonstrat același lucru folosind numai argumente energetice.

Lucrarea a fost urmată de un experiment similar realizat în 1989 de o echipă de cercetare condusă de J.P. Gasc. Cercetătorii au examinat activitatea musculară a unei specii de piton folosind un singur obiect rigid pentru a obține deplasarea printr-un mecanism cu pârghii. Se părea că caracteristicile observate erau diferite de cele ale lui Jayne. In orice caz, Jayne folosea în experimentul său un sistem de pârghii și părea că nu se aștepta ca activitatea musculară observată să fie consistentă după schimbarea atât de drastică a mediului de viață al șarpelui.

După o pauză de câțiva ani, alte cercetări derulate de comunitatea cercetătorilor în biomecanică au condus la înțelegerea completă a locomoției șarpelui. In anul 1998 a apărut o nouă lucrare avându-i ca autori pe C. Gans și B. Moon. Această lucrare făcea referință la vechea problemă a cercetării musculaturii șarpelui în timpul mișcării prin contact cu una sau mai multe pârghii. Folosind analiza EMG împreună cu analiza filmărilor efectuate, aceștia au încercat să stabilească o relație între activitatea musculară observată și îndoirea și propulsia axiale observate în timpul mișcării. Concluzia acestora a fost aceea că evaluarea lui Gray cu privire la scurtarea mușchilor, ținând cont de observațiile lui Jayne, a fost corectă. De asemenea, a fost scos în evidență faptul că există un număr mare de variabile între magnitudinea exploziilor de EMG observate și numărul de îndoiri axiale analizate. Acest lucru indică faptul că mușchii, alții decât cei epaxiali, sunt implicați în crearea formei șerpuite a animalului studiat.

Cercetarea efectuată în articolul a fost realizată în anul 1998 de către o echipă condusă de J. Hazel și analizează morfologia suprafeței pielii șarpelui. A fost folosită scanarea microscopică multimodală pentru a studia structura pielii șarpelui la un nivel nano. S-a descoperit faptul că pielea șarpelui posedă multe proprietăți structurale care par să își aducă propriul aport în timpul locomoției.

O astfel de caracteristică a fost anizotropia fricțiunii înainte-înapoi. Este interesant de remarcat faptul că unele dintre aceste caracteristici, scoasă în evidență în lucrarea menționată mai sus poate fi de asemenea observată printr-o analiza miscoscopică. Dezvoltarea tehnologică a permis o analiză microscopică cu o rezoluție mult mai mare și, drept urmare, au putut fi analizate cu exactitate unele caracteristici cum ar fi existența interblocării cutelor longitudinale de-a lungul marginilor a două celule de piele.

Cercetarea locomoției șarpelui a fost schimbată de studiul în acest domeniu realizat de S. Hirose în teza sa de doctorat realizată în cadrul Tokio Institute of Technology în anul 1976. După 10 ani de pauză în acest domeniu, cercetătorul a republicat lucrarea sa de doctorat sub forma unei cărți în anul 1987 menționând necesitatea începerii unei cercetări în acest domeniu. Cel mai impresionant lucru în cercetarea efectuată de acesta este întinderea studiului său.

In primul rând, cercetătorul a studiat biomecanica șerpilor și a aplicat unele observații personale (de altfel incorecte) pentru a concluziona faptul că nici o cercetare în domeniu făcută până în acel moment nu era corectă, fiind nenaturală din punct de vedere al fiziologiei musculare. Precizând faptul conform căruia caracteristica sinusoidală a contracției musculare a fost în mare măsură naturală și prin presupunerea unei relații directe a acestei activități cu îndoirile axiale ale structurii vertebrate a șarpelui, acesta a derivat o curbă pentru a descrie forma alunecării șarpelui, demonstrată matematic prin folosirea funcțiilor Bessel. Hirose a numit această funcție curbă serpenoid. Cercetătorul a pretins ca această curbă se aseamănă foarte mult cu aceea pe care șerpii o iau într-un anumit mediu controlat.

Folosind punctul de vedere continuu al formei șarpelui și presupunând că un model structural format din legături înseriate ce reprezintă vertebra șarpelui reprezintă o aproximare cu forma continuă, Hirose a dezvoltat expresii cinematice referitoare la forma continuă prin procesul limitat.

Utilizând aceste expresii cinematice împreună cu curba sa serpenoidă, cercetătorul a prezentat concluziile conform cărora este necesară decuplarea dependenței directe a fricțiunii pentru a obține locomoția ondulatorie. Presupunând existența acestei necesități, a continuat cu derivarea unui număr de expresii legate de cantitățile fizice necesare corespunzătoare mișcării șarpelui. Aceasta parte a cercetării este una inginerească spre deosebire de celelalte cercetări realizate de strămoșii biomecanicii.

Este impresionant modul în care Hirose a confirmat veridicitatea expresiilor cinematice derivate de acesta în comparație cu experimentele cu șerpi reali. Odată cu acestea au fost admise și experimentele mai puțin reușite folosite în determinarea naturii fricțiunii pentru partea axiala a animalului și câteva experimente folosite în obținerea măsurătorilor EMG legate de forța normală exercitată de șarpe în timpul unduirii laterale a acestuia. Multe dintre metodele propuse de Hirose au avut un caracter destul de progresiv față de celelalte studii efectuate de cercetătorii anteriori.

Cu siguranță acesta a avut o contribuție importantă în cercetarea biomecanică în ceea ce privește șerpii. Ca și când nu ar fi fost suficient, Hirose a urcat rezultatele cercetărilor sale privind locomoția șerpilor la un alt nivel în momentul în care a construit un robot asemănător șarpelui ce realiza forma unduirii laterale a locomoției șarpelui. A fost pentru prima oară când un robot folosea o altă metodă de propulsie decât cea standard formată din mecanisme compuse din roți. Acest lucru a revoluționat ramura roboticii și a deschis interesul în domeniul mișcării șarpelui și cum se poate relaționa aceasta la noile dezvoltări tehnologice.

După cum am menționat anterior, primul dispozitiv automat care avea o mișcare asemănătoare cu cea a șarpelui a fost construit de Hirose la începutul anilor 1970, numele robotului fiind ACM III (Active Cord Mechanism Mark III). De la ACM III, cercetătorul a mai construit câteva astfel de structuri: urmașii lui ACM III s-au numit ACM IV, ACM V și ACM VI; au urmat roboții Koryo I și Koryo II; a urmat apoi ACM R1. Fiecare din acești roboți reprezenta o structură alcătuită din legături înseriate care a făcut ca folosirea perechilor de roți să creeze o condiție pentru ca fiecare legătură să nu poată aluneca.

In cazul tuturor acestor roboți construiți de Hirose au fost folosite pentru controlul locomoției așa-numitele curbe serpenoide și variante ale acestora. Mai exact, unghiurile diferențiale dintre legăturile adiacente erau forțate să urmărească traiectoriile sinusoidale care erau ușor defazate una față de cealaltă. Efectul acestei operații era acela de a cauza o undă de propagare de-a lungul lungimii structurii din care să rezulte orientarea deplasării.

In 1996, o echipă de cercetători germani din cadrul GMD (German National Research Center for Information Technology) a introdus prototipul unui robot cu mișcare asemănătoare șarpelui numit GMD-Snake. Acest robot a fost diferit de celelalte construite până în acel moment deoarece echipa constituită din Rainer Worst și Ralf Linnemann au conceput un design ce nu includea roti, picioare sau nici o alta anexă. Ca și în cazul roboților construiți de Hirose, acest robot a constat dintr-o serie de unități individuale.

Unitățile erau flexibile fiind realizate dintr-un număr de piese octogonale din aluminiu conectate prin cauciuc. Segmentele puteau fi îndoite printr-o combinație de acționări și fire. Cei doi cercetători lucrau la ceva ce se asemăna și mai mult cu natura decât o făcuseră cei dinaintea lor. Pentru a provoca mișcarea acestei structuri, echipa a folosit încercări și erori pentru a determina un set de mișcări de bază care, urmând a fi combinate, să poată realiza o mișcare complexă.

Figura 22. S7 Snake Robot Prototype (2001-2005) – Imită structura unui piton

Arhitecturi de roboți hiper-redundanți de tip structură continuă

In cadrul acestui subcapitol vor fi prezentate și analizate o serie de exemple de arhitecturi hiper-redundante a căror utilizare este cu precădere în medicină.

In cadrul lucrării „Robotic Catheter-based Minimally Invasive Procedures: The Sensei X Case Study ”, Neal Tanner de la compania Hansen Medical, a prezentat cea mai nouă platformă robotică flexibilă din lume denumita Sensei X Robotic Catheter System.

Aceasta platformă combină nivele avansate de control 3D al cateterelor și vizualizare tridimensionala pentru a avea ca și rezultat acuratețe și stabilitate în timpul procedurilor de electrofiziologie bazate pe catetere. Prin translatarea mișcărilor mâinii aflate în spațiul de lucru către cateterul controlat aflat în interiorul inimii pacientului, tehnologia de control a mișcării instinctive brevetate de către sistemul Sensey X permite plasarea deliberată și cu acuratețe a cateterului.

Figura 23. Platforma Sensei X Robotic Catheter System-vedere de ansamblu

Un alt de manipulator continuu folosit în chirurgie este prezentat de către Howie Choset s.a. în lucrarea „Enabling Medical Robotics for the Next Generation of Minimally Invasive Procedures: Minimally Invasive Cardiac Surgery with Single Port Access”.

Figura 24. Platforma Sensei X Robotic Catheter System

Robotul asemănător șarpelui descris de aceștia se numește CardioARMTM si a fost inventat în cadrul Universității Carnegie Mellon, acum aflându-se într-o plină evoluție comercială în cadrul unui start-up numit Cardiorobotics .Robotul CardioARMTM posedă 102 grade de libertate și este capabil de a urmări o curbură într-un spațiu tridimensional. Cercetătorii menționati mai sus au efectuat o serie de experimente folosind porci și cadavre umane pentru a stabili eficacitatea de care dă dovadă robotul în cadrul unei operații cardiace minim invazive.

Următorul exemplu prezentat în acest subcapitol este cel analizat de către Koji Ikuta în lucrarea “From SMA Active Endoscope to Micro Catheter”.

Noua idee de micro valva trece-banda a oferit posibilitatea realizării unui cateter activ cu multiple grade de libertate. Deși diametrul original a fost de 2.5 mm, procesul de fabricație micro dezvoltat de către Nagoya University poate reduce diametrul până la 0.3 mm. Caracteristica cea mai importantă a acestei cercetări este bazată pe abordarea atât a noului proces de fabricație, cât și a dezvoltării de noi materiale.

Figura 25. Robotul CardioARMTM articulat în jurul unei inimi

Figura 26. Robotul CardioARMTM

Roboți autoconfigurabili

Roboții reconfigurabili sunt structuri robotice complexe formate din mai multe unități robotice autonome identice, care conlucrează la îndeplinirea unei sarcini. Acest tip de robot poate deservi sarcini complexe, manipularea de sarcini atipice, dar mai ales deplasarea pe teren accidentat.

Prin proiectare și construcție acest tip de roboți sunt hyper-redundanți. De asemenea forma finală, sau intermediară, pentru îndeplinirea sarcinilor imită formele, mișcările, biologice. Putem spune, simplificând, că în funcție de sarcină construim tipul de robot necesar (tentacul, trompă de elefant, șarpe, șenilă, etc.) din unități robotice autonome.

Bineînțeles ca deși structura unui modul robotic este relativ simplă, incluzând componentele de bază (sursă de alimentare, sistem de acționare, sistem senzorial, sistem de comunicare, etc.), structura finală (formată din mai multe unități robotice) este complexă necesitând studii ample pentru configurațiile intermediare sau finale, precum și mișcările de reconfigurare (tranzițiile dintr-o configurație în alta).

Modulul M-TRAN II (Figura 27) este compus din două piese semicilindrice, articulate fiecare cu o a treia, cu rol de actuator. Mecanismul elementar are 2 grade de mobilitate. Deși cele două articulații motoare permit rotații în același plan, combinarea acestora prin conexiunea modulelor pe suprafețe ortogonale, compensează acest dezavantaj. Mecanismul de conectare/deconectare este constituit din magneți permanenți, arcuri neliniare și actuatori din aliaje cu memorie a formei (AMF). Traiectoria dorită a ansamblului este comandată centralizat, cu ajutorul unui PC în care este stocată o bază de date privind regulile de deplasare.

Figura 27. Robotul M-TRAN II

Generația a 3-a a Polybot (Figura 28) este, în ceea ce privește structura mecatronică, gradul de integrare, miniaturizare și utilizare a tehnologiilor MEMS, una dintre cele mai reușite realizări. Are motoare de înaltă calitate, o multitudine de senzori și conectori cu formă adecvată cuplării/decuplării (gaură și zăvor blocat cu actuatori AMF). Comunicația între module este obținută via magistrală CAN (Controller Area Network) de înaltă performanță, pentru control distribuit. Pe lângă avantajele evidente ale utilizării acestor numeroase componente ale tehnologiei de vârf, consumul mare de energie a condus la dezavantajul că modulele Polybot nu au baterii, deci sunt necesare fire pentru alimentare. Suplimentar, ele au numai 2 suprafețe de conectare pe modul, ceea ce permite doar configurații de tip șarpe. Comanda robotului Polybot este centralizată ca și la M-Tran.

Există un tablou al datelor de control pentru fiecare modul, în corespondență cu configurația dorită, din care se selectează mesajele transmise modulelor.

Figura 28. Robotul Polybot

Telecube (Figura 29) a fost dezvoltat, ca și Polybot, cu maximum de dotare mecatronică. Este o structură de tip latice, concretizată într-o rețea cubică. Modulul de bază își poate deplasa suprafețele exterioare cu ajutorului unor actuatori liniari telescopici. Prin dispunerea în stivă a modulelor și deplasarea componentelor se obține schimbarea configurației robotului și deplasarea ansamblului.

Figura 29. Robotul Telecube

Robotul CONRO este compus din module dotate cu câte 2 servomotoare, care asigură rotația în jurul a 2 axe perpendiculare. Fiecare modul este autonom, având microcontroler, senzori și baterii înglobate. Cuplarea modulelor este complet autonomă și se realizează în 3 pași: deplasarea modulelor cu comandă în buclă deschisă pentru alinierea grosieră a senzorilor IR; deplasarea modulelor cu comandă în buclă închisă pentru alinierea precisă a acestora cu reacție inversă de la senzorii IR și cuplarea propriu-zisă a pinilor și mecanismelor de zăvorâre. În timpul acestei ultime faze, se efectuează mișcări de mică amplitudine și frecvență mare pentru învingerea frecărilor. Sunt necesare 3 minute pentru o astfel de cuplare, iar rata succesului este de 80%.

Robotul "Crystalline" (Figura 30) are o structură de tip latice bidimensională, în ale cărei noduri sunt plasate module de formă paralelipipedică. Actuatorii liniari ai acestora realizează alungirea / contractarea lor în fiecare direcție cu factorul 2. Două din cele patru fețe conțin conectori pasivi (canale) sau conectori activi (tije) ce se pot bloca prin rotația tijei.

Figura 30. Robotul Crystalline

Robotul "Molecule" (Figura 31) reproduce structura unei molecule formate din 2 "atomi", conectați printr-o piesă de legătură. Fiecare element "atomic" se poate roti cu 180 de grade în jurul acestei legături, realizându-se o deplasare tridimensională, prin faptul că axele de rotație ale elementelor "atomice" sunt perpendiculare. Conectorii utilizați pentru cuplarea modulelor utilizează un mecanism prehensor ale cărui brațe (tată) sunt comandate cu ajutorul unui mecanism melcat către zonele corespunzătoare de pe suprafață (mamă).

Datorită structurii de rețea cristalină, acești roboți nu pot realiza mișcări ample precum roboții de tip lanț, dar sunt o bună platforma de studiu a planificării mișcării, calculului paralel și de optimizare a traiectoriei.

