Manipulator Hiper Redundant

Manipulator Hiper-redundant

Capitolul I Introducere

Mecatronica (figura 1.) este combinația sinergetică ṣi sistematică a mecanicii, electronicii ṣi a informaticii în timp real. Revoluția informatică (a două revoluție industrială) a marcat saltul de la societatea industrializată la societatea informațională, generând un văl de înnoiri în tehnologie ṣi educație. Japonezii au definit sensul acestor mișcări de înnoire, brevetând termenul de mecatronică, la începutul deceniului al 8-lea al secolului trecut. Termenul de mecatronică a fost întrodus de un inginer de la compania japoneză Yaskawa în 1969.

Termenul a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologică: mecanică-electronică-informatică. Mecatronică este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea tehnologică. Tehnologia electronică a stimulat această evoluție. Dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanică. În următoarea etapă, prin integrarea microprocesoarelor în structurile electromecanice, acestea devin inteligente ṣi, astfel s-a ajuns la mecatronică.

Fig 1. Combinația sinergetică intre mecanică, electronică ṣi informatică

Utilajele mecatronice sunt ansambluri care integrează elemente componente simple sau complexe ce îndeplinesc diferite funcții, acționând în baza unor reguli impuse. Principala lor sarcină este funcționarea mecanică, deci producerea de lucru mecanic util, iar esența lor este posibilitatea de a reacționa inteligent, printr-un sistem de senzori, la stimulii exteriori care acționează asupra utilajului luând deciziile corespunzătoare pentru fiecare situație.

Trăsăturile caracteristice ale utilajelor mecatronice sunt următoarele:

Multifuncționalitatea, adică posibilitatea de a realiza diferite procese tehnologice, de exemplu prin schimbarea programului;

Inteligența, reprezentând capabilitatea mașinii de a comunica cu mediul ṣi de a lua decizii;

Flexibilitatea, adică posibilitatea de a modifica fără dificultăți majore construcția utilajului pe etape de proiectare, producție sau exploatare, de exemplu prin folosirea construcției modulare;

Posibilitatea de a fi conduse de la distanță, ceea ce impune cunoașterea ṣi utilizarea unor interfețe complexe de comunicare;

Evoluție permanentă, datorită dinamicii cerințelor pieței ṣi a posibilităților tehnologice de execuție.

Printre produsele mecatronice întâlnite în mod curent se numără ṣi imprimantele, copiatoarele din noua generație, mașinile de cusut ṣi de tricotat cu comandă numerică, motorul cu ardere internă controlat electronic, sistemele antifurt, sistemele antiderapante (ABS) ṣi pernele de aer din tehnica automobilistică, roboții ṣi manipulatoarele, echipamentele medicale, inclusiv protezele de înalta tehnologie.

Tot produse mecatronice sunt ṣi camerele video miniaturale, CD-playere ṣi alte micromașini, dar ṣi mașinile agricole mari ṣi cele stradale din noua generație, sistemele cu gabarit mare ṣi liniile de producție automate. Producătorii de automobile creează tot mai des autovehicule mecatronice dotate cu sisteme de execuție complicate, programate ṣi comandate prin calculator. În prezent, cel mai complex sistem mecatronic din lume este cel care asigură închiderea ṣi deschiderea canalului de acces către portul din Rotterdam, elementele sistemului având o întindere de peste 300 m.

Capitolul II Stadiul actual

Robotul este întruparea noțiunii de ’’automatizare și control’’, este un produs mecatronic. Termenul de ’’robot’’ a fost utilizat în 1917 pentru prima oară într-o nuvelă a scriitorului Karel Kapek. Cuvântul ’’robota’’ este cuvânt slav și înseamnă: muncǎ manuală dificilă sau grea.

În 1940, Issac Asimov folosește pentru prima dată cuvântul robotică (robotics), cu înțelesul de știința care se ocupǎ cu studiul sistematic al roboților. Lucrările S.F. ale lui I. Asimov i-au inspirat pe americanii George Devol și Joseph Engelberger.

 Brațul robotic este un tip de braț mecanizat, similar cu brațul uman, dar care este controlat de o interfață electronică programabilă.

Structura unui robot este, de fapt, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistem este un ansamblu de părți componente, elemente, și legăturile dintre acestea. Elementele care compun acest sistem se numesc subsisteme. La rândul lor subsistemele pot avea și ele subsisteme, din acest motiv există o ierarhizare și anume sistemul principal se numește sistem de rangul 1, subsistemele se numesc sisteme de rangul 2, etc.

Modul cum se compune un sistem din subsisteme și legăturile dintre aceste subsisteme definesc structura unui sistem. Aceasta compunere a sistemelor din subsisteme se evidențiază prin scheme bloc, iar legăturile dintre subsisteme, prin mătrici de cuplare (care definesc legăturile dintre "intrările" și "ieșirile") și mătrici de structură (care ne arată care subsisteme sunt în legătură).

Robotul este un sistem de rangul 1, și se aseamănă, constructiv, cu sistemul unui om, la fel și subsistemele robotului.

Schema bloc al structuri unui robot este:

Fig.2 Braț robotic comandat prin telecomandă.

Fig.2.1 Braț robotic inspirat de trompa unui elefant.

Fig.2.2 Braț robotic inspirat de corpul unui șarpe

2.1 Clasificare roboți

Momentan, roboții sunt utilizați în majoritatea industriilor. Există atât de multe tipuri de roboți folosiți pentru diverse servicii, încât o enumerare a tuturor tipurilor acestora ar fi aproape imposibilă. O clasificare oarecum rudimentară a celor mai întâlnite tipuri de roboți ar putea fi:
•  androizi, roboți construiți ca să mimeze comportamentul și înfățișarea umană;
•  roboți statici, roboți folosiți în diverse fabrici și laboratoare ca de exemplu brațe robot;
•  roboți mobili, roboți care se deplasează într-un anumit mediu fără intervenție umană și realizează anumite obiective;
•  roboți autonomi, roboți care își îndeplinesc sarcinile fără intervenție din partea unui operator uman și își obțin energia necesară funcționării din mediul înconjurător;
•  tele-roboți, roboți care sunt ghidați prin dispozitive gen telecomandă de un operator uman;
•  linii automate de producție în fabrici, sunt tot un fel de roboți, chiar dacă nu sunt mobili, deoarece au toate facilitățile definiției noastre;

Roboți pășitori

Ideea construirii mașinilor pășitoare, respectiv a mașinilor care se deplasează într-un mod asemănător mamiferelor terestre sau unor insecte, a atras atenția de multă vreme cercetătorilor și constructorilor. Lumea animală, lumea vie a oferit un câmp imens de investigare, iar mișcarea în această lume a fascinat întotdeauna.

Controlul traiectoriei pentru articulația unui braț robotic de tipul 4-DoF

Prezentăm controlul traiectoriei articulației unui braț robotic BioRob.

Controllerul compensează gravitația și frecarea cu o parte articulate și un motor rotativ, urmărind erorile cu ajutorul unei feedback liniar.

Pentru a parametriza controllerul au fost create funcții de identificare ale sistemului pentru a estima vectorul gravitațional, transmisia elastică.

Putem arăta ca traiectoria controlată propusă se face cu ajutorul altor legi de control ale sistemului BioRob.

Brațele robotice fexibile articulate vin cu elemente elastic încorporate în dispozitivele de transmisie.

Un exemplu tipic este cel al brațului robotic BioRob (fig 1).

Fig.2.3 Braț robotic BioRob

Este un robot de manipulare ușor cu 4 grade de libertate fiind echipat cu actuatoare și elemente elastice de transmitere a mișcării precum cabluri și arcuri.

Flexibilitatea articulației BioRob s-a dovedit a fi foarte eficientă din punct de vedre al siguranței în interacționarea cu omul, deoarece legăturile robotuluisunt inerțial decuplate de actuatori.

Ca urmare, legăturile robotului au o energie cinetică mică în caz de coliziune cu corpul uman.

Un alt avantaj implica abilitatea de a aduna energie potențial în arcuri.

Pe de altă parte, articulația brațului flexibil adduce alte provocări în modelarea, identificarea și controlul brațului.

2.2 Roboți cu legături flexibile: Modelare și control

Cuprins:

Modelare dinamică a roboților FL: legătura singular și legătura multiplă

Formularea problemelor de control

Controller pentru sarcini de bază

Controller pentru articulații

Controller pentru sarcina de stand-by

Concluzii.

Fig.2.4 Robot cu legătura flexibilă

Fig.2.5 Robot cu legătura flexibilă

Creat la Georgia Tech, concept macro-micro pentru explorarea de la distanță și manipularea deșeurilor nucleare.

Fig.2.6 Roboți cu legătura flexibilă

Aceste prototipuri au fost create în Roma. Grinda metalică DMA (0.5KG): motor DD_DC, encoder, 7 calibre de tensiune.

Fig.2.7 Robot cu legătura flexibila-prototip în Waterloo.

WATFLEX cu ambele legături flexibile, fiecare avânt câte 2 zone de tensiune, mișcându-se cu ajutorul rulmenților pe o masă de sticlă pentru a suporta greutatea celui de-al doilea motor.

Fig.2.8 Robot cu legătura flexibila-prototip din Japonia.

Identificarea frecventei pentru o singură legătură flexibilă

Stânga: frecvență care trece prin semnalul accelerației articulației

Drepata: răspunsul frecventei accelerației a articulației.

Modelarea dinamică a unei singure legături flexibile

Modelarea dinamică a unui robot cu multiple legături flexibile

Ar trebui să folosim o descriere cinematică convenineta, atât pentru mișcarea corpului rigid și flexibilitatea deformației.

Proceduri recursive pot fi setate pentru deschiderea lanțurilor cu legături flexibile, similare celor rigide.

Identificarea, diagnoză și controlul unui braț robotic flexibil.

Factorii cei mai importanți în manufacturare sunt calitatea, costul și productivitatea.

Ne îndreptăm ușor ușor spre roboți ușori, fiabili cu o flexibilitate mecanică a reflexelor crescută, deci trebuie să includem flexibilitatea în modelul de bază pentru a obine bune performante ale robotului.

Putem considera că brațul robotic poate fi descris folosind un număr finit de mase conectate prin intermediul arcurilor.

S-a descoperit că un model cu 3-mase descrie într-un mod rezonabil mișcarea unui robot când se mișca în jurul unei singure axe.

Parametrii fizici ale acestui model sunt identificați folosind diverși algoritmi.

