Aspecte generale [309549]

Aspecte generale

Din timpuri străvechi omenirea și-a imaginat diferite mașini care imită organisme sau care depășesc oamenii în abilitățile lor și din timp în timp au existat numeroase încercări de construire a unor astfel de mașini. [anonimizat] a progresat pe parcursul a câteva secole.

[anonimizat]. Acești noi roboți de servicii nu sunt concepuți pentru a [anonimizat] a oferi servicii utile la locul de muncă sau la domiciliu sau pur și simplu pentru a distra și a oferi confort oamenilor.

[anonimizat]-robot completează preocupările din domeniul roboticii și al ingineriei. În acest context s-a considerat oportună realizarea de cercetări privind conceperea unor sisteme prin care interacțiunea să se facă cât mai usor. [anonimizat] a obiectelor, în scopul folosirii roboților în medii diferite.

[anonimizat] a realiza acțiuni de manipulare a obiectelor. În urma stadiului actual elaborat în cadrul acestei lucrări, s-a [anonimizat], [anonimizat], au totuși anumite limitări din punct de vedere al utilizări lor.

[anonimizat], dar, care au asociate niște costuri foarte mari. [anonimizat], PoweGlove și așa mai departe [Kumar 2012], [Weissmann 1999], [Isrozaidi 2010].

[anonimizat], chiar

dacă reprezintă o [anonimizat]: nu reprezintă o modalitate naturală de comunicare.

[anonimizat], o alternativă, ar putea fi considerată interacțiunea cu un simulator virtual folosind direct mâna umană pentru controlul unui prehensor virtual sau manipularea de obiecte virtuale diverse [Moldovan 2011, b], [Moldovan 2012, a], [Rautaray 2012], [Dardas 2011], [Hasan 2012].

În cadrul tezei prezente, s-a dezvoltat o soluție bazată pe tehnologii de ultimă oră pentru

realizarea interacțiunii naturale între om (pentru captura mișcării mâinii umane) și mașină (controlul unui prehensor antropomorf) [anonimizat], robotică, inginerie industrială,….

Această teză își propune să ofere o soluție pentru interacțiunea dintre operatorul uman și roboții. [anonimizat]. Abordarea acestei teme a fost așadar determinată de necesitatea controlului unui robot care să execute anumite activități sau operațiuni în medii diverse, astfel încât comunicarea și interacțiunea dintre acesta și operatorul uman să se facă într-

un mod cât asemănător comportamentului uman.

Înțelegerea interacțiunii naturale a unui utilizator este o provocare care trebuie abordată pentru a permite utilizatorilor începători să folosească roboți într-un mod ușor și intuitiv.

Prin urmare, această teză propune o abordare specifică pentru a permite unui utilizator uman să interacționeze într-un mod facil cu un robot mobil în realizarea unor sarcini obișnuite care necesită manipulare de obiecte și deplasare prin mediu. Utilizatorul ajută robotul să ducă la

îndeplinire sarcina, ghidându-l printr-un număr limitat de comenzi exprimate cu ajutorul gesturilor corporale.

Obiectivul principalal tezei de doctorat îl reprezintă așadar studiul, concepția, dezvoltarea, implementarea și testarea unui sistem de interacțiune om-robot caracterizat de o interfață naturală și ușor de utilizat, noi metode de comandă și control realizate prin intermediul gesturilor umane astfel încât anumite sarcini din diferite medii să poată fi realizate prin colaborarea dintre om și robot.

Teza propune cercetarea modalităților prin care se poate obține un mod de control

utilizând cât mai puține mijloace și dispozitive care ar putea să împovăreze utilizatorul. Abordarea este multidisciplinară întrucât implică o serie de cunostinte din domeniul roboticii, al ingineriei electrice si electronice, al ingineriei mecanice.

Câteva dintre obiectivele specific ale tezei, care au rezultat din obiectivul principal, sunt următoarele:

analiza bibliografică asupra cercetărilor teoretice și experimentale în domeniul controlului unui robot de catre om

conceperea și dezvoltarea unui sistem de interactiune prin intermediul gesturilor corporale;

conceperea si dezvoltarea unui sistem capabil sa transmita unele comenzi;

implementarea unui sistem capabil sa intercepteze anumite comenzi;

conceperea, dezvoltarea si implemetarea unui sistem de control care să transmita comenzile sistemului;

evaluarea calitătii si a preciziei algoritmilor dezvoltati si integrarea lor în sistemul global;

testarea prin experimente a sistemului dezvoltat.

Pentru problema interacțiunii om-computer-robot s-au dezvoltat următoarele

componente folosite pentru executarea de acțiuni intuitive:

– interfață bazată pe gesturi care aplică tehnici din procesarea digitală de imagine pentru a intrerpreta fiecare cadru dintr-un flux video care conține un gest și pentru a transmite

mișcarea mâinii reale către un prehensor virtual;

– folosirea modalităților existente din domeniul procesării digitale de imagine pentru

recunoașterea obiectelor și crearea de modalități de estimare a dimensiunii generând

obiecte tridimensionale virtuale cu proprietăți fizice în vederea prehensarii lor;

– modul de previzualizare, testare și analiză a prehensiunii robotice;

– prehensor antropomorf: crearea unui prehensor antropomorf și transmiterea mișcăriilor

din mediul virtual către prehensorul real.

Provocările asociate sistemelor de generare a realității virtuale existente în ziua de

astăzi sunt, în mare măsură, de a face mediul virtual cât mai real, proprietățiile obiectelor să fie

identice cu cele din lumea reală, interacțiunea cu aceasta să fie cât mai apropiată de realitate,

iar utilizatorul, să aibă o senzație de imersiune în aceste sisteme. În cazul sistemelor de generare

a realității virtuale, cu aplicabilitate în inginerie, se merge un pas mai departe, și se dorește

transmiterea de acțiuni executate în realitatea virtuală către mediul fizic cu scopul de a

automatiza acțiuni diverse ale unui utilizator uman.

În acest sens, s-a definit obiectivul principal al acestei tezei, și anume adaptarea și

îmbunătățirea modalităților curente de interacțiune între om și computer folosind gesturi pentru

controlul prehensoarelor virtuale sau fizice și pentru interacțiunea prehensoarelor virtuale cu

obiecte virtuale.

Pentru realizarea acestui obiectiv, s-au folosit diverse concepte evoluate și idei

inovative din diverse domenii, printre care se numără: procesare de semnale, electronică,

robotică, inginerie industrială, procesare digitală de imagine, realitate virtuală și inteligență

artificială.

În esență, lucrarea de față își propune să prezinte o soluție inovativă menită să ușureze

procesul de prehensiune robotică antropomorfă prin definirea unor noi concepte de control a

prehensoarelor antropomorfe și a noi modalități de executare de scenarii de prehensiune.

Pentru îndeplinirea obiectivelor, cercetarea a pornit de la studiul actual al cercetării

interfețelor de comandă și control a prehensoarelor antropomorfe. Pe baza stadiului actual, s-a

identificat posibilitatea de a se constitui șase module interconectate pretabile pentru

îndeplinirea scopului tezei, și anume:

– Crearea unui sistem de captură a mișcărilor mâinii umane bazat pe folosirea senzorilor

de îndoire;

– Un modul de vizualizare în realitatea virtuală a prehensorului antropomorf;

– O interfață adaptabilă, capabilă să transmită mișcare către un prehensor antropomorf

virtual;

– Un sistem de captură a mișcării mâinii umane folosind algoritmi din domeniul

procesării digitale de imagine și cei mai noi senzori de captură de mișcare de pe piață;

Capitolul 1: Se prezintă tematica lucrării și formulează obiectivul central al tezei.

Capitolul 2: Se prezintă stadiul actual al cercetărilor în domeniu precum și bazele

introductive. De asemenea se prezintă stadiul actual al sistemelor de comandă și control a

prehensoarelor antropomorfe și stadiul actual al evoluției senzorilor de captură de imagine. Pe

baza stadiului efectual și al funcționalitățiilor identificate se formulează în mod detaliat

principalele obiective ale tezei.