Figura 31. Robotul Molecule

Cube (Figura 32) reprezintă un sistem robotic modular reconfigurabil, compus din articulații cu trei grade de libertate și elemente pasive de conectare. Conectarea se poate face prin deplasarea de la un cub la altul, prin deplasarea către un cub, în timp ce modulul se află atașat la un altul, etc. Conexiunea folosește un sistem mamă/tată și este similară cu robotul "Cristalline". Această construcție permite identificarea de noi posibilități de proiectare și acționare. Abordarea unei astfel de articulații mobile este unică, dar încă nu sunt informații despre starea actuală a proiectului.

Figura 32. Robotul Cube

Atron (Figura 33) a fost realizat ca parte a proiectului HYDRA, proiect european finanțat de Information Society Technologies (IST) Programme 6. Este un sistem de tip rețea cristalină ce are la bază un modul format de două emisfere cu posibilități de rotație relativă în jurul unei axe ce trece prin centrul acestuia. Există câte 4 conectori tangențiali pentru fiecare emisferă. Schimbările de configurație se obțin prin rotații cu 90 de grade în jurul ecuatorului. Comunicația se bazează pe dispozitive IR integrate în conectori. Informațiile cu privire la comandă sunt puține, rezultând din cuvintele cheie utilizate: controler bazat pe reguli, metamodule, algoritmi de forță virtuală, gradient și genetici.

Figura 33. Robotul Atron

Dintre specificațiile funcționale ale acestui tip de roboți, au fost menționate posibilitățile de reconfigurare și auto-multiplicare prin cuplarea/decuplarea modulelor proprii sau a unora suplimentare, existente în scena de lucru. Se pot identifica drept cerințe suplimentare utilizarea la maximum a unui număr redus de componente mecanice și concepția modulară a modulului însuși, pentru a permite modificarea sa prin înlocuire sau prin adăugare de componente.

La cel mai redus nivel de complexitate (număr minim de module), sistemul robotic care se găsește într-o anumită configurație trebuie să fie capabil să îndeplinească funcțiile unui robot cu structură fixă de aceeași configurație (locomoție, manipulare, etc.) De exemplu, un robot șarpe modular trebuie să realizeze deplasarea utilizând ondularea corpului, ca și un robot șarpe similar ne-reconfigurabil. Similar, un hexapod modular trebuie să poată realiza deplasări înainte, înapoi, laterale sau rotiri, ca și un hexapod cu structură fixă. Dificultățile de concepție a unui sistem robotic modular, care realizează acțiuni ale unor roboți cu diferite topologii, se reflectă în cele legate de concepția hardware și software a modulelor. Cei mai mulți roboți modulari nu au abilități inter-metamorfice (transfer de module între roboți), transferul de module, respectiv noua formă, fiind decise și realizate manual de un operator. Prin urmare, astfel de roboți evoluează ca roboți cu formă fixă.

La următorul nivel de complexitate (număr suficient de module), robotul cu capacități intra-metamorfice (reconfigurare cu transfer al modulelor proprii) trebuie să fie capabil să își rearanjeze modulele în diferite configurații. Această proprietate permite robotului atât să-și schimbe forma, cât și să efectueze o auto-reparație prin înlocuirea unui modul defect cu unul de rezervă, ori să creeze, din module, un robot similar lui. Robotul trebuie să aibă deci hardware-ul și software-ul adecvate pentru a rezolva această problemă de poziționare și să separe acțiunile de reconfigurare de cele de locomoție. Numărul de configurații posibile este determinat, în parte, de numărul de conectori ai modulelor. Conectorii trebuie să fie identici și simetrici pentru a permite conectarea nepreferențială a oricărui modul. Doi conectori pe modul (câte unul la extremitatea fiecărui modul) permit construcția unor structuri liniare, similare șerpilor. Construcția unor structuri ramificate necesită utilizarea mai multor conectori. De exemplu, un hexapod poate fi construit cu module având un conector la o extremitate și 3 la cealaltă.

La cel mai înalt nivel de complexitate (numărul maxim de module), un robot cu capacități inter-metamorfice trebuie să fie capabil să creeze doi roboți diferiți sau să se reunească cu un robot similar, pentru a crea unul singur mai mare. De aceea, proiectarea modulelor trebuie să garanteze că împărțirea robotului nu conduce la diminuarea inteligenței sau puterii necesare pentru funcționarea corectă a noilor roboți. Operația de cuplare adaugă două noi cerințe asupra sistemului robotic. Prima este că un robot trebuie să comunice la distanță cu altul pentru a cere și accepta operația de alipire și, de aceea, el trebuie să fie prevăzut cu un sistem de comunicare wireless. A doua condiție este ca robotul să poată genera un semnal de balizare, pentru a ghida celălalt robot către el, de la distanță.

Relativ la componentele hardware, un modul care suportă reconfigurare (inter-metamorfică) trebuie să garanteze că roboții creați prin operația de separare trebuie să fie complet echipați. La limită, un robot poate separa un singur modul, deci acesta trebuie să fie calificat ca un robot, adică să fie complet echipat, respectiv trebuie să aibă propriul sau procesor, sursă de energie și controlul asupra propriilor săi senzori și actuatori. Conceptul de echipare completă se deosebește de cel de autonomie, care se referă la capacitatea unui robot nu neapărat mobil, de a executa sarcini în mod automat, adică posedă software-ul necesar acestui mod de operare, fără intervenția factorului uman. Prin urmare, componentele hardware strict necesare evoluției preconizate sunt motoarele de acționare, sistemele de comandă, comunicații și senzoriale, sursele de energie și mecanismele de cuplare.

În ceea ce privește motoarele, opțiunile posibile sunt limitate de sursele de energie portabile (în curent continuu) și au fost cercetate experimental, rezultatele fiind consemnate într-un raport de încercări atașat.

Deoarece sarcinile principale ale acestor roboți sunt cele de deplasare vom exemplifica pe acestea.

Deplasarea trebuie studiată deoarece este o abilitate fundamentală necesară într-un domeniu larg de aplicații. Prin deplasare se înțelege acțiunea de poziționare dintr-un loc în spațiu în altul.

Roboții autoconfigurabili au avantajul că în funcție de mediu înconjurător își pot modifica forma pentru a se deplasa optim și își pot, în consecință, modifica modelul de deplasare. De exemplu, robotul poate să se reconfigureze ca robot pășitor pentru a se deplasa cu viteză mare sau pentru a sări peste obstacole sau poate să aibă forma unui robot șarpe pentru a se deplasa prin interiorul unor cavități (Figura 34).

Figura 34. Reconfigurarea unui robot în funcție de teren

O clasificare a modului de deplasare pe un teren se poate face în funcție de:

Modul de deplasare:

Cu roți;

Tractat;

Cu picioare;

Altele, unde sunt incluse moduri de deplasare de tip șarpe, prin înșurubare,etc.

Modul de control al deplasării:

Deplasare liniară incrementală (deplasarea modulelor sau a grupurilor de module se face cu aceeași viteză);

Deplasare prin rotire secvențială pe anumite direcții față de modulele considerate rigide în diferite etape ale mersului; la început și la sfârșit robotul are aceeași formă. Acest mod de deplasare este caracteristic roboților de tip lanț. Fiecare modul sau grup de module se rotește în jurul aceluiași punct al terenului. Acest mod de deplasare este util în special pentru mișcarea roboților lungi. Fiecare modul rotit poate să se miște prin translație diferențială;

Deplasare prin translatare diferențială (care apare atunci când două sau mai multe picioare ale robotului sunt deplasate prin translație cu diferite viteze pe direcții necoliniare); la început și la sfârșit robotul are aceeași formă.

Planificare a traiectoriei și planificare a navigării.

După complexitate:

Deplasarea simplă este un tip de deplasare care nu mai poate fi separată în alte tipuri de deplasări;

Deplasarea compusă reprezintă o combinație de deplasări simple. Există trei moduri fundamentale în care o deplasare compusă poate fi obținută prin:

intermediul articulațiilor;

ierarhic;

morfologic.

Câteva exemple de deplasare simplă sunt: deplasarea cu roți și deplasarea cu picioare. Cele două tipuri de deplasare pot fi combinate, obținându-se o deplasare complexă cum ar fi de exemplu deplasare unui om pe rotile.

Obținerea unei deplasări complexe poate fi obținută prin conectarea mai multor module sau grupuri de module prin intermediul articulațiilor. La roboții mobili articulațiile sunt legături active între diferitele module care pot să nu aibă aceeași formă de locomoție. Articulațiile nu formează neapărat roboți de tip lanț, ci și roboți în plan.

Figura 35. Exemplu de articulație non-serială (Yim)

Un avantaj al acestui mod de combinare a deplasărilor constă în faptul că se pot obține oricare tip de deplasări. Astfel, două module pot fi conectate printr-o conexiune cu 6 grade de libertate fără ca locomoția să fie afectată. Un alt avantaj constă în faptul că zona de conectare necesită o lățime redusă comparativ cu lungimea modulelor, astfel robotul poate să se deplaseze în zone cu constrângeri mari de deplasare. Lățimea permite robotului să se deplaseze printre obstacole, iar lungimea îi permite să treacă peste obstacole mari. Hirose spune în lucrarea sa că capacitatea de încărcare a roboților articulați este mai mare decât în cazul altor roboți.

O deplasare compusă ierarhică presupune combinarea a două tipuri de deplasări: superioară și inferioară. Deplasarea superioară este executată la un nivel intermediar astfel încât doar grupul de module care execută deplasarea inferioară are un punct de contact cu solul. De obicei, deplasarea inferioară este implementată la un nivel mai mic decât deplasarea superioară și este executată la frecvențe mult mai mari. Orice tip de deplasare poate fi superioară sau inferioară. Cu toate că în natură deplasările articulare sunt destul de des întâlnite, combinațiile ierarhice sunt rare. Avantajul acestui tip de deplasare constă în faptul că tipurile de deplasări simple ce o compun nu influențează eficiența sau viteza deplasării, precum deplasarea articulată. Acest lucru se datorează faptului că deplasările sunt aditive.

O deplasare compusă morfologic este definită prin conectarea deplasărilor simple în sensul în care fiecare dintre deplasări acționează pe axe diferite. Fiecare dintre elementele care execută deplasările simple pot fi în contact cu solul și nu pot fi separate prin eliminarea articulației. Cel ai simplu exemplu este cea a deplasării pe sferă care se poate obține prin rotirea și rostogolirea unei roți pe orice direcție. Astfel această mișcare poate fi văzută ca o combinație morfologică a deplasării unui număr infinit de roți. Spre deosebire de celelalte moduri de deplasare nu pot fi combinate orice tip de deplasare. Un dezavantaj constă și în faptul că generarea mișcării este complexă, avantajul constând în faptul că deplasarea se poate fae pe mai multe direcți în același timp.

O clasificare pentru deplasarea simplă este prezentată în Tabelul 2.

Tabelul 2. Clasificare funcție de deplasare

Clasificarea este realizată în funcție de mediul în care are loc locomoția care influențează tipul de propulsie utilizat. Prin gaze locomoția se obține prin deplasarea unor gaze, prin lichide locomoția se obține prin deplasarea unor lichide, iar pe suprafețe solide locomoția se obține prin împingerea unor solide. De exemplu, elicea unei bărci este jumătate în aer și jumătate în lichid, totuși deplasarea se obține prin împingerea lichidului și în concluzie deplasarea este în apă. Un robot cu picioare subacvatic, care împinge solul cu picioarele are o locomoție de tip solidă.

O necesitate imperioasă constă în faptul că deplasarea trebuie să se facă în manieră stabilă. Astfel, există două tipuri de stabilitate referitoare la locomoție pe suprafața unui solid, și anume: stabilitate dinamică și stabilitate statică. Stabilitatea statică poate fi atinsă dacă sunt realizate patru lucruri în orice ordine:

îndepărtarea punctelor de contact din spatele robotului;

sunt atinse noi puncte de contact în fața robotului;

este deplasată greutatea robotului înspre înainte;

de menține echilibrul robotului în orice moment al deplasării.

Deplasarea statică include și stabilitatea cvasi-statică care este definită ca o deplasare destul de lentă pentru ca efectele forței centrifugale, Coriolis sau celei ale forței inerțiale pot fi neglijate.

Prin stabilitate gravitațională se înțelege o deplasare pe o suprafață plană în prezența gravitației.

Deplasarea prin rotație este realizată prin rotirea netă în jurul unei axe a unui modul. Orice alt tip de deplasare este considerată prin balans (Yim). Toate deplasările prin rotație au un moment de inerție pe care cele prin balans nu le au. Acest lucru poate adăuga stabilitate deplasărilor care nu sunt cvasi-statice. McGeer prezintă o analiză a acestor tipuri de deplasare. Astfel, în cele mai multe dintre cazuri numărul de etape ale deplasării pentru deplasarea prin rotație este mai mic decât în cazul deplasării cu balans.

Sistemele cu deplasare prin rotație sunt de o complexitate redusă. Axa de mișcare necesită doar un actuator, nefiind necesare articulații complicate sau actuatori liniari cu cursă mare. Deplasarea prin rotație cu picioare sunt de obicei mai eficiente decât în cazul deplasării cu balans.

Deplasările directă și continuă se referă la continuitatea atingerii noilor puncte de contact. Astfel la deplasarea în care există cel puțin un punct de sprijin în orice moment al deplasării atunci deplasarea este continuă. Deplasările prin salt este de tip discret.

Un avantaj al deplasării continue constă în faptul că aceasta este continuă, mai lentă și din acest motiv este atinsă o viteză de deplasare mare. Un alt avantaj constă în faptul că planificarea mișcării este mai simplă deoarece existând în orice moment un punct de contact cu suprafața de rulare nu există puncte de coliziune între picioare.

Cercetătorii care au dezvoltat roboți pășitori au ca argument faptul că roboții cu roți nu sunt atât de mobili în medii cu obstacole deoarece roboții pășitori necesită numai puncte discrete de contact. [Simmons, Railbert]. Acest lucru nu este valabil însă pentru roboții modulari.

Figura 36. Exemple de deplasare:

a) un grup de roboți conectați fizic deplasându-se pe un teren dificil, b) un grup de roboți conectați fizic deplasându-se deasupra unei gropi

Deplasarea roboților autoconfigurabili poate fi clasificată în:

deplasarea bazată pe autoconfigurare;

deplasare cu o formă stabilă a robotului.

Într-o deplasare bazată pe autoconfigurare modulele din partea din spate a robotului sunt mutate în față. Acest proces este repetitiv și astfel se obține deplasare. Acest mod de deplasare este utilizat în special la roboții de tip lattice unde modulele ocupă o anumită poziție în nodurile rețelei de deplasări posibile. Deplasarea prin autoconfigurare este un mod ineficient de deplasare deoarece reconfigurarea însăși consumă energie.

La deplasarea robotului cu o formă stabilă, deplasarea se obține prin mișcarea la nivel de articulații. O alternativă de control a deplasării este cea de imitare a modulelor de deplasare din lumea vie.

Sisteme de Acționare neconvenționale pentru roboții hyper-redundanți

Gradele de libertate finite și controlabile ale unui robot soft sunt date de către dispozitivul de acționare al acestuia. Roboții cu legături rigide au un dispozitiv de acționare, de obicei acesta fiind un motor electric, pentru fiecare articulație. Deformarea ce rezultă din activarea unui sistem de acționare este definită de mecanismul de acționare, de efortul și de mărimea actuatorului, forma și locația acestuia în structura robotică. Acest tip de roboți se încadrează într-o clasă de sisteme și sunt numiți “subacționați” deoarece, spre deosebire de roboții tradiționali (hard), nu există un executor pentru fiecare grad de libertate. Alte grade de libertate ar putea fi influențate de către sistemele de acționare, dar majoritatea gradelor de libertate nu sunt controlabile.