Algoritmii se bazează pe metoda predicției erorilor.

Aceste modele sunt apoi folosite în diagnoză și control.

Se cercetează 2 metode prin care se poate face diagnoza folosind identificare on-line.

Estimând anumiți parametrii fizici ale brațului robotic flexibil, se pot face, într-un mod recursiv, monitorizarea aspectelor importante ale sistemului cum ar fi fricțiunea și încărcarea.

Controlul LQG al brațului robotic este de asemenea studiat.

Sunt și câteva aspecte care până la ora actuală nu au fost studiate și anume regulatoarele nestabile și folosirea accelerometrelor.

De-a lungul ultimelor decade, roboții industriali au devenit un factor foarte important al industriei.

Roboții sunt folosiți în domenii noi în fiecare zi.

Pentru a putea face față competiției actuale, noi roboți cu performanțe mai bune sau cu preț mai mic trebuie să apară.

Pentru a îndeplini aceste condiții, roboții construiți sunt ușori și drept urmare, slabi.

Drept urmare, cererile pentru o bună acuratețe a modelului roboți folosit în controllere sunt în expansiune.

Modele bune sunt de asemenea necesare pentru un model bazat pe diagnoza robotului.

Rata de creare a roboților este foarte mare, aste înseamnă că este nevoie de o soluție automată de creare a modelelor matematice și de asemenea estimarea modelelor matematice.

Lucrearea studiază o parte a viziunii folosind modele ale brațelor flexibile cu o atenție sporită identificații, controlului și diagnosticării.

O proprietate fundamentală în controlul și diagnosticarea unui robot este că senzorii sunt limitați.De obicei, singura variabilă care este măsurată este poziția motorului din brațul robotic.

Asta înseamnă că un model este necesar să compenseze pentru flexibilitatea brațului robotic și pentru a estima poziția acestuia.

Acesta este realizat cu ajutorul modelului matematic. Dacă scula este schimbată sau dacă orice alt aspect fizic al brațului este schimbat și proprietățile modelului nu sunt schimbate corespunzător, modelul matematic nu mai este valid.

Ca și consecință, estimarea poziției bratulu poate deveni mai rea și performanțele robotului se vor deteriora.

Pentru a preveni acest lucru, se studiază metode prin care se poate detecta și izola când anume aspecte fizice ale brațului robotic sunt schimbate.

Ce este un robot? Un mod de a răspunde la această întrebare este să descrii pentru ce este folosit un robot.

Ei sunt utilizați pentru automatizare într-un mod specific uman.

Ei sunt folosiți pentru a servi oamenilor.

2.3 Rezonanta într-un braț robotic flexibil de mare viteză.

Sistemele neliniare cu multe grade de libertate au fost în atenția mai multor cercetători.

Mecanismele robotice sunt o aplicație directă ale acestor studii. Natura complicată a acestor sisteme a redus progresul în ceea ce privește designul și controlul.

Dispozitivele robotice sunt de obicei modelate după ecuații diferențiale nonliniare care sunt imposibil de rezolvat cu exactitate.

Înțelegerea comportamentului nonliniar ale acestor ecuații ar ajuta la producerea de noi roboți, roboți foarte ușor, foarte mobili și capabili să ridice greutăți excedentare.

În mod cert, toate aceste caracteristici ar însemna o amplitudine largă a oscilațiilor brațului robotic datorită efectului de rotație și de flexibilitate a brațului.

Forțele cinematice neliniare pot, de obicei, să fe catalogate drept pătratice nonliniare.

Controlul brațelor robotice flexibile: noi rezultate teoretice și experimentale

În ultimii 30 de ani dinamica și controlul brațelor robotice au avut parte de o atenție sporită datorită cerințelor precum performante foarte bune și un consum de energie redus.

În 1980 a fost studiat problema controlului a 2 legături flexibile ale brațului robotic.

Spre finalul anilor 1980, cercetări teoretice și experimentale au fost publicate. În aceste lucrări, dinamica sistemelor flexibile sunt descrie fie prin ecuații diferențiale parțiale fie prin ecuații cu număr finit printr-o oarecare aproximare.

Pentru control înlocuirea modelului dimensional infinit cu un model dimensional finit reduce capacitățile modelului cum ar fi controlul adaptiv, controlul prin alunecare sau controlul optim.

Aceste tre controllere de bază, au fost create inițial pentru cererile pentru performanțe foarte bune și drept urmare, nu va fi așa ușor să fie implementate într-un braț robotic flexibil din cauza neclarităților din cadrul modelului.

Așa că este de dorit să se caute controllere simple și robuste pentru controlul brațelor robotice flexibile.

În acest caz, un simplu control al strategiei numit control direct se presupune să controleze vibrația din brațele robotice flexibile.

În continuare discutăm despre roboți inspirați din natură, și anume roboți creați de firma Festo.

De menționat este asistentul bionic cu mișcări conforme și flexibile.

Mișcare flexibilă și prindere precisă: la prima vedere, “asistentul” bionic pare a fi un braț robotic de prindere a cărui structura și în mare toate operațiile sunt modelate după modelul trompei unui elefant.

În mare parte este foarte util, dar sistemul servește ca o platformă de developare ce combina diversitatea cu tehnologia și componentele.

Un sistem de manevrare cu libertate de mișcare pe toate axele.

Asistentul bionic combina trei elemente de bază pentru mișcarea spațială alături de un gripper cu degete adaptive.

Cele 11 grade de libertate de care dispune îi permite să execute o gamă largă de sarcini specifice.

Fiecare dintre cele 3 elemente de bază conțin câte un actuator încărcat cu aer comprimat.

Cooperare lipsită de accidente între oameni și tehnologie.

Folosirea poliamidei, face ca structura robotică să fie foarte flexibilă, este rigidizata într-o manieră specifică de către unitatea pneumatică de control.

În cazul unei coliziuni cu operatorul uman, sistemul imediat se oprește.

Utilizarea roboților într-un mediu în continuă schimbare necesita utilizarea unor sisteme mecatronice versatile și independente.

Ținând cont de acest lucru, designul și folosirea roboților pretensionați trebuie să fie capabili să satisfacă anumite cereri de manipulare. Funcția de manipulare în sine este una dintre cele mai complete funcții pentru un sistem robotic.

Pentru a fi capabii să efectueze asemenea manipulări cerute într-un anumit mediu cu situații complexe, roboții trebuie să aibe acces la o gamă largă de acțiuni și percepții ce pot asigura printre altele informații cruciale despre forțele interactive implicate.

Mecanismul trebuie să asigure stabilitate, să mențină forța constantă și să se opună multor forțe de atracție.

Scopul manipulării presupune permormante mari și sprecise pentru a ocoli limiatiile create de fenomene nedorite precum fricțiunea sua histerezisul.

Gripperul poate fi construit utilizând tehnologii diverse și poate avea o multitudine de forme luate din natură.

Dacă până acum un robot industrial trebuie să fie rigid pentru a asigura un grad mare de precizie, flexibilitatea mecanică a sistemelor r putea deveni de neocolit în condiții specifice de operare.

Ipoteza rigidității perfecte bazată pe studiul manufaturarii roboților s-ar putea doveni ineficienta în diverse situații

Indiferent de originea flexibilității, asemenea structuri mecanice au un mare grad de deformare și constrângeri ce depind de tipologia lor și de natura materialului folosit. Comdinatie de masă și flexibilitate legate la un schimb între energia cinetică și deformarea elastică, produce un comportament dinamic de oscilație similar acelor sisteme compuse dinmai multe mase energetice.

Structura flexibilității mecanice rezulta în mod natural prin contopirea vibrațiilor non-neglijabile și a frecventelor joase de amplitudine care pot reduce performanțele de precizie în timpul executării unui task.

Indiferent de dimensiunile lor maniputarea robotică este caracterizată de un înalt grad de precizie și dinamica înalta impusă de designul brațului robotic dedicat unui anumit task. În majoritatea situațiilor asta implica indiferent dacă intenționat sau nu mecanismul să fie caracterizat de un fenomen de flexibilitate mecanică.

Microsistemele conțin funcții tehnologice de diferite feluri indiferent dacă mecanice, termice electrice sau optice.

Astfel acoperă o sferă largă de aplicații într-un număr mare de domenii. Asemenea roboților, microroboții sunt sisteme mecatronice controlate pe loc ce pot fi reprogamabile capabile să se miște în funcție de mediul ales și să interacționeze cu el.

Zi de zi un număr mare de exemple atesta infulenta forțelor de suprafața în lumea micro. Cel mai clar exemplu este acela al unui țânțar care poate sta perfect pe tavan, acest lucru se întâmplă atunci când forța de suprafața dintre picioarele țânțarului și tavan sunt suficient de semnificative intat să își contrabalanseze propria greutate (forțele volumice).

Un alt exemplu elecvent este acela al unui om care încearcă să ridice un obiect foarte mic, spre exemplu un ac.De cele mai multe ori, poate inconștient, considerăm că este mai ușor să îl ridicăm dacă umezim întâi degetele, apelând astfel la tensinea de suprafață. Acest proces crește forța de suprafața intre ac și degete.

Procesul de manufacturare, trebuie, de cele mai multe ori, să fie regândit pentru a se adapta constrângerilor dimensionale și interacțiunilor intre sistem și mediu.

Sistemele standard de design (manufacturare de cipuri de exempli) pot fi aplicate în totalitate microsistemelor.

Manufacturarea microtehnologiilor din domeniul microelectronicii s-a dovedit a fi prima soluție și primul pas spre crearea prototipurilor microsistemelor.

Astăzi, în funcție de natura componentelor și de materialele folosite, exista o varietate de soluții, precum microtehnologii pe bază de silicon și mai nou, alte tehnologii ce permit manufacturare 3D, producție laser, manufacturare ultrasonică, microsudura și microstereolitografie

Fig.2.9 Gripper cu structura balamalei flexibilă

Fig.2.10 Structura cu deformare distributivă

Fig.2.11 Microamplificator pe bază de silicon pentru un actuator PZT

Cererile legate de taskurile pentru manipulări robotice în lumea micro formează microgripperele spre structuri mecanice deformabile.

Deformarea mecanică a structurii asgura câștiguri în poziționarea de precizie și pot depăși anumite limitări legate de mecanismele poliarticulate.

În paralel această tendință generală înseamnă că aceste microsisteme au o funcționalitate mult mai mare și se apropie mult către un concept adaptronic.

