Robot Hiper Redundant Pentru Manipulari In Zone de Dezastre Ecologice sau Naturale. Studiul Arhitecturii Robotului Si a Sistemului de Actionare

CUPRINS

INTRODUCERE

Factori generatori de dezastre ecologice

Adunarea Generală a Organizației Națiunilor Unite prin rezoluția nr. 64/200 din 21 decembrie 2009 a desemnat ziua de 13 octombrie ca fiind Ziua Internațională pentru Reducerea Riscului Dezastrelor Naturale ca mijloc de promovare a unei culturi globale cu privire la reducerea efectelor acestor fenomene – inclusiv prevenirea, atenuarea efectelor și pregătirea împotriva dezastrelor. Conform terminologiei adoptate de Organizația Națiunilor Unite, dezastrul reprezintă o degradare serioasă a societății, care produce pierderi umane și materiale importante sau modificări majore ale mediului, care depășesc capacitatea de răspuns a comunității respective, utilizând mijloacele proprii disponibile [1].

Protecția Civilă este o componentă a Sistemului Securității Naționale și reprezintă un ansamblu integrat de activități specifice, măsuri și sarcini organizatorice, tehnice, operative, cu un caracter umanitar și de informare publică, planificate, organizate și realizate în scopul prevenirii și reducerii riscurilor de producere a dezastrelor, protejării populației, bunurilor și mediului împotriva efectelor negative ale situațiilor de urgență, conflictelor armate și înlăturării operative a urmărilor acestora și asigurării condițiilor necesare supraviețuirii persoanelor afectate. Potrivit Legii 481/2004 privind protecția civilă, prin dezastrul se înțelege un eveniment datorat declanșării unor tipuri de riscuri, din cauze naturale sau provocate de om, generator de pierderi umane, materiale sau modificări ale mediului și care, prin amploare, intensitate și consecințe, atinge ori depășește nivelurile specifice de gravitate stabilite prin regulamentele privind gestionarea situațiilor de urgență, elaborate și aprobate potrivit legii. Riscurile naturale se referă la evenimente în cadrul cărora parametrii de stare se pot manifesta în limite variabile de la normal către pericol, cauzate de fenomene meteorologice periculoase – ploi și ninsori abundente, variații de temperatură – îngheț, secetă, caniculă, furtuni și fenomene distructive de origine geologică – cutremure, alunecări și prăbușiri de teren [2].

Cutremurul reprezintă o ruptură brutală a rocilor din scoarța terestră, datorită mișcării plăcilor tectonice, care generează o mișcare vibratorie a solului ce poate duce la victime umane și distrugeri materiale. Unele din cauzele cutremurelor pot fi erupțiile vulcanice, replicile seismice, tsunami, lichefieri ale terenului și alunecări de teren, impactul cu meteoriți, explozii subterane, edificii care se prăbușesc. În general, doar cutremurele de o magnitudine mare produc victime și pagube materiale prin distrugerea structurilor create de om, dar și valurile tsunami, avalanșele și alunecările de teren.

Cum ne vom pregătim acasă pentru cutremur – vom cautăm locul cel mai sigur din locuință: colțurile interioare ale pereților de rezistență, golurile de sub uși, locurile de sub scheletul clădirii, mesele, paturile.Vom instrui copiii să se ascundă în aceste locuri,vom verifica tavanele, acoperișul, coșurile, rețeaua electrică, țevile de gaze,vom ancora mobila grea, dulapurile cu cărți, în așa fel ca în caz de cădere să nu blocheze ieșirea, paturile din dormitoare trebuie să se afle departe de ferestre, oglinzi. Trusa de prim-ajutor trebuie ținută la îndemână [3].

Fig. 1.1. a) Mecanismul de producere a cutremurului [4]; b) Efectele cutremurului [5]

Fenomenele meteorologice periculoase sunt reprezentate de ploile torențiale, ninsorile abundente, furtunile și viscolele, depunerile de gheață, chiciura, poleiul, înghețurile timpurii sau târzii, grindina și seceta. În ultimii ani țara noastră s-a confruntat cu o nouă formă de manifestare a acestor fenomen, necaracteristică din punct de vedere geografic României, și anume tornadele.

a) Furtunile sunt fenomene rezultate din mișcarea rapidă și puternică, cu forțe distrugătoare și de lungă durată a aerului. După pagubele pricinuite, pot fi comparate cu cutremurul de pământ. Furtuna distruge clădiri durabile, demolează construcțiile ușoare, stâlpii de înaltă tensiune sau de comunicații, rupe și smulge din rădăcini copacii, scufundă vase, deteriorează magistrale auto sau căi ferate [1].

Fig. 1.2. a) Mecanismul de producere a furtunilor [6]; b) Efectele furtunilor [7]

b) Canicula și fenomenele asociate ei, aridizarea și deșertificarea, reprezintă o altă mare problemă. Încălzirea atmosferei și reducerea cantităților de precipitații conduc la apariția secetei. Seceta prelungită duce la aridizarea și deșertificarea pământului. Principalele efecte ale secetelor constau în distrugerea recoltelor, diminuarea numărului de animale, pierderea resurselor de apă. Populația cea mai săracă este și cea mai vulnerabilă pentru că este nevoită să trăiască în condițiile oferite de un mediu natural ostil.

Fig. 1.3. a) Factori ce influențează producerea caniculei [8]; b) Efectele asupra omului [9]

Alunecările de teren sunt deplasări ale rocilor ce formează versanții unor munți sau dealuri, pantele unor lucrări de hidroameliorații sau a altor lucrări de îmbunătățiri funciare, ca urmare a unor fenomene naturale (ploi torențiale, prăbușiri ale unor grote, eroziuni puternice, cutremur de pământ), sau chiar ca urmare a unor activități umane. Acestea au ca efecte distrugeri materiale, blocarea drumurilor, distrugerea liniilor de comunicație sau a cursurilor de apă, reducerea producției agricole sau forestiere, precum și pierderi umane.

Principalele semne ale unor alunecării de teren sunt reprezentate de fisuri (crăpături) pe pământ, pe asfalt, în pereții clădirilor, copaci înclinați, stâlpi și garduri strămutate din loc, dispariția bruscă a apei din fântâni și izvoare, scârțâitul elementelor de construcție ale caselor, starea alarmată a păsărilor și a animalelor [10].

Fig. 1.4. a) Principiul producerii alunecării de teren [10]; b) Efectul alunecărilor de teren [11]

Incendiile reprezintă procesul de ardere autoîntreținută, care se desfășoară fără control în timp și spațiu, produce pierderi de vieți omenești și/sau pagube materiale și necesită o intervenție organizată în scopul întreruperii acestui proces de ardere.

Cauza unui incendiu este suma factorilor care iau parte la inițierea incendiului și care constă, de regulă, în sursa de aprindere, mijlocul care a produs aprinderea, primul material care s-a aprins, precum și împrejurările determinante care au dus la izbucnirea acestuia [12].

Fig. 1.5. a) Mecanismul de producere a incendiilor [12]; b) Efectele incendiilor [13]

Poluarea accidentală a apelor râurilor, fluviilor sau a apei mării reprezintă orice alterare fizică, chimică, biologică sau bacteriologică a apei, peste o limită admisibilă stabilită, inclusiv depășirea nivelului natural de radioactivitate produsă direct sau indirect de activitățile umane, care o fac improprie pentru o folosire normală în scopurile în care această folosire era posibilă înainte de a

interveni alterarea [14].

Fig. 1.6. a) Cauzele poluării apelor [15]; b) Efectele poluării apelor [16]

Roboții în protecția mediului, limitarea dezastrelor și studiul ecologic

Ecologia, ca și disciplină științifică datează din perioada renascentistă, dar aceasta a înflorit în ultimii 50 de ani. Deși considerată de Long o știință ,,moale”, ecologia se bucură în prezent de un sprijin puternic din partea societății.

Revoluțiile tehnologice succesive au promovat creșterea economică și au condus în cele din urmă la schimbarea globală, inclusiv la criza biodiversității actuale. Totuși, această tehnologie oferă, de asemenea, noi instrumente pentru oamenii de știință de investigare a impactului ecologic al acestor modificări. Este un lucru bine știut faptul că, dintre majoritatea disciplinelor științifice, electronica și știința calculatoarelor au revoluționat ecologia în ultimele decenii. Tele-detecția continentelor și a oceanelor de la sateliți și calculele de înaltă performanță ce implică statistici și modele ecologice dintre cele mai complexe sunt două exemple remarcabile printre numeroasele realizări științifice ce se datorează noilor tehnologii.

Creșterea numărului de roboți, care va modifica în curând viața noastră de zi cu zi (există deja un procent estimat de 55,5 milioane de roboți personali în întreaga lume) poate, de asemenea, să transforme cercetarea ecologică fundamentală permițând o rezistență de neegalat, precizie, coerență și viteză în explorarea științifică, experimentare și modelare.

Pentru ecologiștii profesionali, este tentant să minimalizeze rolul viitorilor roboți și să îi considere obiecte de ,,science fiction” care își au locul numai în romane. Cu toate acestea, uimitor, multe ,,previziuni” făcute de autorii de ficțiune, cum ar fi Jules Verne sau Isaac Asimov, au devenit realitate, de la submarine cu propulsie nucleară până la ecranele tactile.

Roboții sunt răspândiți în cercetările ecologice, chiar dacă aceștia nu au fost dezvoltați în acest scop. Cei mai mulți roboți utilizatți în ecologie sunt mobili și pot fi clasificați în funcție de echipamentele pe care le transportă, dimensiunea lor, de modul în care aceștia operează, de mobilitatea și autonomia lor.

Dimensiunea roboților variază în prezent de la nano-unități concepute să funcționeze la nivel molecular până la dimensiunea unei aeronave (Fig. 1.7). Statele Unite ale Americii dețin cel mai mare vehicul aerian fără pilot (unmanned aerial vehicle-UAV), Global Hawk (Fig. 1.7.) ce are aproximativ 35 m în anvergura aripilor și poate inspecta > 100 000 km2 pe zi.

Roboții pot opera oriunde, din interiorul corpului uman până la cele mai profunde bazine oceanice. Ei lucrează cel mai frecvent în zone periculoase ori contaminate. În aprilie 2011, roboții au trimis primele imagini și înregistrări ale radiațiilor din interiorul reactoarele centralei Fukushima din Japonia.

La fel ca și computerele, roboții sunt susceptibili de a transforma puternic toate aspectele legate de ecologie. Există o serie de discipline ecologice care beneficiază deja de robotică sau vor face acest lucru în viitorul apropiat.

Monitorizarea speciilor de plante și de animale necunoscute științei este o provocare majoră și o țintă care nu este la îndemâna cu tehnicile de eșantionare convenționale. Acest lucru ar putea fi rezolvat prin utilizarea sistematică a roboților ghidați de om și a celor autonomi.

Dincolo de identificarea speciilor, roboții pot revoluționa toate studiile care vizează numărarea și cartografierea organismelor. Acest al doilea domeniu de robotică aplicat ecologiei este de departe cel mai important și cuprinzător. Astfel, roboții permit identificarea automată a indivizilor în spațiu și timp.

Deoarece senzorii de pe roboți pot înregistra caracteristici de mediu biotici și abiotici în timp ce studiază o anumită populație, datele colectate pot fi utilizate pentru un studiu ecologic și evolutiv al modului în care organismele vizate funcționează în mediul lor natural, fără perturbare umană. De exemplu, UAV-urile au fost utilizate pentru a urmări concentrațiile de oxigen din ecosistemele lacurilor și pentru a efectua masuratori chimice în lacuri acoperite cu gheață [17].