Capitolul 3: Se prezintă planul de cercetare pentru atingerea obiectivelor formulate. În

urmă cercetării stadiului actual și identificarea obiectivelor, se formulează necesitatea

dezvoltării unui sistem inovativ de prehensiune capabil să emuleze mișcarea mâinii umane și

transmiterea acestora către mediul virtual precum și modalități de creare a unui prehensor

antropomorf și transmiterea mișcării către acesta. Nu în ultimul rând se prezintă modalități de

adăugare a însușirilor fizice obiectelor virtuale.

Capitolul 4: Este prezentată concepția și realizarea unui sistem de vizualizare capabil

să estimeze dimensiunile acestora precum și o modalitate de a genera tridimensional obiectele

recunoscute pentru a putea fi importate într-o scenă virtuală.

Capitolul 5: Se prezintă un simulator de realitate virtuală ce permite testarea

funcționalității unui prehensor antropomorf. Sunt prezentate de asemena și tehnici folosite

pentru pentru interacțiunea cu prehensorul virtual.

Capitolul 6: Se prezintă modalitatea de creare a unui prehensor robotic antropomorf

evidențiind particularitățiile constructive ale acestuia. Se prezintă de asemenea și modalitatea

de control a acestui prehensor pe baza metodelor dezvoltate anterior.

Capitolul 7: Se prezintă cercetările experimentale precum și rezultatul acestora privind

utilizarea sistemului inovativ de prehensiune evidențiind avantajele folosirii acestuia.

Capitolul 8: Se prezintă concluziile finale, contribuțiile originale ale autorului precum

și valorificarea și diseminarea cercetării și pași ce vor fi urmati pentru o dezvoltare și cercetare

viitoare.

Robotica si robotii

Robotica se ocupă cu studiul acelor mașini ce pot înlocui omul în executarea anumitor sarcini, atât din punctul de vedere al activității fizice cât și cel al luării deciziilor.

Robotica are rădăcini culturale adânci. Pe parcursul secolelor, oamenii au încercat să caute mijloace care să fie capabile să le imite comportamentul astfel încât să îi înlocuiască în anumite situații. Principii filozofice, economice, sociale și științifice au inspirat această căutare continuă.

În concordanță cu o interpretare științifică a scenariilor științifico-fantastice, robotul este privit ca o mașină care, independent de ce este in exteriorul ei, este capabilă să modifice mediul în care operează. Acest aspect este realizat prin îndeplinirea unor acțiuni ce sunt condiționate de anumite reguli de comportament precum și de anumite informații achiziționate de robot despre starea lui și a mediului. De fapt, robotica este adesea definită ca știința ce studiază conexiunea dintre percepție și acțiune.

Rolul principal al roboților în societate constă în capacitatea lor de a ajuta oamenii prin a le prelua sarcinile monotone sau cele ce trebuie îndeplinite în medii murdare sau periculoase. Pe lângă utilizarea lor în medii industriale, roboții au fost de mare folos în misiunile spațiale pentru activități de explorare sau care ar fi fost imposibil de dus la capăt de către om.

Lumea modernă industrializată nu ar fi existat fără roboți. Roboții pot lucra continuu fără a avea nevoie de pauze sau de somn sau mâncare, crescând astfel productivitatea uzinelor. Roboții sunt folosiți în aplicații ce pornesc de la curățarea deversărilor de substanțe toxice la dezarmarea bombelor și protejarea soldaților pe câmpul de luptă. Mai noi, roboții umanoizi și costumele exoschelet, proiectate inițial pentru a fi folosite în aplicații militare, încep să fie produse pentru sectorul privat și utilizate în aplicații de ajutorare în munca de zi cu zi sau în cele de recuperare și ajutorare a persoanelor cu probleme de mobilizare.

Roboții mai oferă un nivel al preciziei mai ridicat decât cel al mâinii umane și pot desfășura activități repetabile fără a scădea calitatea serviciului. Aceste proprietăți îi fac potriviți pentru activități de tăiere cu precizie, sudură sau procese de asamblare.

Roboții joacă un rol important și în procedurile medicale, făcând posibile proceduri chirurgicale non-invazive, care, spre deosebire de procedurile tradiționale, au un timp de recuperare mult mai mic. Roboții medicali au ajuns la un nivel atât de ridicat încât pot fi folosiți în operații pe creier, la inimă sau la ochi și permit doctorilor să realizeze operații care până nu demult erau periculoase.

Controlul manipulatoarelor este o arie de cercetare bogată și în plină dezvoltare. Roboții industriali sunt, în principiu, dispozitive de poziționare și manipulare. Prin urmare, un robot folositor este acel robot capabil să își controleze mișcările și forțele interactive care apar între robot și mediu.

Controlul presupune existența unui model matematic și o anume inteligență care să acționeze pe baza modelului. Modelul matematic al robotului este obținut din legile de bază ale fizicii care îi guvernează mișcările. Pe de altă parte, inteligența necesită capabilități senzoriale și mijloace de acționare și reacționare la variabilele detectate. Aceste acțiuni și reacțiuni ale robotului sunt rezultatul proiectării controlerului.

Progresul major din ultimii ani s-a înregistrat din domeniile roboticii, controlului, inteligenței artificiale și a altor domenii ce facilitează dezvoltarea sistemelor robotice biomimetice din ce în ce mai sofisticate.

Sistemul de prehensiune este cel mai important subsistem al unui robot, deoarece acesta îi conferă robotului posibilitatea de a realiza o gamă variată de sarcini (apucarea, manipularea și transportul unor diverse obiecte). În prezent, aproximativ 40% din roboții industriali sunt echipați cu sistem de prehensiune, dar acest sistem este întâlnit și la o mare parte din roboții utilizați în diverse domenii, de la aplicații casnice sau agriculturale la aplicații militare sau de ajutorare a persoanelor aflate în dificultate.

Prehensiunea reprezintă interacțiunea dintre robot și un obiect cu scopul de al manipula sau transfera dintr-o poziție în alta. Această operație este realizată cu ajutorul sistemului de prehensiune, denumit si prehensor.

Istoricul robotilor

Robotul este un sistem compus din mai multe elemente: mecanică, senzori și actori precum și un mecanism de direcționare. Mecanica stabilește înfățișarearobotului și mișcările posibile pe timp de funcționare. Senzorii și actorii sunt întrebuințați la interacția cu mediul sistemului. Mecanismul de direcționare are grijă ca robotul să-și îndeplinească obiectivul cu succes, evaluând de exemplu informațiile senzorilor. Acest mecanism reglează motoarele și planifică mișcările care trebuiesc efectuate. Termenul robot (din cehă robot) a fost utilizat de Josef Čapek și Karel Čapek în lucrările lor de science fiction la începutul secolului 20.Cuvântul robot este de origine slavă și se poate traduce prin: muncă, clacă sau muncă silnică. Karel Čapek a descris în piesa sa R.U.R. din anul 1921 muncitori de asemănare umană, care sunt crescuți în rezervoare. Čapek folosește în lucrarea sa motivele clasice de golem. Denumirea de astăzi a creaturilor lui Čapek este de android. Înaintea apariției termenului de robot s-au utilizat de exemplu în uzinele lui Stanisław Lem termenii automat și semiautomat. Primele modele de mașini pot fi mai degrabă numite automate (provenind din grecescul automatos, care înseamnă „se mișcă singur”). Acestea nu puteau executa decât câte un singur obiectiv, fiind constrânse de construcție. Matematicianul grec Archytas a construit, conform unor relatări, unul dintre aceste prime automate: un porumbel propulsat cu vapori, care putea zbura singur. Acest porumbel din lemn era umplut cu aer sub presiune. Acesta avea un ventil care permitea deschiderea și închiderea printr-o contragreutate. Au urmat multe modele dealungul secolelor. Unele înlesneau munca iar altele deserveau la amuzamentul oamenilor. Odată cu descoperirea ceasului mecanic din secolul XIV s-a deschis calea unor posibilități noi și complexe. Nu mult după aceea au apărut primele mașini, care semănau îndepărtat cu roboții de azi. Posibil era însă numai ca mișcările să urmeze una după alta, fără să fie nevoie de intervenția manuală în acel sistem. Dezvoltarea electrotehnicii din secolul XX a adus cu sine și o dezvoltare a robotici. Printre primii roboți mobili se numără sistemul Elmer și Elsie construit de William Grey Walter în anul 1948. Aceste triciclete se puteau îndrepta spre o sursă de lumină și puteau să recunoască coliziuni în împrejurimi.