Controlarea și identificarea formei unui robot soft reprezintă o mare provocare. Structura acestora este continuă, deci măsurători exacte ale formei și poziției dorite se pot realiza cu dificultate. Roboții tradiționali (hard) măsoară poziția fiecărei articulații printr-o codificare cu o mare rezoluție după cum se poate observa în Figura 14. b. Presupunând un robot tradițional (hard), pozițiile articulației pot fi procesate prin cinematica directă pentru a determina cu acuratețe forma și poziția finală a robotului. In mod asemănător, cinematica inversă poate fi folosită pentru a determina pozițiile articulației ce oferă poziția finală dorită. Pozițiile articulației măsurate prin codificatori sunt comparate cu pozițiile dorite calculate prin cinematica inversă și deci sistemele de acționare conduc erorile către zero. Această servo-acțiune este destul de rapidă și forțează articulațiile să urmărească în mod precis pozițiile dorite.

Roboții cu forma continuă interacționează cu mediul în mod diferit față de cei tradiționali (hard). Mediul aplică încărcări structurii atât prin încărcare distribuită (gravitația), cât și prin contact. In cazul unui robot cu legături rigide, Figura 14. c arată faptul că încărcarea cauzează modificarea poziției articulațiilor ușoare (soft), în timp ce legăturile rigide rămân drepte. Codificatorii măsoară modificarea poziției și controlerul poate fie să compenseze încărcarea, fie să înțeleagă că robotul a luat contact cu împrejurimile. In oricare caz, atât forma cât și poziția finală pot fi determinate cu precizie. Gravitatea și contactul cauzează o deformare continuă la un robot cu forma continuă, deformare ce ar putea să nu fie observabilă sau controlabilă de către senzorii limitați și, respectiv actuatori.

Contactul și conformarea cu mediul înconjurător joacă un rol important în mobilitatea roboților soft. De exemplu, brațele roboților cu formă continuă folosesc manipularea completă a brațului pentru a apuca și manevra obiecte de mărimi diferite ca în Figura 14. d. Brațul se înfășoară în jurul obiectului și printr-o apucare precisă și o frecare ridicată ii este permis brațului să ridice obiectul. Brațele roboților tradiționali (hard) apucă și manipulează obiecte cu un capăt executant specializat ce este proiectat special pentru un obiect cu o anumită mărime și formă. Roboții soft se pot deplasa prin utilizarea diferitelor tipuri de mers, având o parte considerabilă ce intră în contact cu solul în orice moment. Roboții tradiționali (hard) folosesc picioare separate, șenile și roți pentru a intra în contact cu solul și pentru a permite realizarea deplasării.

Figura 37. prezintă modul în care brațul unui robot cu forma continuă se deformează sub diferite încărcări gravitaționale și acționări combinate. Roboții hard pot să ghideze brațul în orice formă dacă legăturile sunt suficient de rigide și încărcarea este foarte mică. Actuatorii brațului unui robot cu forma continuă de obicei aplică un moment sau un cuplu la capătul brațului. Pentru deplasări mici, acest moment cauzează îndoirea brațului în sus într-o formă pătratică. Intr-un mediu gravitațional, greutatea proprie îndoaie brațul în jos într-o forma cubică. Momentul capătului poate fi ajustat să ridice capătul la orizontală, dar brațul va avea o formă non-zero asociată cu diferența dintre forma pătratică și cea cubică. In mod asemănător, dacă un senzor este însărcinat să măsoare momentul la baza brațului robotului cu formă continuă, nu pot fi făcute diferențe între punctul de încărcare al capătului și încărcarea distribuită. Totuși, aceste încărcări produc forme diferite ale brațului.

Figura 37. a. Incărcarea gravitațională la un manipulator robotic cu forma continuă provoacă deviere în jos; b. actuatorii îndoaie structura în sus; c. deplasarea netă are poziția zero a actuatorului, dar forma non-zero

Putem face o clasificare a celor mai folosite arhitecturi de structuri, sau modele, hiper-redundante:

de tip trompă de elefant – proiectul robotului cu formă continuă acționat cu cabluri, care reprezintă cea mai populară structură de robot cu formă continuă și utilizează o coloana vertebrală acționată de un set de cabluri

Figura 38. Robot hiper-redundant de tip trompă de elefant

de tip șarpe;

Figura 39. Robot hyper-redundant de tip șarpe

cu structură continuă.

Figura 40. Robot hiper-redundant cu structură continuă

Sistemele de acționare pentru roboți hiper-redundanți sunt bazate, în general, pe sisteme de acționare a roboților de tip manipulator și pot fi clasificate în:

sisteme de acționare convenționale;

sisteme de acționare neconvenționale.

Trebuie menționat că sistemele de acționare a unor asemenea structuri sunt mult mai complexe decât în cazul unui robot rigid, neputând fi tratate independent la nivel de “articulație”. În majoritatea cazurilor găsim “structuri de acționare” care combină actuatori independenți cuplați cu structuri mecanice sau hidropneumatice de transmitere a mișcării către grupuri de articulații, sau către întreaga structură.

Sisteme de acționare convenționale

Prin sisteme de acționare convenționale înțelegem sistemele de acționare clasice, respectiv electric, hidraulic și pneumatic. Aceste tipuri de acționare se regăsesc în componența roboților hiper-redundanți.

Exemple de sisteme de acționare electrice

Unitate robotică poliarticulată tronconică

Acest sistem folosește motoare electrice pas cu pas pentru generarea mișcării, folosind cuple elicoidale pentru transformarea mișcării de rotație în mișcare liniară și cabluri (tendoane) pentru transmiterea mișcării către modulele componente. Sistemul de acționare prezentat are în structură un număr de 9 actuatori pas cu pas, la care mișcarea de rotație pentru fiecare actuator este transformată în mișcare de translație prin intermediul unei cuple elicoidale, iar legătura între arborii conducători ai actuatorilor și șuruburile cuplelor elicoidale se face prin intermediul unor cuplaje.

Figura 41. Modelul virtual al unității robotice poliarticulate tronconice

Figura 42. Unitate robotică poliarticulată tronconică

Sistemul de acționare este compus din următoarele elemente:

actuatori (Figura 43);

cuple elicoidale (Figura 43) ;

cuplaje (Figura 43);

Figura 43. Evidențierea unei cuple elicoidale din structura sistemului de acționare al unității robotice

structura cadru pentru susținerea actuatorilor formată din 3 flanșe de susținere și o coloană centrală (Figura 44);

Figura 44. Suporții de susținere ai sistemului de acționare

sistemele de prindere a cablurilor unității robotice (Figura 45);

elemente de siguranță împotriva rotirii piulițelor cuplelor elicoidale, acestea fiind în număr de 9, dispuse pe o flanșă suport (Figura 45);

Figura 45. Detaliu pentru evidențierea elementelor de siguranță împotriva rotirii piulițelor cuplelor elicoidale

rulmenți radiali-axiali cu bile amplasați pe flanșele de susținere a sistemului de acționare (Figura 46. ).

Figura 46. Detaliu privind evidențierea rulmenților radiali-axiali cu bile pentru susținerea cuplelor elicoidale

Mișcarea structurii robotice este generată de un numar de 9 motoare pas cu par trifazate marca Berger-Lahr. Aceste motoare pot fi controlate cu ajutorul unor controlere dedicate pe care pot fi instalate opțional sisteme de monitorizare a rotației.

Caracteristici:

puternic – geometria internă optimizată a motorului asigură o putere mai mare a acestora; spre exemplu, momentul de torsiune pote fi cu până la 50% mai mare decât al unor motoare pas cu pas convenționale;

silențios – construcția mecanică specială conferă acestora silențiozitate și lipsa rezonanței;

adaptabil.

Sistemul de comandă și control

Din aceleași motive enunțate anterior, de reducere a masei totale a robotului, sistemul de comandă și control este amplasat separat de robot. Acest sistem (Figura 47) este format dintr-un calculator personal împreună cu nouă controlere, câte un controler pentru fiecare motor.

Figura 47. Sistemul de comandă și control al robotului: PC și cele 9 controlere

Configurația PC-ului utilizat se bazează pe procesorul cu două nuclee Intel E6300, memoria RAM disponibilă fiind de 512 MB. Sistemul de operare utilizat este Windows XP. Pentru realizarea interfeței între calculator și controlere, PC-ul a fost dotat cu trei plăci model PCI-8144 produse de compania AdLink. Fiecare placă poate interfața până la 4 controlere, se conectează pe magistrala PCI a calculatorului și pot genera o frecvență maximă de 2,4 mega-pulsuri pe secundă. Dintre caracteristicile plăcilor utilizate amintim posibilitatea generării de pulsuri atât pentru comanda rotirii în sens orar, cât și în sens trigonometric, posibilitatea definirii unei poziții inițiale prin intermediul semnalului ORG (origine), capacitatea schimbării în timp real a vitezei de lucru, diverse profile ale vitezei (trapezoidal, curbe S).

Aceste plăci sunt furnizate împreună cu software-ul MotionCreatorPro și cu o serie de biblioteci soft compatibile cu sistemul de operare WindowsXP. Software-ul MotionCreatorPro oferă posibilitatea controlului manual complet asupra controlerelor, implicit a motoarelor, însă poate fi considerat limitat în cazul aplicației robotice curente, deoarece permite controlul a maxim 4 axe simultan, în timp ce, pentru a se putea realiza o comandă în timp real, robotul necesită controlul a 9 axe simultan. Pentru a atinge obiectivul controlului în timp real, s-a apelat la setul de biblioteci software furnizat, și s-a realizat un program în limbajul VisualC++ care să acceseze setul de funcții (comenzi ale controlerelor) conținut în aceste biblioteci.

Modelul de controlere utilizate, SD3, este produs de firma Berger Lahr. Acestea pot furniza alimentarea pentru motoare pas cu pas, cu rezoluție selectabilă în domeniul 200 / 400 / 500 / 1000 / 2000 / 4000 / 5000 / 10000 pași per rotație. Controlerele sunt prevăzute cu o serie de funcții suplimentare, precum reducerea cu 60% a puterii de menținere pe poziție a axului motorului, atunci când aceasta nu este necesară în regim staționar, ceea ce conduce la un nivel de încălzire redus al motorului și a elementelor electronice, rezultând o eficiență și o durată de viață mai mare a acestora (funcție utilă în cazul structurii robotice descrise, deoarece, după cum s-a enunțat anterior, ansamblul de conversie a mișcării de rotație în mișcare de translație șurub – piuliță generează intrinsec autofrânarea sistemului în perioadele de regim staționar, deci nu mai este necesară utilizarea la nivel maxim a puterii de menținere a motorului); posibilitatea conectării la controler a unui traductor de poziție pentru monitorizarea apariției eventualelor erori de poziție datorate pierderii de pași, sau a conectării unui sistem suplimentar de blocare a axului motorului pe perioadele de regim staționar, pentru a se realiza frânarea în mod pasiv, fără a solicita motorul pas cu pas.

Design and dock analysis for the interactive module of a lattice-based self-reconfigurable robot

Fiecare modul conține un motor Maxon cu reductor, un microprocesor, șase dispozitive de conectare cu alte module, un emițător/receptor în infraroșu pentru comunicarea cu alte module și senzori;

Motorul de curent continuu este utilizat atât pentru cuplarea cu alte module cât și pentru „deplasare";

Utilizează un sistem complex de transmisii prin curea și cuplaje (Figura 48);

Figura 48. Modulul interactiv al robotului autoconfigurabil Cristalline

Deplasarea relativă a modulelor este posibilă doar în cazul în care unul dintre acestea este legat la o bază fixă (Figura 49);

Figura 49. Robotul autoconfigurabil Cristalline, exemplu de deplasare

Designed and Evolved Blueprints For Physical Self Replicating Machines

Sistem de cuplare separat cu electomagneți;

Fiecare modul are un singur grad de mobilitate (o rotație) pentru acționare fiind utilizat un servomotor comandat de un microcontroler PIC;

Figura 50. Modul Cube

Deplasarea este posibilă doar prin cuplarea mai multor module Figura 50)

Modular ATRON: Modules for a self-reconfigurable robot

Figura 51. Modul ATRON

Structură mecanică foarte complicată cu multe transmisii (Figura 51);

Mecanism de cuplare separat acționat de un motor de curent continuu și un reductor melc-roată melcată;

Fiecare modul are un singur grad de mobilitate (o rotație 1800)

Figura 52. Modul ATRON – deplasare

Deplasarea se poate realiza prin cuplare mai multor module (Figura 52);

Pentru acționare se utilizează un motor de curent continuu comandat de un microcontroler Atmel AT Mega8

An Autonomous Self- Replicating Robotic System

Realizat din module LEGO (Figura 53). Mecanism de cuplare cu magneți permanenți. Acționarea se face cu motoare de cc cu reductor integrat.

Figura 53. Robotul RightTroad

Development of PetRo: A Modular Robot for Pet-Like Applications

Pentru acționare se folosesc motoare pas cu pas (Figura 54)

Fiecare modul are 14 grade de mobilitate;

Figura 54. Robotul PetRo

Modulele se pot deplasa independent (Figura 54). Prin cuplarea mai multor module se pot realiza mișcări complexe.

CONRO: Towards Deployable Robots With Inter-RobotMetamorphic Capabilities

Acționare cu motor de curent continuu MicroMo și reductor de turație (Figura 55). Modulele au un singur grad de mobilitate(o rotație).

Există și variantă de acționare cu servomotoare de cc (Figura 56) – pentru mișcări complexe este necesar un nr.mare de module.

Cuplarea modulelor se face manual.

A Basis for Self-Repair Robots UsingSelf- Reconfiguring CrystalModules

Figura 57. Robotul Yim

Modulele sunt acționate de motoare de cc LEGO Mini-Motor prin intermediul unei transmisii pinion cremalieră (Figura 57);

Soluție constructivă complexă;

Mecanism de cuplare separat acționat de un motor de cc;

Deplasarea este posibilă doar prin cuplarea mai multor module

Eficient Locomotion for a Self-Reconfiguring Robot

Pentru deplasare sunt necesare min două module fiecare cu două grade de mobilitate.

Acționarea se face cu motoare de curent continuu si angrenaj melc roata melcată pentru mecanismul de cuplare (Figura 58) respective cu motor de curent continuu și angrenaj cu roți dințate pentru cele două grade de mobilitate;

Soluție constructivă foarte complexă cu nr. mare de motoare;

Modulele nu au posibilitatea de deplasare individuală.

Figura 58. Robotul Molecule

Sisteme de acționare neconvenționale

Prin sisteme de acționare convenționale înțelegem sistemele de acționare clasice, respectiv electric, hidraulic și pneumatic. Aceste tipuri de acționare se regăsesc în componența roboților hiper-redundanți.

Sisteme de acționare cu SMA

Efectul de memorare a formei

Actuatorii pe bază de aliaje cu memoria formei (AMF) au în structură unul sau mai multe elemente active, cu deformație limitată, controlată, determinată de transformarea structurii interne a materialului la o anumită temperatură – efectul de memorare a formei (EMF).

Memoria formei reprezintă proprietatea termomecanică a unor anumite aliaje de a reveni la o formă și dimensiuni “memorate”, ca urmare a unei transformări reversibile martensită-austenită, în anumite condiții de temperatură. Un element dintr-un material pe bază de AMF este ușor deformabil în faza martensitică. El își păstrează starea deformată atâta timp cât se menține temperatura respectivă. Prin încălzirea peste temperatura de transformare de fază, elementul revine spontan la forma originală, nedeformată, corespunzătoare fazei austenită, așa cum este prezentat în Figura 59. După ce aliajul este răcit și are loc transformarea de fază inversă materialul devine din nou deformabil .

Transformările de fază se produc într-un interval de temperatură, în condițiile unui histerezis termic H, prezentat în Figura 60. Uzual, temperatura de transformare a aliajelor din gama Nitinol, Flexinol, au temperaturi de transformare în jurul valorii de 70°C. Se pot obține aliaje cu temperaturi mai ridicate de transformare, care favorizează creșterea numărului de cicluri încălzire-răcire în unitatea de timp, este necesară mai multa energie pentru încălzire, aceste aliaje fiind recunoscute pentru randamentul slab comparativ cu elementele de execuție convenționale. Se mai utilizează pentru anumite aplicații și aliaje care trebuiesc răcite pentru a se ajunge la temperatura de transformare, acestea fiind active la temperatura ambiantă.