Domeniile de aplicare a roboticii avansate sunt atribuite mediilor periculoase pentru om, cum ar fi oceanele, centralele atomice, dezastrele și spațiul. Roboții de serviciu sunt, de asemenea, promițători în diverse domenii de aplicare, mai ales roboții de curățare. Aceștia sunt folosiți pe scară largă în spațiile mari precum depozitele deoarece operațiunea de curățare este o sarcină obositoare și grea. Din aceste analize, dezvoltarea roboților care să curățe țărmurile și litoralul este considerată un subiect important pentru cercetătorii din domeniul roboticii [18].

Inspirat de accidentele cu scurgere petrolieră, Protei (Fig. 1.8.) se vrea un robot care curăță oceanele într-un mod eficient. Finanțat încă din anul 2011, este o barcă cu pânzele asemănătoare dronelor, care nu necesită pilot și poate fi manevrată de la distanță. Acesta poate naviga contra vântului, pe urmele scurgerii petroliere. Protei se folosește de o plasă care absoarbe substanțele străine, fără a-i supune pe oameni la contaminare. Pe viitor se dorește și colectarea deșeurilor de plastic care plutesc pe mări și oceane, colectarea mostrelor necesare cercetătorilor sau monitorizarea radioactivității declanșate de Fukushima.

Fig. 1.8. Caracteristicile robotului Protei [19]

Oamenii de știință își îndreaptă din ce în ce mai mult atenția asupra roboților salvatori. Creați atât pentru a zbura prin aer, a merge pe apă sau pentru a se târî pe pământ, roboții au misiunea de a monitoriza și ține sub control structurile, dar și de a găsi persoanele prinse sub dărâmături și a îndruma autoritățile către acestea [20].

Un robot de salvare este un robot care a fost conceput cu scopul de a salva oameni. Situațiile comune care implică folosirea roboților de salvare sunt accidentele miniere, dezastrele urbane, situațiile în care sunt luați ostatici și potențialele accidente în urma unor explozii. Roboții de salvare au fost utilizați în căutarea victimelor și supraviețuitorilor după atacurile din 11 septembrie din New York. Beneficiile folosirii roboților de salvare la aceste operațiuni sunt reducerea personalului folosit, a oboselii și accesul la zonele în care se ajunge mai greu. Dezvoltarea roboților de salvare implică realizarea lor cu abilități precum căutarea, recunoașterea și cartografierea, eliminarea molozului, livrarea de bunuri sau de tratamente medicale și evacuarea victimelor [21].

Unul dintre roboții creați la Universitatea Tohoku din Sendai are capacitatea de a se târî ca un șarpe printre rămășițele unei eventuale clădiri prăbușite, acolo unde oamenii nu au acces (Fig. 1.9). Datorită faptului că are o cameră de filmat atașată, robotul poate descoperi victimele prinse printre ruine, dar poate trimite și informații pentru a îndruma salvatorii către eventualele victime.

Dronele aeriene au capacitatea de a trimite informații în timp real despre pagubele suferite de clădirile afectate, în timp ce roboții submarini au aceeași întrebuințare pentru a oferi vești despre infrastructura aflată sub suprafața mării.

Fig. 1.9. Robot-șarpe folosit în operațiunile de salvare

Marea provocare este aceea de a crea roboți ce nu doar caută, ci și salvează oameni. Dificultățile în a crea roboți salvatori sunt atât de ordin tehnic, cât și de ordin psihologic.

Cercetătorii de la Georgia Institute of Technology ,,învață” roboții cum să inducă în eroare victimele unui eveniment tragic, argumentând că prin aceste ,,minciuni” optimiste vor reuși să salveze vieți. Un exemplu oferit de oamenii de știință este liniștirea persoanelor speriate, prinse sub dărâmături, până la sosirea unei echipe de intervenție.

De asemenea, pentru unii oameni de știință este foarte important aspectul pe care îl are un robot, pentru a nu înspăimânta victimele pe care le salvează. Faptul că ar putea avea diferite intensități ale vocii, lumini mai slabe sau mai puternice, chiar și muzică sau imagini video, face ca misiunile de salvare ce au o durată mai mare să fie mai ușor de suportat de către persoanele aflate în dificultate.

Cu toate aceste proprietăți, roboții vor câștiga mai ușor increderea oamenilor, având o misiune mult mai ușoară de a-i salva din ruinele unei eventuale prăbușiri [20].

Roboți în mediul industrial

Robotul industrial este un sistem mecatronic complex utilizat în sistemele de producție pentru creșterea productivității. Terminologia standard definește robotul ca un manipulator flexibil multifuncțional, reprogramabil destinat pentru deplasarea unor subansamble, materiale, scule sau dispozitive speciale pe traiectorii programate pentru realizarea unei game largi de funcții tehnologice [22]. Partea flexibilă a robotului este reprezentată de brațul acestuia. Mișcarea brațului este determinată de axele structurii mecanice, numite uneori ,,gradele de libertate ale robotului”.

Un robot are un număr de axe independente în jurul său de-a lungul cărora au loc mișcări de rotație, respectiv de translație. Aceste mișcări independente identifică ,,gradele de libertate” asociate robotului.

În mod curent gradul de libertate (g.l.r.) al unui robot este definit prin numărul de parametrii independenți ce determină poziția elementului terminal al structurii mecanice. Această poziție poate fi identificată prin trei coordonate de poziție (x, y, z) și trei unghiuri care dau orientarea (α, β, γ), deci numărul maxim al g.l.r. poate fi 6. Uneori, în cazul unor roboți cu un număr mare de axe de mișcare, se introduce noțiunea de mobilitate,

(rel.1.2.1)

unde n este numărul axelor de mișcare, C este clasa articulației, cu (g.l.) grade de libertate,

(rel.1.2.2)

iar Nc este numărul axelor de clasă C.

Mobilitatea este uzual asociată cu cea de redundanță a arhitecturii mecanice. Dacă,

M > g.l.r (rel.1.2.3)

atunci robotul este considerat redundant, iar dacă

M = g.l.r. (rel.1.2.4)

robotul este neredundant. Redundanța este specifică acelor arhitecturi mecanice care permit roboților să opereze în spații cu restricții, cu obstacole [23].

Domeniul roboticii este foarte complex, în acesta intersectându-se un număr mare de discipline inginerești: mecanica, asociată cu geometria variabilă a structurii, sisteme de acționare pentru mișcarea elementelor mecanice prin forțe sau momente pe axe, automatica, pentru controlul acestor mișcări, sistemele de măsurare și senzoriale ce permit construcția buclelor de reacție în jurul fiecărei articulații, știința calculatoarelor, pentru asigurarea controlului inteligent în mediile complexe în care robotul poate opera [24].

Componentele de bază ale unui sistem robot sunt: structura mecanică, dispozitivele senzoriale și de măsurare, unitatea de putere și sistemul de conversie asociat și controlerul sau calculatorul. Toate aceste componente sunt prezentate în Fig. 1.7.

Fig. 1.7. Componentele de bază ale unui sistem robot

Structura mecanică a unui robot este formată dintr-o serie de elemente rigide conectate între ele prin articulații. Mișcarea unui element este determinată printr-un sistem de acționare ce convertește energia primară (electrică, hidraulică, pneumatică, chimică) în energie mecanică. Dispozitivul de acționare poate fi conectat direct la elementul mobil sau printr-un sistem de transmisie.

Structura mecanică astfel obținută constituie ,,brațul articulat” al robotului în care axele asigură flexibilitatea operării într-o arie bine determinată. Această arie este denumită și ,,arie de operare” sau ,,celulă de operare” a robotului.

Structura mecanică are o bază care este, în mod normal, flexibilă pe suprafața de sprijin a spațiului tehnologic. Dacă această bază este mobilă roboții se numesc roboți mobili.

Componentele de bază ale structurii mecanice sunt prezentate în Fig. 1.8.

Fig. 1.8. Componentele structurii mecanice

Unitatea de putere conține componentele necesare pentru a converti semnalul de control în semnal de putere prin intermediul sistemelor de acționare.

Dispozitivele senzoriale și de măsurare determină starea fiecărei articulații mecanice, poziții, viteza, accelerația și uneori forța sau momentul. În anumite sisteme mai complexe se pot utiliza sisteme senzoriale inteligente, sisteme tactile sau configurații speciale senzoriale care permit evaluarea exactă a parametrilor spațiului de operare.

Controlerul sau calculatorul memorează informația primită de la dispozitivele senzoriale, controlează mișcarea dezvoltată de sistemele de acționare și comunică cu operatorul uman sau cu alte echipamente periferice din spațiul de operare al robotului. Controlerul memorează, de asemenea, toate datele impuse prin program și comunică cu alte calculatoare în cadrul sistemelor complexe de procesare (computer assisted manufacturing system – CAM) [25].

Elementele definitorii ale unui robot

Structura mecanică formată din brațe, articulații și efector final, împreună se constituie ca un tot unitar ce acționează pe baza unor interdependențe și interconexiuni ce definesc forma spațiului operațional și modul de clasificare a roboților. Comportamentul structurii mecanice poate fi evidențiat prin modelare matematică.

Tipul efectorului final (clește sau orice altă sculă) definește tipul sarcinilor pe care robotul le poate executa.

Tipul transmisiilor leagă elementele de acționare de structura mecanică și definesc capacitatea robotului de a realiza anumite mișcări în condiții controlate. Sub formă de fire, benzi, curele dințate sau angrenaje transmisiile influențează mișcările din fiecare articulație și definesc drumul de parcurs și comportamentul dinamic al robotului.

Sistemul de senzori determină ,,adaptabilitatea” robotului la modificările ce apar în spațiul de lucru. Aceștia pot lua forma unor dispozitive tactile, electrice sau optice care sunt folosite pentru a obține date asupra poziției articulațiilor și asupra obiectelor aflate în spațiul operațional al robotului.

Blocul de procesare a datelor recepționate de la senzori determină tipul de control al robotului și este caracterizat de către echipamentul de comandă numeric utilizat, limbajul de programare și restricțiile impuse pentru funcționarea robotului. Sistemul de control determină capacitatea de programare și ,,abilitatea” unui robot de a răspunde la diverse sarcini operaționale sau legate de mediul de lucru, utilizarea parametrilor și a subprogramelor [26].

La roboții mai complecși se poate evidenția antropomorfismul constructiv (Fig. 1.9) [25].

Fig. 1.9. Antropomorfismul

Robotul industrial este definit în prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncțional, reprogramabil, capabil să deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul efectuării unor operații diversificate de fabricație.

Se consideră că cel puțin 95% din totalul roboților existenți în lume sunt folosiți pentru aplicații industriale și pot fi reprezentați asemănător cu cel din Fig. 1.10. Se poate evidenția că structura tipică a unui robot industrial cuprinde: structura mecanică, sistemul de articulații (cuple), sistemul de acționare incluzând în aceasta și unitatea de comandă și un sistem de programare (comandă) compus dintr-un sistem de calcul și programele de comandă [22].

Fig. 1.10. Structura sintetică a unui robot industrial

Arhitectura de bază a roboților industriali actuali este prezentată în Fig. 1.11.

Mediul de lucru este spațiul în care robotul poate desfășura operația și în care sunt incluse toate obiectele din acel volum.

Sarcina este reprezentată de aplicația pe care trebuie îndeplinită de structura mecanică a robotului.

Structura mecanică este un ansamblu de corpuri rigide conectate prin articulații astfel încât să formeze un lanț cinematic.