Anul 1956 este considerat ca anul nașterii a robotului industrial. George Devol a depus candidatura în acest an în SUA pentru un patent pentru "transferul programat de articole". Câțiva ani după aceea a construit împreună cu Joseph Engelberger UNIMATE (fig.1). Acest robot de cca. două tone a fost mai întâi introdus în montarea de iconoscoape pentru televizoare, găsindu-și apoi drumul în industria automobilă. Programele pentru acest robot au fost salvate sub formă de comenzi direcționate pentru motoare pe un cilindru magnetic. Din acest moment se introduc roboți industriali ca UNIMATE în multe domenii ale producției fiind permanent dezvoltați mai departe pentru a putea face față cererilor complexe care li se impun. Roboții sunt realizați de regulă, prin combinația dintre disciplinele: mecanică, electrotehnică și informatică. Între timp s-a creat din legătura acestora mecatronica. Pentru realizarea de sisteme autonome (adică sisteme care să găsească singure soluții) este necesară legătura a cât mai multor discipline de robotică. Aici se pune accent pe legătura conceptelor de inteligență artificială sau neuroinformatică precum și idealul lor biologic (biocibernetică). Din legătura între biologie și tehnică s-a dezvoltat bionica. Cele mai importante componente ale roboților sunt senzorii, care permit mobilitatea acestora în mediu și o dirijare cât mai precisă. Un robot nu trebuie neapărat să poată să acționeze autonom, fapt pentru care se distinge între un robot autonom și unul teleghidat. Termenul de robot descrie un domeniu destul de vast, cauză din care roboții sunt sortați în multe categorii. Iată câteva din acestea:

Robot autonom mobil

Robot umanoid

Robot industrial

Robot de servicii

Robot jucărie

Robot explorator

Robot pășitor

BEAM

Robot militar

Fig. 1- Robotul UNIMATE

George Devol a înregistrat în anul 1954 primul patent pentru un robot industrial. Roboții industriali din prezent nu sunt de obicei mobili. După forma și funcția lor, domeniul lor operațional este restrâns. Ei au fost introduși pentru prima oară pe linia de producția a General Motors în 1961. Roboții industriali au fost folosiți prima dată în Germania la lucrări de sudură începând din 1970 (fig.2).

Fig. 2 – Model de sudare robotizată a caroseriei automobilelor

Printre roboții industriali se numără și roboții de portale, care sunt introduși în producția de wafere, în instalații de turnat colofoniu sau la măsurări. În prezent roboții industriali execută și probleme de maniabilitate. Roboții exploratori sunt roboți care operează în locații greu accesibile și periculoase teleghidați sau parțial autonom. Aceștia pot lucra de exemplu într-o regiune aflată în conflict militar, pe Lună sau Marte. O navigare teleghidată de pe pământ în ultimele două cazuri este imposibilă din cauza distanței. Semnalele de comunicatie ajung la destinatie in cateva ore, iar receptionarea lor dureaza la fel de mult. În astfel de situații roboții trebuie să fie programați cu mai multe tipuri de comportare, din care ei să aleagă pe cel mai adecvat și să-l execute. În parteneriat cu General Motors, NASA Robonaut2 este cel mai recent exemplu că un robot dotat cu aplicațiile software potrivite și cu nenumărați senzori poate ieși în spațiu și se poate ocupa spre exemplu de mentenanța stațiilor spațiale. Acest tip de robot dotat cu senzori a fost folosit și la cercetarea puțurilor din piramide. Mai mulți cryoboți ( fig. 3 ) au fost deja testați de NASA în Antarctica. Acest tip de robot poate pătrunde până la 3.600 de m prin gheață. Cryoboți pot fi astfel folosiți în cercetarea capelor polare pe Marte și Europa în speranța descoperirii de viață extraterestră.

Fig. 3 – Cryorobot Fig. 4 – Robot al poliției israeliene la examinarea unui obiect suspect

Domenii de aplicatii ale robotilor si avantajele acestora

Robotii utilizați în domeniul militar se mai numesc și unități mobile. Aceste unitati pot depista și dezamorsa sau distruge bombe sau mine (de exemplu robotul TALON – fig. 4). Există și roboți care ajută la căutarea de oameni îngropați după cutremure. Imaginea roboților umanoizi a luat formă în literatură, mai ales în romanele lui Isaac Asimov în anii 1940. Acești roboți au fost pentru o lungă perioadă de timp irealizabili. Pentru realizarea lor trebuiesc rezolvate multe probleme importante. Ei trebuie să acționeze și să reacționeze autonom în mediu, mobilitatea lor fiind restrânsă la cele două picioare ca locomoție. Pe deasupra mai trebuie să fie capabili de a lucra cu brațele și mâinile. Din anul 2000 probleme de bază par să fie rezolvate (cu apariția lui ASIMO (Honda) – fig.5). Între timp apar dezvoltări noi în acest domeniu. Roboții umanoizi pot fi clasificați ca roboți pășitori. După un avânt substanțial al aplicațiilor roboticii în domeniul industrial, cu precădere în industria automobilelor, la începutul anilor '90 s-au conturat multiple aplicații în domeniile neindustriale (nemanufacturiere). Statisticile privind tipurile de roboți arată sugestiv creșteri importante ale numărului roboților care răspund unor aplicații neindustriale. Această dezvoltare, chiar spectaculoasă, în direcția aplicațiilor neindustriale justifică trecerea în revistă în rândurile de mai jos a principalelor subdomenii în care roboții nemanufacturieri sau roboții de serviciu își pot găsi aplicabilitate. Pentru a sugera aplicații concrete în aceste subdomenii, aplicații abordabile în colective interdisciplinare de ingineri, sunt precizate mai departe direcțiile care pot fi avute în vedere.

Fig. 5 – Robotul umanoid ASIMO

În medicină: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru intervenții neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopică; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizați la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, băuturilor și lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activități de curățenie și dezinsecție în spitale; sisteme robotizate pentru pregătirea prin simulare, înainte de operație a unor intervenții chirurgicale etc. Ca și utilizare în medicină, de exemplu, un robot umanoid, numit Nao, a fost folosit, în luna mai 2011, pentru copiii care suferă de autism, în cadrul unui proiect derulat de Catedra de Psihologie Clinică și Psihoterapie a Universității "Babes-Bolyai" din Cluj-Napoca, în parteneriat cu Centrul de Autism Transilvania. Nao a fost dezvoltat de compania franceză Aldebaran Robotics începand cu anul 2005. Robotul are formă umanoidă, are o înaltime de aproape 60 de centimetri și cântărește 4,3 kilograme (fig.6).

Fig. 6 – Robotul umanoid NAO

UCSF Medical Centel a lansat recent un concept de farmacie operată doar de roboți. Comanda pentru medicamente este dată de farmacist, iar roboții iau medicamentele din raft, le ambalează și le livrează clienților. Până acum, sistemul a pregatit fără eroare 350.000 de rețete, dozând perfect medicamentele (fig. 7).