Figura 59. Transformările structurii SMA funcție de temperatură

Figura 60. Transformările de fază într-un interval de temperatură

Efectul de memorare a formei este însoțit de modificarea unor caracteristici ale materialului: proprietățile mecanice ale aliajului, rezistivitate electrică, coeficient de dilatare termică, forța electromotoare, conductivitate termică, limită de curgere, capacitate calorică.

Cea mai directă metodă de caracterizare a transformării în aliajele cu memoria formei recomandată în literatura de specialitate este prin scanarea calorimetrică diferențială, SCD.

SCD măsoară cantitatea de căldură absorbită sau cedată de o mică mostră de material în timp ce este încălzită și răcită pe parcursul gamei temperaturii de transformare. Mostra poate fi foarte mică, de câteva miligrame și deoarece asupra mostrei nu se aplică nici o solicitare, nu este considerat ca și un factor în măsurare. Vârfurile endoterme și exoterme, în timp ce mostra absoarbe sau cedează energie din cauza temperaturii, sunt ușor măsurabile pentru începutul vârfului și sfârșitul schimbării de fază în orice direcție.

Tot prin metoda SCD se poate măsura rezistivitatea mostrei în timp ce este încălzită și răcită. Aliajul manifestă schimbări interesante și vârfuri ale rezistivității de până la 20% peste gama temperaturii de transformare; totuși, corelarea acestor schimbări cu faza schimbării măsurate sau cu proprietățile mecanice nu a fost întotdeauna foarte bună .

Efectul de memorare a formei poate fi utilizat în aplicații specifice micromecatronicii deoarece conferă următoarele avantaje:

asigură cel mai mare raport lucru mecanic/volum, din acest punct de vedere, actuatorii pe bază de aliaje cu memoria formei fiind considerați cei mai puternici;

au capacitatea de a reveni la forma memorată prin alungire, scurtare, îndoire, răsucire astfel încât este posibil să se obțină o gamă foarte variată de mișcări.

Structura mecanică asociată a actuatorilor pe bază de AMF

Numărul mare de parametri care caracterizează funcționarea actuatorilor pe bază de AMF, face ca strategia de proiectare să fie organizată urmărind componentele de bază din structura unui sistem de acționare. Structura mecanică are rolul de a susține elementele active și asigură transformarea efectului de memorare a formei într-o acțiune utilă. Totodată, structura mecanică are și rolul de a asigura forța de relaxare necesară pentru ca elementul activ să revină complet la forma sa inițială în faza martensitică. De asemenea, structura mecanică poate avea și rolul de a realiza conversia și propagarea semnalului, mai ales în cazul microactuatorilor.

Modalitățile de asigurare a forței de relaxare sunt prezentate în Figura 61:

a) prin efect gravitațional

b) prin utilizarea unui element elastic

c) prin utilizarea a doi actuatori pe bază de SMA în configurație antagonica

d) prin utilizarea forței de atracție dintre doi magneți permanenți

Figura 61. Modalități de generare a forței de relaxare

La proiectarea structurii mecanice se urmărește creșterea numărului maxim de cicluri de activare, precum și utilizarea celei mai eficiente soluții de asigurare a forței de relaxare.

Una din direcții de cercetare constă în proiectarea optimală a mecanismelor de relaxare pentru actuatori miniaturali, astfel încât să satisfacă condițiile restrictive legate de gabarit și funcționalitate.

Comanda actuatorilor pe bază de AMF

Sistemul de comandă al actuatorilor pe bază de AMF trebuie să asigure curentul necesar pentru funcționarea în parametrii optimi, dar să nu producă o depășire a puterii maxime disipate pe elementul activ, ceea ce ar conduce la supraîncălzire și la pierderea efectului indus. Respectând restricția energetică impusă, sistemele de comandă ale AMF pot fi realizate astfel:

cu reglare pasivă a intensității, printr-o rezistență R reglabilă așa cum este prezentată în Figura 62;

cu reglare activă și menținerea constantă a intensității curentului, asigurând controlul puterii disipate prin controlul tensiunii de alimentare, Figura 63;

reglare prin implementarea unor circuite de modulare a impulsurilor în lățime. Un astfel de circuit este prezentat în Figura 64, Figura 65.

Figura 62. Reglare pasivă, schema de principiu și implementare

Figura 63. Reglare activă, Schema de principiu și implementare

Figura 64. Reglare prin PWM, schema de principiu

În lucrarea sunt prezentate soluții de acționare pentru un actuator pe bază de AMF, comenzile de activare fiind generate prin intermediul calculatorului. Astfel, autorul, aduce în atenție problemele specifice limitării curentului absorbit de către elementele active pe bază de AMF. Proiectarea unui sistem de comandă adecvat prezintă particularități deosebite dacă se utilizează ca elemente de acționare mai multe elemente active din aliaje cu memoria formei. Un sistem de comandă pentru 15 fire cu AMF este prezentat în continuare.

Figura 65. Reglare activă, modulator PWM

Controlul actuatorilor pe bază de AMF

Comportarea AMF poate fi descrisă de patru variabile: temperatura, rezistența electrică, forța generată și deplasarea. În Figura 66 este prezentată diagrama bloc a unui sistem de control a unui actuator cu AMF.

Figura 66. Schema de control

Cei mai utilizați traductori pentru măsurarea forțelor sunt traductrorii electrotensometrici rezistivi (TER), iar pentru măsurarea deplasărilor sunt utilizați traductori rezistivi liniari sau rotativi. Implementarea unui sistem de control având ca variabilă internă rezistența prezintă următoarele avantaje: histerezisul este mic, comportarea este aproximativ liniară, se poate evita supraîncălzirea aliajului. În lucrarea este propusă o modalitate de control care să combine rezistența internă și deplasarea ca mărimi de feed-back pentru implementarea unui algoritm de control. În lucrarea [6], este prezentat un model de control care să compenseze histerezisul mare al aliajelor cu memoria formei. Acesta se realizează prin utilizarea unei metode feed-forward care presupune alimentarea predictivă a elementului activ astfel încât acesta să realizeze deplasarea dorită. Trei metode diferite de control au fost aplicate în lucrarea [12] pentru a urmări răspunsul unui actuator pe bază de AMF: controlul PI, controlul PI pe un model liniarizat, și controlul feed-forward. Autorii au subliniat că problemele esențiale legate de controlul AMF au fost timpul lent de răcire. Mărimea de feedback a fost preluată dintr-un experiment care urmărește variația tensiune-efort în funcție de încălzire. Metodele prezintă un major dezavantaj, acela că nu a fost luată în considerare sarcina externă. Un posibil sistem de control al poziției, aplicabil prin utilizarea mai multor tipuri de controlere, dar verificat utilizând un algoritm PI, urmărind totodată și aspecte privind stabilitatea. Rezultate experimentale confirmă faptul că actuatorii pe bază de AMF permit controlul forței generate rapid și în mod precis. S-a studiat răspunsul în frecvență și pentru un semnal de test treaptă pentru un actuator răcit cu aer.

Exemple de sisteme de acționare cu aliaje cu memoria formei (SMA)

A Docking Among Independent and Autonomous CONRO Self Reconfigurable Robots

Mecanism de cuplare separat cu aliaje cu memoria formei (Figura 67);

Figura 67. Mecanism de cuplare cu SMA

Fiecare modul are 2 grade de mobilitate (două rotații) unul pentru mișcările stânga- dreapta și unul pentru mișcările sus-jos. Pentru acționare sunt utilizate servomotoare comandate de un microcontroler PIC.

Deplasarea este posibilă atât independent cât și prin cuplarea mai multor module (Figura 68);Soluție constructivă simplă;

A Self-Reconfigurable Modular Robot: Reconfiguration Planning and Experiments,

Mecanism de cuplare separat cu magneți permanenți și aliaje cu memoria formei. Fiecare modul are două grade de mobilitate (două rotații), pentru acționare fiind folosite servomotoare comandate de un microcontroller PIC (Figura 69);

(a) (b)

Figura 69. Robotul Cube – mecanism de cuplare

Unghiul de rotație al servomotoarelor este de ± 900;

Fiecare modul se poate deplasa prin rostogolire sau târâre (Figura 70 a, b);

Mecanisme de cuplare cu aliaje cu memorie a formei

Un mecanism de cuplare trebuie să aibă randament mare, siguranță în funcționare, să fie compact și să permită legarea între oricare două module. Metodele de conectare existente sunt variate, funcție de sistemul ales pentru realizarea fizică a legăturii dintre module, de natura energiei pentru aceasta operație, dar pot fi încadrate în următoarele:

penetrare și potrivire de formă, urmată de blocare printr-o forță elastică. Pentru deconectare este necesară o forță activă, care poate fi generată de un actuator din aliaj cu memorie a formei (AMF).

conectarea prin forță magnetică și deconectarea cu ajutorul unui actuator AMF în formă de arc.

Avantajul soluției mecanice este dat de siguranța mare a legăturii ce rezistă la apariția de forțe laterale, dar necesită în schimb o bună aliniere în faza de conectare. Doi conectori pe modul (câte unul la extremitatea fiecărui modul) permit construcția unor structuri liniare, similare șerpilor. Construcția unor structuri ramificate necesită utilizarea mai multor conectori (un hexapod poate fi construit cu module având un conector la o extremitate și 3 la cealaltă).

În continuare sunt analizate câteva sisteme de conectare a modulelor:

A. La robotul CONRO se folosește un mecanism de cuplare separat cu aliaje cu memoria formei (Figura 71)

Figura 71. Robotul CONRO – mecanism de cuplare

Cuplarea modulelor este complet autonomă și se realizează în 3 pași: deplasarea modulelor cu comandă în buclă deschisă pentru alinierea grosieră a senzorilor IR; deplasarea modulelor cu comandă în buclă închisă pentru alinierea precisă a acestora cu reacție inversă de la senzorii IR și cuplarea propriu-zisă a pinilor și mecanismelor de zăvorâre. În timpul acestei ultime faze, se efectuează mișcări de mică amplitudine și frecvență mare pentru învingerea frecărilor. Sunt necesare 3 minute pentru o astfel de cuplare, iar rata succesului este de 80%.

B. La robotul M-Tran II, conectarea intre modulele ce alcătuiesc robotul se face prin intermediul unor magneți permanenți, arcuri neliniare si a unor actuatori cu memoria formei.

Figura 72. Robotul Tran II – conectarea

Conectarea prin intermediul magneților permanenți oferă avantajul unei mai mari precizii in momentul efectuării cuplării, însa o astfel de cuplare necesita o proiectarea mama/tata datorita polarității magneților. Mecanismul de cuplare intre modulele robotului este prezentat in Figura 72.

Cuplarea prin intermediul aliajelor cu memorie a formei este utilizată și în cazul robotului reconfigurabil de tip lanț, Polybot .

Un exemplu detaliat de mecanism de cuplare, acționat prin aliaje cu memorie a formei este prezentat în Figura 73.

Figura 73. Robotul Polybot – mecanism de cuplare

C. Milirobotul pentru telechirurgie minimal invazivă (Figura 74 – Figura 77), proiect dezvoltat de Universities of California at Berkley and San Francisco și Endorobotics Corporation, condus de Jeff M. Wendlandt și S.S. Sastry. Structura finală obținută este una complet mecanică acționată hidraulic, deoarece acest tip de acționare nu oferă suficientă putere în intervenție. Tehnologia implicată a fost extrem de laborioasă: motoare, reductoare, mecanisme realizate prin lithografie, injecție, turnare și alte tehnici speciale.

D. Un alt exemplu este robotul intravascular neurochirurgical realizat de Fumihtio Arai, Mitsutaka Tanimoto, Toshio Fukuda, Koji Shimojima, Hideo Matsuura și Makoto Negoro de la Nagoya University – Japan. Experimentul a fost finalizat prin realizarea unui nou tip de micro-robot, testându-se, totodată, și o intervenție de telechirurgie, prin care un operator din Tokyo a putut realiza o intervenție chirurgicală ce i-a permis să simtă reacția de forță când cather-ul a atins și a înaintat în vasele sanguine ale unui pacient aflat în Nagoya.

Catherul microactiv cu multiple grade de libertate, dezvoltat de colectivul condus de Toshiro Fukuda oferă o bună manevrabilitate, iar acționarea se realizează cu materiale cu memorie.

Limitările acestei structuri: Materialul SMA utilizat avea un timp de răspuns inacceptabil: 0,78 sec în aer sau 0,45 sec în soluție salină; Sensibilitate chimico-termică: rezultate bune s-au obținut numai în condiții specifice chimice, respectiv termice: soluție salină 360 C sau aer 200C (condiții relativ stricte); Pentru construcția unui sistem multi element cu o bună manevrabilitate, restricțiile tehnologice sunt severe.

Mecanisme de cuplare cu lichide rheologice

Micro-robotul flexibil dezvoltat de Koichi Suzumori, Shoichi Iikura și Hirohisa Tanaka de la Toshiba Corporation și Yokohama University (Figura 78 – Figura 80).

Microrobotul dispune de 3 grade de libertate: pitch, yaw și stretch mișcări corespunzătoare unor structuri de tip braț, deget sau picior. Construcția structurii se bazează pe cauciuc ranforsat, iar mecanismul este extrem de simplu bazat pe existența a 3 compartimente de control. Microroboții pot fi realizați cu ușurință utilizând astfel de structuri tentaculare.

Toate aceste exemple conduc la următoarele concluzii:

Toți miliroboții, realizați până în prezent, implicați în milichirurgie sunt acționați hidraulic sau pneumatic datorită forței pe care acest tip de acționare o permite;

Cea mai potrivită structură de milirobot este structura tentaculară.

Ideea utilizării unei structuri tentaculare multi-element este ideea centrală a prezentei propuneri, idee izvorâtă din analiza atentă a ultimelor două experimente;

Microrobotul flexibil realizat de Koichi Suzumori oferă o soluție similară structurii anterioare, cu observația că actuatorii SMA sunt înlocuiți de către actuatori hidraulici.

Limitările acestui tip de structură:

În cazul structurilor multi-element, tuburile de comandă destinate elementelor superioare traversau elementele inferioare, implicând ca elementele inferioare să aibă diametre mult mai mari față de elementele superioare.

Tuburile de control destinate elementelor superioare afectează nedorit elementele inferioare, structura fiind nedecuplată.

Structura tentaculară controlată cu fluid MR

Principalele structuri propuse până în prezent, structuri bazate fie pe lichide ER sau pe polimeri și lichide magnetice, sunt prezentate în cele ce urmează:

Forma generală a modelului tentacular ER este prezentat în Figura 81.a, iar în Figura 81.b se reprezintă structura unui segment. Cilindrul este confecționat dintr-un material elastic întărit cu fibre longitudinale, dispunând de trei camere în interior, fiecare dintre ele conținând fluid ER cu un control individual. Deformația fiecărui ciliridru este controlată prin intermediul unui sistem electrohidraulic de control al presiunii, independent, combinat cu controlul distribuit al vâscozității fluidului ER. Camerele segmentului au pereții întăriți cu fibre pe direcție circulară. Totuși, el se deformează ușor în direcție axială, în directie radială păstrându-și însă dimensiunile. Cilindrul poate fi îndoit în orice direcție prin controlul corespunzător al presiunii în cele trei camere. Controlul electric al vâscozitătii fiuidului ER este obținut prin intermediul unei rețele de electrozi distribuiți pe toată lungimea cilindrului. Electrodul central este conectat la potențial nul, iar electrozii periferici sunt alimentați prin intermediul unui controller de înaltă tensiune. Acești electrozi pot ficontrolați individual asigurând o tensiune distribuită pe toata lungimea cilindrului. Este obținută o vâscozitate neuniformă de a lungul domeniului variabilei s a sistemului. Utilizând o lege de control a vâscozității, poate fi asigurată o bună stabilitate structurii mecanice, fără inerentele limitări de inerție și viteză, ca în cazul actuatorilor clasici.