Ca și rezultat, când se crează aceste structuri integrate, designerul trebuie să facă multe analize asupra problemei ce implică fenomele complexe legate de aceste structuri particulare.

Formalrea matematica pentru ecuația echilibrului dinamic într-un sistem mecanic produce o ecuație diferențială de gradul 2.

Cel mai simplu sistem de analizat este acel sistem cu un singur drad de libertate, este un sistem a cărui stare este definită de un singur parametru definit de poziția masei în relație cu starea de repaos.

Fig.2.12 Exemplu de sistem de concervare și disipare a energiei

Capitolul III Solutia constructiv aleasa

Roboții umanoizi sunt creați să imita în mod direct capabilitățile umane. Acești roboți au mișcări asemănătoare omului cât și comportament asemănător celui uman, datorită acestui aspect, acești roboți se pot adapta cu ușurința activităților de zi cu zi a oamenilor asigurând anumite servicii pentru oameni.

Cercetările în acest domeniu au atras un mare interes în ultii 20 de ani și multe prototipuri au fost construite în laboratoarele diverselor companii.

Exemple semnificative de roboți bipezi pot fi date ca exemplu în robotul ASIMO creat de corporația HONDA.

În ziua de azi roboții umanoizi sunt capabili să facă mișcări de bază caracteristice oamenilor cum ar fi diverite tipare de mers cum ar fi mișcarea unei mese, servirea unui ceai, lucrând împreună cu oamenii, cu toate astea, suntem departe de a anticipa că acești roboți pot face parte din viața oamenilor de zi cu zi.

Majoritatea roboților existenți, sunt prototipuri ținute în laboratoare cu o greutate redusă, sub un kilogram dar cu un preț foarte mare, aproximativ 500.000 de euro și având capacitate limitate de mișcare.De regulă pot executa mișcări simple dar pe baza unor algoritmi foarte complicați/

În ultimii 10 ani, cercetări massive au fost făcute strict pe partea superioară și inferioară a brațelor roboților ca de exemplu controlul dinamicii mișcării, mersul biped, controlul intreguluicorp al robotului, dezteritatea ambelor brațe și interacțiunea om-robot.

Dar datorită designului mechanic dificil și complexitatea controlului întregului corp, pieptul este oarecum neglijat sau foarte simplist creat.

Pieptul roboților umanozi existenți precum ASMO, HRP și HUBO au aproape o cutie făcută în formă de corp.

Roboții umanoizi sunt proiectați fiind inspirați de caracteristicile umane și capabilitățile lor de mișcare, ca să poată să lucre intron mediu uman și să foloseascaustensilele umane fără alte îmbunătățiri.

Astea fiind spune este natural să creăm roboți umanozi cu caracteristici antropomorfice.

Corpul uman este format din 7 mari segmente și cutia toracică poate fi definite ca un astfel de segment intre gât și talie și coloana vertebrală din partea superioară contribuie toracelui ce conțin organe importante precum inima, plămânii ficatul și stomacul.

Cutia toracică joacă un rol foarte important locomoției omului așa cum e de înțeles, cu toate astea, funcțiile cutiei toracice sunt cunoscute din punct de vedere anatomic, kinetologic, clinic sau biomecanic.

În mod particular, încheieturile prismatice au rolul de a acționa precum mușchii și ligamentele din corpul uman pentru generarea mișcării și transformarea energiei. Trunchiul și talia pot fi construite să aibe mișcări asemenea omului șiș a aplice aceleași forțe indifferent de modul în care este folosit.

Fig.3 Tipuri de legături trunghi-talie și mișcările pe care robotil le execută

Fig.3.1 Modul prin care partea inferioară și cea superioară conclureaza

B)

Fig.3.2 Schemă pentru analiza cinematica: a) modulul trunchiului; b) modulul taliei

Fig.3.3 Simulări ale sistemului trunchi-talie pentru un robot în timpul mersului

Fig.3.4 Simularea sistemului trunchi-talie pentru un robot când se apleacă

Manipularea continua este preferata în detrimentul celei clasice în cazul roboților ce pot face operații datorită dexterității mari și a manevrabilității.

Dar manipularea continua este dificilă de controlat deoarece au un număr infinit de grade de libertate.

Pentru a simplifica controlul și a obține un comportament apropiat celui continuu se ține cont de manipulare redundantă.

Mulți algoritmi pentru manipulare folosind cinematica inversa au fost propuse, printre ele se numără și relelele neuronale, algoritmi genetici, algebrici și metode geometrice.

Mao și Hsia au dezvoltat o metodă de a rezolva problema cinematicii inverse într-un mediu cu obstacole folosind funcții cinematice și rețele neuronale într-o manieră inversă de modelare.

Elipsoidele sunt o soluție gata să acceseze capabilitatea de manipulare.

Fig.3.5 Modelul 3D al unui braț robotic

Soluția construtiv aleasa consta în realizarea unui robot în plan ce imită mișcările trompei unui elefant.

Fiind o mișcare complexă ce necesită o atenție deosebită detaliilor, mai multe soluții constructive au fost încercate și mai multe tipuri de materiale au fost testate în funcție de avantajele și dezavantajele fiecăruia.

3.1 Materiale folosite

În primul rând s-a făcut o analiză intre materialele de natura lemnoasă compatibile cu proiectul în sine.

Este vorba despre PAL laminat și MDF.

În general PAL-ul melaminat este o placă aglomerată lemnoasă, folosită mai des de către producătorii de mobilă pentru că are un preț mai mic decât MDF-ul și se prelucrează mult mai ușor. Densitatea fibrei plăcii din Pal este este mai scăzută decât a plăcii din MDF. Pal-ul are atât avantaje cât și dezavantaje, iată care sunt ele:

– Avantaje – accesibil la preț, ușurință și rapiditate de execuție, gamă variată de culori, execuția oricărui tip de mobilier după forma și dimensiunea dorită.

– Dezavantaje – durata medie de viață a Pal-ului este mai mică decât a MDF-ului, nu este rezistent la aburi, umezeală, diferențe de temperatură.
Din Pal poate fi produsă atât mobilă la comandă, cât și mobilă în serii. Pal-ul se recomandă pentru următorul tip de mobilier: dressing, living, dulapuri simple sau cu uși-glisante, dormitoare, mobilă farmacii, mobilă spații comerciale, mobilă spitale, mobilă pentru birou etc, cu excepția bucătăriei și a băii unde spațiul este umed.

Fig.3.6 Plăci Pal Laminat brut

Fig.3.7 Placa din MDF brut

Apoi s-a analizat un alt material, și anume PLEXIGLAS.

 Plexigals’ul este o masă plastică transparentă și incasabilă, din care se fac diferite obiecte rezistente la șocuri și la trepidații; sticlă organică, stiplex, polimetacrilat.

PMMA – polimetacrilat de metil (plăci acrilice, placi plexi, sticla acrilică, stiplex, plexiglas) este un material termoplastic rigid, transparent, cu o foarte bună transmisie luminoasă (aproximativ 93%). Este de 2 ori mai ușor decât sticla și rezistă la impact de circa 30 de ori mai mult decât geamul de aceeași grosime. 
Plăcile acrilice sunt placi ușoare și rigide cu suprafața plană, cu grosime constantă, rezistente la intemperii, protejate UV (garanție 10 ani). Se serigrafiază, se vopsesc, se lipesc, se gravează și se iluminează în cânt, se termoformeaza sau se îndoaie la cald, dar se pot curba și la rece.
Plăcile acrilice se produc la grosimi de la 1,5 mm la 110 mm.
Limita temperaturii de utilizare recomandată este până la +70°C.
Greutate specifică: 1.19 gr/m3.

Plăcile acrilice pot fi turnate (CN) sau extrudate (XT sau EX).

Plăcile acrilice turnate sunt diferite față de plăcile acrilice extrudate prin:

* o mai bună toleranță de grosime 
* o mai bună rezistență împotriva factorilor chimici 
* o mai bună calitate a suprafeței 
* o mai bună imitare a unor forme delicate și complicate 
* mai bune trăsături optice

Plăcile extrudate se produc până la grosimea maximă de 20mm.
Plăcile turnate se produc până la grosimea maximă de 110mm.

Avantajele utilizării plăcilor acrilice: 
              * au proprietăți optice bune și suprafețe de mare claritate, rezistente la zgâriere 
              * expun excelent culorile și au stabilitate funcțională, având 10 ani garanție 
              * pot fi folosite în contact cu alimentele 
              * transparenta 
              * rezistență foarte bună la mediu și îmbătrânire 
              * suprafață foarte stabilă/rezistenta 
              * bună reciclabilitate

3.2 Aplicații

 Display-uri, casete luminoase interior (indoor) și exterior (outdoor), decorațiuni interioare, mobilier (de exemplu rafturi) și elemente decorative pentru magazine, mobilier, reclame luminoase, standuri, elemente arhitecturale, litere volumetrice. Fiind un binecunoscut înlocuitor al sticlei, din el se pot confecționa geamuri și vitrine cu avantajul de a fi mult mai rezistente la impact decât sticla.

Fig.3.8 Plăci Plexiglas diferite grosimi

Un alt material ce poate fi folosit pentru partea practică a proiectului este siliconul bicomponent.

Acesta dispune de anumite avantaje care îl fac optim pentru aplicația curentă.

Avantaje

– Silicon bicomponent cu întărire rapidă

– Raport de amestec adecvat 2:1

Bună aderența la o gamă variată de substraturi

Date tehnice

– Silicon alcoxi bicomponent

– Elongatie la rupere: 150%

– Duritate Shore A: 30

– Rezistenta la forfecare (GBMS) N/mm²: 1,2

– Interval temperatura de lucru: +180° C

– Dimensiunile ambalajului: 400 ml, 17 l.

Avantajul acestui material consta în faptul că odată ce avem matrița necesară, acest material pur și simplu se toarnă în matriță și la final iese produsul finit.

Este un procedeu ieftin și rapid și fiind semirigid, se poate modifica pe parcurs.

Fig.3.9 Silicon bicomponent turnat în matrița

PLĂCI PVC (FOREX)

Plăci durabile și rigide din spuma de PVC care au o structură expandata uniform și o celulă închisă. Acesta este un material foarte ușor și rezistent la zgârieturi sau lovituri, deoarece suprafețele plăcilor sunt finisate special și greutatatii lor foarte reduse. Plăcile rigide din PVC se folosesc în realizarea diferitelor tipuri de decorațiuni interoare sau exterioare, panouri publicitare, litere volumetrice, semne neluminoase, afișe și display-ere. Dimensiune maximă: 200 x 300cm.