Fig. 7 – Robot farmacist

Pentru reabilitare se pot identifica următoarele aplicații: scaun cu rotile pliant, imbarcabil în autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevăzătorilor etc. În construcții: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea șoselelor, system robotizat pentru stropirea betonului în construcția tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea și nivelarea suprafețelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea fațadelor clădirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc. În administrația locală: vehicul autonom pentru curățirea zăpezii de pe autostrăzi; vehicul autonom pentru menținerea curățeniei pe străzi; system robotizat pentru inspecția și întreținerea automată a canalelor etc. Mijloacele de transport public ar putea fi conduse în viitor de roboți. Google lucrează deja la conceptul de mașina complet automatizată, iar teste au fost deja făcute. Ș apte mașini au fost deja conduse de roboți pe distanțe destul de lungi, cu o intervenție umană minimă. Avocați: În loc să plătească o armată de avocați, o companie va putea apela pe viitor la roboți dotați cu aplicații software speciale care vor putea gestiona documentele într-un timp mult mai scurt. Blackstone Discovery, o companie din Palo Alto, California, a lansat deja o aplicație software în acest sens, scutind timp și mai ales resurse financiare. Pentru protejarea mediului înconjurător: sistem robotizat de sortare a gunoiului în vederea reciclării, sistem automat de inspectare, curățare și recondiționare a coșurilor de fum înalte; platforme autonome mobile pentru decontaminarea persoanelor, clădirilor, străzilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului etc. În agricultură, dintre aplicațiile posibile amintim: sistem robotizat de plantare a răsadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc. În comerț, transporturi, circulație: vehicule ghidate automat pentru întreținerea curățeniei pe suprafețe mari (peroane de gări, autogări și aerogări); sistem robotizat de curățire automata a fuselajului și aripilor avioanelor; system automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc. Hotelurile și restaurantele pot fi prevăzute cu: sisteme robotizate pentru pregătirea automată a sălilor de restaurant, de conferințe; sistem de manipulare automată a veselei; minibar mobil pentru transportul băuturilor, ziarelor etc. Pentru siguranță și pază: robot mobil de pază pe timpul nopții în muzee; robot mobil pentru paza clădirilor și șantierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; sistem robotizat pentru intervenții în spații periculoase etc. Spre deosebire de oameni, roboții ar putea ajunge mai ușor în locuri puțin accesibile în cazul unor dezastre naturale cu scopul de a salva victimele. Oameni de știință precum Satoshi Tadokoro de la Tohoku University s-au oferit deja să împrumute roboți pentru misiunile de salvare din Japonia. Specialistul are un robot în formă de șarpe care poate intra în spații înguste și să vadă dacă sunt sau nu victime prinse sub dărâmături, prin intermediul unei camere de luat vederi (fig. 8). Statisticile spun că peste 1,2 milioane de roboți industriali vor lucra în următorii doi ani în lume, înlocuind anumite locuri de muncă ocupate anterior de oameni. Participarea supercomputerului Watson la concursul Jeopardy a fost doar un exemplu că prin intermediul tehnologiei tot mai avansate, roboții încep să fie mai inteligenți decât oamenii, putând să-i înlocuiască în anumite activități. Până în 2013, se preconizează ca în lume vor exista 1,2 de milioane de roboți industriali activi, câte unul la fiecare 5.000 de oameni, potrivit lui Marshall Brain, fondatorul „How Stuff Works” și autorul „Robotic Nation”. Roboții elimină de la bun început riscul erorilor și sunt capabili printer altele să analizeze documente și să le îndosarieze, existând astfel șansa ca în următorii ani tot mai multe locuri de muncă ocupate până acum de oameni să fie preluate de mașinării inteligente. salvare

Structura generala a robotilor

???????????????????????

poate cele mai bine cunoscute dispozitive de acțiune sunt brațele robotice. Toate acele brațe care execută cu o precizie uluitoare suduri, lipituri, montează motoare și alte componente în fabricile de automobile sunt cele care au introdus termenul de „robotica'' în industrie. Un braț nu este nimic altceva decît un ansamblu de motoare și articulații care pot fi controlate de către un calculator. Principalele caracteristici ale unui braț sunt numărul de grade de libertate, forțele și cuplurile maxime la fiecare încheietură a robotului și precizia cu care poate fi localizată fiecare încheietură. În orice caz, puterea unui astfel de braț vine din programul de planificare care nu este deloc trivial: calculele necesare pentru a alege o traiectorie optimă pentru diferitele operații au o complexitate foarte ridicată.

Dispozitivele de apucare

Dispozitivele de apucare (DA) reprezinta veriga finala din alcatuirea unui robot industrial, a manipulatoarelor si a altor dispozitive automate, realizand ca functie principala apucarea (prinderea) obiectului de lucru (OL), mentinerea acestuia fara pierderea orientarii relative in timpul transportului si desprinderea la sfarsitul ciclului.

Dupa modul in care actioneaza asupra obiectului, dispozitivele de apucare pot fi cu cleste, cu degete, cu vid, cu elemente elastice si electromagnetice. In raport cu tipul si dimensiunile obiectelor de lucru aceste dispozitive sunt speciale (utilizate pentru obiecte de aceeasi forma si marime), specializate (pentru obiecte de aceeasi forma si dimensiuni diferite), universale (pentru obiecte de forma si dimensiuni diferite, ce variaza intr-un camp limitat) si flexibile (folosite pentru obiecte avand forma si dimensiuni diferite). Toate aceste variante pot fi prevazute cu senzori de forta.

Functiile si cerintele impuse DA vor conduce la o constructie ce va trebui adaptata OL, cat si tipului si destinatiei concrete impuse de RI. Obiectele de lucru pot fi semifabricate, piese si subansamble, scule de uz general in cazul manipulatoarelor din ,,camerele fierbinti" din uzinele nucleare, scule de aschiere in cazul centrelor de prelucrare, alte obiecte si subansamble specifice RI.

Functia de prindere este, in general, asigurata prin efect mecanic, fiind insa utilizate si DA cu prindere cu vacuum, cu magneti sau electromagneti. DA mecanice, la care forta de strangere este aplicata OL cu ajutorul unor degete, denumite si Maini Mecanice (MM), se bucura de cea mai larga raspandire, date fiind avantajele pe care le prezinta: siguranta, buna centrare, posibilitatea manipularii sarcinilor mari, functionarea in medii agresive.

Forma, dimensiunile si masa OL, cat si proprietatile sale mecanice determina, de asemenea, constructia DA.

In ceea ce priveste forma OL, cele mai raspandite sunt piesele cilindrice (cazul nostru) si cele prismatice, desi se pot ivi aplicatii din cele mai diferite, cum ar fi, de exemplu DA utilizat pentru asamblarea lanturilor.

Prinderea prin efect mecanic se asigura in marea majoritate a cazurilor prin forma si forta (forte de strangere si frecare), prinderea numai prin forma (de exemplu cu ajutorul carligelor), nefiind specifica RI.

Forta de strangere este realizata prin dispozitivul propriu de actionare al DA, situatiile in care strangerea provine din greutatea proprie a OL sunt, de asemenea nespecifice RI.

DA mecanice, la care forta de strangere este aplicata OL cu ajutorul unor degete, denumite si maini mecanice (MM), se bucura de cea mai larga raspandire, dat fiind avantajele ce le prezinta: siguranta, buna centrare, posibilitatea manipularii sarcinilor mari, functionarea in medii agresive.

Cele mai raspandite MM de uz general sunt constructii cu doua degete, fiind insa utilizate si MM cu trei degete, in cazul unor cerinte stranse privind precizia prinderii sau a manipularii sarcinilor mari.

Asigurarea flexibilitatii MM, la diferite dimensiuni si forme ale OL, se poate face prin reglarea bacurilor sau schimbarea lor, existand si posibilitatea utilizarii unor bacuri cu suprafata de prindere adaptabila formei OL. Un inalt grad de flexibilitate se poate obtine prin utilizarea MM la care degetele rigide portbac sunt inlocuite cu degete deformabile executate din elemente elastice sau din segmente articulate.