Structura MR propusă (Figura 82) se bazează exclusiv pe utilizarea unor microcontrollere MR, care asigură distribuția fluidului MR conform câmpului magnetic energizant aplicat structurii.

După cum s-a arătat în studiul prezentat la începutul acestui capitol, au fost realizate, până în prezent, o serie de experimente pentru obținerea unor structuri tentaculare eficiente.

O soluție propusă de autor se bazează pe construcția specială a separatoarelor dintre elementele structurii tentaculare. Aceste separatoare sunt de fapt controllere MR/ER, bazate, deci, pe modificarea de vâscozitate a fluidelor inteligente sub acțiunea câmpului energizant.

Avantaje:

Toate unitățile milirobotului sunt identice.

Toate structurile de tip separator sunt identice.

Toate elementele structurii tentaculare sunt relativ decuplate.

Structura elementară propusă este mult mai simplă comparativ cu structurile existente în prezent.

Comportamentul fluidului MR/ER este pur Newtonian pentru realizarea mișcărilor sau orientării impuse.

Timpul de răspuns al unei valve MR/ER este de 6-7 ms.

Controlul valvei inteligente ER/MR implică utilizarea unor elemente separatoare, care pot fi alimentate prin intermediul unor tuburi care vor asigura atât presiunea de alimentare, cât și pe cea de refulare. Aceste tuburi vor avea un rol de control, dar și de renforsare.

Costul final al unei unități elementare se estimează a fi inferior structurilor anterioare.

Acționarea hidraulică este superioară acționării pneumatice sau celei asigurate de către SMA-uri.

Construția acestui tip de controller permite realizarea unor structuri de miliroboți cu un număr sporit de grade de libertate sau grade de acțiune, fără a impune și complicarea structurii de controller. Studiul acestor controllere MR permite o mai bună înțelegere a materialelor inteligente deschizând astfel noi posibilități în utilizarea unor astfel de materiale în industria constructoare de mașini, în realizarea unor amortizoare semi-active, a unor frâne și ambreiaje cu o bună rezistență la defect, dispunând de un control extrem de eficient.

Detalii

Controllerul MR, propus de prezenta lucrare, poate fi utilizat nu numai în cadrul structurilor de miliroboți destinați intervențiilor chirurgicale, dar și în construcția structurilor de miniactuatori, structuri de tip degete, articulații, brașe, amortizoare, frâne, ambreiaje. Schema unui astfel de controller este prezentată în Figura 83.

Intrarea fluidului MR este distribută, prin intermediul camerei cu multiple orificii de ieșire, către compartimentele distribuitoare. Pentru simplificare, în cadrul acestei prime structuri, se va considera o singură ieșire a controllerului, care va fi conectată cu elementul elastic ce va fi destins sau comprimat , în funcție de comanda fluidului. În acest caz, forța rezistentă este numai cea elastică, datorată modului de elasticitate al elementului de cauciuc. Pentru cazurile în care forța elastică nu este suficientă pentru a oferi o viteză de reacție corespunzătoare aplicației, structura controllerului va fi modificată.

O observație pertinentă se cuvine a fi făcută în legătură cu adăugarea a două noi posibilități de control: controlul turului și returului fluxului principal de fluid MR. Dezavantajele introduse de acest tip de control se referă numai la creșterea numărului de fire de control: fiecare fir de control trebuie să suporte cel puțin un curent de 1-2 amperi, ceea ce implică un diametru minim al firului de control, precum și utilizarea unui material cu o conductivitate specifică. O idee intresantă se referă la utilizarea unui câmp magnetic exterior structurii conținând structura elastică cu fluid MR, astfel încât variația câmpului energizant să conducă la modificarea vâscozității structurii, până la înghețarea acesteia, lucru care conduce la o stabilitate deosebită, caracteristică structurilor cvasi-rigide.

Toate aceste posibile structuri se bazează pe utilizarea unor surse de curent cu reglaj continuu, în limite destul de largi 0 – 2 amperi, ceea ce permite ca, în clipa în care se obține un câmp energizant maxim, particulele micronice solide, magnetizabile, să se alinieze după direcția câmpului și să conducă fie la blocarea circuitului fluidic – valva stop, fie la formarea unor structuri multistrat: fluid rigidizat, element elastic, fluid nerigidizat, care să ofere o consistență deosebită structurii rezultante.

Gripper soft controlat cu fluide rheologice

Roboții hyperredundanți sunt manipulatoare cu hiper-grade de libertate și interesul pentru studierea și construirea acestora s-a extins rapid.

Controlul acestor sisteme este foarte complex și un mare număr de cercetători au încercat să ofere soluții pentru aceste probleme dificile. În toate studiile existente autorii tratează problemele de control din punct de vedere cinematic și numai câțiva abordează problemele dinamice. Modelul dinamic pentru aceste manipulatoare este foarte complex. Dificultatea constrolului dinamic este determinată de modelele integro-diferențiale cu neliniarități mari, care caracterizează dinamica acestor sisteme.

În continuare este tratată problema realizării funcției de apucare de roboții hyperredundanți formați din elemente continue, folosind funcția de încovoiere. Acestă funcție se regăsește în lumea animală la trompa de elefant (Figura 84), la tentaculele caracatiței și la șerpii constrictori. La început este determinat modelul dinamic. Dificultatea determinată de complexitatea ecuațiilor neliniare integro-diferențiale care reprezintă modelul dinamic al sistemului este evitată prin folosirea în acest sistem a relațiilor pe bază de energie. Legice de control pe bază de energie sunt introduse pentru rezolvarea controlului poziției. Metoda propusă pentru controlul forței folosește metoda DSMC pentru fiecare evoluție a sistemului în care este controlată vâscozitatea fluidului rheologic.

Pentru acest studiu a fost realizat un braț tentacular hyperredundant format dintr-un singur element elastic cu flexibilitate mare cu posibilitate de încovoiere numai în plan, funcție folosită pentru operația de apucare prin încolăcire (Figura 85). Brațul este format dintr-un tub de cauciuc care are limitată posibilitatea de dilatare transversală, precum și anularea posibilității de alungire longitudinală de-a lungul unei generatoare a brațului. Prin variația presiunii interne, datorită acestor restricții fizice, brațul se curbează. Între variația presiunii și curbarea brațului există o variație de proporționalitate.

A fost realizat de asemenea o mână cu trei degete triortogonal opozante. Degetele au aceeași structură hiper-redundantă ca brațul prezentat în Figura 86. Cele trei degete au o mișcare unitară, nefiind independente ca mișcare în această variantă constructivă. Prin variația presiunii independent în fiecare din degete se obține bineînțeles mișcarea independentă a degetelor. Analog cu brațul descris mai sus prin variația presiunii se obține funcția de apucare a mâinii prin încovoierea degetelor.

Mâna poate apuca folosind funcția de încolăcire a degetelor (Figura 86), caz în care poate reține sarcini de 3-400 grame, sau poate apuca prin apucare/presare cu vârful degetelor (Figura 87), caz în care greutatea sarcinii depinde de rugozitatea suprafeței manipulate.

Controlul presiunii este realizat prin controlul pistonului hidraulic 3. S-a realizat acționarea controlată a pistonului folosind platforma prezentată anterior, fluidul de lucru în degetele mâinii fiind apa. S-a folosit comanda cu ajutorul plăcii Quanser, comandând crearea câmpului magnetic prin varierea unei tensiuni continue de comandă. S-a impus un plafon de presiune pentru a evita deteriorarea mâinii.

Vom studia clasa de brațe hiper-redundante care pot lua orice poziție și orientare în spațiul 3D și care folosesc funcția de încovoiere pentru apucare. Aceste brațe au un foarte mare număr de grade de libertate în structură sau au o structură continuă.

Tehnologic aceste brațe se bazează pe folosirea unor elemente din materiale flexibile în combinație cu elemente activ-controlabile cu fluide rheologice care își pot schimba caracteristicile mecanice în prezența unui câmp de excitație. Forma generală a brațului este prezentată în Figura 88. Este format din N elemente cilindrice deformabile longitudinal și nedeformabile transversal, fiecare element conținând fluid rheologic cu propriul element de control individual. Deformarea în fiecare cilindru este con trolată printr-un sistem electrohidraulic în combinație cu controlul vâscozității fluidului rheologic. Fiecare element cilindric are patru camere în secțiune (Figura 89), Controlând diferența de presiune în aceste camere se controlează alungirea acestora și deci implicit curbarea/încovoierea în direcția dorită.

Modelul tehnologic poate fi considerat ca un tentacul controlabil elastic și foarte flexibil. Sistemul este considerat fără frecări, orice frecări și amortizări în sistem fiind neglijate. De asemenea considerăm ca brațul nu se va curba înapoi la aplicarea unor forțe, încovoierea este întotdeauna recuperabilă când dispar forțele care au creat-o.

Ultimele m elemente (m<N) reprezintă terminalul pentru apucare. Se consideră că aceste elemente conțin un număr de senzori distribuiți pe suprafața cilindrilor (Figura 58). Acești senzori au rolul de a măsura forța distribuită dea lungul elementelor mâinii. Această rețea de senzori definesc relațiile dinamice dintre deplasarea elementelor mâinii și forța de contact.

Concluzii

Roboții hiper-redundanți reprezintă o clasă nouă de roboți, care a trezit interesul unui număr mare de cercetători sțiințifici din întreaga lume. Față de structurile clasice, proiectate să aibă un număr redus de articulații, conectate în serie prin intermediul unor elemente structurale rigide ce operează într-un spațiu deschis, fără constrângeri, roboții hiper-redundanți au fost proiectați cu un număr foarte mare de articulații cu un grad de mobilitate ridicat, pentru a putea opera în spații cu restricții. Aceste modele robotice sunt utilizate în diverse aplicații, cum ar fi operații ce necesită deplasarea pe teren accidentat, în operațiuni de căutare și salvare a victimelor în urma unor dezastre (cutremure, tsunami, accidente, etc), în inspecția zonelor limitate ca dimensiuni din medii industriale precum și în chirurgie.

Din punct de vedere al arhitecturii acestor roboți se regăsesc o mare varietate de soluții constructive, convenționale, neconvenționale sau combinații ale acestora. Proiectarea arhitecturii roboților hyper-redundanți respectă mai mult modelul biologic adoptat, decât să îndeplinească cerințele unei anumite sarcini (ceea ce ar limita versatilitatea). Din modelul constructiv rezultă gradul de hyper-redundanță al acestora.

Roboții hyper-redundanți acoperă toate domeniile de lucru ale roboților neconvenționali, și în plus satisfac și sarcini impuse în medii cu restricții sau de manipulare a sarcinilor fără folosirea terminalelor specializate.

Constructiv putem împărți roboții hyper-redundanți, funcție de numărul gradelor de libertate, în categoriile principale:

hard;

continuu;

soft.

De asemenea din punct de vedere al acționării avem roboții acționați cu cabluri de tracțiune (convenționale sau SMA), acționați prin intermediul presiunii lichidelor.

O nouă clasă de roboți hard, roboții reconfigurabili, îndeplinesc criteriile impuse roboților hyper-redundanți, putând fi asimilați cu aceștia pentru anumite configurații. Prin construcție și scop sunt de fapt roboți hyper-redundanți. Totuși modelele actuale sunt departe de varianta soft. Suplimentar acest tip de roboți este autonom ca alimentare și deplasare, îmbinând și alte caracteristici pe lângă cele principale ale roboților hyper-redundanți (manevrare în mediu cu restricții și manipulare de sarcini atipice).

Putem concluziona că, deși acest tip de roboți este în plină cercetare din punct de vedere al soluțiilor constructive, apar modele și soluții viabile care îndeplinesc marea majoritate a sarcinilor impuse acestui tip de roboți.

Pentru dezvoltarea unor sisteme de acționare pentru modele hiper-redundante trebuie ținut cont de:

tipul modelului: discret continuu sau continuu soft; pentru fiecare din aceste modele sistemul de acționare fiind diferit;

acest tip de acționare este formată de fapt dintr-un ansamblu de miniacționări cuplate cu sisteme mecanice, pneumatice sau hidraulice, care transmit mișcarea de la acestea la elementele modelului;

în poziționare trebuie ținut cont de încărcarea gravitațională a modelului, care poate avea valori importante date de însăși greutatea modelului;

calculul dinamic al unui asemenea model necesită un volum mare de calcul ceea ce îl face dificil de implementat pentru un control în timp real;

sistemele de acționare, cu mici excepții, sunt particularizate pentru fiecare tip de model și mediu de lucru.

Ca o concluzie finală proiectarea sistemului de acționare nu poate fi decuplată de proiectarea efectivă a modelului fiind efectiv parțial sau total integrată în acesta. Sistemul de acționare este un sistem complex, acesta fiind proiectat să acționeze simultan grupuri de elemente.

Bibliografie

1. Anderson, V.V., și Horn, R.C., Tensor-Arm Manipulator Design, ASME Trans, Vol. 67-DE-57, pp. 1-27, 1967.

2. Bruce, C. Jayne. Mechanical behavior of snake skin. Journal of Zoology, 214:125–140, 1988.

3. Bruce, C. Jayne. Muscular mechanisms of snake locomotion: An electromyographic study of lateral undulation of the Florida banded water snake (nerodia fasciata) and the yellow rat snake (elaphe obsoleta). Journal of Morphology, 197:159–181, 1988.

4. Chapman, G. The hydrostatic skeleton in the invertebrates. Biol. Revi. Cambridge Philos Soc. 33:338–371, 1958.

5. Chapman, G. Versatility of hydraulic systems. J Exp Zool. 194:249–270, 1975.

6. Choset, H., Zenati, M.A., Ota, T., Degani, A., Schwartzman, D., Zubiate, B., Wright, C. Enabling Medical Robotics for the Next Generation of Minimally Invasive Procedures: Minimally Invasive Cardiac Surgery with Single Port Access, Surgical Robotics – System Applications and Visions, Springer, pp. 257-270, 2010.

7. Clark, R.B. Dynamics in Metazoan Evolution. The origin of the coelom and segments. Oxford: Clarendon Press, 1964.

8. Clark, R.B., Cowey, J.B. Factors controlling the change of shape of certain nemertean and turbellarian worms. J Exp Zool. 35:731–748, 1958.

9. Deepak Trivedi,a Christopher D. Rahn,a∗ William M. Kierb and Ian D. Walkerc , Applied Bionics and Biomechanics, Vol. 5, No. 3, September 2008, 99–117

10. Doroftei, I., Horodinca, M„ Mignon, E„ Preumont, A., 2001, – A new concept of in pipe robot. The Eight IFToMM International Symposium 011

11. Dumitru Sorin, Sisteme de conducere a roboților tentaculari, Teză de doctorat, Craiova, 2011

12. Elkmann, N„ Saenz., J., Felsch, T. Altrock, M, Sack, M„ 2002 – Investigating kinematics concept for the automatic mspectio and cleaning of a sewer canal, Proceedmgs of 5th International Conference on Climbing and Walking Robots, (CLAWAR 2002), Paris, France"pp. 971-977.

13. Endo, G., Togawa, K., și Hirose, S. Study on self-contained and terrain adaptive active cord mechanism. În Proceedings of the 1999 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 1399–1405, 1999.

14. Explorer: Untetherecl Real_time Gas Main Assessment Robot System, Ist International Workshop on Advances in Service Robotics, ASER'03, Bardolmo, Italy, March 13-15, 2003.

15. Ferreira, A., Fontaine, J.G., 2002, – Modellmg based control of an in-pipe micro-machine with pin-type ultrasonic actuators, Proceedmgs of 5th International Conference on Climbing and Walking Robots, (CLAWAR 2002). Paris, France, pp. 651- 658.

16. Gans, C. și Baic. D. Regional specification of reptilian scale surfaces: Relation of texture and biologic role. Science, 195:1348–1350, 1977

17. Gans, C. Terrestial locomotion without limbs. American Zoologist, 2:167–182, 1962.

18. Gasc, J.P., Cattaert, D., Chasserat, C. și Clarac, F. Propulsive action of a snake pushing against a single site: Its combined analysis. Journal of Morphology, 201:315–329, 1989.