Sistemul de acționare este format din distribuitoarele de energie, adaptoarele de mișcare și elementele de execuție prin care se transmite energia de la sursă la structura mecanică.

Sursa de energie poate fi hidraulică, pneumatică sau electrică.

Sistemul de comandă este un microcontroler pe 8 sau 16 biți. Asigură interpretarea instrucțiunilor de nivel înalt și transformarea lor în comenzi specifice către sistemul de acționarea al axelor. Prelucrează informații de la traductoarele de axă sau de la traductoarele externe.

Sistemul de prelucrare senzorial este un sistem cu microprocesor care realizează prelucrarea locală a informațiilor de la traductoare și oferă informații finale către sistemul de comandă sau sistemul de programare.

Sistemul de programare este un procesor de cel puțin 32 de biți unde sunt stocate sistemul de operare, limbajul de programare specific robotului, precum și alte programe utilitare și aplicații.

Modulul I/O se folosește pentru cuplarea robotului la procesul industrial sau pentru sincronizarea cu alte unități de producție.

Magistrala industrială este o magistrală de mare viteză prin care se asigură comunicația cu nivelul ierarhic superior (baza de date a aplicației) [25].

Fig 1.11. Arhitectura roboților industriali

Tipuri de roboții industriali

a) Roboții mobili (independenți) utilizați din ce în ce mai mult în diverse aplicații pentru a îndeplini sarcini complexe în spații sau medii în care accesul omului este dificil sau imposibil: mediu marin la adâncimi foarte mari, inspecția anumitor instalații din industria chimică sau nucleară.

Fig. 1.12. Robotul BIOSwimmer [27]

b) Nanoroboții sunt roboți minusculi, de mii de ori mai subțiri decat grosimea unui fir de par, care vindecă imediat cancerul fără a da efecte secundare, curăță arterele sau reconstruiește un țesut bolnav.

Fig 1.13. Nanoroboți [28]

Mașini unelte automatizate

a) Mașini unelte cu comandă program (CP): comandă prin came profilate; comandă prin copiere după șablon; comandă secvențială.

Fig. 1.14. Mașini unelte

b) Mașinile unelte cu comandă numerică (CN) – sunt sisteme electronice de realizare a cotelor sau deplasărilor având controlul acestora.

Fig 1.15. Mașinile unelte cu comandă numerică: a) schema structurală a unei mașini de frezat;

b) reprezentarea schematică a unui echipament clasic

c) Mașini unelte cu comandă numerică asistată de calculator (CNC).

Sistemul CNC față de sistemul CN are numeroase avantaje:

– un software mai puternic (set de instrucțiuni extins al noilor generații de procesoare);

– utilizarea limbajelor de programare evoluate simplifică activitatea de programare;

– memoria RAM de mare capacitate permite memorarea tuturor programelor, acestea putând fi testate și corectate pe echipament;

– posibilitate de adaptare la diverse tipuri de mașini unelte prin modificări hardware minime datorită interfeței programabile cu echipamentele convenționale;

– scăderea volumului hardware prin implementarea software a unor funcții a acestuia;

– scăderea semnificativă a timpului de depanare datorită facilităților de autotestare și diagnoză [25].

Fig. 1.16. a) Arborele principal la mașinile de frezat CNC; b) Mașina CNC pentru

alezat și frezat

Clasificarea manipulatoarelor și roboților pe generații

Clasificarea pe generații folosește drept criteriu de bază capacitatea mașinii de percepere și interpretare a semnalelor din mediul exterior, precum și de adaptare la mediu în timpul procesului de lucru.

Manipulatoarele sunt de trei tipuri:

– manuale (prima generație): sunt sisteme de manipulatoare amplificatoare de efort care au cel puțin 4 grade de libertate și care permit, sub acțiunea comenzii umane, efectuarea unor operații în medii nocive sau improprii activității umane;

– automate (generația a doua) sunt mecanisme de manipulare care au cel puțin două axe. Ele realizează deplasarea în conformitate cu un ciclu prestabilit, în regim automat. Nu au senzor și lucrează în buclă deschisă. Se utilizează la operații simple de încărcare/descărcare;

– inteligente (generația a treia) sunt mecanisme de manipulare care îmbină controlul uman (grosier) cu controlul de finețe asistat de senzori inteligenți. Scopul constă în depășirea limitelor senzoriale ale organismului uman.

Clasificarea roboților în funcție de mișcare

Clasificarea după mișcare se face considerând cele 3 mișcări pentru a se poziționa gripperul în orice punct din spațiu. Mișcările pot fi de rotație (R) sau de translatie (T). În raport cu combinația acestora, există 23=8 posibilități dar numai 4 sunt independente (tabelul 1.1) [29].

Tabelul 1.1. Clasificarea roboților după coordonate

Roboți folosiți în limitarea și eliminarea

dezastrelor ecologice

De la dezastre nucleare, la catastrofele naturale și incendii, roboții care pot înlocui oamenii în aceste locuri periculoase, sunt în curs de dezvoltare.

Cercetătorii din cadrul Massachusetts Institute of Technology (MIT) din Cambridge doresc să dezvolte un robot care să poată desfășura activități în locuri periculoase, ostile vieții umane, precum Fukushima. Ei lucrează în prezent cu un prototip de robot denumit ,,Atlas”, creat de compania Boston Dynamics, înalt de 185 de cm și cu o greutate de aproximativ 160 kg (Fig. 1.17). În lume există doar șapte roboți de acest fel.

În prezent, cercetătorii lucrează la realizarea programului necesar pentru ca robotul să se poată mișca. Potrivit inginerului Pat Morrison din cadrul MIT, robotul este acționat hidraulic, este foarte puternic, ceea ce îi permite să poată ridica foarte ușor obiecte grele și să se poată deplasa foarte rapid.

Deocamdată, cu ghidare minimă, Atlas poate să se deplaseze, să-și țină echilibrul și să ridice lucruri, sarcini ce pot fi cruciale în situații de salvare din dărâmături în caz de cutremure sau alunecări de teren.

Fig. 1.17. Robotul Atlas

O altă echipă de ingineri de la Virginia Tech coordonează o echipă de cercetători din cadrul University of California, Los Angeles și University of Pennsylvania pentru a crea un robot pompier pentru Marina americană (Fig. 1.18). Acesta va fi protejat de un scut de rășină pentru a preveni pagubele ce-i pot fi provocate de căldură și apă.

Robotul pompier va fi testat în cursul acestui an pe nava de incendiu a Marinei americane. Scopul acestui program este de a-i ține pe oameni departe de pericole.

Profesorul Seth Teller din cadrul MIT susține că multe dintre progresele din domeniul roboticii, vizibile deocamdată doar pentru cercetători în laboratoare de elită, vor fi puse curând la dispoziția oamenilor, în viața de zi cu zi.

Fig. 1.18. Robotul pompier

Până acum epidemia Ebola a provocat 5 459 de decese dintr-un total de 13 351 de persoane infectate. Xenex este numele unui robot, folosit deja în 250 de spitale din SUA pentru distrugerea agenților patogeni, care ar putea fi trimis în Africa pentru a lupta contra virusului Ebola (Fig. 1.19). Este vorba de un robot dotat cu patru roți, care poate dezinfecta o cameră în doar câteva minute printr-un flux de ultraviolete.

Fig. 1.19. Robotul Xenex

O versiune avansată a robotului Xenex este folosit deja în trei centre medicale militare și în aproximativ 250 de spitale americane pentru distrugerea agenților patogeni. Robotul folosește xenon, un gaz netoxic, pentru a genera raze ultraviolete care elimină microbii mult mai rapid și mai eficient decât o face în mod curent o echipă de persoane, specializate în asigurarea și menținerea igienei. Alton Dunham a prezentat într-un articol al revistei ,,Le Point” faptul că la ora actuală, robotul face parte din strategia bazei aeriene militare Langley de combatere a virusului Ebola, dar el ar putea fi folosit în spitale pentru a lupta contra altor agenți patogeni care se află la originea infecțiilor nosocomiale. Acest tip de roboți ar putea juca un rol crucial în lupta contra epidemiei de febră hemoragică care lovește, în prezent, țările din Africa de Vest. În cadrul unei conferințe de specialitate organizate în SUA, participanții au explicat că roboții pot evacua deșeurile contaminate sau pot permite pesonalului medical să discute de la distanță cu bolnavii infectați cu virusul Ebola [30].

2. ROBOȚI HIPER-REDUNDANȚI

2.1. Generalități

Roboții hiper-redundanți reprezintă o clasă nouă de roboți, care a trezit interesul unui număr mare de cercetători științifici din întreaga lume.

În contrast cu structurile clasice, roboții hiper-redundanti numiți și modele de tip „tentacul”, „trompă”, „serpentină” sunt construiți prin conectarea mai multor legături rigide prin articulații robotice, printr-o mișcare de încovoiere sau rotație realizată după curbe continue. Această ultimă caracteristică desemnează această clasă de roboți ca „roboți continui”, în timp ce structurile convenționale sunt considerate ca „roboți discreți” (Fig. 2.1).

Fig. 2.1. Model discret – model continuu

Roboții de tip ,,șarpe”, denumiți tehnic ,,roboți hiper-redundanți” sunt, așa cum le sugerează și numele, dispozitive robotice construite pentru a mima părțile sale biologice nu numai în ceea ce privește forma, ci și funcționalitatea. Acest tip de roboți sunt foarte ușor de manevrat, au redundanță mecanică intrinsecă ridicată și sunt flexibili. Acest lucru permite roboților să fie ușor manevrați prin medii complexe cu multe obstacole, comparativ cu roboții convenționali.

Proiectarea unei articulații robotice ușor de manevrat și puternice dar totuși compacte, este principala provocare mecanică pentru construirea roboților hiper-redundanți [31].

Numărul infinit de articulații al roboților hiper-redunanți permite obținerea unui lanț cinematic descris printr-o curbă continuă și îi conferă o mobilitate, ipotetic, infinită.

Bazându-se pe acest tip de mișcare, roboții se pot deplasa pe teren accidentat sau în spații înguste ori cu geometrie complicată. O structură articulată ca în Fig. 2.2., prevăzută cu niște piciorușe, poate realiza o deplasare prezentată în Fig. 2.3 (tip miriapod) [32].

Fig. 2.2. Structură articulată pentru deplasare

Fig. 2.3. Deplasarea de tip miriapod a unui sistem format din structuri articulate

Odinioară, designul HRR s-a referit la o varietate de nume precum Manipulatori Redundanți Orientați (ORM), roboți cu coloană vertebrală, manipulatori de tip șarpe, manipulatori elastici, manipulatori elastici de tip trompă de elefant și manipulatori tenticulari. Oricum, termenul ,,hiper-redundant” a fost folosit pentru prima dată de Burdick și Chirikjian [33]. Manipulatorii legați rigid au dominat comunitatea robotică datorită construcției lor simple. Astfel, va deveni cea mai populară abordare construirea unui robot hyper-redundant prin conectarea mai multor legături rigide prin articulații acționate într-un lanț.

Cel mai vechi design al unui robot hiper-redundant a fost implementat de Anderson și Horn în 1967 și a fost cunoscut sub numele de ,,Manipulator cu braț tensor” (Tensor-Arm Manipulator). Și alți cercetători au sugerat mecanisme pentru a dezvolta roboții hiper-redundanți, precum robotul cu braț tensor activat magnetic [34].