PLĂCI FOAM (KAPPA)

Placa FOAM este o spumă ploiuretanica, care este plasată între 2 fete exterioare de carbon cretat, cu o finisare mata. Plăcile suny rigide, foarte ușoare și cu o netezime excelentă. Suprafa de hârtie a plăcilor de foam este ideală pentru majoitatea modurilor de procesare, fiind excelente la printare directă, vopsire, serigrafie, laminare, tăiere. Pa suprafat lor pot fi executate folii adezive printate. Plăcile foam se pot folosi în realizarea display-urilor, tablourilor, în amenajări magazine, scenografii teatru și TV, panouri, litere volumetrice, decorațiuni interoare, semne neluminoase, etc. Plăcile foam disponibile sunt albe, negre și albe cu adeziv.

Dimensiunile maxime: 70 x 100 cm/100 x 140 cm/150 x 300 cm.

PLEXIGLASS ALB

Plăcile pexiglass sunt foarte rezistente la spargere, având coeficientul de rezistentă la impact de 30 de ori mai mare decât sticla normală. Aceste placi se pote termoformata și sunt foarte flexibile. Plăcile plexiglass se pote folosi în realizarea panourilor publicitare, display-ere, litere volumetrice, reclame luminoase, mobilier urban, protectoare postere, meniuri, construcții luminoase, etc.

Dimensiunea maximă: 200 x 300 mm.

PLEXIGLASS TRANSPARENT

Un înlocuitor excelent pentru sticla, plaxiglass-ul transparent este perfect în confecționarea geamurilor, panourilor publicitare, suporturilor transparente. Acest material este rezistent suficient la spargere. Poate fi termoformatat și este flexibil. Pentru obținerea unei policromii de calitate se recomanda tipărirea plăcii cu un start alb. Prințul se poate realiza pe partea din spate a plăcii, fata fiind utilizată cu rol de protecție și inlocuing sticle ramelor uzuale. Plăcile de plexiglass transparent se folosește în realizarea casetelor luminoase, literelor volumetrice, decorațiunilor interioare, totem-urilor, etc.

Dimensiunea maximă: 200 x 300 m.

ALUCOBOND

Placa de alucobond este compusă dintr-un strat de polietilena, acoperit cu 2 fete de aluminiu, cu un înveliș special care conferă plăcii un aspect deosebit. Plăcile au o suprafață albă, netedă și perfect plană, este ușor și rezistent. Acest material oferă un prinț de calitate și culori vii. Plăcile alucobond se utilizează pentru realizarea totem-urilor, panorilor de afișaj de mari dimensiuni, indicatoarelor de circulație, panourilor de firme, montarea posterelor, decorațiunilor indoor/outdoor, învelirea stâlpilor sau fațadelor, etc.

Dimensiunile maxime: 300 x 150 cm/400 x 150 cm/300 x 200 cm.

PENTAPRINT

Plăcile Pentaprint sunt placi ușoare și rezistențe din PVC. Obținerea unor rezultate excepționale în în procesul de producție este garantată de finisarea excelentă a suprafeței superioare, netezitatea perfectă și gradul ridicat de rezistență. Plăcile rigide Pentaprint permite obținerea culorii vii și detaliilor fine, deoarece acestea sunt transparente și antireflex. Plăcile Pentaprint este folosit în realizarea posterelor, display-urilor, ranelor click, articole decorative, etichte, cărți, etc.

Dimensiunile maxime: 1400 x 1000 mm/1000 x 3000 mm/1600 x 3000 mm.

ALUMINIU

Plăcile din aluminiu sunt excelent conducător termic și electric, maleabile și ductile, reflecta lumină foarte bine și sunt ușor de prelucrat. Au foarte bune proprietăți de sedare și se pot recicla. Plăcile tratate din aluminu au o finisare netedă sau striata, au o greutate redusă și sunt rezistente la coroziune. Plăcile din aluminiu se folosesc la producerea articolelor pentru care sunt avantajoase proprietățile mecanice și de coroziune ale aluminiului și pentru care este esențială greutatea scăzută a materialelor.

Grosimi: 0,50mm/1,00mm/1,50mm/2,00mm;

Dimensiunile maxime: 2000 x 1000 mm/3000 x 1000 mm.

Toate aceste materiale intra la categoria materialelor rigide fiecare având avantajele și dezavantajele lor.

3.3 Elemente de legătura a “vertebrelor”

În continuare vorbim despre elementele de legătura a “vertebrelor” robotului. Pentru un control mai bun s-a optat pentru folosirea materialului numit Nitinol.

Spre deosebire de materialele clasice, materiale inteligente sunt materialele ale căror caracteristici fizice pot fi modificate nu numai prin factorii de încărcare ai respectivei încercări, dar și prin diverse mecanisme care implică o serie de parametri suplimentari cum ar fi radiația luminoasă, temperatura, câmpul magnetic sau câmpul electric, etc. Acești parametri nu au o natură aleatoare, fiind incluși explicit în modelele matematice primare ce descriu respectivul material.

Aliajele cu memoria formei, cum sunt aliajele de Ți, de exemplu (Ni-Ți), supranumit nitinol, având proprietatea de superelasticitate, care este cam de 20 mai mare decât a oțelului inoxidabil, se pretează în mod deosebit la poiectarea unei varietăți de produse medicale noi. Elasticitatea enormă a acestor aliaje este un avantaj foarte imortant conferit de acest material, dar pentru a sublinia valoarea nitinolului pentu industria medicală, ceea ce îl face apreciat și preferat în special pentru dispozitivele utilizate în procedurile intervenționale, trebuie precizate și alte proprietăți: biocompatibilitatea, rezistență la torsiune, constantă la stress, compatibilitate fiziologică, memoria formei, interferență dinamică, hysteresis-uri de rezistență la oboseală, și compatibilitate MRI. Superelasticitatea se referă la o caracteristică neobișnuită a anumitor metale de a suporta o deformare elastică mare. În timp ce multe metale manifestă efecte superelastice, numai aliajul Ni-Ți este compatibil chimic și biologic cu corpul uman.

Firele de nitinol nu pot fi torsionate. Primele aplicații care au găsit avantaje în această trăsătură au fost firele de ghidare din angioplastie, care trebuie să treacă peste traiectele de vase încurcate fără să le încurce. O aplicație foarte apreciată consta în instrumentele cu diametre extrem de mici. Ele sunt capabile să fie învăluite în jurul unei raze de mai puțin de 3 cm fără răsucire. Cele confecționate din oțel inoxidabil s-ar răsuci și ar fi distruse.

Altă caracteristică importantă a materialelor superelastice este aceea că curbele lor de încărcare/descărcare sunt aplatizate, aproape constante. De aceea, forța dispozitivului elastic este determinată de temperatură, și nu de efort ca în materialele Hookiane convenționale. Deoarece temperatura corpului este substanțial constantă, se poate proiecta un dispozitiv care să aplice o tensiune constantă asupra unui întinderi largi de forme. Arcul ortodentic a fost întrodus în ultima perioadă a anilor 1970 și se estimează că mai mult din 30% din cele utilizate azi sunt din nitinol. Caracteristicile extraordinare ale nitinolului fac cu siguranță din el metalul cel mai apropiat mecanic de materialele biologice.

NiȚi are proprietăți excelente de disipare a energiei, rezistență mecanică și rezistență la coroziune, și poate recupera până la 10% deformații reziduale. Sursa acestor proprietăți stă în transformările cristaline de fază. Austenita (faza stabilă la temperatură înaltă) are o structură cubică, iar martensita (faza stabilă la temperatură joasă) o structură monoclinică (Brocca, Brinson și Bazant 2002). Aceste materiale pot fi folosite pentru construirea unor elemente de amortizare care să fie atașate sau înglobate într-o structură în scopul îmbunătățirii caracteristicilor ei de amortizare. 7 Contribuții privind caracterizarea și optimizarea caracteristicelor histeretice ale materialelor compozite Materialul auxetic este un material care are un coeficient Poisson negativ. Evans (1991) a numit aceste materiale auxetice din cuvântul grec auxetos, care înseamnă creștere. Comportamentul dinamic al materialului auxetic se distinge de comportamentul unui material tradițional prin aceea că la întindere el expandează în loc să se subțieze. Legile constitutive ale materialului auxetic sunt cel mai realistic descrise de teoria Cosserat (Cosserat și Cosserat (1909), Eringen (1966, 1968), Mindlin (1964, 1965)). Aliajele cu memoria formei au proprietăți excelente de disipare a energiei și de recuperare a deformațiilor reziduale prin încălzire și pseudoelasticitate în care deformația reziduală este recuperată numai prin încărcare mecanică. Aceste caracteristici sunt cauzate prin transformări cristaline de fază, adică transformări martensitice și transformările inverse, austenitice care apar la nivel microcristalin. Ecuațiile care descriu comportarea structurii fără amortizare sunt cuplate cu un operator

Histerezis primar pentru a putea descrie comportarea structurii cu amortizare adăugată. În urma cuplării ecuației neamortizate cu un operator histerezis primar se obține o ecuație cu amortizare care guvernează comportarea structurii cu amortizare adăugată. Ne putem imagina că prin cuplarea ecuației neamortizate cu mai mulți operatori primari se pot obțin diferite curbe histerezis cu aproximativ aceeași arie, adică cu aceeași capacitate de disipare a energiei în sens static. Apare întrebarea: care din aceste curbe este mai performantă pentru structura cu amortizare adăugată? Pentru a răspunde la această întrebare definim problemă de optimizare a caracteristicilor histeretice în controlul pasiv al vibrațiilor, și modul în care forma curbei histerezis afectează performanța unui element de amortizare construit dintr-un aliaj cu memoria formei sau material auxetic. Se aleg 4 parametrii adimensionali care vor caracteriza bucla histerezis și se descrie semnificația geometrică a acestor parametrii cu ajutorul unui triunghi care circumscrie bucla histerezis. Se definește Problemă de optimizare din care se determină configurația optimă a parametrilor adimensionali de proiectare și respectiv, operatorul histerezis primar astfel încât să avem verificate unul sau mai multe criterii de performanță. De exemplu, putem cere ca alegerea operatorului histerezis primar să fie compatibilă cu ecuația Masuda și Noori a ariei. Compatibilitatea cu ecuația Masuda și Noori înseamnă determinarea unică a unei funcții monoton crescătoare care depinde de material. Determinarea unor caracteristici geometrice ale elementelor de amortizare (lungimi, arii) se face din condiții cum ar fi răspunsul maxim al sistemului să fie minim (evitarea rezonanței) sau amortizarea adăugată în structură să fie maximă.