19. Gradetsky, V., Veshnikov, V., Kalinicchenko, S„ Kniazkov,, M„ Solovtsov, V., 2002, – Miniature robot control motion inside of tubes, Proceedmgs of 5th International Conference 011 Climbins and Walking Robots, (CLAWAR 2002),

20. Grislee: Gasmain Repair & Inspection System for Live Entry Environment, CLAWAR'01 Special Issue of the International Journal of Robotics Research, March-April, 2003, Voi. 22, Nos 3 and 4.

21. Gutmann, W.F. Relationships between invertebrate phyla based on functional-mechanical analysis of the hydrostatic skeleton. Am Zool. 21:63–81, 1981.

22. Hannan, M., Walker, I.D. Analysis and experiments with an elephant’s trunk robot. Adv Robot. 15:847–858, 2001.

23. Harris, J.E., Crofton, H.D. Structure and function in the nematodes: internal pressure and cuticular structure in ascaris. J Exp Biol 34:116–130, 1957.

24. Hazel, J., Stone, M., Grace, M.S., și Tsukruk, V.V. Nanoscale design of snake skin for reptation locomotions via friction anisotrophy. Journal of Biomechanics, 32:477–484, 1999.

25. Hirose, S., Biologically Inspired Robots, Snake-Like Locomotors and Manipulators, Oxford University Press, 1993.

26. Hirose, S., Biologically Inspired Robots, Snake-Like Locomotors and Manipulators, Oxford University Press, 1993.

27. Hirose, S., și Morishima, A. Design and control of a mobile robot with an articulated body. The International Journal of Robotics Research, 9(2):99–114, 1990.

28. Hirose, S„ Ohno, H„ Mitsui T., Suyama, K„ 2000- Design of In-Pipe Inspection Vehicles for o25, o 50, o 150 Pipes", Journal of Robotics and Mechatronics 12, 3, pp. 310-317.

29. Horodinca, M., Doroftei, I., Mignon, E„ Preumont, A., 2002 – A simple architecture for în-pipe inspection robots. Int. Colloquium on Mobile and Autonomous Systems, 10 Years of the Fraunhofer IFF, Magdeburd, Germany June 25-26, 2002, pp. 61-64

30. Hunter, I.W., Lafontaine, S. Comparison of muscle with artificial actuators. In: IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Hilton Head Island, SC: IEEE, p. 178–185, 1992

31. Ikuta,K. From SMA Active Endoscope to Micro Catheter, IEEE ICRA Full Day Workshop Snakes, Worms an Catheters: Continuum and Serpentine Robots for Minimally Invasive Surgery, 2010.

32. Kapadia, A., Walker, I. D., Dawson, D. M., și Tatlicioglu, E., A Model-Based Sliding Mode Controller for Extensible Continuum Robots, Proceedings 9th WSEAS International Conference on Signal Processing, Robotics and Automation, pp. 113-120, Cambridge, UK, Februarie 2010.

33. Kier, W.M. The fin musculature of cuttlefish and squid (mollusca, cephalopoda): morphology and mechanics. J. Zool. (London) 217:23–38, 1989

34. Kier, W.M, Smith, A.M. The morphology and mechanics of octopus suckers. Biol. Bull. 178:126–136, 1990.

35. Kier, W.M., Curtin, N.A. Fast muscle in squid (Loligo pealei): contractile properties of a specialized muscle fibre type. J Exp Biol 205:1907–1916, 2002.

36. Kier, W.M., Smith, K.K. Tongues, tentacles, and trunks: the biomechanics of movement in muscular-hydrostats. Zool J Linnean Soc. 83:307–324, 1985.

37. Kier, W.M., Thompson, J.T. Muscle arrangement and function, and specialization in recent coleoids. Berliner Palobiol Abhandlungen. 3:141–162, 2003.

38. Kinematics and the Implementation of an Elephant’s Trunk Manipulator and other Continuum Style Robots, Michael W. Hannan and Ian D. Walker, Dept. of Electrical and Computer Engineering, Clemson University, Clemson, 29634, USA,

40. Matuliauskas, A, Spruogis, B. Pikijnas, A., 2006 – Wall press walking in pipe robot, Soliei State Phenomena, Voi. 113, pp. 296 – 300, ISBN 3-908451-21-1, (Mechatronic Systems and Materials – Trans Tech Publications).

41. McCurley, R.S., Kier, W.M. The functional morphology of starfish tube feet: the role of a crossed-fiber helical array in movement. Biol Bull. 188:197–209, 1995.

42. Meyers, J.J., O’Reilly, J.C., Monroy, J.A., Nishikawa, K.C. Mechanism of tongue protraction in microhylid frogs. J Exp Biol. 207:21–31, 1999

43. Mircea Ivănescu, Roboți industriali. Algoritmi și sisteme de conducere , Ed. Universitaria, Craiova, 1994

44. Mircea Ivănescu, ș.a., Acționări neconvenționale a roboților, Ed. Universitaria, Craiova, 2004

45. Nishikawa, K.C., Kier, W.M., Smith, K.K. Morphology and mechanics of tongue movement in the African pig-nosed frog Hemisus marmoratum: a muscular hydrostatic model, J Exp Biol. 202:771–780, 1999.

46. Paris, France, pp. 643-650.

47. Pfeiffer F„ Rossmann T„ Loffler K., 2000 – Controller Design for a Tube Crawling Robot. The First IFAC Conference on MECHATRONIC SYSTEMS, Darmstadt, Germany, September 18-20, pp. 629-634.

48. Robinson, G., Davies, J.B.C., Continuum robots—a state of the art. IEEE International Conference on Robotics and Automation; Detroit, Michigan, USA: IEEE, Vol. 4, p. 2849–2854, Mai 1999.

49. ROH S.G., RYEW S. M„ CHOI H.R., 2001 – Development of Differentially Driven In-pipe Inspection Robot for Underground Gas Pipelines. Proceedings of International Symposium on Robotic (ISR 2001), 165-170.

50. RYEW, S.M.. BAIK, S.H., RYU, S.W., JUNG, K.M., ROH, S.G., CHOI, H.R. 2000 – In-pipe inspection robot system with active steering mechanism, Intelligent Robots and Systems, (IROS 2000); Proceedings. 2000 IEEE RSJ International Conference on, Voi. 3, 2000, pp. 1652 -1657.

51. Simaan, N., Taylor, R., Flint, P. A dexterous system for laryngeal surgery. În Proceedings. ICRA’04. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain: IEEE, Vol. 1, pp. 351–357, 2004

52. Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research

53. STATE-OF-THE-ART REVIEW 2004 – In-Pipe-Assessment Robot Platforms Carnegie Mellon University The Robotics Institute Pittsburgh, November 30th,

54. Tanner, N. Hansen Medical – Robotic Catheter-based Minimally Invasive Procedures: The Sensei X Case Study, IEEE ICRA Full Day Workshop Snakes, Worms and Catheters: Continuum and Serpentine Robots for Minimally Invasive Surgery, 2010.

55. Tatar M. O., Maties, V., Mândru D„ 2005- Mini si microroboti, Editura TODESCO, Cluj-Napoca,

56. Taylor, J.R.A, Kier, W.M. Switching skeletons: hydrostatic support in molting crabs. Science 301:209–210, 2003.

57. Taylor, J.R.A., Kier, W.M. A pneumo-hydrostatic skeleton in land crabs. Nature 440:1005, 2006

58. Theory of Machines and Mechanisms, Bucharest, Voi. II, August 28 – September 1, pp. 83-88.

59. Tsai, R.Y. A versatile camera calibration technique for high accuracy 3-d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Trans. Robotics and Automation, 3(4), pp. 323-344, August 1987

60. Van Leeuwen, J., Kier, W. Functional design of tentacles in squid: linking sarcomere ultrastructure to gross morphological dynamics. Philoso TransRSoc Lond B: Biol Sci. 352:551–571, 1997.

61. Wainwright, S.A, Vosburgh, F., Hebrank, J.H. Shark skin: function in locomotion. Science 202:747–749, 1978.

62. Wainwright, S.A. Axis and circumference. Cambridge, (MA): Harvard University Press, 1988.

63. Wainwright, S.A. Structural systems: hydrostats and frameworks. In companion to animal physiology. New York: Cambridge University Press, 1982.

64. Walker, I.D. si Hannan, M.W. A Novel ‘Elephant’s Trunk’ Robot, În Proceedings IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Atlanta, GA, USA. pp. 410-415, 1999.

65. Worst, R., și Linnemann, R. Construction and operation of a snakelike robot. În Proceedings of the 1996 IEEE International Joint Symposia on Intelligence and Systems, pages 164–169, Rockville, Maryland, Noiembrie 1996.

A.A. Mokeev, E.V. Korobko, Structural viscosity of electrorheological fluids, Jurnal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 42, 1992, 213-230, Elsevier Science Publishers B.V. Amsterdam

B.M. Berkovsky, V.F. Medvedev, Magnetic Fluids, Engineering Applications, Oxford University Press, 19931990

Crisan, R., Mandru, D., Tatar, O.,Studii privind sistemele de comanda si control ale actuatorilor pe baza de aliaje cu memoria formei, Lucrarile celei de-a Treia Conferinte Nationala Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii romanesti, Sebes, 2003, pag. 291 – 296, in vol. Stiinta si Inginerie, vol IV, Editura AGIR, Bucuresti, 2003, ISBN 973 – 8466 – 04 – 0.

Crisan, R., Mandru, D., Tatar, O.,Studii privind sistemele de comanda si control ale actuatorilor pe baza de aliaje cu memoria formei, Lucrarile celei de-a Treia Conferinte Nationala Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii romanesti, Sebes, 2003, pag. 291 – 296, in vol. Stiinta si Inginerie, vol IV, Editura AGIR, Bucuresti, 2003, ISBN 973 – 8466 – 04 – 0.

Crisan, R., Maties, V., Tatar, O., Design of positioning system based on infra-red remote controller, Lucrarile Conferintei Stiintifice Inter-Ing, Targu-Mures, 2003, pag. 361364, ISBN 973-8084-81-4, ISBN 973-8084-82-2

Cristian Vladu, Sisteme de acționare neconvenționale pentru conducerea roboților, Teză de doctorat, Craiova, 2009.

Doug Brooks, Fluid get tough, Physics World 2 August 1989

Gorbet, R., Wang, L., General Sability criteria for shape memory alloy position control system, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 2313-2319, 1995, Nagoya, Japan

Gorbet, R., Wang, L., General Sability criteria for shape memory alloy position control system, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 2313-2319, 1995, Nagoya, Japan

Grant, D., Hayward, V., Constrained force control of shape memory alloy actuators, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics&Automation, San Francisco, Aprilie 2000, pag 1314-1320

Grant, D., Hayward, V., Constrained force control of shape memory alloy actuators, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics&Automation, San Francisco, Aprilie 2000, pag 1314-1320

Ikuta, K., Micro/miniature shape memory alloy actuators, Proc.of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1990, pag. 2156-2161. ISBN 0-8186-9061-X

Ikuta, K., Micro/miniature shape memory alloy actuators, Proc.of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1990, pag. 2156-2161. ISBN 0-8186-9061-X

Ivanescu M., Florescu M., Bizdoaca N., 3-D Grasping by coiling for a hyperredundant arm, Conferinta “Cercetarea de excelenta – premiza favorabila pentru inovare”, editia 2008, Brasov, 27-29 iulie, ISSN 1844-7090, pp. 259-1 – 259-6

Ivanescu M., Les tendances actuelles en robotique, La 5ème Conférence Internationale Francophone d'Automatique (CIFA ‘2008), 3 – 5 septembre 2008, Bucarest

Ivanescu M., Timely Trends in Robotics, A 4-a Conferinta Internationala “ROBOTICA 2008”, Brasov, Romania, 13-14 noiembrie 2008, Bulletin of the Transilvania Univ. of Brasov, vol. 15 (50), series A, special issue, ISSN 1223-9631, pp.275 – 281

Ivanescu Mircea, a.o., A Compliance Control of a Hyperredundant Robot, Studies in Informatics and Control Journal (SIC), ISSN 1220-1766, June 2008, vol. 17, no. 2, pp. 189 – 200

Ivanescu Mircea, a.o., A Hyperredundant Grasping System, A 9-a Conferinta Internationala Carpatica de Control (ICCC 2008), 25-28 mai 2008, Sinaia, Romania, ISBN 978-973-746-897- 0, pp. 267 – 270

Ivanescu Mircea, Florescu Mihaela, Load Control by Coiling for a Hyperredundant Arm, The 17th International Conference on Control Systems and Computer Science, May 26 – 29, 2009 (CSCS17), Bucuresti, Romania, vol.2, pp. 213 – 219

Ivanescu Mircea, Florescu Mihaela, Popescu Nirvana, Popescu Decebal, Grasping Control of a Tentacle Arm, European Control Conference (ECC’09), Budapest, Hungary, August 23-26, 2009, ISBN 978-963-311-369-1, pp. 3076 – 3081

Ivanescu Mircea, Florescu Mihaela, Popescu Nirvana, Popescu Decebal, On the Stability of the Grasping Function with ER Fluids, The 16th International Congress on Sound and Vibration (ICSV 16), Krakow, Poland, 5 – 9 iulie 2009, ISBN 978-83-60716-72-4, pp. 1 – 8

Ivanescu Mircea, Hyper Redundant Robots (plenary lectures), The 18th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region (RAAD 2009), 25 – 27 mai 2009, Brașov, Romania, ISBN 978-606-521-315-9

Ivanescu, M., Florescu, M., A Hyperredundant Grasping System, The 9th International Carpathian Control Conference (ICCC 2008), 25-28 mai 2008, Sinaia, Romania, ISBN 978-973-746-897-0, pp. 267 – 270

Ivanescu, M., Florescu, M., Grasping function control system for a hyperredundant arm, A 16-a Conferinta Internationala despre Sisteme de Control si Stiinta Calculatoarelor (CSCS 16), Bucuresti, Romania, 22-26 Mai 2007, ISBN 978-973-718-741-3, ISBN 973-718-742-0, pp. 359-366

Ivanescu, M., Florescu, M., On the control problem of the grasping function of a hyperredundant arm, A 8-a Conferinta Internationala Carpatica de Control Conference (ICCC 8), Strbske Pleso, Slovacia, 24-27 Mai 2007, ISBN 978-80-8073-805-1, pp.223-226

Ivanescu, M., Florescu, M., Popescu, N., Popescu, D., Coil Function Control Problem for a Hyperredundant Robot, Conferinta Internationala IEEE / ASME despre Mecatronica Inteligenta Avansata (AIM 2007), 4-7 Septembrie 2007, Zurich, Elvetia, IEEE Catalog Number: 07TH8961D, ISBN: 978-1-4244-1264-8, Library of Congress: 2007925836

Ivănescu M,. Stoian V. – Electrorheological Fluid-Based Control Robotic System, – Proc. 5th Int.Conf. on ER Fluids, MR Fluids and Associated Technologies, Univ. Shefield,U.K,850-856.,1995

Ivănescu M. – A New Manipulator Arm: A Tentacle Model, Recent Trends în Robotics, Nov. 1986, pp. 51-57

Ivănescu M. – Dynamic Control for a Tentacle Manipulator, Proc. of Int. Conf., Charlotte, USA, 1984

Ivănescu M. , Stoian V. – A Sequential Distributed Variable Structure Controller for a Tentacle Arm , Proc. of the 1996 IEEE Intern. Conf. on Robotics and Aut., Minneapolis, April 1996, vol. 4, pp. 3701 – 3706

Ivănescu M. , Stoian V. – A Variable Structure Controller for a Tentacle Manipulator, Proc. of the 1995 IEEE Int. Conf. on Robotics and Aut., Nagoya, Japan, May 21 – 27,1995,vol. 3, pp. 3155 – 3160

Ivănescu M., Stoian V. – A Sequential Distributed Variable Structure Controller for a Tentacle Arm , Proc. of the 1996 IEEE Intern. Conf. on Robotics and Aut., Minneapolis, April 1996, vol. 4, pp. 3701 – 3706

Ivănescu Mircea ș.a. Sisteme neconvenționale de control utilizând lichide electro-rheologice, Raport contract cercetare. 1994

J.E. Stangroom, Electrorheological Fluids, Phzs. Technol., Vol.14, 1983

Majima, S., Kodama, K., Hasegawa, T., Modelling the Shape Memory Alloy Actuator and Tracking Control System with the model, IEEE Transactions of Control Systems Technology, Vol. 9, No. 1, 2001

Majima, S., Kodama, K., Hasegawa, T., Modelling the Shape Memory Alloy Actuator and Tracking Control System with the model, IEEE Transactions of Control Systems Technology, Vol. 9, No. 1, 2001

Mătieș, V., Mândru, D., Tătar, O., Mătieș, M., Csibi, V., Actuatori în mecatronică, Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2000.