Până în prezent, chiar dacă mulți cercetători au dezvoltat cu succes diferite concepte de design pentru roboți hiper-redundanti, roboții sunt în mare parte limitați de lungimea fixă a manipulatorului hiper-redundant [35]. Datorită marele potențial al acestui tip de roboti, domeniul de cercetare a fost pe larg studiat, dupa ce Hirose a fost unul dintre pionieri în anii 1970. El a dovedit că la un robot tip șarpe, componentele pot acționa ca picioare când acesta se deplasează, ca brațe pentru escaladare și ca degete pentru apucare. Toate aceste posibilități pot fi utilizate în conceperea unor roboți, pentru numeroase aplicații, prin combinarea celor două funcții: locomoția și manipularea.

Dupǎ acest debut, alți roboți au fost testați în aceleași laboratoare și folosiți pentru diferite aplicații:

ACM III (Locomotion Device), dezvoltat de Hirose [36];

30 DOF Planar Hyper-Redundant Manipulator, dezvoltat de Chirikjian si Burdick [37];

Elephant Trunk Manipulator, dezvoltat de Hannan si Walker [38];

The Modular Reconfigurable Robot, dezvoltat de Mark Yim [39];

3D Snake dezvoltat de Kevin [40];

Serpentine Robot, dezvoltat de Howie Choset [41];

Orochi, NEC, dezvoltat de Ikeda and Takanashi [42].

Roboții hiper-redundanti existenti au o varietate de forme și configurații. De exemplu, robotul ACM III a fost inspirat de mișcarea șerpilor și are 20 de articulatii acționate, cu o lungime totală de 2 m; robotul Orochi folosește articulații Hooke, dezvoltate de Ikeda și Takanashi [43].

2.2. Domenii de aplicare și aplicații existente pe piață

Existența robotilor hiper-redundanti (HRR) atrage multă atenție datorită aplicațiilor lor variate în industrii, cum ar fi: roboți folosiți în chirurgie, roboți de salvare în dezastrele naturale, roboți ,,multi tasking” pentru funcționarea autonomă a centralelor nucleare, explorarea spațiului, întreținere și multe altele.

Calea deschisă de robotul-șarpe al lui Hirose a condus la o aplicație interesantǎ, dezvoltată, pentru investigația medicală (diagnoza și terapia medicală minim invazivă), la Departamentul de Inginerie Mecanică, CALTECH, Pasadena. A fost realizat un robot-șarpe miniatural (endoscop) pentru investigarea sistemului gastro-intestinal, robot ce se deplasează cu ajutorul unor mini-actuatori pneumatici.

NASA a fost interesată, de asemenea, de roboți de tip șarpe și a dezvoltat împreună cu JPL un tele-robot dedicat în particular inspecției unei stații spațiale. Robotul lor tip (1994) este un braț manipulator cu 11 grade de libertate de 38 mm diametru, 1 metru lungime și 3,7 kg. Toate segmentele sunt acționate de motoare interne, dispunând și de un dispozitiv optic cu fibre optice, utilizat pentru prospectare.

Un alt domeniu de inters pentru roboții-șarpe este acela al inspectării de conducte. NEC Corporation a dezvoltat un robot șarpe bazat pe un tip nou de articulație acționatǎ de 2 motoare ce permit deplasarea spațială. Robotul este compus din 7 segmente (6 articulații), este echipat cu o camera video și măsoară 1,4 m în lungime, 42 mm în diametru și are o greutate de 4,6 kg (Fig. 2.4).

Fig. 2.4. Șarpele NEC

Robotul care la nivelul anului 1996 se apropia cel mai mult de mișcarea unui șarpe este GMD, dezvoltat de Centrul Național de Cercetare din Germania.

Șarpele-GMD este o construcție flexibilă de 200 cm lungime și 6 cm diametru, compus din 6 segmente identice și un modul drept cap (Fig. 2.5). Un astfel de segment este realizat dintr-un nucleu elastic dispus între 2 articulații, fiind acționat de 8 motoare comandate de un controler. Controlerele sunt conectate la un calculator central într-o rețea locală. Aceastǎ structură permite o deplasare tridimensională și urcarea unor părți ale corpului pentru glisarea mai ușoară, într-o manieră specifică șerpilor.

Fig. 2.5. Șarpele GMD

În doua sa versiune, GMD-SNAKE 2 și-a ameliorat performanțele privind viteza, dar prin utilizarea unor roți care îi măresc gabaritul. Constucția este modulară, iar pentru a forma șarpele robot pot fi montate împreună până la 15 segmente. Ea a fost realizatǎ de Fraunhofer Institute of Autonomous Intelligent Systems din Germania (Fig. 2.6).

Pentru fiecare dintre cele trei secțiuni ale unui modul, există câte un motor. Cele trei motoare contribuie la acționarea articulației dintre două secțiuni adiacente. Fiecare secțiune are 6 senzori de distanță în infraroșu, 3 senzori de moment, un senzor de contact și 2 senzori de unghi pentru a măsura poziția articulației.

Fig. 2.6. GMD Snake 2

O cameră video amplasată pe capul șarpelui trimite imagini unui monitor. Senzorii ultrasonici fixați pe capul șarpelui sunt folosiți pentru detectarea obstacolelor. Un element special cu rol de coadă conține bateriile și poate fi atașat opțional șarpelui. Acesta poate lucra în mod autonom din punct de vedere al sursei de energie până la 30 minute.

Pentru realizarea deplasării orizontale a fost dezvoltat un program de modelare și simulare. Mișcarea este optimizată pentru un consum minim de energie. Pe o suprafață plană, deplasarea este bazată pe forțele dezvoltate de roți și de modificările pozițiilor articulațiilor.

Modul de depășire a obstacolelor în caz de coliziune face parte din simulare. Când părți ale șarpelui sunt ridicate de pe suprafață, deplasarea depinde de forțele ce acționează articulațiile și frecarea roților. În caz de răsturnare, sistemul de comandă determină noua poziție a șarpelui [44].

2.3. Roboți hiper-redundanți folosiți în protecția mediului

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

Cu mici excepții putem spune ca majoritatea roboților sunt de inspirație biologică; de la diverse tipuri de manipulatoare care imită brațul uman, roboți pășitori care imită insectele (și nu numai), roboți pășitori bipezi care imită omul, până la roboți hyper-redundanți care imită hidrostaturi musculare (brațul caracatiței, trompa de elefant, etc.) sau șarpele.

Roboții târâtori cu modul de deplasare ce imită mișcarea șarpelui sunt adesea folosiți în protecția mediului.

Șarpele se mișcă în teren accidentat, depășește obstacole și de asemeni se deplasează cu ușurință în spații înguste, motiv care a determinat construirea roboților-șarpe cu scopul inspectării suprafețelor dificile și periculos de analizat pentru om, cum ar fi țevile înguste într-o canalizare sau clădirile distruse (Fig.2.7).

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

Fig. 2.7. Robot târâtor tip șarpe

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

Modul de locomoție al șarpelui are câteva avantaje în plus:

împiedică aplecarea corpului șarpelui;

calea de deplasare poate fi definita arbitrat pentru evitarea obstacolelor;

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

Roboții pentru inspecția țevilor reprezintă o altă categorie de roboți des întâlniți și utilizați în protecția mediului.

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

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

În general, acești roboți se deplasează prin țevi așezate în poziție orizontală, dar unii se pot deplasa și prin țevi dispuse vertical, țevi curbe sau prin coturi (joncțiuni L). Doar câțiva dintre roboții mobili pot naviga prin joncțiuni T sau țevi dispuse perfect vertical.

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

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

Câteva exemple reprezentative de astfel de sisteme robotizate modularizate de inspecție în țevi și explorare sunt prezentate în figurile următoare (Fig. 2.8).

Fig. 2.8. Exemple reprezentative de sisteme robotizare pentru inspecție prin țevi și explorare

În cazul deplasării microroboților pentru țevi sau pentru spații înguste și sinuoase se disting trei modalități de locomoție: locomoția scolopendrică (Fig. 2.9.b) – la care se utilizează structuri inextensibile, articulate după două axe ortogonale; locomoția peristaltică (Fig. 2.9.a) la care se realizează deplasarea laterală a unui modul (celulă) față de modului vecin; locomoția inchworm (Fig. 2.9. c și d). La momentul actual realizarea unui sistem microrobotic ce include actuatorii, microcontrolerele, sursele de alimentare, senzorii si instrumentele de comunicare și alte componente electronice care trebuiesc amplasate în spații extrem de mici este destul de dificil de realizat [45].

Fig. 2.9. Modalități de locomoție în țevi: a) scolopendrică;

b) perisaltică; c), d) inchworm

Roboții reconfigurabili sunt structuri robotice complexe formate din mai multe unități robotice autonome identice, care conlucrează la îndeplinirea unei sarcini. Acest tip de robot poate deservi sarcini complexe, manipularea de sarcini atipice, dar mai ales deplasarea pe teren accidentat. Prin proiectare și construcție acest tip de roboți sunt hyper-redundanți.

PolyBot (Fig. 2. 10. a, b, c) este un sistem robotic modular reconfigurabil compus din 2 tipuri de module, unul numit segment și un altul numit nod. Modulul segment are 2 mecanisme de legătură și un grad de libertate. Modulul de tip nod este un cub rigid cu 6 mecanisme de conexiune, dar fără grade de libertate interne. PolyBot a fost proiectat pentru aplicații ce includ explorări pe suprafața planetelor, fundul oceanelor, căutare și salvare și alte sarcini într-un mediu necunoecut cu structură neregulată. El a fost dezvoltat și se află la a 3-a generație la Palo Alto Research Center.

Ultimul model realizat are dimensiuni mai reduse ale modulelor (5 cm), mai mulți senzori (în domeniul infraroșu, de contact, de forță) și mai mulți actuatori pentru deplasare, manipulare și reconfigurare. Transferul de informație se realizeazǎ prin intermediul unei rețele de tip CAN (Controller Area Networks). Fiecare modul al robotului are un procesor dedicat de tip Motorola Power PC MPC555, cu 448K memorie ROM internă și 1M memorie RAM externă. Arhitectura software a fost dezvoltată pentru Polybot cu un protocol MDCN (Massivley Distributed Control Nets) și un model Atribut/Service pentru coordonarea sarcinilor în procesele multiple.

PolyBot este o bună platformă pentru studiul diferitelor forme de locomoție. Sistemele PolyBot au demonstrat versatilitatea lor prin diferitele moduri de locomoție cu o varietate de caracteristici, manipulare distribuită și posibilitatea de auto-reconfigurare.

Fig. 2.10.a. Configurație de tip șarpe

PolyBot poate fi configurat în diferite forme, fiecare configurație având avantaje și dezavantaje. În configurația șarpe (Fig. 2.10.a) poate traversa terenuri cu intrări înguste, cum ar fi conductele și reprezintă cea mai robustă configurație dintre toate.

Buclele sau roțile (Fig. 2.10.b) sunt cele mai eficiente pe teren drept. Cu bucle deformate (conforme cu terenul) poate trece și peste scări.

Fig. 2.10.b. Configurație de tip buclă Fig. 2.10.c. Configurație de tip păianjen

Centripedele sau păianjenii (Fig. 2.10.c) sunt utili pentru evitarea obstacolelor și traversarea terenurilor foarte denivelate [46].

3. CINEMATICA

3.1. Cinematica unui robot manipulator

Sistemele componente ale roboților manipulatori se influențează reciproc, după cum se poate observa în Fig. 3.1.