Fig.3.10 Descrierea proprietăților Nitinolului

3.4 Coloana vertebrala robotica flexibila compusa din materiale cu memoria formei

Introducere

O coloana vertebrala flexibila compusa din materiale cu memoria formei(MMF) poate indeplini atat miscarea de indoire cat si de absorbtie la impact lucru ce va permite robotilor sa realizeze o varietate larga de miscari.

Vom discuta despre o coloana vertebrala robotica flexibila conceputa si simplificata intr-un model dinamic multi-segment simplificat, lucru bazat pe o serie de asimptote verificate.

Materialul cu memoria formei este modelat folosit teoria “Seelecke-Muller-Acenbach”.Un algoritm iterativ este creat pentru a se adresa fortelor exterioare distribuite de-a lungul coloanei vertebrale si astfel de a calcula unghiul de indoire a coloanei vertebrale.

Plecand de la modelul dinamic se poate imbunatati simularea structurii si se poate cauta un algoritm pentru a obtine o eficienta maxima si o solutie stabila.

Sunt facute experimente pentru a verifica simularea si daca rezultate se potrivesc cu teoriile asupra simularii cu erori mai mici de 5 grade.

Coloana vertebrala este o parte foarte importanta din anatomia oamenilor cat si a animalelor.

Odata cu dezvoltarea robotilor umanoizi si biometrici din ce in ce mai multi cercetatori sua focusat pe a imbunatati acesti roboti prin incorporarea coloanei vertebrale.

A fost investigat efectul coloanei vertebrale flexibile asupra eficientizarii energiei si a stabilitatii.

Coloana vertebrala are doua mari functii atunci cand este atasata unui robot.

In primul rand creste gradul de mobilitate si dexteritate si permite miscari rapide de locomotive.

In cel de-al doilea rand o coloana vertebrala flexibila poate cu usurinta sa absoarba socuri si astfel creste eficienta si stabilitatea robotului.

Cativa roboti cu coloana vertebrala flexibila au fost conceputi si testate, cu toate astea doar o mica parte din ei au ambele functii mentionate mai sus.

Robotii umanoizi “Kenta” si “Kotaro” ambii construiti la universitatea din Tokyo au primit coloane vertebrale flexibile cu tot cu tendoane care au fost echipate cu 40 de motoare si 62 de senzori tactili.

A fost ceva enorm foarte scum psi deloc fezabil pentru robotii mici.Robotul biometric “Robota” creat de A.G. Billardt este echipat cu o coloana vertebrala hidraulica care poate sa absoarba cu usurinta orice impact dar este un process destul de complex.

Materialele cu memoria formei sunt materiale care se aplica in multe domenii datorita densitatii mari de energie si rezistenta crescuta.

Materialele cu memoria formei sunt materiale care au capacitatea de a raspunde la o serie de stimuli externi. Aceasta capacitate consta in modificarea formei sau a proprietatilor sub actiunea stimulului extern si revenirea la forma initiala dupa incetarea actiunii stimulului. De exemplu, schimbarea formei cauzata de schimbarea temperaturii se numeste efect de memoria a formei indus termic.

Receptorii moleculari sunt capabili sa manipuleze ioni sau molecule neutre prin procese inalt selective de recunoastere, de reactie si de transport, cu posibilitati de cuplare si reglare la factori externi. Diversele abordari teoretice si mai ales practice ale problematicii combinatiilor macrociclice au conturat un nou domeniu interdisciplinar al chimiei, care vizeaza aspectele fundamentale situate la granita dintre chimie, fizica si biologie care a fost numit Chimie Supramoleculara. Aceasta are in vedere studiul speciilor chimice oaspete-gazda ca structuri bine definite si studiul sistemelor polimoleculare rezultate din unirea mai multor componente si care pot avea caracteristici dependente de natura lor.

Materialele cu memorie a formei sau metalul cu memorie au fost descoperite în anii1930. În 1932 A. Ölander a descoperit comportarea pseudoelastic a aliajului Au-Cd. Mai târziu Greninger și Mooradian (1938) au observat, la aliajele Cu-Zn, formarea și dispariția fazei martensitice odată cu creșterea sau scăderea temperaturii. Despre efectul de memorie, datorat comportării thermoelastice a fazei martensitice, pentru anumite aliaje, au fost publicate ample rapoarte de către Kurdjumov și Khandros (1949), respectiv Chang și Read (1951). Abia în anii 1962-1963, în cadrul Laboratorului Naval Ordnance Laboratory , a fost realizat și lansat primul aliaj cu memorie a formei destinat utilizării pe scară largă, Nitinolul, fiind comercializat ulterior sub numele de Nitinol (un acronym de la Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Aliajul care a dat naștere acestui material conține 58,8% Nichel, Oxigen – maxim 0,05%, Carbon 0,02%, restul de procente (relativ la masă) fiind Titan. Chiar dacă aceste valori sunt aproximativ exacte cu cele folosite la fabricarea respectivului aliaj, proprietățile care caracterizează denumirea de material cu memorie se datorează tratamentului termic și modului în care a fost realizat acets aliaj. Memoria acstui aliaj constă în proprietatea materialului de a fi supus unei solicitări mecanice care conduce la deformarea plastică a corpului alcătuit din acest material, deformare care este înlăturată numai în clipa în care materialul cu memorie este supus unei temperaturi ridicate de recuperare a formei. O altă proprietate deosebită a acestui aliaj constă în superelasticitatea prezentată de aliajele cu memorie a formei, superelasticitate exploatată cu succes, mai ales în construcția arcurilor. Aceste fenomene se explică prin prezența fazei de transformare martensitică de simetrie redusă, pentru temperaturi scazute sau temperatura ambiantă, respectiv, odată cu încălzirea materialului, trecerea la o fază cu simetrie cristalografică ridicată – austenită. Această reorganizare structurală are efecte macroscopice care conduc la variații dimensionale ale aliajelor, fapt ce poate fi exploatat în construcția unor dispozitive eficiente energetic și miniaturizabile.

Cele mai cunoscute aliaje care prezintă efectul de memorie a formei sunt NiTi

(Nichel – Titanium), CuZnAl, și CuAlNi.

Cele două proprietăți amintite anterior : efectul de memorie și pseudoelasticitatea se datorează unor transfomări de fază solidă, ceea ce constă în rearanjarea moleculară a aliajului fără a intervene schimbări de fază (solid în lichid sau gaz). Explicația constă în modificarea în anumite limite a distanțelor interatomice, intermoleculare, fără a apărea distrugerea acestror legături, materialul rămânând în continuare în stare solidă. Cele mai multe aliaje care au proprietațile menționate, prezintă inițierea aceste modificări la variații ale temperaturii de minim 10°C. Cele două faze care permit modificările caracteristicilor fizice ale aliajului, în condiții termodinamice specifice poartă numele de faza Martensitică, și faza Austenitică.

Faza Martensită a fost denumită astfel după numele metalurgistului german , Adolf Martens (1850-1914). Această fază este considerată a avea o structură cristalină.

Coloana vertebrala compusa din materiale cu memoria formei prezinta doua avantaje.

Poate avea flexibilitate in miscare si indoire putand apoi sa revina la forma initiala si avand pseudo elasticitate materialul cu memoria formei devine foarte elastic in punctul de miscare maxima si este excellent pentru absorbtie.

In al doilea rand coloana vertebrala este foarte compacta pentru minimizare si este superioara coloanelor vertebrale actionate de motoare hidraulice din punct de vedere al volumui greutatii si al costului.

Exista numaroase studii privind materialele cu memoria formei si asupra aplicabilitatii acestora.

Avand la baza aceste concept putem descrie un mecanism al coloanei vertebrale actionat de material cu memoria formei si sa prezentam un model dinamic ce poate face fata fortelor externe distribuite pe coloana vertebrala cat si ca un algoritm iterativ care poate calcula efficient comportamentul coloanei vertebrale.

3.5 Metoda si principiul de design.

Coloana vertebrala robotica este compusa dintr-un tub flexibil patru fire cu memoria formei noua inele care sa tina unite firele de-a lungul tubului si doua disccuri cu rolul de a fixa firele la fiecare capat.

Tubul flexibil este confectionat din poliuretan, fiind catalogat ca si un material foarte rezistent, gaura centrala a tubului este folosita pentru a tine intr-un singur loc firele electrice prinse de firele din material cu memoria formei, altfel acestea ar atarna pe langa si astfel ar putea sa afecteze modul de indoire al coloanei vertebrale.

Inelele sunt fixate pe tub cu ajutorul suruburilor, diametrul interior este putin mai mare decat cel al tubului, astfel tubul are o mai mare libertate de miscare.

Patru orificii sunt distribuite simetric de-a lungul inelelor pentru a tine firele din material cu memoria formei de-a lungul tubului.

Inca patru orificii sunt facute pentru senzorii ce or sa fie folositi.

Cele doua discuti sunt distribuite la capatul tubului, cele 4 fire de material cu memoria formei sunt pretensionate(4.8%) si fixate in discuri cu ajutorul unor bolturi.

Pe langa coloana vertebrala un piedestal/support a fost creat pentru experimente si optimizare, asa cum se vede in figura de mai jos.

Piedestatul este o structura indeajuns de grea incat sa suporte indoirea coloanei vertebrale fara ca aceasta sa se rastoarne.

Pe piedestal sunt dispositive de tensiune ce pot fi folosite pentru a ajusta firele din material cu memoria formei.

3.6 Modelarea

Modelul complet a coloanei vertebrale din material cu memoria formei contine patru sub-modele:

Transformarea materialului cu memoria formei, balanta energetica al materialului cu memoria formei relatia constructive a materialului cu memoria formei si indoirea coloanei vertebrale.

Cu toate ca zona robotica este vasta si in continua dezvoltare, gasirea materialelor pentru acest domeniu strict este dificila, eu personal am incercat sa gasesc anumite carti legate de mobilitatea robotilor dar nu am reusit sa gasesc, chiar daca am incercat la biblioteca centrala a Politehnicii, motiv pentru care m-am reorientat spre a gasi materiale pe internet care sa ma ajute sa duc la bun sfarsit aceasta lucrare de dizertatie.