Mătieș, V., Mândru, D., Tătar, O., Mătieș, M., Csibi, V., Actuatori în mecatronică, Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2000.

Mândru, D., Crișan, R., Stan, S., Crișan,N., O noua aplicație a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei în tehnologia asistivă, OGET2002

Mândru, D., Crișan, R., Stan, S., Crișan,N., O noua aplicație a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei în tehnologia asistivă, OGET2002

Mândru, D., Crișan, R., Tătar, O., Noveanu, S., Acționări în mecanică-fină și mecatronică, Editura Alma Mater, Cluj-Napoca, Romania, 2004, iSbN 973-8397-69-3

Mândru, D., Crișan, R., Tătar, O., Noveanu, S., Acționări în mecanică-fină și mecatronică, Editura Alma Mater, Cluj-Napoca, Romania, 2004, ISBN 973-8397-69-3

Mihalcz, I., New shape memory alloys power circuits, The 6th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria Danube Region RAAD'97, Italy, 1997

Mihalcz, I., New shape memory alloys power circuits, The 6th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria Danube Region RAAD’97, Italy, 1997

Mircea Ivănescu ș.a. Sisteme neconvenționale de control utilizând lichide electro-rheologice, Contract cercetare. 1994

Mukherjee, R., Christian, Th., F., Thiel, R., A., An actuation system for the control of multiple shape memory alloy actuators, Sensors and Actuators, Elsevier, 1996

Mukherjee, R., Christian, Th., F., Thiel, R., A., An actuation system for the control of multiple shape memory alloy actuators, Sensors and Actuators, Elsevier, 1996

N.G. Stevens, J.L. Sproston, R. Stanway, An Experimental Study of Electro-Rheological Torque Transmission, Journal of Mhecanisms, Transmissions, and Automation în Design, Vol.110/183, June, 1998

Nicu Bîzdoacă, Arhitecturi de conducere neconvențională a Roboților Industriali, Teză de doctorat, Craiova, 2001.

Nigel Webb, Electrorheological fluids, Chemistry în Britain, april,

Pons, J., L., Reynaerts, D., Peirs, J., Ceres, R., VanBrussel, H., Comparision of different control approaches to drive SMA, International Conference on Robotics and Automations, pg. 819-824 ICAR'97, Monterey, Canada, 1997,

Pons, J., L., Reynaerts, D., Peirs, J., Ceres, R., VanBrussel, H., Comparision of different control approaches to drive SMA, International Conference on Robotics and Automations, pg. 819-824 ICAR’97, Monterey, Canada, 1997,

Sorin Dumitru, Sisteme de conducere a roboților tentaculari, Teză de doctorat, Craiova, 2011.

Tanaka, Y., Yamada, A., A rotary actuator using shape memory alloy for a robot – Analysis of the response with load, IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robots and systems IROS91, Osaka, japan, 1991, pag. 1163-1168

Tanaka, Y., Yamada, A., A rotary actuator using shape memory alloy for a robot – Analysis of the response with load, IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robots and systems IROS91, Osaka, japan, 1991, pag. 1163-1168

Tehnical File No 163, Electrorheological Fluids, Engeineering, February, 1988

Therese C. Jordan, Montgomerz T. Shaw, Electrorheology, IEEE Transactions on Electrical Insulation, vol.24, No.5, October 1989

Referințe web

Recomandăm și aici respectarea regulilor enunțate pentru secțiunea 5.

[Alm08] – Pedro de Almeida, Patrik Fuhrer, Documentation Guidelines for Diploma and Master Thesis, Universitatea din Fribourg, Elveția, 2008, disponibil on-line la adresa http://diuf.unifr.ch/drupal/softeng/teaching/guidelines

[Olt07] – Th. Olteanu, C. Albu, Ghid pentru redactarea lucrării de diplomă sau a disertației de masterat, Universitatea Română de Arte și Științe „Gheorghe Cristea”, 2007, disponibil via web la adresa http://www.ugc.ro/tpl/GHID REDACTARE DIPLOMA LICENTA.pdf

66. http ://itrobotics. corn

67. http ://www.ulcrobotics.com

68. http ://www.gepower xom/prod_serv/sei^/pipeline/en/index.litm

69. http:/ www.ais.fraunhofer. de BAR kurt.htm

70. http ://www.kate-pmo.eh.

71. http ://www.nygas.org/M-2002-015

72. http://www.advantica.biz/

73. http://www.ariesind.com

74. http://www.foster-miller.coni/t_robotics.htm

75. http://www.galacticsuitedesign.com/blogs/GSmoonrace/?cat=8&paged=2

76. http://www.maurertechnology.conv'Engr/Products/MFL.asp

77. http://www.netl.doe.gov/pubhcations/press/2004/tl_oilgas_bbfa.html

78. http://www.roboprobe.com

79. www.roseninspection.net

80. www.bakerhughes.com/pmg

81. www.netl.doe.gov/scngo/Reference%20Shelf/tsa/tsa-videoinspect-0202

82. www.tdwilliamson.com

http://mrsec.wisc.edu/ Materials Research Science and Engineering Center

http://www.ferrolabs.com/ – FERROLABS

http://www.lord.com/ – LORD

http://www.mrfluid.com, Rheonetic. Magnetic Fluid Systems

littp ://www.kate-pmo. eh.

Diseminări științifice la Conferințe

CD / DVD

Autorul atașează în această anexă obligatorie, versiunea electronică a aplicației, a acestei lucrări, precum și prezentarea finală a tezei.

Index

B

Bibliografie 75

C

CUPRINSUL xi

L

LISTA FIGURILOR xiv

LISTA TABELELOR xvi

R

Referințe web 83

S

Structura documentului 4

Bibliografie

1. Anderson, V.V., și Horn, R.C., Tensor-Arm Manipulator Design, ASME Trans, Vol. 67-DE-57, pp. 1-27, 1967.

2. Bruce, C. Jayne. Mechanical behavior of snake skin. Journal of Zoology, 214:125–140, 1988.

3. Bruce, C. Jayne. Muscular mechanisms of snake locomotion: An electromyographic study of lateral undulation of the Florida banded water snake (nerodia fasciata) and the yellow rat snake (elaphe obsoleta). Journal of Morphology, 197:159–181, 1988.

4. Chapman, G. The hydrostatic skeleton in the invertebrates. Biol. Revi. Cambridge Philos Soc. 33:338–371, 1958.

5. Chapman, G. Versatility of hydraulic systems. J Exp Zool. 194:249–270, 1975.

6. Choset, H., Zenati, M.A., Ota, T., Degani, A., Schwartzman, D., Zubiate, B., Wright, C. Enabling Medical Robotics for the Next Generation of Minimally Invasive Procedures: Minimally Invasive Cardiac Surgery with Single Port Access, Surgical Robotics – System Applications and Visions, Springer, pp. 257-270, 2010.

7. Clark, R.B. Dynamics in Metazoan Evolution. The origin of the coelom and segments. Oxford: Clarendon Press, 1964.

8. Clark, R.B., Cowey, J.B. Factors controlling the change of shape of certain nemertean and turbellarian worms. J Exp Zool. 35:731–748, 1958.

9. Deepak Trivedi,a Christopher D. Rahn,a∗ William M. Kierb and Ian D. Walkerc , Applied Bionics and Biomechanics, Vol. 5, No. 3, September 2008, 99–117

10. Doroftei, I., Horodinca, M„ Mignon, E„ Preumont, A., 2001, – A new concept of in pipe robot. The Eight IFToMM International Symposium 011

11. Dumitru Sorin, Sisteme de conducere a roboților tentaculari, Teză de doctorat, Craiova, 2011

12. Elkmann, N„ Saenz., J., Felsch, T. Altrock, M, Sack, M„ 2002 – Investigating kinematics concept for the automatic mspectio and cleaning of a sewer canal, Proceedmgs of 5th International Conference on Climbing and Walking Robots, (CLAWAR 2002), Paris, France"pp. 971-977.

13. Endo, G., Togawa, K., și Hirose, S. Study on self-contained and terrain adaptive active cord mechanism. În Proceedings of the 1999 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pages 1399–1405, 1999.

14. Explorer: Untetherecl Real_time Gas Main Assessment Robot System, Ist International Workshop on Advances in Service Robotics, ASER'03, Bardolmo, Italy, March 13-15, 2003.

15. Ferreira, A., Fontaine, J.G., 2002, – Modellmg based control of an in-pipe micro-machine with pin-type ultrasonic actuators, Proceedmgs of 5th International Conference on Climbing and Walking Robots, (CLAWAR 2002). Paris, France, pp. 651- 658.

16. Gans, C. și Baic. D. Regional specification of reptilian scale surfaces: Relation of texture and biologic role. Science, 195:1348–1350, 1977

17. Gans, C. Terrestial locomotion without limbs. American Zoologist, 2:167–182, 1962.

18. Gasc, J.P., Cattaert, D., Chasserat, C. și Clarac, F. Propulsive action of a snake pushing against a single site: Its combined analysis. Journal of Morphology, 201:315–329, 1989.

19. Gradetsky, V., Veshnikov, V., Kalinicchenko, S„ Kniazkov,, M„ Solovtsov, V., 2002, – Miniature robot control motion inside of tubes, Proceedmgs of 5th International Conference 011 Climbins and Walking Robots, (CLAWAR 2002),

20. Grislee: Gasmain Repair & Inspection System for Live Entry Environment, CLAWAR'01 Special Issue of the International Journal of Robotics Research, March-April, 2003, Voi. 22, Nos 3 and 4.

21. Gutmann, W.F. Relationships between invertebrate phyla based on functional-mechanical analysis of the hydrostatic skeleton. Am Zool. 21:63–81, 1981.

22. Hannan, M., Walker, I.D. Analysis and experiments with an elephant’s trunk robot. Adv Robot. 15:847–858, 2001.

23. Harris, J.E., Crofton, H.D. Structure and function in the nematodes: internal pressure and cuticular structure in ascaris. J Exp Biol 34:116–130, 1957.

24. Hazel, J., Stone, M., Grace, M.S., și Tsukruk, V.V. Nanoscale design of snake skin for reptation locomotions via friction anisotrophy. Journal of Biomechanics, 32:477–484, 1999.

25. Hirose, S., Biologically Inspired Robots, Snake-Like Locomotors and Manipulators, Oxford University Press, 1993.

26. Hirose, S., Biologically Inspired Robots, Snake-Like Locomotors and Manipulators, Oxford University Press, 1993.

27. Hirose, S., și Morishima, A. Design and control of a mobile robot with an articulated body. The International Journal of Robotics Research, 9(2):99–114, 1990.

28. Hirose, S„ Ohno, H„ Mitsui T., Suyama, K„ 2000- Design of In-Pipe Inspection Vehicles for o25, o 50, o 150 Pipes", Journal of Robotics and Mechatronics 12, 3, pp. 310-317.

29. Horodinca, M., Doroftei, I., Mignon, E„ Preumont, A., 2002 – A simple architecture for în-pipe inspection robots. Int. Colloquium on Mobile and Autonomous Systems, 10 Years of the Fraunhofer IFF, Magdeburd, Germany June 25-26, 2002, pp. 61-64

30. Hunter, I.W., Lafontaine, S. Comparison of muscle with artificial actuators. In: IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Hilton Head Island, SC: IEEE, p. 178–185, 1992

31. Ikuta,K. From SMA Active Endoscope to Micro Catheter, IEEE ICRA Full Day Workshop Snakes, Worms an Catheters: Continuum and Serpentine Robots for Minimally Invasive Surgery, 2010.

32. Kapadia, A., Walker, I. D., Dawson, D. M., și Tatlicioglu, E., A Model-Based Sliding Mode Controller for Extensible Continuum Robots, Proceedings 9th WSEAS International Conference on Signal Processing, Robotics and Automation, pp. 113-120, Cambridge, UK, Februarie 2010.

33. Kier, W.M. The fin musculature of cuttlefish and squid (mollusca, cephalopoda): morphology and mechanics. J. Zool. (London) 217:23–38, 1989

34. Kier, W.M, Smith, A.M. The morphology and mechanics of octopus suckers. Biol. Bull. 178:126–136, 1990.

35. Kier, W.M., Curtin, N.A. Fast muscle in squid (Loligo pealei): contractile properties of a specialized muscle fibre type. J Exp Biol 205:1907–1916, 2002.

36. Kier, W.M., Smith, K.K. Tongues, tentacles, and trunks: the biomechanics of movement in muscular-hydrostats. Zool J Linnean Soc. 83:307–324, 1985.

37. Kier, W.M., Thompson, J.T. Muscle arrangement and function, and specialization in recent coleoids. Berliner Palobiol Abhandlungen. 3:141–162, 2003.

38. Kinematics and the Implementation of an Elephant’s Trunk Manipulator and other Continuum Style Robots, Michael W. Hannan and Ian D. Walker, Dept. of Electrical and Computer Engineering, Clemson University, Clemson, 29634, USA,

40. Matuliauskas, A, Spruogis, B. Pikijnas, A., 2006 – Wall press walking in pipe robot, Soliei State Phenomena, Voi. 113, pp. 296 – 300, ISBN 3-908451-21-1, (Mechatronic Systems and Materials – Trans Tech Publications).

41. McCurley, R.S., Kier, W.M. The functional morphology of starfish tube feet: the role of a crossed-fiber helical array in movement. Biol Bull. 188:197–209, 1995.

42. Meyers, J.J., O’Reilly, J.C., Monroy, J.A., Nishikawa, K.C. Mechanism of tongue protraction in microhylid frogs. J Exp Biol. 207:21–31, 1999

43. Mircea Ivănescu, Roboți industriali. Algoritmi și sisteme de conducere , Ed. Universitaria, Craiova, 1994

44. Mircea Ivănescu, ș.a., Acționări neconvenționale a roboților, Ed. Universitaria, Craiova, 2004

45. Nishikawa, K.C., Kier, W.M., Smith, K.K. Morphology and mechanics of tongue movement in the African pig-nosed frog Hemisus marmoratum: a muscular hydrostatic model, J Exp Biol. 202:771–780, 1999.

46. Paris, France, pp. 643-650.

47. Pfeiffer F„ Rossmann T„ Loffler K., 2000 – Controller Design for a Tube Crawling Robot. The First IFAC Conference on MECHATRONIC SYSTEMS, Darmstadt, Germany, September 18-20, pp. 629-634.

48. Robinson, G., Davies, J.B.C., Continuum robots—a state of the art. IEEE International Conference on Robotics and Automation; Detroit, Michigan, USA: IEEE, Vol. 4, p. 2849–2854, Mai 1999.

49. ROH S.G., RYEW S. M„ CHOI H.R., 2001 – Development of Differentially Driven In-pipe Inspection Robot for Underground Gas Pipelines. Proceedings of International Symposium on Robotic (ISR 2001), 165-170.

50. RYEW, S.M.. BAIK, S.H., RYU, S.W., JUNG, K.M., ROH, S.G., CHOI, H.R. 2000 – In-pipe inspection robot system with active steering mechanism, Intelligent Robots and Systems, (IROS 2000); Proceedings. 2000 IEEE RSJ International Conference on, Voi. 3, 2000, pp. 1652 -1657.