Fig. 3.1. Ierarhizarea și influența subsistemelor componente ale unui robot manipulator

Cinematica unui robot manipulator este definită ca fiind studiul mișcării acestuia în spațiul tridimensional, funcție de timp, fără a ține seama de forțele/momentele ce produc mișcarea. În legătură cu aceasta, există două abordări. Frecvent, atunci când vorbim de cinematica unui robot manipulator ne referim la relațiile care există între pozițiile articulațiilor și poziția și orientarea efectorului, relații determinate pe baza geometriei robotului manipulator, fără a lua în considerare vitezele. A doua abordare este aceea a cinematicii diferențiale a unui robot manipulator [47], care se referă la relațiile între mișcările articulațiilor și mișcarea efectorului, relații exprimate cu ajutorul vitezelor.

Structura mecanică a roboților este realizată din corpuri rigide Cj legate prin legături mecanice Lj astfel încât să formeze lanțuri cinematice funcționale. Cele mai uzuale legături sunt cele de translație, rotație nelimitată și rotație limitată. În funcție de aplicație la construcția structurii purtătoare (primele 3 axe) se utilizează următoarele variante de lanțuri cinematice: lanț cinematic deschis; lanț cinematic arborescent; lanț cinematic închis (Fig. 3.2).

Fig. 3.2. Lanț cinematic: a) deschis; b) arborescent; c) închis

Cel mai frecvent brațul manipulator al unui robot industrial se prezintă ca un lanț cinematic deschis, adică o structură formată dintr-o succesiune de mai multe corpuri (segmentele robotului) interconectate prin articulații. Faptul că lanțul cinematic este unul deschis presupune existența unui capăt liber, care va fi la robotul industrial efectorul. Celălalt capăt al lanțului cinematic este atașat în cazul roboților industriali staționari la o bază de susținere fixă, numită baza sau batiul robotului industrial. Poziția și orientarea efectorului roboților industriali este rezultatul efectului colectiv al translațiilor și rotațiilor tuturor articulațiilor din lanțul cinematic respectiv.

Problema central care se pune la proiectarea sau utilizarea unui robot manipulator se referă la posibilitatea acestuia de a-și adduce efectorul dintr-o situare inițială într-o poziție și orientare precizată, într-un timp dat. Această problemă poate fi analizată și rezolvată fie din punct de vedere cinematicpe baza modelului cinematic, fie din punct de vedere dinamic, pe baza modelului dinamic [48].

Sisteme de coordonate

Operațiile de manipulare specifice unui robot cer, în primul rând, o poziționare corespunzătoare a sistemului mecanic, deci atingerea unui punct din spațiul de lucru, și în al doilea rând impun o anumită orientare a elementului terminal. De exemplu, o operație de montaj prin filetare cere atât atingerea găurii cât și orientarea corectă a șurubului pentru realizarea asamblării. Se impune deci adoptarea unui sistem de coordonate corespunzător descrierii acestor cerințe.

Un sistem de coordonate cartesiene (X, Y, Z) este un sistem ortonormal cu bazele definite prin sistemul de vectori .

Un vector r poate fi scris sub forma

(rel 3.1.1)

unde x, y și z reprezintă coordonatele vectorului r pe axele X, Y și Z, respectiv (rel 3.1.1).

O altă modalitate de reprezentare a vectorului tridimensional este reprezentarea în coordonate omogene, unde a patra componentă desemnează un factor de scalare, σ

(rel. 3.1.2)

unde

x’ = σ x

y’ = σ y (rel. 3.1.3)

z’ = σ z

Dacă valoarea factorului de scalare σ este 1, componentele coordonatelor cartesiene și omogene sunt identice.

Fig. 3.3. Reprezentarea unui vector în sistemul de coordonate cartesian

Această descriere a vectorului tridimensional în R4 permite reprezentarea transformărilor de rotație și translație ca simple transformări materiale de forma:

(rel. 3.1.4)

Unde transformarea de perspectivă este definită prin vectorul

(rel. 3.1.5)

iar factorul de scalare este

σ = 1 (rel. 3.1.6)

Transformarea de translație este definită printr-un operator ce deplasează un vector de origine r0 printr-un vector de transatricea de transformare este:

(rel. 3.1.7)

unde matricea de rotație este matricea unitate iar vectorul de translație, ultima coloană, este dat de componentele (a, b, c, 1).

Transformarea de rotație permite evaluarea unor noi coordonate generate prin rotația în jurul unei axe date. Această transformare are forma generală

(rel. 3.1.8)

Dacă un sistem de coordonate mobil M definit prin versorii este rotit în jurul axelor unui sistem fix definit prin versorii , matricea de rotație are forma (Fig. 3.4).

(rel. 3.1.9)

Fig. 3.4. Rotații fundamentale

De exemplu, dacă rotația se produce prin unghiul θ în jurul axei X, matricea de rotație va fi:

(rel.3.1.10)

iar transformarea omogenă corespunzătoare este:

(rel. 3.1.11)

În mod unitar, rotațiile în jurul axelor Y și Z vor fi reprezentate prin transformările,

(rel. 3.1.12)

(rel. 3.1.13)

Un caz cu totul aparte îl reprezintă transformarea complexă ce definește mâna. Matricea asociată conține atât operatorul de rotație ce identifică orientarea mâinii cât și translația corespunzătoare poziționării mâinii în spațiul de operare.

Forma generală a acestei transformări este

(rel. 3.1.14 a)

iar sistemele de coordonate ale mâinii (griperului) sunt reprezentate în Fig. 3.5.

Axele X, Y, Z sunt numite n, o, a, (normal, orientation, approach) iar originea mâinii este translatată față de sistemul de referință X0, Y0, Z0 prin

(rel. 3.1.14 b)

Fig. 3.5. Sistemul de coordinate al mâinii

Orientarea mâinii este definită prin componentele celor trei versori n, o, a [29].

(rel. 3.1.15)

Problema cinematică directă și inversă

În cinematica unui robot manipulator apar următoarele două probleme cinematice:

Problema cinematică directă – se referă la determinarea poziției și orientării față de un reper de referință (ansamblul acestor două caracteristici se numește atitudine cinematică) pentru efectorul robotului industrial la un anumit moment de timp, atunci când sunt cunoscute atitudinile cinematice relative ale tuturor segmentelor din lanțul cinematic ce compune robotul, la momentul respectiv de timp.

Aceasta înseamnă că este cunoscută, la acel moment de timp, atitudinea cinematică a segmentului 1 față de segmentul 0, dată de poziția articulației 1, a segmentului 2 față de segmentul 1, dată de poziția articulației 2, ș.a.m.d.

Spațiul articulațiilor

Problema cinematică inversă – se referă la determinarea atitudinii cinematice relative pentru segmentele succesive ale robotului la un anumit moment de timp, atunci când este cunoscută atitudinea cinematică a efectorului față de un reper de referință, la acel moment de timp [48].

3.2. Cinematica unui robot hiper-redundant

Pentru analiza cinematică a sistemului hiper-redundant, se va considera un braț tentacul ideal, cu o masă uniform distribuită, cu o flexibilitate ideală în sensul că brațul poate lua orice formă în spațiul 3D (Fig. 3.8.)

Tehnologic, o astfel de structură presupune existența unei „coloane vertebrale” cu celule periferice care pot determina, printr-o acționare intrinsecă sau extrinsecă, forma dorită a brațului.

În esență, din punct de vedere cinematic, un model hiperredundant este definit printr-o curbă C care este descrisă parametric printr-un vector și un sistem de referință asociat definit prin matricea ale cărei coloane reprezintă versorii sistemului (Fig. 3.9). Parametrul independent s reprezintă lungimea arcului de la origine până în punctul curent P. Se va considera că lungimea totală a brațului pe curba C este l.

Fig. 3.9. Versorii sistemului de referințe

Poziția unui punct s pe curba C este definită prin vectorul de poziție

unde . În cazul unei evoluții dinamice, se va introduce variabila temporală t, . Parametrizarea curbei C va fi realizată prin două unghiuri și q(s). Pentru fiecare punct , orientarea robotului este dată de un sistem vectorial ortonormat cu originea în punctul . Pe întreaga structură a curbei C se poate defini o parametrizare sub forma:

unde , , etc.

Pentru o variație infinit mică ds în lungul curbei C, noul vector de poziție va fi:

iar matricea va avea forma:

Vectorul de poziție poate fi exprimat și prin componentele sale:

unde .

Din punct de vedere cinematic, se poate adopta următoarea interpretare [4]: în orice punct definit de variabila s, relațiile (3.1.18)- (3.1.19) determină poziția curentă, matricea conține orientarea robotului iar forma robotului este determinată de funcțiile și q(s) [49]

3.3. Cinematica robotului HHR

Robotul HHR pe care s-au realizat studiile este varianta numărul 2 a unui robot hiper-redundant tip trompă de elefant.

Principiul de funcționare al robotului este similar cu cel al unui robot hiper-redundant acționat cu cabluri tendoane (Fig. 3.10). Robotul este format din elemente înseriate identice, fiind grupe în module. Pentru fiecare modul sunt necesare trei cabluri tendoane împreună cu sistemul de acționare/antrenare a acestora.

Robotul HHR 02 este format din 9 elemente înseriate, legătura între module fiind făcută prin articulații sferice.

Fig. 3.10. Robotul HHR 02 – Element modelat în SolidWorks

Pentru a studia cinematica acestui robot HHR considerăm un braț hiper-redundant care constă dintr-un lanț de segmente (Fig. 3.11), fiecare segment putând ajunge la orice poziție și orientare în spațiu.

Esența brațului este curba coloanei vertebrale Γ. Parametrul independent S este legat de lungimea arcului de la originea curbei Γ, s Ω, Ω = [0,l], unde l este lungimea brațului inextensibil.

Fig. 3.11. a) Segmentul brațului robotului hiper-redundant (HHR02);

b) secțiune a segmentului brațului

Poziția punctului S pe curba Γ este definite de vectorul de poziție r = r(S), s [0,l], iar orientarea este data de două unghiuri continue ρ(s) și σ(s), unde ρ, σ (L2(Ω)χL2(Ω)). Am folosit o parametrizare a curbei Γ bazată pe cele două ,,unghiuri continue” ρ(s) și σ(s) și indicate de ω, vectorul de orientare (Fig. 3.12).

Fig. 3.12. Unghiurile , 

Considerăm modelul cinematic definit de ecuația:

cu condițiile limită

unde este cuplul la sfârșitul segmentului, iar c este constanta elastică. Definim curba ca:

și gradientul curbei ca:

În final, se obține gradientul ponderat al curbei astfel:

Dacă se consideră că λ >>c, atunci se obține [50]:

4. SISTEME DE ACȚIONARE

4.1. Sisteme de acționare convenționale

Sistemul de acționare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice ale robotului precum și elementele de control direct ale acestora. În acest sens, prin sistem de acționare se va înțelege ansamblul motoarelor și convertoarelor prin care se obține energia mecanică necesară deplasării robotului precum și dispozitivele suplimentare ce controlează acest transfer energetic.

Un astfel de sistem va cuprinde:

1) o sursă primară de energie ;

2) un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanică ;

3) un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația corespunzătoare ;

4) un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme [51].

Structura generală a unui sistem de acționare este prezentată în figura 4.1.

Figura 4.1. Reprezentarea generală a unui sistem de acționare

Sistemele uzuale de acționare folosesc trei surse primare de energie: hidraulică, electrică și pneumatică. Procentual, cel mai mare număr de sisteme de roboți industriali moderni utilizează acționarea hidraulică datorită unor caracteristici deosebite pe care aceste echipamente le oferă în ceea ce privește raportul dintre forța exercitată la dispozitivul motor și greutatea acestuia. O arie largă o au deasemenea acționările electrice, utilizate îndeosebi datorită facilităților de control pe care le pot asigura. Acționarea pneumatică ocupă o pondere redusă în această direcție, ea fiind de obicei utilizată în sistemele de comandă ale dispozitivelor auxililiare.