3.7 Locomotia serpilor roboti

In zilele noastre serpii roboti reprezinta un domeniu din ce in ce mai extins al roboticii. Deseori termenul de sarpe ca robot este aplicat tuturor robotilor hiper-redundanti; aceºtia sunt formati din module conectate prin articulatii active sau pasive. Printre aceste dispozitive adevaratii serpi roboti sunt aceia care folosesc miscarile ondulatorii ale lanturilor succesive de modul pentru locomotie pe suprafete dure si in lichide. Atentia specialistilor in design serpentin este explicata prin dorinta lor de a folosi posibilitati unice de adaptare la suprafete si medii ale animalelor fara membre. Aceste posibilitati sunt relativ armonizate cu anatomia simpla.

Mecanismul serpentin are o fascinatie particulara datorita miscarii singulare de obicei asociata cu animale ca serpii sau tentaculele. Cateva dispozitive mobile terestre se misca fara a folosi roti sau picioare ; acelea care exista in laborator au expus doar caracteristicile brute ale animalelor naturale fara membre ca serpii. Caracteristicile serpentine includ serii de lanturi ale actuatorilor capabili sa subtinda micile curbe. Oricum multe din aceste eforturi prime incorporau caracteristici non-biologice: folosirea rotitelor pentru suport si propulsie sau folosirea unor pini ficsi pentru suport si tractiune.

BIONICA ROBOTULUI SARPE

Bionica este aplicatia metodelor si sistemelor gasite in natura a studiului si designului de inginerie a sistemelor si tehnologiei moderne. Serpii sunt ultimul exemplu de animale fara picioare; modurile si caliatatea locomotiei lor exceda toate celelate animale locomotoare fara membre. Sarpele este o vertrebrata, un animal cu coloana vertebrala, si are cel mai mare numar de vertebre dintre toate animalele: intre 100-400 vertebre, in functie de specie.

Serpii si alte animale fara membre au fost obiect de studiu de secole intregi. Oricum, pana recent, o mica cercetare s-a concentrat pe mecanica detaliata a locomotiei serpentine. Totusi, exista o anumita cantitate de informatii despre aspectele calitative ale locomotiei sarpelui. Sunt cateva clase de locomotie ale animalelor fara membre; acestea includ ondulatii laterale, dintr-o parte in alta, lineare si alte forme mai putin comune. Aceste clase sunt, de fapt, mersuri, termen asociat in mod normal cu animalele cu picioare. Mersurile sunt repetitii de miscari pentru a schimba viteza, a se adapta la teren si a-si imbunatati stabilitatea.

.

3.8 Moduri de locomotie

Ondulatii laterale

Ondulatia laterala este cea mai frecventa forma de locomotie folosita de cei mai multi serpi. Toate partile corpului se misca simultan, experimentand tararea continua in contact cu pamantul. Este o miscare de tarare cu toate partile miscandu-se cu aceeasi viteza care are loc in timpul propagarii valurilor de la capatul pana la coada sarpelui. Sarpele ramane in contact cu suprafata si miscarea este similara cu aceea a inotatului. Energia consumata este comparabila cu aceea a animalelor cu picioare de aceeasi marime. In timpul ondularii laterale, sarpele impinge impotriva caracteristicilor in mediul pentru a facilita inaintarea.

Concertina

Mersul concertina isi deriva numele de la instrumentul acordeon datorita formei si miscarii corpului sarpelui. Progresia concertina prevede o baza in care partile corpului se opresc pentru a urma si alte parti ale corpului se misca inainte. Secventa se repeta, si sarpele se misca inainte. Este de obicei folosit in spatii limitate, ca tuneluri, unde sarpele nu poate utiliza intreaga amplitudine a miscarilor sale.

Cum se arata mai jos, trunchiul inainteaza la fiecare contact si este simultan asezat intr-o curba modelata.Miscarile concertina seamana, in anumite feluri, cu miscarea viermilor; parti ale corpului raman intr-un loc si alte parti se misca inainte. Probabil ar parea usor sa-l implementezi intr-un mecanism decat alte forme de locomotie ale sarpelui.

Miscarea in parti

Miscarea in parti este folosirea continua si alternativa a valurilor de aplecari laterale. A forta in jos este exercitata pentru urmarea pe spatii joase taiate precum nisipul; acest mod stabileste puncte stabile de contact pentru a trece substraturi relativ nivelate.Sunt doar doua cai de contact in timp ce sarpele este in miscare.Tehnica minimizeaza alunecarea si este mai eficienta decat ondularea laterala. Unii serpi care se misca in parti au fost observati traversand in continuu distante de kilometri.

Miscarea in parti este folosita in primul rand de serpii din regiunile de desert unde nisipul este prevalent. Dezvoltarea miscarii in parti poate fi relationata de nevoia de tractiune pe suprafetele joase precum nisipul si nevoia de a ocoli temperaturile ridicate ale terenurilor de desert. Cum este aratat mai jos, miscarea in parti poate fi considerata ca si ,,cojirea” corpului dintr-un loc in urmatorul. Sinele sau liniile, arata rularea contactelor corpului pe durata miscarii.

Miscarea rectilinie

Progresia rectilinie foloseste miscari ale pielii cu respesct la scheletonul de ,,racheta” al corpului de-a lungul pamantului. Miscarea rectiline este o miscare inceata de tarare folosind burta pentru a prevedea tractiune prin ancorare si este de obicei folosita de serpii mari. Oricum, aceasta a fost dezaprobata de observatiile cu raze x ale sarpelui in miscare. Muschii conectati de la coaste la pielea elastica prevede miscari propulsive prin miscari de reciprocitate. In locomotia rectilinie, cateva portiuni ale corpului sunt in contact cu pamantul la un moment dat si miscarea foloseste caluri simetrice. Doar miscari verticale sunt necesare pentru miscarea rectilinie.

3.9 Aplicatie – roboti inspirati din biologie

Deplasare tip unda a unui robot sarpe:

Miscarea de inaintare a structurii robotice tip sarpe se produce in urma executiei unui anumit numar de cicluri de miscare. Exista o mare diversitate de realizare a ciclurilor de miscare.

In lucrarea de fata se prezinta metoda undelor de deplasare. Sunt analizate doua cazuri: unda de deplasare pentru structure continue si unda de deplasare pentru structuri discrete. La randul lor, cele continue sunt impartite in doua cazuri: unde realizate prin curbare si unde realizate prin extensibilitate/ comprimare. In cadrul unui ciclu de miscare se poate considera o singura unda sau mai multe.

Un ciclu de miscare este compus din trei faze:

Faza I: In starea initial, structura este intinsa si capatul este fixat in sol.

Faza II: Se formeaza undele pe structura robotului prin deplasarea cozii.

Faza III: Se fixeaza coada ,,sarpelui” si se intinde structura robotica prin deplasarea capului. Apoi se revine la pozitia initiala.

Varianta I. Structura continua, o singura unda spatiala:

Varianta II. Structura continua, n unde spatiale

Varianta III. Structura continua, o unda prin extensibilitate

Varianta IV. Structura continua, n unde prin extensibilitate

Varianta V. Structura discreta, o singura unda spatiala

Varianta VI. Structura discreta, n unde spatiale

3.10 Concluzii:

– In urma unui ciclu de miscare structura robotica inainteaza. In functie de timpul in care se desfasoara un ciclu de miscare rezulta viteza de deplasare a structurii robotice.

– Dandu-se o distanta de parcurs, se poate determina timpul necesar (T) in care este parcurs.

– Deasemenea se poate determina numarul de cicluri de miscare.

3.11 Constructia robotului serpentronic

Robotul sarpe care este alcatuit din 6 segmente, fiecare segment fiind actionat de un servomotor. Segmentele alterneaza in orientare astfel incat primul segment se misca orizontal iar urmatorul segment se misca vertical. Aceasta secventa se repeta pentru toate cele 6 segmente si cap. Aceasta ii ofera suficienta flexibilitate sa-si miste corpul in diferite moduri pentru a obtine locomotia in aproape acelasi fel ca si sarpele biologic. Robotul este controlat de un microcontroler PIC 16F84. Acesta este folosit pentru a urma miscarea fiecarei sectiuni a corpului sarpelui prin intermediul servomotorului.

3.12 Sistem senzorial pentru brațe hiper-redundante

În urma cercetărilor efectuate, am constatat că este dificil să găsesc informații strict legate de brațe robotice flexibile sau de coloane vertebrale robotice.

Cercetările despre coloanele vertebrale flexibile au avut mai mult succes reușind să adun informații bune despre modul de realizare si funcționare.

Următorul pas în cercetare constă în vorbirea despre un sistem senzorial pentru brațele hiper-redundante.

În acest capitol vorbim despre sistemul senzorial al unei structuri robotice ce folosește un sistem electropneumatic pentru controlul poziției.

Este folosit un sistem de cabluri acționate cu un motor de curent continuu pentru mișcarea structurii.

O anumită poziție a robotului poate fi obținută îndoind structura robotică după cum ne dorim noi și apoi putem bloca elementele robotului după bunul plac folosind sistemul electropneumatic.

Introducere

Brațele hiper-redundante fac parte dintr-o clasă de manipulatoare care pot atinge orice poziție și orientare în spațiu.

Inspirate din natură cum ar fi trompă unui elefant, tentacule sau șerpi, aceste brațe reprezintă structură mecanică cu elemente continue descrise de modele parametrice distribuite.

În comparație cu manipulatoarele clasice, roboții hiper-redundanți pot opera în zone restrictive, în spații mici, înguste și așa mai departe, deci nu este importantă doar poziția corpului manipulatorului dar și aducerea elementului de prindere în poziția dorită.

Brațul robotic este format din elemente identice, conectate în serie.

Prin modificarea poziției unghiulare, obținem exact mișcarea de care avem nevoie.

Fig 3.10. Exemple de manipulatoare inspirate de natură.

Robotul poate fi considerat că fiind creat din grupuri de elemente (segmenți), fiecare segment având îndoire proprie.

Cablurile pentru actuare sunt necesare pentru fiecare segment în parte.

În medie avem nevoie de 3 astfel de cabluri pentru acționarea corespunzătoare a brațului robotic.

3.13 Arhitectura robotului: Prezentare generală

Sistemul propus este construit dintr-o singură secțiune din punct de vedere al actuatarii.

Mișcarea robotului se obține folosind doar 3 cabluri lucrând împreună și având în spate un sistem electropneumatic

Fiecare element poate fi blocat individual fără a depinde de celelalte segmente folosind acest sistem electropneumatic.