51. Simaan, N., Taylor, R., Flint, P. A dexterous system for laryngeal surgery. În Proceedings. ICRA’04. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain: IEEE, Vol. 1, pp. 351–357, 2004

52. Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research

53. STATE-OF-THE-ART REVIEW 2004 – In-Pipe-Assessment Robot Platforms Carnegie Mellon University The Robotics Institute Pittsburgh, November 30th,

54. Tanner, N. Hansen Medical – Robotic Catheter-based Minimally Invasive Procedures: The Sensei X Case Study, IEEE ICRA Full Day Workshop Snakes, Worms and Catheters: Continuum and Serpentine Robots for Minimally Invasive Surgery, 2010.

55. Tatar M. O., Maties, V., Mândru D„ 2005- Mini si microroboti, Editura TODESCO, Cluj-Napoca,

56. Taylor, J.R.A, Kier, W.M. Switching skeletons: hydrostatic support in molting crabs. Science 301:209–210, 2003.

57. Taylor, J.R.A., Kier, W.M. A pneumo-hydrostatic skeleton in land crabs. Nature 440:1005, 2006

58. Theory of Machines and Mechanisms, Bucharest, Voi. II, August 28 – September 1, pp. 83-88.

59. Tsai, R.Y. A versatile camera calibration technique for high accuracy 3-d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Trans. Robotics and Automation, 3(4), pp. 323-344, August 1987

60. Van Leeuwen, J., Kier, W. Functional design of tentacles in squid: linking sarcomere ultrastructure to gross morphological dynamics. Philoso TransRSoc Lond B: Biol Sci. 352:551–571, 1997.

61. Wainwright, S.A, Vosburgh, F., Hebrank, J.H. Shark skin: function in locomotion. Science 202:747–749, 1978.

62. Wainwright, S.A. Axis and circumference. Cambridge, (MA): Harvard University Press, 1988.

63. Wainwright, S.A. Structural systems: hydrostats and frameworks. In companion to animal physiology. New York: Cambridge University Press, 1982.

64. Walker, I.D. si Hannan, M.W. A Novel ‘Elephant’s Trunk’ Robot, În Proceedings IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Atlanta, GA, USA. pp. 410-415, 1999.

65. Worst, R., și Linnemann, R. Construction and operation of a snakelike robot. În Proceedings of the 1996 IEEE International Joint Symposia on Intelligence and Systems, pages 164–169, Rockville, Maryland, Noiembrie 1996.

A.A. Mokeev, E.V. Korobko, Structural viscosity of electrorheological fluids, Jurnal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 42, 1992, 213-230, Elsevier Science Publishers B.V. Amsterdam

B.M. Berkovsky, V.F. Medvedev, Magnetic Fluids, Engineering Applications, Oxford University Press, 19931990

Crisan, R., Mandru, D., Tatar, O.,Studii privind sistemele de comanda si control ale actuatorilor pe baza de aliaje cu memoria formei, Lucrarile celei de-a Treia Conferinte Nationala Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii romanesti, Sebes, 2003, pag. 291 – 296, in vol. Stiinta si Inginerie, vol IV, Editura AGIR, Bucuresti, 2003, ISBN 973 – 8466 – 04 – 0.

Crisan, R., Mandru, D., Tatar, O.,Studii privind sistemele de comanda si control ale actuatorilor pe baza de aliaje cu memoria formei, Lucrarile celei de-a Treia Conferinte Nationala Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii romanesti, Sebes, 2003, pag. 291 – 296, in vol. Stiinta si Inginerie, vol IV, Editura AGIR, Bucuresti, 2003, ISBN 973 – 8466 – 04 – 0.

Crisan, R., Maties, V., Tatar, O., Design of positioning system based on infra-red remote controller, Lucrarile Conferintei Stiintifice Inter-Ing, Targu-Mures, 2003, pag. 361364, ISBN 973-8084-81-4, ISBN 973-8084-82-2

Cristian Vladu, Sisteme de acționare neconvenționale pentru conducerea roboților, Teză de doctorat, Craiova, 2009.

Doug Brooks, Fluid get tough, Physics World 2 August 1989

Gorbet, R., Wang, L., General Sability criteria for shape memory alloy position control system, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 2313-2319, 1995, Nagoya, Japan

Gorbet, R., Wang, L., General Sability criteria for shape memory alloy position control system, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 2313-2319, 1995, Nagoya, Japan

Grant, D., Hayward, V., Constrained force control of shape memory alloy actuators, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics&Automation, San Francisco, Aprilie 2000, pag 1314-1320

Grant, D., Hayward, V., Constrained force control of shape memory alloy actuators, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics&Automation, San Francisco, Aprilie 2000, pag 1314-1320

Ikuta, K., Micro/miniature shape memory alloy actuators, Proc.of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1990, pag. 2156-2161. ISBN 0-8186-9061-X

Ikuta, K., Micro/miniature shape memory alloy actuators, Proc.of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1990, pag. 2156-2161. ISBN 0-8186-9061-X

Ivanescu M., Florescu M., Bizdoaca N., 3-D Grasping by coiling for a hyperredundant arm, Conferinta “Cercetarea de excelenta – premiza favorabila pentru inovare”, editia 2008, Brasov, 27-29 iulie, ISSN 1844-7090, pp. 259-1 – 259-6

Ivanescu M., Les tendances actuelles en robotique, La 5ème Conférence Internationale Francophone d'Automatique (CIFA ‘2008), 3 – 5 septembre 2008, Bucarest

Ivanescu M., Timely Trends in Robotics, A 4-a Conferinta Internationala “ROBOTICA 2008”, Brasov, Romania, 13-14 noiembrie 2008, Bulletin of the Transilvania Univ. of Brasov, vol. 15 (50), series A, special issue, ISSN 1223-9631, pp.275 – 281

Ivanescu Mircea, a.o., A Compliance Control of a Hyperredundant Robot, Studies in Informatics and Control Journal (SIC), ISSN 1220-1766, June 2008, vol. 17, no. 2, pp. 189 – 200

Ivanescu Mircea, a.o., A Hyperredundant Grasping System, A 9-a Conferinta Internationala Carpatica de Control (ICCC 2008), 25-28 mai 2008, Sinaia, Romania, ISBN 978-973-746-897- 0, pp. 267 – 270

Ivanescu Mircea, Florescu Mihaela, Load Control by Coiling for a Hyperredundant Arm, The 17th International Conference on Control Systems and Computer Science, May 26 – 29, 2009 (CSCS17), Bucuresti, Romania, vol.2, pp. 213 – 219

Ivanescu Mircea, Florescu Mihaela, Popescu Nirvana, Popescu Decebal, Grasping Control of a Tentacle Arm, European Control Conference (ECC’09), Budapest, Hungary, August 23-26, 2009, ISBN 978-963-311-369-1, pp. 3076 – 3081

Ivanescu Mircea, Florescu Mihaela, Popescu Nirvana, Popescu Decebal, On the Stability of the Grasping Function with ER Fluids, The 16th International Congress on Sound and Vibration (ICSV 16), Krakow, Poland, 5 – 9 iulie 2009, ISBN 978-83-60716-72-4, pp. 1 – 8

Ivanescu Mircea, Hyper Redundant Robots (plenary lectures), The 18th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region (RAAD 2009), 25 – 27 mai 2009, Brașov, Romania, ISBN 978-606-521-315-9

Ivanescu, M., Florescu, M., A Hyperredundant Grasping System, The 9th International Carpathian Control Conference (ICCC 2008), 25-28 mai 2008, Sinaia, Romania, ISBN 978-973-746-897-0, pp. 267 – 270

Ivanescu, M., Florescu, M., Grasping function control system for a hyperredundant arm, A 16-a Conferinta Internationala despre Sisteme de Control si Stiinta Calculatoarelor (CSCS 16), Bucuresti, Romania, 22-26 Mai 2007, ISBN 978-973-718-741-3, ISBN 973-718-742-0, pp. 359-366

Ivanescu, M., Florescu, M., On the control problem of the grasping function of a hyperredundant arm, A 8-a Conferinta Internationala Carpatica de Control Conference (ICCC 8), Strbske Pleso, Slovacia, 24-27 Mai 2007, ISBN 978-80-8073-805-1, pp.223-226

Ivanescu, M., Florescu, M., Popescu, N., Popescu, D., Coil Function Control Problem for a Hyperredundant Robot, Conferinta Internationala IEEE / ASME despre Mecatronica Inteligenta Avansata (AIM 2007), 4-7 Septembrie 2007, Zurich, Elvetia, IEEE Catalog Number: 07TH8961D, ISBN: 978-1-4244-1264-8, Library of Congress: 2007925836

Ivănescu M,. Stoian V. – Electrorheological Fluid-Based Control Robotic System, – Proc. 5th Int.Conf. on ER Fluids, MR Fluids and Associated Technologies, Univ. Shefield,U.K,850-856.,1995

Ivănescu M. – A New Manipulator Arm: A Tentacle Model, Recent Trends în Robotics, Nov. 1986, pp. 51-57

Ivănescu M. – Dynamic Control for a Tentacle Manipulator, Proc. of Int. Conf., Charlotte, USA, 1984

Ivănescu M. , Stoian V. – A Sequential Distributed Variable Structure Controller for a Tentacle Arm , Proc. of the 1996 IEEE Intern. Conf. on Robotics and Aut., Minneapolis, April 1996, vol. 4, pp. 3701 – 3706

Ivănescu M. , Stoian V. – A Variable Structure Controller for a Tentacle Manipulator, Proc. of the 1995 IEEE Int. Conf. on Robotics and Aut., Nagoya, Japan, May 21 – 27,1995,vol. 3, pp. 3155 – 3160

Ivănescu M., Stoian V. – A Sequential Distributed Variable Structure Controller for a Tentacle Arm , Proc. of the 1996 IEEE Intern. Conf. on Robotics and Aut., Minneapolis, April 1996, vol. 4, pp. 3701 – 3706

Ivănescu Mircea ș.a. Sisteme neconvenționale de control utilizând lichide electro-rheologice, Raport contract cercetare. 1994

J.E. Stangroom, Electrorheological Fluids, Phzs. Technol., Vol.14, 1983

Majima, S., Kodama, K., Hasegawa, T., Modelling the Shape Memory Alloy Actuator and Tracking Control System with the model, IEEE Transactions of Control Systems Technology, Vol. 9, No. 1, 2001

Majima, S., Kodama, K., Hasegawa, T., Modelling the Shape Memory Alloy Actuator and Tracking Control System with the model, IEEE Transactions of Control Systems Technology, Vol. 9, No. 1, 2001

Mătieș, V., Mândru, D., Tătar, O., Mătieș, M., Csibi, V., Actuatori în mecatronică, Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2000.

Mătieș, V., Mândru, D., Tătar, O., Mătieș, M., Csibi, V., Actuatori în mecatronică, Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2000.

Mândru, D., Crișan, R., Stan, S., Crișan,N., O noua aplicație a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei în tehnologia asistivă, OGET2002

Mândru, D., Crișan, R., Stan, S., Crișan,N., O noua aplicație a actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei în tehnologia asistivă, OGET2002

Mândru, D., Crișan, R., Tătar, O., Noveanu, S., Acționări în mecanică-fină și mecatronică, Editura Alma Mater, Cluj-Napoca, Romania, 2004, iSbN 973-8397-69-3

Mândru, D., Crișan, R., Tătar, O., Noveanu, S., Acționări în mecanică-fină și mecatronică, Editura Alma Mater, Cluj-Napoca, Romania, 2004, ISBN 973-8397-69-3

Mihalcz, I., New shape memory alloys power circuits, The 6th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria Danube Region RAAD'97, Italy, 1997

Mihalcz, I., New shape memory alloys power circuits, The 6th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria Danube Region RAAD’97, Italy, 1997

Mircea Ivănescu ș.a. Sisteme neconvenționale de control utilizând lichide electro-rheologice, Contract cercetare. 1994

Mukherjee, R., Christian, Th., F., Thiel, R., A., An actuation system for the control of multiple shape memory alloy actuators, Sensors and Actuators, Elsevier, 1996

Mukherjee, R., Christian, Th., F., Thiel, R., A., An actuation system for the control of multiple shape memory alloy actuators, Sensors and Actuators, Elsevier, 1996

N.G. Stevens, J.L. Sproston, R. Stanway, An Experimental Study of Electro-Rheological Torque Transmission, Journal of Mhecanisms, Transmissions, and Automation în Design, Vol.110/183, June, 1998

Nicu Bîzdoacă, Arhitecturi de conducere neconvențională a Roboților Industriali, Teză de doctorat, Craiova, 2001.

Nigel Webb, Electrorheological fluids, Chemistry în Britain, april,

Pons, J., L., Reynaerts, D., Peirs, J., Ceres, R., VanBrussel, H., Comparision of different control approaches to drive SMA, International Conference on Robotics and Automations, pg. 819-824 ICAR'97, Monterey, Canada, 1997,

Pons, J., L., Reynaerts, D., Peirs, J., Ceres, R., VanBrussel, H., Comparision of different control approaches to drive SMA, International Conference on Robotics and Automations, pg. 819-824 ICAR’97, Monterey, Canada, 1997,

Sorin Dumitru, Sisteme de conducere a roboților tentaculari, Teză de doctorat, Craiova, 2011.

Tanaka, Y., Yamada, A., A rotary actuator using shape memory alloy for a robot – Analysis of the response with load, IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robots and systems IROS91, Osaka, japan, 1991, pag. 1163-1168

Tanaka, Y., Yamada, A., A rotary actuator using shape memory alloy for a robot – Analysis of the response with load, IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robots and systems IROS91, Osaka, japan, 1991, pag. 1163-1168

Tehnical File No 163, Electrorheological Fluids, Engeineering, February, 1988

Therese C. Jordan, Montgomerz T. Shaw, Electrorheology, IEEE Transactions on Electrical Insulation, vol.24, No.5, October 1989

Referințe web

Recomandăm și aici respectarea regulilor enunțate pentru secțiunea 5.

[Alm08] – Pedro de Almeida, Patrik Fuhrer, Documentation Guidelines for Diploma and Master Thesis, Universitatea din Fribourg, Elveția, 2008, disponibil on-line la adresa http://diuf.unifr.ch/drupal/softeng/teaching/guidelines

[Olt07] – Th. Olteanu, C. Albu, Ghid pentru redactarea lucrării de diplomă sau a disertației de masterat, Universitatea Română de Arte și Științe „Gheorghe Cristea”, 2007, disponibil via web la adresa http://www.ugc.ro/tpl/GHID REDACTARE DIPLOMA LICENTA.pdf

66. http ://itrobotics. corn

67. http ://www.ulcrobotics.com

68. http ://www.gepower xom/prod_serv/sei^/pipeline/en/index.litm

69. http:/ www.ais.fraunhofer. de BAR kurt.htm

70. http ://www.kate-pmo.eh.

71. http ://www.nygas.org/M-2002-015

72. http://www.advantica.biz/

73. http://www.ariesind.com

74. http://www.foster-miller.coni/t_robotics.htm

75. http://www.galacticsuitedesign.com/blogs/GSmoonrace/?cat=8&paged=2

76. http://www.maurertechnology.conv'Engr/Products/MFL.asp

77. http://www.netl.doe.gov/pubhcations/press/2004/tl_oilgas_bbfa.html

78. http://www.roboprobe.com

79. www.roseninspection.net

80. www.bakerhughes.com/pmg

81. www.netl.doe.gov/scngo/Reference%20Shelf/tsa/tsa-videoinspect-0202

82. www.tdwilliamson.com

http://mrsec.wisc.edu/ Materials Research Science and Engineering Center

http://www.ferrolabs.com/ – FERROLABS

http://www.lord.com/ – LORD

http://www.mrfluid.com, Rheonetic. Magnetic Fluid Systems

littp ://www.kate-pmo. eh.

Diseminări științifice la Conferințe

CD / DVD

Autorul atașează în această anexă obligatorie, versiunea electronică a aplicației, a acestei lucrări, precum și prezentarea finală a tezei.