Mecanisme utilizate in structura mainii mecanice MM

Prinderea OL in DA se face prin miscare sincrona, corelata, a doua sau trei degete port-bac, in acest fel realizandu-se atat centrarea OL fata de DA cat si preluarea fortelor transversale. Asigurarea miscarii sincrone a degetelor se obtine prin folosirea unui motor liniar si realizarea de structuri cinematice identice pentru miscarea degetelor (bratelor). Mecanismele folosite in constructia DA si care folosesc, in general patru elemente, pot fi grupate in patru mari categorii:

1. cu patru cuple de rotatie;

2. cu doua cuple de translatie dispuse la elementele diferite;

3. cu o singura cupla de translatie;

4. cu doua cuple de translatie asezate pe acelasi element;

Actionarea mainilor mecanice MM

Criteriul reducerii gabaritului si al greutatii DA face ca natura si tipul actionarii sa fie, in general independent de actionarea celorlalte unitati ale robotului industrial.

Actionarea pneumatica este cea mai folosita pentru RI cu actionarea principala pneumatica sau electrica. Actionarea pneumatica si in special cea cu cilindru, este preferata in aceste cazuri, datorita simplitatii, pretului relativ scazut, vitezei mari de lucru, precum si a unui raport forta-masa proprie mai bun ca al actionarii electrice.

Folosirea unui cilindru cu dublu efect, desi mai scump fata de unul cu simplu efect, atat in ceea ce priveste constructia, cat si comanda, se preteaza atunci cand sunt necesare curse lungi, constanta fortei pe cursa sau limitarea dimensiunii axiale.

Actionarea hidraulica se intalneste numai cand si RI este actionat hidraulic, astfel incat pretul de cost nu justifica introducerea sa, cu toate ca cilindrul hidraulic de actionare asigura un gabarit redus.

Actionarea electrica se intalneste mai rar decat cea pneumatica datorita dezavantajului prezentei regulatoarelor de turatie, care, impreuna cu motorul electric, conduce la mase proprii relativ mari.

Evolutia mainilor mecanice

Timp de secole oamenii si-au folosit corpul si in special mainile ca inspiratie si model pentru creatiile ingineresti. Dar copierea mainii umane nu este asa de simpla pe cat pare, structura musculara si scheletica a maini ofera un echilibru unic si greu de egalat, mana este stabila si precisa dar in acelasi timp rapida si flexibila.

In ciuda complexitatii problemei, multi proiectanti de roboti au apelat la nenumarate inovatii din diverse discipline aducandu-ne tot mai aproape de mana complet automatizata. considerata a fi prima mana robotizata functionala, Handyman, dezvoltata in 1960 de catre Ralph Mosher pentru General Electric. Aceasta mana era o gheara cu doua degete, robust articulata, dar aceasta a asezat fundatia pentru urmatoarele incercari.

Designul abordat pare rudimentar acum insa segmentele cu 5 grade de liberatate ale degetelor ce incearca sa imite degetele umane ramin in continuare o mare inovatie. mana umana este alcatuita dintr-un set de legaturi rigide (oase, muschi) conecate prin articulatii. fiecare articulatie are un grad de libertate (rotatie sau translatie) sau doua (rotative sau cilindrice) . avem patru grade de libertate in fiecare deget ceea ce ne da o mare flexibilitate si abilitatea de a executa miscari complicate.

Prehensoare antropomorfe

Pentru evaluarea posibilității creării unui mecanism de detecție a mișcării mâinii umane care să fie ulterior folosit pentru controlul unui prehensor antropomorf, un prim pas, s-a

considerat procesul de analiză constructivă și funcțională a mâinii umane. S-a considerat un

pas inițial obligatoriu deoarece, mâna umană reprezintă un sistem incredibil de avansat, care,

la nivel constructiv, pe baza celor 27 grade de libertate de care dispune, este capabilă să execute

diferite operații de prindere, eliberare sau mișcare de obiecte ce pot avea o formă geometrică

aleatoare [Provancher 2003].

Mâna umană reprezintă o structură complexă formată din oase de tipuri diferite conectate între ele prin articulații. Aceasta este atașată de antebraț printr-un grup de oase numit complex carpian. Utilizând degetele, împreună cu palma, mâna umană poate executa diverse acțiuni, printre care, cea mai importantă, o reprezintă, acțiunea de prehensare a obiectelor.

Cel mai bun mod de de a înțelege cum creierul uman controlează mișcarea mâinii, este

de a studia mișcarea naturală prin realizarea unor acțiuni de manipulare. În ultimii ani, cercetările în acest domeniu s-au axat în special pe controlul mâinii în executarea de activități precise. În secțiunea ce urmează, cercetarea se concentrează pe revizuirea stadiului actual a mișcării mâinii, când se execută acțiunea de prehensare și manipulare de obiecte cu diferite caracteristici fizice. Prehensoarele antopomorfe sunt realizate prin reproducerea într-o oarecare măsură amânii umane, asemanarea cu aceasta constând în faptul că de asemenea, un prehensorantropomorf are cuple de rotație și utilizează două sau mai multe degete articulate, fiecare cu două sau trei falange [Itu 2010]. Prehensoarele antropomorfe au evoluat de-a lungul timpului. Inițial, acestea se deosebeau clar de structura mâinii umane, prin aceea că puteau avea un număr de degete diferit de cinci, dispuse într-o poziție relativă oarecare, puteau avea dimensiuni diferite de mână și o structură chiar puțin asemănătoare cu aceasta [Starețu 2010]. Odată cu evoluția lor, acestea au ajuns la a avea o structură similară mâinii umane, unele prehensoare având chiar și 25 grade de liberate iar experimentele cu prehensoare antropomorfe putând fi realizate în realitate virtuală[Miller 2004] și [Diankov 2010].Pentru a se păstra asemănarea cu mâna umană, principalele criterii de sinteză structurală sunt: numărul degetelor, numărul falangelor pe fiecare deget, dimensiunile relative ale falangelor, poziționarea reciprocă a degetelor și gradul de mobilitate al prehensorului în ansamblul respectiv [Starețu 2010]. La ora actuală, există prehensoare antropomorfe cu două, trei, patru, cinci și chiar șase degete. Degetele la rândul lor, pot avea una, două, trei sau chiar patru falange care pot fi identice sau diferite. Fiecare deget, poate avea un numar de grade de libertate direct proportional cu numărul falangelor care îl compun.

Date generale despre pr

În acest capitol se descrie modul de realizare a unui prehensor antropomorf mecanic

controlat prin intermediul Arduino Componenta Hand este folosită pentru a reproduce mișcările mâinii umane în diferite ipostaze (Fig.

6.1) primite de la dispozitivul ….

Arduino este un mediu de dezvoltare pentru electronică, automatizări, robotică. Este open source și a fost conceput într-o universitate. Practic, Arduino este un mic calculator programabil, care poate comanda leduri, becuri, motoare, ecrane digitale. El poate interpreta informațiile primite de la butoane, senzori precum giroscopul, accelerometrul, o telecomandă, senzori de lumină, de temperatură, de distanță, de mișcare. În proiectele complexe poate fi comandat prin recunoaștere vocala, bluetooth, se poate conecta la internet și poate fi creierul roboților industriali sau de hobby.

Proiectarea componentei

Prehensoarele antopomorfe sunt realizate prin reproducerea într-o oarecare măsură a mânii umane, asemanarea cu aceasta constând în faptul că de asemenea, un prehensor antropomorf are cuple de rotație și utilizează două sau mai multe degete articulate, fiecare cu două sau trei falange.