Particularitățile sistemelor de actionare pentru roboții industriali sunt următoarele:

Să dezvolte cuplu sau forță motoare nominală mai mare decat suma celor rezistente, a celor de frecare, de energie:

pentru cea mai mare valoare a accelerației elementului mobil acționat pe direcția de mișcare;

în poziția pentru care forța, respectiv momentul redus în cuplu are valoare maximă;

Masă inerțială, respectiv momentul de inerție propriu cât mai reduse;

Să aiba un indice energetic (putere nominală/greutate) cât mai ridicat;

Să prezinte siguranță sporită în executarea comenzilor de deplasare primate;

Să aibă o comportare cât mai liniară între mărimea de ieșire și mărimea de comandă;

Să asigure stabilitatea sistemului la eventuale perturbații externe;

Să nu fie generatoare de vibrații și oscilații neamortizate;

Să prezinte un punct de echilibru termodinamic cât mai scăzut și o bună stabilitate termică în timp;

Să blocheze sistemul mecano-cinematic în poziția curentă în cazul întreruperii accidentale a energiei care le alimentează;

Să prezinte o fiabilitate cât mai bună, depanarea sau înlocuirea lor să fie ușoară.

Sistemele de acționare hidraulică

Sistemele de acționare hidraulică sunt utilizate pentru acționarea a 40% din parcul mondial de roboți industriali fiind preferate în cazul roboților de forță datorită următoarelor avantaje:

Raport foarte bun între puterea dezvoltată și greutatea elementelor de execuție care sunt robuste și fiabile;

Elementele de execuție hidraulice lucrează la viteze moderate (pot lipsi adaptoarele de mișcare);

Datorită incompresibilității uleiului, sistemului i se conferă suficientă rigiditate pentru a menține pozițiile programate;

Au timp de răspuns mic si cu sisteme performante de comandă se pot atinge precizii de poziționare foarte bune;

Fluidul hidraulic (ulei) are rol de lubrifiant și agent de racire;

Este preferat datorită siguranței în funcționare pentru utilizări în medii explosive (vopsitorii), cu praf (turnătorii) sau corozive (acoperiri galvanice).

Principalele dezavantaje ale sistemelor de acționare hidraulice sunt următoarele:

Costul sistemului de acționare este ridicat și necesită operații de întreținere pretențioase;

Elementele hidraulice sunt dificil de miniaturizat deoarece necesită secțiuni de trecere a fluidului (volum element) determinate de debitul și presiunea de lucru;

Se pretează în cazul roboților cu ciclu de lucru lent.

Aplicații ale sistemelor de acționare hidraulică în robotică

Sistemele de acționare hidraulică utilizate în robotică se pot realiza cu elemente hidraulice clasice în cazul în care, în cadrul aplicației, robotul execută un ciclu de deplasări fix sau cu elemente de hidraulică proporțională (programabile electronic sau numeric) în cazul în care robotul execută sarcini complexe: ciclu de deplasări la viteze variabile, control activ al forței de prehensiune.

Se pot utiliza la acționări simple pentru roboți industriali mijlocii și grei, destinați manipulării sarcinilor în sectoare calde, turnătorii, stivuire automată, minerit, etc [22].

Sisteme de acționare electrică

Deși mai puțin utilizată decât acționarea hidraulică, acționarea electrică ocupă o arie suficient de întinsă la roboții industriali datorită următoarelor avantaje principale :

a) Sursa de energie electrică primară este ușor de găsit;

b) Sistemele de control sunt precise, sigure și relativ ușor de cuplat la o conducere numerică la nivel înalt;

c) Se poate asigura o funcționare autonomă prin alimentarea cu baterii;

d) Nu se impun probleme specifice de poluare.

Sistemele de acționare electrică se aplică în cazul roboților mici și mijlocii, acolo unde puterea necesară actionării nu depășește ordinul a 3-5 kW, caz în care gabaritul și greutatea motoarelor se încadrează în dezideratele de formă și de suplețe ale structurii mecanice. De asemenea, acționarea electrică este posibilă acolo unde nu se pun condiții speciale de mediu [52].

Sisteme de acționare pneumatică

Sistemul de acționare pneumatică reprezintă una din cele mai economice și comode mijloace de acționare. S-a utilizat pe scară largă la acționarea mâinilor mecanice și a manipulatoarelor pentru sarcini relativ reduse.

Avantajele acestui tip de acționare sunt:

Economicitatea soluției de actionare;

Simplitatea schemelor de comanda-reglaj;

Posibilitatea supraîncărcării surselor;

Motoare fără pericol de avarii;

Pericol redus de accidente;

Întreținere ușoară și nepoluarea mediului.

Sistemele de acționare pneumatică prezintă însă și o serie de dezavantaje:

Compresibilitatea ridicată a aerului din incinta camerelor motoare și a conductelor (un motiv pentru care nu se utilizează în acționări de mare precizie);

Randament scăzut al acestui tip de acționare, datorită presiunii scăzute;

Apariția unor șocuri mecanice la capetele curselor pistoanelor cilindrilor pneumativi;

Producerea unor zgomote specifice caracteristice la deversarea în atmosferă a aerului de retur și funcționării cu șocuri a aparatelor de comandă;

Depunerea condensului de apă în incintele aparatelor de execuție și reglare și de aici pericolul de corodare și dereglări de funcționare;

Întreținere ușoară și nepoluarea mediului.

Caracteristica principală a acestor dispozitive este dată de utilizarea aerului ca fluid compresibil al sistemului de acționare.

Funcțiile de operare ale sistemelor pneumatice sunt similare cu cele hidraulice, particularitățile tehnologice și constructive specifice lor fiind datorate schimbării fluidului, cu specificul și proprietățiile sale.

Din factorii care argumentează în favoarea utilizării sistemelor pneumatice, se pot reține:

simplitatea echipamentului de acționare;

robustețea dispozitivelor utilizate;

nepoluarea mediului de lucru;

sisteme de control simple;

raportul putere/greutate relativ ridicată

rezistența la suprasarcini de valori mari.

Compresibilitatea fluidului (aerului) face ca sistemele de control să fie utilizate în special la elementele mecanice care lucrează pe principiul ,,tot sau nimic” fără a fi necesar un reglaj intermediar. Ca urmare, ele pot fi introduse cu succes la dispozitivele de acționare ale griperelor unde sunt conturate întotdeauna numai două stări distincte: deschis și închis.

Controlul poziției unui element mecanic prin sisteme pneumatice este rar utilizat datorită performanțelor slabe rezultate în comparație cu cele electrice sau hidraulice. Aceste rezultate slabe se atribuie compresibilității fluidului care introduce un timp de propagare, de întârziere, în dinamică dispozitivului. De asemenea, o deficiență de bază o constituie faptul că aceste sisteme utilizează controlul după debit, parametru ce nu este întotdeauna indicat pentru controlul pneumatic al unei mișcări. Din acest motiv, se recomandă utilizarea unui control al presiunii ce duce la o îmbunătățire considerabilă a performanțelor, dar este mult mai complex și costisitor [22].

4.2. Sisteme de acționare neconvenționale

În literatura de specialitate [53, 54] sunt descrise trei tipuri de modele hiperredundante:

Modele cu acționare intrinsecă, la care sistemele de acționare se găsesc chiar în structura corpului elementelor și constituie o componentă a mecanismului de animație;

Modele cu acționare extrinsecă în care elementul activ este poziționat în afara structurii brațului iar mișcarea este realizată printr-un mecanism de transfer (cabluri, fire, etc);

Modele hibride care utilizează ambele sisteme.

Fiecare dintre aceste grupe poate fi subdivizat în modele planare sau spațiale după cum mișcarea se produce într-un plan specificat, sau în aria direcției din spațiu, respectiv.

Sisteme cu acționare intrinsecă

Cea mai simplă formă de acționare intrinsecă este obținută din dispozitive planare fluidice de tipul celor prezentate în Fig. 4.2.

Fig. 4.2. Dispozitiv intrinsec planar

Rotația elementului se obține prin simpla modificare a presiunii în camera semicilindrului, ceea ce va determina o rotație, o încovoiere a elementului în plan. Un rol esențial în producerea mișcării îl au pereții elementului realizați din elemente cu componente elastice, ceea ce asigură alungirea sau contractarea pereților în funcție de presiunea aplicată.

O structură spațială cu acționare intrinsecă se obține prin extinderea soluției anterioare. În Fig. 4.3. este prezentat un astfel de model realizat din trei cilindri de acționare montați pe un suport comun. Deformarea elastică a camerelor cilindrilor determină încovoierea elementului în spațiu.

Fig. 4.3. Model intrinsec spațial

O schemă simplificată a mișcării este prezentată în Fig. 4.4. Pentru a obține o anumită direcție de rotație se impune controlul strict al presiunii în cele trei camere ale cilindrilor. O structură tentaculară completă este obținută prin legarea în serie a câtorva module. Este evident că, prin controlul distribuit al lanțului de module, se obține orientarea în spațiul 3D și flexibilitatea formei întregii structuri.

Fig. 4.4. Mișcarea modelului cu acționare spațială

O structură industrială cu acționare intrinsecă, hidraulică, este oferită de terminalul robotului NOBEL MEC (Fig. 4.5). Fiecare element este acționat de un servosistem, comanda centralizată a acestora permițând mișcarea brațului într-un singur plan.

Fig. 4.5. Robotul NOBEL MEC

Sisteme cu acționare extrinsecă

Pentru aceste sisteme sursa motoare se găsește poziționată în afara structurii flexibile a brațului, acționarea fiecărui element și modul realizându-se prin diverse modalități de transmisie. Cel mai cunoscut sistem de transmisie este cel realizat pe bază de cabluri tractate electric sau hidraulic. În Fig. 4.6 este prezentat robotul ACMA, al firmei Renault, al cărui terminal cu funcție tentacul-trompă este utilizat în instalațiile de vopsire automată.

Fig. 4.6. Robotul ACMA-Renault

Elementele flexibile sunt grupate în module, fiecare modul fiind activat printr-un sistem de cabluri astfel dispuse încât să asigure o distribuție uniformă a forței de-a lungul brațului (Fig. 4.7). În cadrul fiecărui modul, elementele flexibile sunt pasive.

Fig. 4.7. Modelul cu tractare pe cabluri

Un robot reprezentativ al acestei familii este robotul HB-Hitachi (Fig. 4.8.) utilizat în operații de vopsire și grunduire. Robotul este utilizat din două tronsoane cu acționare electrică independentă.

Fiecare tronson este format dintr-un număr de elemente – vertebre a căror mișcare este ghidată de-a lungul unor suporturi elastice printr-o tractare cu cabluri. Vertebrele au o formă specifică astfel încât să permită o mobilitate la cca 150 una față de cealaltă, în orice direcție.

Fig. 4.8 Robotul HB-Hitachi

4.3. Sistemul de acționare a robotului HHR

Sistemul de actionare a robotului HHR este constituit dintr-un motor de current continuu cu redactor.

Caracteristicile motorului folosit sunt:

tensiune alimentare motor – 6V;

tensiune alimentare electronică motor – 5V;

nivel de tensiune interfațare digitală – 5V;

raport reducție reductor 1/53;

tipul senzorului de rotație – senzor Hall;

număr pulsuri per rotație motor de la senzorul Hall – 1 puls.

număr pulsuri per rotație reductor – 53 pulsuri.