Pentru a obține poziția dorită, e necesar că următoarele etape să se repete:

Sistemul de blocare electropneumatic este folosit să blocheze toți segmenții mai puțin aceia care vrem să se miște;

Poziția elementelor libere este modificată folosind sistemul de actuare al cablurilor

Procesul este repetat până când obținem poziția dorită.

Fig 3.11. Braț robotic hiper redundant acționat de cabluri

3.14 Descrierea elementelor

Din punct de vedere al construcției un element robotic este format din două discuri conectate cu o tijă rigidă. Unul dintre discuri este considerat bază elementului și este fixat bine pe tijă, perpendicular pe ea, așa cum se vede și în figură 3 și în figură 4.

Fig 3.12. Element braț robotic

Fig 3.13. Asamblare robotică Fig 3.14. Detaliu articulație sferică

Al doilea disc este conectat la tijă cu ajutorul unei articulații sferice. Un capăt al tijei este compus dintr-o sferă reprezentând partea internă a articulației sferice.

Mijlocul discului este compus dintr-un element ce seamănă cu un tort, lucru ce reprezintă partea externă a articulației sferice. Datorită restricțiilor impuse de sistemul de acționare, aceasta poate fi considerată o cupla cinematica cu 4 grade de libertate, rotația în jurul axei este anulată.

Constructiv, discul mobil își poate modifica poziția în funcție de discul fix sau de tijă rigidă realizând în același timp o rotație parțial în jurul axei OX și OY.

Sistemul de blocare electropneumatic

Un piston pneumatic, simplu, este introdus în tija, pentru a face acționarea, partea mobila a pistonului presează pe partea internă a articulației sferice.

Fig 3.15. Sistemul de blocare electropneumatic

Fig 3.16. Sistemul electropneumatic văzut în detaliu.

Ambele părți ale sferei ce interacționează cu pistonul sunt procesate în așa fel încât să asigure un bun coeficient de frecare. Presiunea sistemului este controlată cu ajutorul unei electrovalve.

Sistemul electropneumatic asigura blocarea și deblocarea elementelor (segmenților).

Elementele/segmenții care nu sunt blocați pot fi îndoiți folosind sistemul de acționare bazat pe cabluri.

3.15 Sistemul senzorial

Pentru determinarea curburii segmenților hiper-redundanți trebuie calculat incremental spațial unghiular pentru fiecare segment în parte.

Senzorul poate măsura rotirea curburii descrise de elementul mobil.

Tot la capitolul senzori putem vorbi despre un sistem opto mecatronic pentru poziționarea roboților.

S-a adus în discuție acest tip de pozitionaredatorita faptului că se poate aplica în special la roboții inspirați din natură, precum un robot ce imită trompă unui elefant sau forma unei rame ce se mișca pe sol.

Sistemul de detective este plasat în exteriorul robotului și este compus din două module de poziționare în spațiu ce urmărește în mod automat fascicolului de lumină care este fixat pe robot.

Componenta principal din acest sistem de detective este modulul de poziționare în spațiu.

Acest modul robotic paralel dispune de 3 grade de libertate prevăzute cu un dispozitiv de vedere electrooptică formată dintr-un fotosenzori și un obiectiv optic.

Modul de funcționare este următorul:

În momentul în care cele 4 semnale sunt egale, adică axa de vizionare corespunde cu direcția razei de lumina atunci rezultatele încep să fie înregistrate în calculator.

Scopul este de a determina poziția brațului robotic în orice moment.

Detecția optoelectronică a sursei de lumină profita de un sistem optic de lentile ce ajută la focusarea imaginii dar în același timp pierde din unghiul de supraveghere.

Un model linear direct poate fi folosit pentru calcule suplimentare pentru a garanta valorile inițiale ale unui algoritm iterative:

În urma testării acestui sistem opto mecatronic, următoarele concluzii pot fi notate:

Un sistem optomecatronicpentru detecția sursei de lumină a fost construit prin folosirea unui robot cu 3 grade de libertate.

La baza are principiul de funcționare al unui modul al unui microrobot flexibil cu mișcare autonoma acționând ca o rama și a fost folosit pentru poziționarea în spațiu a robotului.

Avantajul major al acestui sistem opto mecatronic îl constituie faptul că nu trebuie să fie poziționat direct pe robot deci robotul nu va fi încărcat inutil, se aflalanga robot și poate înregistra fiecare mișcare a acestuia în timp real.

Principalul scop a fost acela de a epuiza toate sursele disponibile pentru a avea suficiente materiale la dispoziție cu scopul de a face o lucrare cât mai exactă.

În urma studiilor am reușit să îmi fac o idee de bază despre cum va arăta în final brațul robotic flexibil.

Într-adevăr, toate versiunile existente sunt foarte complicate, dar la bază au același principiu de funcționare cu mai multe sau mai puține grade de libertate.

Plecând de la modelele existente, am optat pentru o versiune de braț robotic 2D, din cauza faptului că materialele pentru construcția lui sunt mai accesibile și un astfel de robot asigura o funcționare corectă aproape de 100%.

Acestea fiind spuse, în cele ce urmează am să prezint o soluție constructivă propie și anume o combinație între în braț robotic flexibil și o coloană vertebrală robotică, de asemenea flexibilă.

Realizarea teoretică a acestui braț robotic, și aici mă refer la proiectarea lui, a fost făcută în programul de proiectare “Căția V5-6 R2013”.

Acesta a reprezentat primul pas în construcția robotului.

În urma proiectării brațului robotic am obținut următorul model:

Fig 3.17. Element robotic

În figură 7 este prezentat un element al brațului robotic flexibil, acesta având toate orificiile necesare pentru o conexiune fie cu ajutorul unor servomotoare fie cu ajutorul unor fire de nitinol.

Fig 3.18. Element braț robotic

În figura 8 este prezentat același element robotic dar dintr-un alt unghi astfel încât să fie vizibilă prinderea de celelalte elemente, se poate observa că prinderea se face simplu prin presare.

Fig 3.19. Element al brațului robotic

În figura 9 am vrut să scot în evidență precizia cu care au fost create orificiile pe unde or să treacă firele de nitinol. Patru orificii au fost create pentru a asigura un control complet asupra brațului robotic flexibil.

De precizat faptul că aceste cuple să le numim așa, aceste elemente ce formează brațul au fost făcute de așa natură încât să încapă în interiorul lor și servomotoarele în cazul in care se optează pentru o astfel de acționare.

Fig 3.20. Ansamblu braț robotic

În figura 10 este prezentat ansamblul brațului robotic, versiunea brută a acestuia.

Fig 3.21. Braț robotic flexibil

În figura 11 se poate observa mobilitatea ansamblului dar și spațiul suficient intre “vertebre, spațiu folosit pentru mascarea servomotorului în cazul folosirii.

Dată fiind forma brațului robotic, am simplificat și mai mult procesul ce acționare, adică nu este nevoie să cuplat servomotoare pentru fiecare element în parte și este suficient să acționat 1-2 elemente pentru că restul să se miște în funcție de mișcarea celor acționate, făcând astfel o mișcare completă și putând să se miște pe orice suprafață plană.

Fig 3.22. Braț robotic văzut de sus

În figura 12 am vrut să evidențiez faptul că în același timp putem folosi o acționare cu servomotoare dar și una cu fire de nitinol fără a fi nevoie să renunțăm la una pentru cealaltă, acest lucru se datorează orificiilor special făcute pentru a suporta doua acționari.

În continuare am să prezint cele mai bune servomotoare pentru o astfel de acționare.

3.16 Servomotorul 

Este un element component al unui sistem care funcțional implica poziții relative reglabile între anumite elemente componente ale sale.

– Servomotorul este elementul component care acționează direct sau indirect asupra elementelor componente cu poziții relative

Reglabile

– Servomotorul poate avea poziție fixă, blocat pe sistem, în imediata lui apropiere sau poate fi conținut în subsistemul unui

Element cu poziție reglabilă

– Puterea motorului servomotorului determina viteza de modificare a poziției reletive și frecvența de modificare a poziției relative

– Puterea motorului servomotorului este invers proporțională cu nivelul de precizie al servomotorului

– Soluția tehnică care definește servomotorul, implica soluții constructive simple, care funcțional, impun un consum redus de

Energie, o cinematică definită de mișcări lineare, circulare sau combinări ale acestora

– Soluția tehnică care definește servomotorul are o arie largă de aplicabilitate, fiind concepută pentru o multitudine de sisteme,

Prin aceasta inducând soluțiile tehnice și constructive pentru sistemele în care este agreat funcțional, rezultatul global

Fiind soluții constructive compacte, modulate, interschimbabile, standardizate pentru servomotoare.

Prima opțiune ar fi acest servomotor de 9 grame:

Ce are următoarele caracteristici:

Un alt model de servomotor:

Având următoarele caracteristici:

Avantajul acestui tip de servomotor este viteza. Faptul că are un număr mai mare de rotații pe minut decât cel precedent, dar dezavantajul cel mai mare în constituie greutatea lui, acele 45 de grame îngreunează prea mult construcția robotică.

Si nu in ultimul rand, servomotorul pe care am decis sa fie folosit in actionarea manipulatorului, si anume servomotorul MG996R

MG996R

Caracteristici motor:

Dacă nu vrem să lucrăm cu servomotoare, o opțiune bună o reprezintă firele de nitinol.

Fig 3.23. Fire subțiri de nitinol

Fig 3.24. DIferite tipuri de fire de nitinol

Fig 3.25. Proprietatea de bază a firului de nitinol.

3.17 Printarea 3D

După ce am terminat cu partea teoretică, urmează partea practică, și anume printarea 3D a ansamblului pentru a putea pune în practică mișcarea acestuia și modul în care se comporta fie atunci când este acționat cu ajutorul firelor de nitinol fie atunci când este acționat folosind servomotoare.

Imprimarea 3D este un proces de formare a unui obiect solid tridimensional de orice formă, realizat printr-un proces aditiv, în cazul în care straturi succesive de material sunt stabilite în diferite forme. Imprimarea 3D este, de asemenea, distinctă de tehnicile de prelucrare tradiționale, care se bazează în principal pe eliminarea materialelor prin metode cum ar fi tăiere sau de foraj (procesele substractive).