Dezvoltarea prehensorului antropomorf

Pentru a se putea realiza un braț robotic cu adevărat antropomorf, componentele acestuia trebuie să fie identice cu componentele mâinii umane.Din punct de vedere structural prehensorul antropomorf este definit ca un sistem, un ansamblu de elemente componente și conexiuni între acestea. Din punct de vedere al funcționalității, sistemele se împart în:

– sisteme mecanice ale prehensorului care au rol similar scheletului mâinii umane și

sunt definitori în delimitarea naturii mișcării ce poate fi realizată de către prehensorul

antropomorf;

– sistemul de acționare al prehensorului care este echivalent cu sistemul muscular al

mâinii umane, care impune mișcare relativă a elementelor mecanismelor componente;

– sistemul de comandă al prehensorului care este echivalentul sistemului nervos uman,

prelucrează informații de la sistemul mecanic și emite comenzi pentru acționarea

acestuia;

– senzori care sunt echivalentul organelor de simț, furnizând informații pentru starea prehensorului sau captează date din mediul extern.

Sistemul creat reprezintă un ansamblu format din mâna umană și antebraț. Ansamblu conține următoarele elemente: palma si falangele,

antebratul care cuprinde …….

ComponentaX (Fig. 6.2) reprezintă un sistem creat în concordanță cu scopul acestei lucrari, care poate reproduce mișcarile cinematice ale mâinii umane în realizarea acțiunii de prindere a obiectelor. Din punct de vedere constructiv, componenta a fost executata manual….. !!!!

Deoarece cele patru degete, arătător, degetul mijlociu, inelar și degetul mic au aceeași

structura fizică, în cele ce urmează se va prezenta modelul propus pentru un singur deget. Ele difera doar ca si dimensiune. Scheletul robotic, schematic este modelat după scheletul degetului arătător.

Un deget antropomorf are trei articulații și trei falange. Unul dintre scopurile componentei prezentată în această lucrare este de a minimiza numărul de servomotoare necesare pentru controlul unui degetul uman, și astfel de a simplifică ecuația necesară pentru a descrie mișcarea unui deget și a permite controlul acestuia printr-o modalitate considerată naturală.

Figura 6.3 Deget schematic cu trei articulații și trei

falange conectate la un servomotor

În (Fig. 6.3) se prezintă conceptul folosit pentru controlul unui deget mecanic. Dexteritatea mișcării fiind similară cu cea a unui deget uman. În Fig. 6.3 se prezintă un mecanism de blocare, fiecare articulație este blocată sau eliberată odată cu mișcarea celor două falange conectate.

Principiile prezentate sunt folosite pentru a reduce, pe de o parte, complexitatea

mecanismului de control și pentru a reduce numărul mare de servomotoare necesar controlului

mâinii umane, în paralel păstrându-se eficiența mișcării și dexteritatea prehensorului.

Asamblarea componentei

Cum s-a putut observa din analiza stadiului actual, unul dintre obstacolele majore în cercetarea prehensoarelor antropomorfe sau în modificarea acestora îl reprezintă costul foarte mare de achiziție. Acest cost a fost redus semnificativ pin confectionarea manuala folosind materialele cele mai eficiente de plastic de tipul ABS. Acest plastic este suficient de rezistent pentru a rezista la tensiunea indusă de cablu folosit ca și tendon.

Mâna robotică propusă conține patru degete articulate și un deget opozabil. Diferența

între degetul mare robotic și restul degetelor, este reprezentată de numărul de falange. Acționarea fiecărui deget se face print-un singur tendon, substituit de un fir de mesina, prin intermediul canalului intern al fiecărei articulații.

Pentru a putea beneficia de mișcarea de flexare și mișcarea de extensie, tendonul este

prins în vârful fiecărui deget rezultând: pentru mișcarea de flexare, servomotorul trage de

capătul tendonului (Fig. 6.4, b), iar pentru revenire, cablul este tras în sens invers (Fig. 6.4, a).

Figura 6.4 Mișcarea de extensie (a) și flexare (b) a arătătorului din două perspective

Pentru construcția componentei s-au folosit cinci servomotoare de tipul Tower Pro MG 955. Fiecare servomotor în parte controlează un deget. Pentru asamblarea brațului robotic au fost confectionate 76!! piese, dintre care,

– pentru cele patru degete în afară degetului mare au fost folosite 9 piese;

– pentru degetul mare au fost folosite 7 piese;

– pentru palmă 8 piese;

– pentru antebraț care contine de asemenea și montajul ce permite fixarea microcontrolerului și a celor 5 servomotoare au fost folosite 9 piese;

– diferite piese ajutătoare de prindere si stabilizare.

Controlul prehensorului !!

Pentru implementarea componentei folosită la comanda și controlul prehensorului s-au folosit patru tipuri de dispozitive, si anume, un personal compoter pe 64 biți, o placă Arduino Leonardo și două componente hardware ajutătoare, și anume convertor usb-serial și placa driver – servo Adafruit ce permite conectarea celor 5 servomotoare.

Transmisia de date între componenta RoboHand și calculatorul se face

în mod conceptual, ca în Fig. 6.5.

Figura 6.5 Sistemul hardware de comandă si control al componentei RoboHand

Pentru transmiterea de date, s-a elaborat un protocol de control care poate fi înteles atât

de PC cât și de componenta RoboHAND. Scopul componentei RoboCOMMANDER este de a

trimite date de la PC către RoboHAND cât și de a translata datele în date de comandă.

Astfel se poate spune că modulele componentei RoboCOMMANDER sunt

următoarele:

– protocol de comunicare între calculator și componenta RoboHand;

– modul .NET ce trimite date de comandă către RoboHand folosind protocolul de

comunicare elaborat;

– dispozitiv de conversie USB-Serial ce permite conexiunea în mod programatic la

dispozitivul Arduino Leonardo;

– modul software de control al fiecărui servomotor în parte.

Controlul ansamblului dezvoltat

introducere

Arduino Mega 2560

Placa de control Arduino Mega 2560 (fig. 5.5) dezvoltată pe platforma ATmega2560. Această placă este echipată cu toate componentele necesare ca microcontrolerul să fie pus la treabă. Placa de control poate fi alimentată fie de la un adaptor de curent continuu fie de la acumulator. Sursa de curent este selectată automat. Placa funcționează la o tensiune cuprinsă între 6 și 20V, dar intervalul recomandat este de 7-12V. Dacă placa este alimentată cu o tensiune mai mică de 7V se poate ivi situația în care portul de 5V va scoate tensiune mai mică. În situația în care placa este alimentată cu mai mult de 12V, stabilizatorul de tensiune se poate supraîncălzi și strica placa.

Fig. 5.5 Placa de control Arduino Mega 2560

Servomotoare

Tipul de servomotor folosit este un servomotor de curent continuu cu angrenaj și cu sistem de răspuns pozițional pentru a obține o acuratețe de poziționare ridicată. În interior servomotorul conține un motor de curent continuu, un potențiometru și un circuit de control. Controlul intern al motorului compară poziția unghiulară, specificată de semnalul de comandă, cu poziția curentă a axului motorului. Poziția unghiulară a axului motorului este măsurată cu un senzor potențiometru care este angrenat de acesta. Potențiometrul are trei terminale. Conexiunea centrală are o rezistență variabilă. Potențiometrul acționează ca un divizor variabil de tensiune. Tensiunea de la pinul mijlociu reprezintă poziția unghiulară în care se găsește axul motorului.

Există și alte metode de determinare a poziției unghiulare și a rotațiilor ce se pot aplica în cazul servomotoarelor mari. Potențiometrul reprezintă cea mai bună soluție pentru servomotoarele de mici dimensiuni. Modulul de control integrat generează o tensiune corespunzătoare unui semnal intern, obținut prin compararea semnalului provenit de la potențiometru cu semnalul de comandă, ce pune în mișcare axul motorului.

Servomotorul poate efectua o cursă de, dar gama recomandată este cuprinsă în domeniul . Utilizarea unui semnal de comandă care presupune funcționarea servomotorului în afara aceastei game poate duce la deteriorarea servomotorului.