Fig. 4.9. Sistemul de acționare a robotului HHR

Principiul de funcționare

Antrenarea celor trei cabluri tendoane se face prin intermediul a trei ghidaje/cărucioare cu mișcare liniară.

Motoarele antrenează un mecanism șurub-piuliță care deplasează în sens pozitiv sau negativ partea mobilă a sistemului, respectiv căruciorul. Acesta alunecă pe două ghidaje cilindrice dispuse în lateral, fiind antrenat de mecanismul șurub-piuliță. La o rotație completă deplasarea liniară este de 0.7 mm, respectiv pasul filetului șurubului M4. Căruciorul este prins rigid de cablul de tracțiune.

Ca măsură de siguranță cablul este prins/tensionat de un arc aflat între corpul șurubului și cablu. Acesta acționează un întrerupător cu triplă poziție. În cazul unei comenzi greșite cablul de tracțiune poate fi suprasolicitat rupându-se, sau poate suprasolicita structura mecanică a robotului distrugând-o. Pentru a evita această situație la comprimarea arcului este activat al doilea contact (de fapt un senzor optic). Acesta va activa una din întreruperile hardware ale microcontrolerului ceea ce va duce la oprirea forțată a programului aflat în execuție. Dacă acest sistem de siguranță nu funcționează se va acționa un al treilea contact (mecanic, normal închis) care va întrerupe efectiv tensiunea de alimentare a motorului.

Primul contact este folosit la tensionarea cablului de tracțiune.

În funcție de curbura robotului cablul de tracțiune poate evolua pozitiv sau negativ, scurtându-se sau lungindu-se. În poziția de echilibru care corespunde poziției liniare a robotului (fără nicio curbură) se găsește un întrerupător optic care semnalează această poziție.

La ambele capete ale sistemului de manevrare a cablurilor sunt prevăzute întrerupătoare optice de cap de cursă, care semnalează pozițiile maxime ale robotului

Pentru fiecare cablu de tracțiune este prevăzut un asemenea sistem (Fig. 4.10).

Fig. 4.10. Mecanismul de antrenare a celor trei cabluri tendoane

Inițializarea robotului

La pornirea robotului se slăbesc cablurile de tracțiune prin antrenarea motoarelor în sensul corespunzător. Acest fapt este sesizat prin deschiderea contactului 1 al căruciorului. După slăbirea tuturor celor trei cabluri se retensionează succesiv cablurile până la reînchiderea contactelor. În acest moment robotul este în poziția de referință, respectiv poziția de relaxare.

Schematic funcționarea sistemului de acționare este prezentată în Fig. 4.11.

Fig. 4.11. Diagrama de funcționare a sistemului de acționare

Interfațarea motoarelor de curent continuu la microcontroler

Datorită tensiunii și curentului de valori foarte mici furnizate la ieșirea microcontrolerelor, este nevoie de circuite de amplificare pentru acționarea motoarelor de curent continuu. O schemă simplă și eficientă pentru comanda acestor motoare este reprezentată de “puntea H” (H-bridge).

O punte H este construită din patru întrerupătoare. Când întrerupătorul S1 și S4 sunt închise și întrerupătoarele S2 și S3 sunt deschise, o tensiune pozitivă va fi aplicată motorului. Prin deschiderea întrerupătoarelor S3 și S4 și închiderea lui S2 și S3, această tensiune este inversată, făcând posibilă rotirea motorului în sensul opus (Fig. 4.12).

Fig. 4.12. Conectarea întrerupătoarelor pentru aranjarea de tip punte H

Aranjarea de tip punte H este în general folosită pentru a inversa polaritatea motorului, însă poate fi folosită și pentru frânarea motorului (motorul se oprește brusc datorită scurtcircuitării terminalelor sale) sau pentru a lăsa motorul să se rotească liber până la oprire

Circuitul integrat L293D conține 2 astfel de punți care pot comanda motoare alimentate cu max 35V și 600 mA (Fig. 4.13). Fiecare din cele două punți H are două terminale de intrare (INput) și un terminal de activare (ENable). Când terminalul EN este legat la 5V puntea H este activă. Dacă intrarea IN1 este în 1 logic (+5V) iar intrarea IN2 este în 0 logic (0V) motorul se rotește; dacă stările celor două intrări sunt inversate, motorul se va roti în sens contrar. Când ambele intrări sunt în 0 logic motorul se oprește iar dacă ambele sunt în 1 logic atunci axul motorului este frânat. Un exemplu de conectare a circuitului L293 la microcontroler este prezentat în figura de mai jos.

Fig. 4.13. Structura circuitului specializat

Cea mai des utilizată metodă de control a turației este comanda cu impulsuri modulate în lățime PWM (Pulse Width Modulation), metodă care a fost folosită și pentru comanda motoarelor.

Variația turației motorului se face prin creșterea sau micșorarea timpului în care semnalul de comandă are valoarea 1 logic (tON). Astfel la un factor de umplere de 100%, motorul are turația maximă, deci tON este maxim, iar tOFF este zero. La un factor de umplere de 50 %, motorul are jumatate din turația nominală deci tON = tOFF. Iar la un factor de umplere de 0 % motorul este oprit deci tOFF este maxim, iar tON este zero (Fig. 4.14).

Fig. 4.14. Diagrama de semnal PWM

Microcontrolerul folosit dispune de 4 generatoare de tensiune PWM. Am folosit trei pentru comanda celor trei motoare ale robotului.

Pentru măsurarea timpului cât semnalul este în 1 logic și al timpului cât stă în 0 logic, se folosește un Timer. Pentru a genera un astfel de semnal numărătorul este incrementat periodic și este resetat la sfârșitul fiecărei perioade a PWM-ului. Când valoarea numărătorului este mai mare decat valoarea de referință, ieșirea PWM trece din starea 1 logic în starea 0 logic (sau invers).

Circuitul realizat pentru aplientarea motoarelor este prezentat în Fig. 4.15 [54].

Fig. 4.15. Modulul pentru alimentarea motoarelor

5. SISTEME DE CONDUCERE

5.1. Structuri mecatronice

Conceptul de mecatronică s-a născut în Japonia la începutul deceniului al optulea al secolului trecut. Termenul în sine a fost brevetat de către concernul Yaskawa Electric Co. și a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologicǎ: mecanicǎ – electronicǎ – informaticǎ.

Coloana vertebrală a mecatronicii o constituie tehnologia mecanică, care s-a dezvoltat către mecanizare. Progresele în domeniul tehnologiei electronice, apariția circuitelor integrate, mici ca dimensiuni, ieftine și fiabile, au permis includerea electronicii în structurile mecanice. Se realizează astfel integrarea electromecanică.

Următorul pas în integrare a fost determinat de apariția microprocesoarelor. Cu aceleași caracteristici constructive, ca și circuitele integrate, microprocesoarele au putut fi integrate în structurile electromecanice realizate anterior.

Mecatronica este tehnologia mecanică cerută de societatea informațională (Fig. 5.1). În tehnologia tradițională, elementele de bază sunt materialul și energia. În mecatronică, acestor două elemente li se adaugă informația. Practic, problemele privind informația vizează: culegerea, prelucrarea, stocarea sau transmiterea acesteia, și folosirea ei pentru a controla produsele, procesele și sistemele [55].

Fig. 5.1. Elementele de bază în mecatronică

Structura hard a unui sistem mecatronic

În Fig. 5.2. este prezentată structura hard a unui sistem mecatronic.

Sistemul de programare a sarcinilor, generează mișcările dorite și secvențele acestora în concordanță cu cerințele sau comenzile transmise. Acest modul este materializat de microcontrolere

Controlerul de secvețe și mișcare compară parametrii curenți ai mișcării cu cei impuși și realizează corecturile necesare. Cel mai des întâlnit algoritm de control este cel Proporțional-Integral-Derivativ (PID).

Amplificatorul de putere amplifică semnalul în concordanță cu cerințele actuatorului;

Actuatorul transformă semnalul corectat în semnal de intrare (moment, forță, viteză) în acord cu cerințele procesului;

Mecanismele și transmisiile mecanice realizează adaptarea parametrilor actuatorului la cerințele impuse de procesul tehnologic

Senzorii prelucrează informații privind parametrii procesului și transmit semnale corespunzătoare spre controlerul mișcării;

Dispozitivul de condiționare a semnalelor cuprinde filtre, amplificatoare, etc. care, prelucrează semnalele în concordanță cu cerințele impuse de intrarea în controlerul mișcării.

Fig. 5.2. Structura hard a unui sistem mecatronic

Microcontrolere

Un microcontroler este în esență o configurație minimală de sistem de calcul, capabil să execute la o viteză foarte mare instrucțiunile unui program stocat în memorie (Fig. 5.3); acest program este o secvență logică de operații ce poate implementa algoritmii necesari pentru controlul proceselor.

Microcontrolerul are integrat pe același chip: oscilatorul, memoria (RAM, ROM, EEPROM), numărătoare, blocuri analogice, interfețe de comunicație și porturi de intrare-ieșire.

Microcontrolerele sunt caracterizate prin:

– dimensiune redusă a memoriei program și a memoriei de date;

– conțin module pentru interfațarea atât digitală cât și analogică cu senzori și actuatori;

– răspund rapid la evenimente externe;

– sunt de o mare varietate pentru a putea fi satisfăcute cerințele diverselor aplicații la un raport preț / performanță corespunzător.

Fig. 5.3. Schemă bloc microcontroler

Ceea ce deosebește fundamental un microcontroler de un circuit integrat analogic sau digital, este faptul că el nu poate face nimic dacă nu este programat. Programul software conferă microcontrolerului, abilitatea de a realiza funcții diferite cu aceeași configurație hardware .

Scrierea programului se realizează de obicei intr-un editor ce permite salvarea liniilor de comandă introduse. Există mai multe opțiuni pentru scrierea programului de control al aplicatiei și anume:

cod mașină (cod hexadecimal)

limbaj de asamblare

limbaj de nivel inalt (C, Pascal, Basic etc)

Comenzile recunoscute de microcontroler sunt cele scrise în cod masină. Limbajul de asamblare și limbajele de nivel înalt sunt mai evoluate, contin instructiuni ce sunt usor de retinut, dar pentru transformarea acestora in cod masină avem nevoie de un compilator.

Compilatorul este program software, de obicei oferit gratuit de producătorii microcontrolerelor. Pentru a transfera codul hexadecimal rezultat în urma compilării, în memoria ROM (memoria program) a microcontrolerului este nevoie de un programator.

Programatorul este compus dintr-un modul electronic care asigură interfațarea între aplicația ce conține microcontrolerul și calculator (PC), și un program software ce rulează pe PC.

5.2. Microcontrolerele folosite pentru comanda

Microcontrolerul ATMega16

Famila AVR de la Atmel este formată din microcontrolere cu arhitectura pe 8 biti și set redus de instructiuni (RISC).

Memoriile ROM, EEPROM și SRAM sunt integrate în același chip, înlăturând nevoia de memorie externă.

Cifra din numele microcontrolerului indică mărimea memoriei de program (ROM); de exemplu ATMega16 are 16kB de memorie ROM.

Majoritatea instructiunilor se execută într-un singur ciclu de ceas.