Imprimantele 3D permit designerilor să producă într-un timp foarte scurt un prototip. În consecință prototipul poate fi testat și remodelat rapid. Constructorii de bolide de Formula 1 pot obține cu ajutorul aparatelor de imprimare componente cu forme extrem de complexe. Producția acestor piese prin metode clasice durează câteva săptămâni, însă folosirea acestor noi tehnologii de imprimare reduce acest interval de timp la 48 de ore. Astfel, timpul câștigat oferă posibilitatea testării mai multor variante ale componentelor cu scopul dezvoltării cât mai rapide a soluției necesare.

O imprimanta 3D este un tip limitat de robot industrial, care este capabil să efectueze acest proces sub control computerizat.

Există mai multe tehnologii de imprimare 3D:

Imprimare prin extrudare (FDM)

Imprimare cu pulbere (SLS)

Steriolitografie (SLA)

Cea mai comună metodă este FDM, care s-a impus ca rezultat al costurilor mici al imprimantelor/consumabilelor. Această metodă utilizează ca materie primă filamentul de PLA/ABS.

Motivele pentru care am ales să folosesc această metodă, sunt următoarele:

Deși aproape incredibil, prin printare 3D se pot realiza mecanisme pe deplin funcționale, dintr-un singur proces tehnologic, fără a mai fi necesare alte procedee de asamblare postproducție.

Mecanisme, cum ar fi rulmenți cu bile, lanțuri, chiar și cutii de viteze întregi sau motoare pot fi imprimate prin această metodă.

Explicația acestei performante este metoda aditivă, de fabricare a produsului strat cu strat utilizată de imprimantă 3D. Pentru cazul în care vor exista spații între părți în mișcare este folosit un al doilea material denumit material suport. Odată ce piesă dorită este finalizata acesta este scoasă din mașină, iar materialul suport este eliminat mecanic sau, după caz, dizolvat în cuvă cu ultrasunete, lăsând un mecanism de lucru perfect.

Procesele tradiționale ar implica crearea de matrițe, urmate de procese de muncă intensivă de turnare, finisare și asamblare, care costă timp și bani. Procedura de printare 3D salvează bani și timp prețios, pentru că în cazul acestui procedeu de fabricație nu există nicio diferență între un produs finit simplu și un produs care prin tehnologiile clasice ar necesita procedee complicate de asamblare.

Printare 3D cu materiale inovative
Într-o gamă bogată de culori

În acest moment, Webgreen vă oferă serviciul de printare 3D într-o gamă de până la 12 culori, în funcție de tipul de material dorit: ABS, PLA, Flex-PLA, NYLON sau mixuri de polimeri cu inserție de nisip sau lemn.

5 motive pentru a folosi printarea 3D
În locul procedeelor tradiționale

Procesul de imprimare 3D nu necesită matrițe din cauza metodei de fabricație în care materialul este adăugat în straturi succesive.
Printarea 3D are câteva avantaje majore față de metodele tradiționale de fabricație:

1. Reducerea timpului de realizare
Din cauza complexității lor, matrițele moderne necesita uneori câteva săptămâni pentru a fi realizate. Obiectele realizate prin printare 3D nu numai că nu necesită matrițe, dar pentru că și cele mai complexe modele să poată fi printate 3D într-o singură bucată, nu este necesar niciun procedeu de asamblare a produsului, odată ce materialul suport a fost eliminat avem piesa finită.

– Cost: Matrițele sunt foarte costisitoare, chiar dacă nu sunt de dimensiuni mari, ele vă pot costa de la câteva sute la câteva mii de euro. Dacă sunteți în curs de a dezvolta un nou produs, probabil că veți avea nevoie de mai mult de un singur tip de model de testat înainte de fabricație, ceea ce înseamnă o matriță nouă de fiecare dată.
– Complexitatea formelor: Atunci când un produs este modelat, matrița trebuie să fie eliminată după ce a fost utilizată. Acest lucru limitează complexitatea designului. În imprimarea 3D, complexitatea este aproape nelimitată, ceea ce înseamnă că “formele imposibile” sau mecanisme funcționale pot fi imprimate într-o singură mișcare.
– Asamblarea: Deoarece nu este necesar nici un alt procedeu de fabricare, nu sunt necesare rosturi sau suprafețe de îmbinare și nici stabilirea unui proces tehnologic ulterior printării.

Ce înseamnă acest lucru pentru producția de masă?
Printarea 3D nu este un substitut pentru metodele actuale de producție de masă (încă). După ce prototipul a fost creat, producția devine mult mai ieftină și mai rapidă prin metode tradiționale. Printarea 3D face însă că procesul de proiectare a produselor să fie mult mai rapid și cu rezultate mai bune, datorită termenelor de livrare și costurilor reduse în producerea de prototipuri.
Printarea 3D deschide cu toate acestea piața produselor low-volum. Designerii pot lansa produsele pe piața de două ori mai repede decât prin metodele tradiționale de concepere și testare.

2. Rapiditate
Pentru că acest procedeu nu implică nici un tip de matrița, durata de fabricație consta în timpul necesar printării 3D a produsului. Astfel, un obiect de mici dimensiuni poate fi realizat și livrat în doar câteva ore. Dacă obiectul dorit are o structură complexă, prin tehnologiile tradiționale, doar realizarea matriței ar dura săptămâni, iar dacă procesul necesita și asamblare, timpul și costurile de producție cresc pe măsură.

3. Cost raportat doar la volum
Una dintre calitățile cele mai incitante ale printării 3D este faptul că la baza calculării costului de fabricație sta exclusiv volumul de material utilizat. Deoarece tehnologia de printare 3D consta în “construirea” obiectului sau mecanismului gata asamblat prin depunere succesivă de straturi de material, complexitatea lucrării nu contează, nefiind necesare alte manopere și procedee adiacente. Cheltuielile de producție vor fi raportate astfel doar la dimensiunea obiectului, indiferent de complexitatea acestuia.

4. Realizarea de forme imposibile pentru tehnologia tradițională
Printarea 3D are incredibilă capacitate de a realiza mecanisme perfect funcționale, dintr-o singură operațiune, fără alte procedee de asamblare și post producție. Mecanisme cum sunt rulmenții cu bile, lanțuri, chiar și cutii de viteze întregi sau motoare pot fi imprimate într-un singur procedeu tehnologic.

Dacă ar fi să folosiți procedeele tradiționale, ar trebui realizate matrițe multiple, urmate de procese de muncă intensivă de asamblare, care costă timp și bani. În tehnologia aditivă prin care se execută printarea 3D, complexitatea nu implică deloc costuri suplimentare.

Capitolul IV Modelarea matematica

Asa cum s-a mentionat si in capitolul anterior, actionarea manipulatorului hiper-redundant se va face cu ajutorul a doua servomotare, o placa de achizitie si un stabilizator de tensiune.

Servomotor MG966R

Programarea motoarelor se face cu ajutorul unei placi de dezvoltare Arduino, motiv pentru care s-a optat pentru urmatoarea placa:

Placa de dezvoltare compatibila cu Arduino Pro Micro

Caracteristici tehnice:

Pentru a asigura o functionalitate corecta, s-a optat pentru un stabilizator de tensiune, acesta avand scopul de a proteja motorul in momentul in care marim voltajul acestuia.

S-a optat pentru urmatorul model de stabilizator de tensiune:

Modul DC-DC Step Down LM2596

Caracteristici tehnice:

Modulul este unul de foarte bună calitate. El poate limita tensiuni între 3V și 40V, având un curent de ieșire de maxim 3A. Modulul reprezintă o sursă în comutație, astfel că nu disipă foarte multă căldură.

Tensiunea de ieșire poate fi reglată din potențiometru.

Pentru a funcționa la capacitate maximă, este recomandat să folosim un sistem de răcire suplimentar.

Dimensiune: 45mm x 20mm x 14mm.

Daca dispunem de o sursă constantă de 35V – 40V, acest modul este ideal pentru a construi propria sursă reglabilă.

Capitolul V Experimentari

Capitolol VI Concluzii

Capitolul VII Bibliografie

L. Peters, “Robotics,” ERCIM News no. 42, July 2000, http://www.ercim.eu/.

M. Jean-Arcady and G. Agnès, “Biologically inspired robots,” în Handbook of Robotics, B. Siciliano and O. Khatib, Eds., pp. 1395–1418, Springer (Malestrom), 2008. View at Google Scholar

J. C. Zufferey and D. Floreano, “Toward 30-gram autonomous indoor aircraft: vision-based obstacle avoidance and altitude control,” în Proceedings of the IEEE Internațional Conference on Robotics and Automation, pp. 2594–2599, April 2005. View at Publisher · View at Google Scholar · View at Scopus

Harrison R. R. and Koch C, “A Silicon implementation of the fly’s optomotor control system în letter by M.V. Srinivasan and Stephen DeWeerth,” Neural Computation, vol. 12, pp. 2291–2304, Massachusetts institute of Technology, 2000.

B. R. Fajen, W. H. Warren, S. Temizer, and L. P. Kaelbing, “A dynamical model of visually-guided steering, obstacle avoidance, and route selection,” Internațional Journal of Computer Vision, vol. 54, no. 1-3, pp. 13–34, 2003. View at Google Scholar · View at Scopus

www.wikipedia.com

http://www.printing3d.ro/avantaje/

https://ro.wikipedia.org/wiki/Imprimare_3D

https://www.optimusdigital.ro/electronica-de-putere-surse-in-comutatie/562-modul-dc-dc-step-down-lm2596-albastru-intrare-3-35-v.html?search_query=Modul+DC-DC+Step+Down+LM2596+Albastru+Intrare+3+-+35+V+SMD&results=1

https://www.optimusdigital.ro/placi-de-dezvoltare-placi-compatibile-cu-arduino/132-placa-de-dezvoltare-compatibila-cu-arduino-pro-micro.html?search_query=arduino&results=137

https://www.optimusdigital.ro/cautare?controller=search&orderby=position&orderway=desc&search_query=mg996&submit_search=

https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium

https://en.wikipedia.org/wiki/Robotic_arm

http://www.ttonline.ro/sectiuni/roboti/articole/12170-roboti-industriali-aspecte-practice

http://phys.org/news/2010-11-robotic-arm-elephant-trunk-video.html

http://memm.utcluj.ro/materiale_didactice/sist_em1/pps/cursSEM7.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Poly(methyl_methacrylate)

http://www.sim.tuiasi.ro/wp-content/uploads/L.G.Bujoreanu-Mater_Nemetal_Mem_Formei.pdf

https://www.cs.cmu.edu/~mihaib/articole/roboti/roboti-html.html

http://www.scrigroup.com/calculatoare/calculatoare/SISTEME-DE-CONDUCERE-A-ROBOTIL14336.php