Proiectare manusii

introducere

Senzori de îndoire

Senzorii de îndoire reprezintă rezistențe analoage. Aceștia funcționează ca și divizori variabili de tensiune. Senzorilor de îndoire se compun din rezistențe de carbon acoperite cu un strat de silicon foarte subțire. Când senzorul este îndoit, acesta produce o rezistență direct proporțională cu raza de îndoire.

Cu un senzor de îndoire normal, o flexiune de 0 grade reprezintă o rezistență de 10 kohmi iar cu cu o îndoire de 90 grade, acesta se obține o rezistență între 30 pana la 40 kohmi. Senzorii de îndoire (Fig. 5.2) reprezintă rezistente electrice analogice. Aceștia funcționează pe principiul de divizori variabili ai tensiunii. Senzorii de flexiune sunt creați dintr-un strat flexibil de silicon care înconjoară o rezistență de carbon. Cu cât în interiorul stratului flexibil se află mai mult carbon, cu atât rezistența este mai mare, ceea ce înseamnă că atunci când senzorul este îndoit, carbonul din interiorul stratului flexibil produce o rezistență direct proporțională cu raza de îndoire.

Figura 5.2 Senzor de îndoire

La momentul actual, există două tipuri de senzori, grupați după lungimea lor, și anume senzori de tipul 1 și senzori de tipul 2, având lungimea de 5,5 cm respectiv 12 cm. Senzorii folosiți în această lucrare sunt senzori de tipul 2, de 12 cm, creați de către firma Flexibila pe baza tehnologiei patentate de către Spectra Symbol. Senzorii au o rezistență care variază de la 10 KOhm, în cazul în care nu sunt îndoiți până la 60 KOhm.

În cadrul acestei lucrări, s-au folosit 5 senzori de 12 cm care s-au atașat la o mănușă, fiecare senzor în parte fiind atașat la fiecare deget realizănd componenta DigitalGlove ce este folosită in continuare pentru captura de date de mișcare de la mâna umană.

Senzorii au fost conectați la mănușă astfel încât senzorii de flexiune să atingă fiecare articulație a fiecărui deget, rezultând o modificarea a rezistenței senzorului la îndoirea degetului utilizatorului mănușii. Odată cu îndoirea degetului, rezistența pe senzor crește, iar curentul care trece prin senzor scade. Variația în curentul ce trece prin senzor poate fi măsurată și analizată folosind o placă de tipul microcontroler conectată la un calculator.

Cei cinci senzori de îndoire sunt utilizați pentru fiecare deget în parte cu scopul de detecție a îndoirii. La momentul îndoiri fiecărui deget, senzorii sunt de asemenea îndoiți în același unghi ca și degetul. Toți cei 5 senzori sunt conectați la microcontroler, acesta monitorizând fiecare port în parte în mod continuu. Odată semnalul receptat de microcontroler, acesta este analizat și transmis către portul serial al calculatorului. Calculatorul va recepționa semnalul pe care îl folosește în mediul virtual pentru mișcarea falangelor unui prehensor antropomorf virtual.

Sistemul implementat pentru captura de date folosind senzori de îndoire are patru componente principala:

– mănușă de date cu cinci senzori – DigitalGlove: permite captarea de date de mișcare de

la mâna umană și transferul lor către placa ArduinoLeonardo;

– microcontroler ATmega32u4 (folosind implementarea Arduino Leonardo): permite

analiza și transferul datelor către un calculator;

– componenta X: transfrormă datele recepționate de o mănușă de date, le interpretează și transmite către componenta de vizualizare;

– componenta ViewComponent: permite vizualizarea mișcărilor mâinii umane prin intermediul aplicației GraspIT.

Pentru implementarea sistemului s-a extins aplicația InterfaceController și anume,

extinderea s-a făcut prin folosirea componentei HandCOMMANDER pentru comunicarea cu

aplicația GraspIT.

LyliPad Arduino

Descriere,specificatii, functionre

Testarea structurii mecanice dezvoltate

Pentru determinarea perfomanțelor sistemului dezvoltat în contextul acestei lucrări,

am efectuat o serie de experimente prezentate în detaliu cu scopul de a analiza și evalua modalitățiile eleborate pentru comanda și controlul unui prehensor antropomorf în scopul prinderii de obiecte diverse

POZE

Pentru studierea comportamentului mâinii robotice finale, acționată prin tendoane s-a construit un model experimental ce respectă, cât mai fidel posibil, dimensiunile modelului final Modelul experimental (fig. 5.8) are 17 grade de libertate. Degetele sunt puse în mișcare prin 5 tendoane acționate de 5 servomotoare. Pentru implementarea schemei de control s-a folosit o placă de control Arduino Mega 2560. Spre deosebire de structurile clasice, unde actuatoarele sunt poziționate pe articulații, și semnalul de control trebuie determinat pentru fiecare articulație în parte, în cazul sistemelor acționate prin tendoane, trebuie determinat semnalul de control pentru ca actuatorul prin intermediul tendonului să realizeze mișcarea dorită. Pentru controlul mâinii robotice se folosește schema de control ilustrată în fig. 5.9. Scopul este acela de a determina poziția unghiulară a motorului, astfel încât degetul să ajungă în poziția dorită.

Fig. 5.9 Legea de control cinematic folosită pentru mâna robotică

Fiecare deget al mâinii este pus în mișcare cu ajutorul unui tendon acționat de un servomotor. Sistemul de acționare a degetelor mâinii este prezentat în fig. 5.10.

Fig. 5.10 Acționarea degetului mâinii robotice

Tendoanele oferă avantaje din punct de vedere al flexibilității și al greutății, dar complică cinematică degetului. Cu toate că acționarea mâinilor robotice cu ajutorul tendoanelor complică modelarea cinematică și dinamică, acestea sunt folosite des la mâinile robotice antropomorfe deoarece este dificilă poziționarea motoarelor în articulațiile degetelor. Totodată, folosind acționarea prin tendoane se poate realiza o mână robotică ce realizează mișcări mult mai apropiate de mâna umană.

Procesul de control în timp real

Implementarea acestei metode (fig. 5.3) în cazul mâinii robotice umanoide presupune dezvoltarea algoritmului de control în mediul de simulare. Acest algoritm este transmis unei placi de control Arduino Mega 2560 [148] ce reprezintă sistemul de control. Placa de control are scopul de a transmite semnalul de control către servomotoarele ce au rolul de a pune în mișcare articulațiile degetelor mâinii robotice. De la motoare, cu ajutorul traductoarelor de poziție sunt transmise plăcii de control care are sarcina de a transmite această informație de poziție către mediul de simulare pentru a pune în mișcare modelul virtual al mâinii robotice.

Arduino 2560 Traductoare de pozitie Sistem de control Model virtual Motoare

Fig. 5.3 Aplicarea metodei de proiecție virtual

Poze cu fiecare deget in diferite pozitii

Interacțiunea între mâna umană și cea virtuală este concentrată pe următoarele acțiuni

de manipulare de obiecte:

– Priderea de obiecte;

– Mutarea de obiecte;

– Eliberarea obiect.

Ca și testare a implementării și comunicării între mana umana și mediul virtual, s-a executat prinderea și eliberarea unei ce vrei tu . Prinderea si eliberarea sunt simulate folosind gesturile …….

Pentru prinderea si eliberarea obiectului se citesc două moduri de configurare a mâinii

umane distincte, și anume, toate degetele deschise și toate degetele închise.

Pentru testarea componentei RoboHand, s-a executat un experiment ce constă în tentativa de imitare a mișcării mâinii umane în diferite poziții. Pentru aceasta, s-a ales mișcarea fiecărui deget în parte în poziție de închis/deschis reprezentată in Fig. 6.6:

Folosind ….au fost capturate gesturile prezentate în Fig. 6.6, iar prin intermediul componentei….. acestea au fost transmise către componenta RoboHAND (Fig. 6.7).

Upon conductions of the experiment, using the variables finger, angle, sensor value and position, the fallowing results were produced. During the first test I measured the angle relationship between my finger and the corresponding finger on the animatronic hand. I found that the index finger, middle finger, ring finger, and pinky all had about the same sensor value from the flex sensors. The thumb on the other hand was limited in movement compared to the other fingers, and therefore the sensor data was in a smaller range. I then came up with three positions to test, fully extended, half extended, and unextended. From here I created a video of all my fingers at these different positions. I then analyzed the videos through the use of editing software and found the angle of each finger at each position.

I then conducted the same procedure for the animatronic hand, finding the angle of each finger at each position in the process. I found that at the fully extended position the relationship between my finger and the corresponding finger on the animatronic hand was about a 20° difference. At half extended the relationship was the closest at about a 10° difference. At unextended I noticed the most difference with my fingers bending almost 30° more than the animatronic hand. The thumb was the most consistent finger with only about 10° difference on all three tests. Overall, the comparison of my hand compared to the animatronic hand was greater than I thought. The position with the greatest difference was fully flexed. What all this means is that the animatronic hand has a relationship with my hand.

Evaluare

Rezultatul implementării sistemului și execuției testelor de manipulare este unul

pozitiv. Sistemul execută acțiuni de manipulare de obiecte în mediul virtual în timp real cu o

foarte mică întârziere în cazul în care se încearcă detecția de mai multe gesturi într-o perioadă

foarte scurtă de timp. Această întârziere vine din cauza faptului că transferul de date între

componentă HandProcessor și componenta HandSIM se face prin portul serial, deci, întârzierea

este cauzată de sistemul hardware.

Cât timp utilizatorul nu execută gesturi rapide, întârzierea nu este percepută de acesta,

implementarea sistemului putând fi considerat a fi o interacțiune cu adevărat naturală între om

și mediul virtual.

Tendoanele oferă avantaje din punct de vedere al flexibilității și al greutății, dar complică cinematică degetului. Cu toate că acționarea mâinilor robotice cu ajutorul tendoanelor complică modelarea cinematică și dinamică, acestea sunt folosite des la mâinile robotice antropomorfe deoarece este dificilă poziționarea motoarelor în articulațiile degetelor. Totodată, folosind acționarea prin tendoane se poate realiza o mână robotică ce realizează mișcări mult mai apropiate de mâna umană.

Obiectivele experimentale efectuate au avut ca și scop principal determinarea performanțelor individuale ale modulelor software realizate pentru a captamiscarile mâinii, controlul prehensorului, prehensarea si testarea strategiei de comandă și control a sistemului propus în această lucrare ca și ansamblu.

Pentru aceasta, au fost definite o serie de criterii de evaluare ale sistemului, cum ar fi:

– determinarea eficienței sistemului de realizare a miscarilor;

– determinarea eficienței sistemului de detecție a mișcării mâinii umane;

– determinarea eficienței sistemului de comandă și control a prehensorului antropomorf

pentru executarea de prehensiuni de precizie și de putere;

– determinarea eficienței globale a strategiei de comandă și control cu scopul final

Dezvoltări viitoare

În ziua de astăzi, roboții industriali au o aplicabilitate mare într-o arie largă de domenii

cum ar fi, asamblare industrială, vopsire, sudare automată ș.a.m.d. Un braț robotic fără prehensor nu folosește niciunui scop sau funcție până când un prehensor nu îi este atașat.

Prehensorul robotic devine astfel o punte între brațul robotic și mediul fizic din jurul brațului. Deoarece, recent, ciclul de viață a produselor dezvoltate folosind roboți industriali a devenit tot mai scurt, iar schimbări în operațiile de asamblare apar tot mai frecvent. Din acest motiv, programarea roboților folosind tehnicile actuale devine o problema costisitoare, ceea ce reprezintă faptul că, modul de programarea actual al roboților industriali este un process inflexibil. Fiecare aplicație robotică este personalizată, inflexibilă iar aplicarea ei în producție devine costisitoare.

Unul dintre elementele care este în mod uzual personalizat îl reprezintă prehensorul din acest motiv, un prehensor adaptabil în funcție de obiectul ce se dorește a fi prehensat ar putea fi considerat foarte util, iar, din moment ce mâna umană reprezintă cel mai avansat mecanism de prindere, cercetările converg spre elaborarea acestor tipuri de prehensoare [Ohol 2011], [Kappassov 2013] și [Vasquez 2013].

Din acest motiv, în lucrarea de față s-a considerat folosirea prehensorului X ca și dispozitiv de prindere atașat unui brațul robotic ABB.

Lucrarea aduce în prim plan performanțele ce pot fi atinse pe de o parte în proiectarea

și utilizarea prehensoarelor antropomorfe cu cinci degete iar pe de altă parte ușurință și flexibilitatea

modalității în care pot fi programați prin reproducerea comportamentului uman deschizând astfel noi

direcții de cercetare printe care se numără:

– creare de prehensoare antropomorfe cu cinci degete prin mărirea numărului de grade de

libertate și dotarea acestora cu senzori de presiune pentru prinderi de obiecte fragile;

– adaptarea roboților industriali existenți pe linii industriale, prin echiparea acestora cu

prehensoare antropomorfe și folosirea de tehnici de reproducere a mișcării brațului uman

………

Concluzii

Realizările și contribuțiile lucrarii pot fi sistematizate după cum urmează:

– a fost dezvoltat un protocol de control capabil să permită comunicarea între calculator și componenta robotică

– a fost dezvoltat un prehensor cu cinci degete ce poate fi configurat pentru acțiuni de prindere efectivă de obiecte în mediul fizic;

– a fost realizat un sistem flexibil de prehensiune conceptual ce poate fi folosit în scop industrial. Acest sistem ar putea fi integrat cu un sistem de vizualizare și planificare a mișcării, planificare a traiectoriei și transmitere de comenzi către un braț robotic de tipul ABB IRB 2600.

Strategia de control pe baza analizei mișcării mâinii umane (a brațului uman pentru controlul brațului robotic ABB și a mâinii umane pentru controlul X) definită, poate fi considerată o strategie eficientă deoarece: poate realiza prinderi de obiecte de formă și dimensiuni diferite, poate fi ușor de configurat sau re-configurat și expune o funcționalitate cu un grad foarte mare de flexibilitate.

Reproducerea mișcării mâinii umane a fost testată în acțiuni de manipulare de obiecte diverse cu succes iar prin montarea prehensorului pe un braț robotic de tip ABB s-ar putea dovedi utilă folosirii în scop industrial. Evident, cercetări viitoare sunt necesare pentru îmbunătățirea sistemului și integrarea cu alte tipuri de brațe robotice.

Unul dintre cele mai mari avantaje prezentate în acest proiect este modul flexibil prin care un robot industrial poate executa acțiuni și ușurința de programare, modul facil de programare este executat prin reproducerea mișcării direct de la mâna umană prin folosirea a două interfețe: ABBCOMMANDER ce va fi realizat în perspectivă și RoboCOMMANDER ce a fost realizat în contextul acestei lucrări.

Acest sistem își poate găsi aplicabilitate într-o gamă foarte largă de procese de precum și integrarea acestui în scop industrial pentru automatizarea diferitelor acțiuni. Sistemul de prehensare dezvoltat în aceasta lucrare a fost integrat, la nivel conceptual, cu un robot industrial de tipul ABB. Componente hardware (senzori, servomotoare, plăci de interfațare) și componente software ar putea fi integrate într-o manieră modulară. Această manieră permite interschimbarea oricărei componente, ceea ce conduce, evident, la minimizarea costului și complexității folosirii sistemului și permite adaptarea diferitelor medii de configurare cu ușurință și poate facilita folosirea oricărui modul și în alte tipuri de aplicații.