Fig. 5.3. Microcontrolerul ATMega16

Caracteristici:

tensiune alimentare 2,7…5 Vcc

frecvența max. 16Mhz

512 bytes SRAM

16K bytes ROM

512 bytes EEPROM

ADC 10biți cu 8 intrări

4 porturi I/O pe 8 biți

3 numărătoare: două pe 8 biți și unul pe 16 biți

3 întreruperi externe

1 interfață comunicare serială

1 interfață SPI

1 interfața I2 C

Placă de dezvoltare

Fig. 5.5. Placă de dezvoltare

1 – Microcontroler ATMega16

2 – Conector USB pt comunicație și/sau programare

3 – Conector servomotoare

4 – Mufă alimentare

5 – Circuit integrat L293

6 – Conector motoare

7 – Afișaj 7 segmente

8 – LED-uri

9 – Jumper activare afișaj 7 segmente

10 – Conectori module de expansiune

11 – Potențiometru semireglabil

12 – Encoder

13 – Push button

Interfațarea dispozitivelor periferice

Butoanele, tastatura, LED-urile, afișajul cu 7 segmente cu LED-uri sau cristale lichide, buzere etc. sunt denumite generic dispozitive periferice.

În aplicațiile următoare, va fi utilizat portul C al microcontrolerului. Acesta este un port bidirecțional de 8 biți. Fiecare din pinii portului programat ca și ieșire poate absorbi un curent de 20mA și poate genera un curent de 3 mA.

Fig. 5.6 Interfațarea dispozitivelor periferice

5.3. Platforma PIC32 Ethernet Starter Kit

Reprezentări ale structurilor PIC32 Ethernet Starter Kit sunt prezentate în Fig. 5.7 și Fig. 5.8.

Ansamblul de sus a plăcii include aceste caracteristici cheie, așa cum este indicat în Figura 5.7:

1. PIC32MX795F512L 32-bit microcontroller.

2. PIC32MX440F512H USB microcontroller pentru depanare pe placă.

3. Indicator de energie verde LED.

4. Cristal de precizie integrat pe placă pentru microcontroller clocking (8 MHz).

5. USB conector pentru depanarea comunicaților pe placă.

6. Indicator depanare portocaliu LED.

7. Trei întrerupătoare buton apăsare pentru intrări definite de utilizator.

8. Trei indicatoare definite de utilizator LEDs.

9. USB tip A conectivitate recipient pentru PIC32 aplicații bazate pe gazdă.

10. HOST Modul de putere săritor.

11. RJ-45 Ethernet port.

12. Ethernet 10/100 bus indicator de viteză LED.

13. 50 MHz Ethernet PHY oscillator.

14. 32 kHz oscillator (optional).

15. USB Host and OTG sursă de alimentare pentru alimentarea PIC32 USB

Fig. 5.7 Schemă pentru ansamblul de sus a plăcii PIC32 Ethernet starter kit

Ansamblul de jos a plăcii include aceste caracteristici cheie, așa cum este indicat în Figura 5.8:

1. Sursă de alimentare +3.3V reglementată pentru alimentarea Starter Kit prin USB sau placa de extensie.

2. Conector pentru diferite placi de extensie.

3. Tip USB Micro-AB recipient pentru OTG și conectivitate dispozitiv USB pentru PIC32 OTG sau aplicații bazate pe dispozitiv.

4. Ethernet PHY extern.

Fig. 5.8 Schemă pentru ansamblul de jos a plăcii PIC32 Ethernet starter kit

5.4. Caracteristicile microcontrolerului PIC32MX

Caracteristici de înaltă performanță 32-bit RISC CPU:

• MIPS32® M4K™ 32-bit miez cu 5 stadii de conducte;

• 80 MHz frecvență maximă;

• 1.56 DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1)performanță si zero așteptare în starea de acces Flash;

• Un singur ciclu de a se multiplica și unitatea de divizare de înaltă performanță;

• MIPS16e™ Mod pentru dimensiunea codului cu până la 40% mai mici;

• Două seturi de fișiere registru pentru miezul de 32 biți pentru a reduce latența de întrerupere;

• Prefetch Cache modul de marire a vitezei de execuție Flash.

Caracteristicile microcontrolerului:

• Gama de tensiune de funcționare de la 2.3V la 3.6V;

• 256K și 512K memorie Flash (plus suplimentar 12 KB pentru Boot Flash)

• 32K până la 128K SRAM memory;

• Pin-compatibil cu cele mai multe dispozitive PIC24/dsPIC®;

• Mai multe moduri de gestionare a energiei;

• Mai multe vectori de întrerupere cu prioritate individual programabile;

• Modul Fail-Safe Ceas Monitor;

• Timer Watchdog cu on-chip configurabil;

• Low-Power oscilator RC pentru funcționarea fiabilă.

Caracteristici periferice:

• Set atomic, Șterge, și Inversează operării pe anumite registre periferice;

• DMA hardware 8 canale cu detectarea automată a datelor dimensiune;

• USB 2.0 compatibil dispozitiv de mare viteză și On-The-Go (OTG) controler:

Canale DMA dedicate

• 10/100 Mbps Ethernet MAC cu MII si interfata RMII:

Canale DMA dedicate

• module CAN:

2.0B Activ cu DeviceNet ™ adresare suport

Canale DMA dedicate

• 3 MHz la 25 MHz oscilator cristal;

• Internă de 8 MHz și 32 kHz oscilatoare;

• Șase module UART cu:

– RS-232, RS-485 și suport LIN 1.2 suport

– IrDA® cu codificatorul on-chip de hardware și decodor

• Pana la patru module SPI;

• Pana la cinci module I2C™ ;

• PLL separate pentru CPU și USB clocks;

• Maestru paralel și portul slave (PMP/PSP) cu datele de 8 biți și 16 biți și de până la 16 linii de adrese;

• Hardware Real-Time Clock/Calendar (RTCC)

• Cinci pe 16 biți Timere / Numaratoare (două perechi de 16 biți se combina pentru a crea două cronometre pe 32 de biți);

• Cinci intrari Capture;

• Cinci ieșiri Compara / PWM;

• Cinci pini de întrerupere externi;

• De mare viteză I/O pini capabil de comutarea de până la 80 MHz;

• De mare-curent sink/sursă (18 mA / 18 mA) pe toți pini I/O;

• Ieșire open-drain configurabilă pe pini digitali I/O.

Caracteristici depanare:

• Două pentru programare și interfețe de depanare:

Interfață 2-fire, cu acces unintrusive și în timp real schimbului de date cu aplicațile

4 fire standard de MIPS® interfață îmbunătățită JTAG

• Unintrusive hardware bazate pe instruire urmă;

• IEEE Standard 1149.2 compatibil (JTAG) scanare limita;

Caracteristici analogice:

• Până la 16 canale de 10-biți Analog-to-Digital Converter:

– 1 Msps rata de conversie

– Conversie disponibilă în timpul somnului și când este inactive

• Două Comparatoare analogice ;

• 5V pini de intrare toleranță (numai pini digitali) [54].

Tabelul 5.1. Caracteristicile PIC32MX

5.5. Mediul de programare pentru starterkit – MPLAB

Deși pentru comanda robotului s-a folosit comanda PIC32 Ethernet Starter Kit, pentru teste s-a folosit platforma cu PIC16F917 dupa cum va fi prezentat în continuare.

Scopul aplicației este aprinderea unui LED la alegere din cele 8 conectate la portul C al microcontrolerului.

Etape:

1 – se va crea un folder pe desktop pe care îl veți numi „Proiectul 1”;

2 – veți copia din C:\Program Files (x86)\PICC\Devices fișierul numit 16F917.h (extensia „.h” este posibil să n-o puteți vedea) în folderul creat pe desktop;

3 – deschideți MPLAB IDE v8.60 aflată pe desktop;

4 – creați un nou proiect cu numele „aplicația1” urmând instrucțiunile din figurile următoare:

Se observă că avem un header, însă nu avem și fișerul cu codul sursă (în C). Prin urmare vom crea un nou fișier numit „aplicatie.c” apăsând Project – Add New File to Project, ca în figura de mai jos:

Mai departe vom alege programatorul prin intermediul căruia se vor scrie fișierele rezultate în urma compilării în memoria microcontrolerului. Se vor urma pașii ca în figura următoare:

5 – Structura programului

6 – Compilarea programului

Mai departe se va compila acest cod, se va încărca în memoria microcontrolerului și poi se va porni execuția programului (exact în această ordine). Toate acestea sunt ilustrate în figură:

Bineînțeles, programatorul Pickit 2 se va conecta cu săgeata în sus conform figurii următoare:

Programul de mai sus poate fi rescris sub următoarea formă pentru accesarea portului dar păstrarea aceluiași efect:

5.6. Exemple cu motoarele de curent continuu

Motorul de curent continuu este construit din două părți componente:

stator și rotor.

Fig. 5.9. Elemente componente ale motorului de curent continuu

Statorul este partea fixă a exterioară,ce include carcasa 1 si magneții permanenți 2

Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură ce susține înfășurarea rotorică 3. Pe axul motorului este situat un colector 4 ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică. Tensiunea de alimentare este aplicată înfășurărilor rotorului prin intermediul unui sistem de perii fixate pe capacul 5. Între stator și rotor există o distanță numită întrefier .

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se poate regla prin variația tensiunii aplicate motorului de la o valoare minimă până la valoarea nominală. Cuplul dezvoltat de motor poate fi reglat prin variația curentului aplicat infășurării rotorice. Schimbarea sensului de rotație se face prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare.

Interfațarea motoarelor de curent continuu la microcontroler

Datorită tensiunii și curentului de valori foarte mici furnizate la ieșirea microcontrolerelor, este nevoie de circuite de amplificare pentru acționarea motoarelor de curent continuu. O schemă simplă și eficientă pentru comanda acestor motoare este reprezentată de “puntea H” (în engleză H-bridge).

Fig. 5.10 Puntea H

O punte H este construită din patru întrerupătoare. Când întrerupătorul S1 și S4 sunt închise (și întrerupătoarele S2 și S3 sunt deschise), o tensiune pozitivă va fi aplicată motorului. Prin deschiderea întrerupătoarelor S3 și S4 și închiderea lui S2 și S3, această tensiune este inversată, făcând posibilă rotirea motorului în sensul opus.

Fig. 5.11 Întrerupătoarelor punții H

Aranjarea de tip punte H este în general folosită pentru a inversa polaritatea motorului, însă poate fi folosită și pentru frânarea motorului (motorul se oprește brusc datorită scurtcircuitării terminalelor sale) sau pentru a lăsa motorul să se rotească liber până la oprire.

Tabelul 5.2. Aranjarea de tip punte H

Punțile H pot fi contruite din componente electronice sau se găsesc într-un singur circuit integrat (Fig. 5.12).

Fig. 5.12. Construcția punților H

Circuitul integrat L293D conține 2 astfel de punți care pot comanda motoare alimentate cu max 35V și 600 mA. Fiecare din cele două punți H are două terminale de intrare (INput) și un terminal de activare (ENable). Când terminalul EN este legat la 5V puntea H este activă. Dacă intrarea IN1 este in 1 logic (+5V) iar intrarea IN2 este in 0 logic (0V) motorul se rotește; dacă stările celor două intrări sunt inversate , motorul se va roti în sens contrar. Când ambele intrări sunt în 0 logic motorul se oprește iar dacă ambele sunt în 1 logic atunci axul motorului este frânat. Un exemplu de conectare a circuitului L293 la microcontroler este prezentat în Fig. 5.13.

Fig. 5.13. Exemplu de conectare a circuitului L293

Aplicația 1 – Acționarea unui motor de curent continuu în sens orar

Scopul aplicației este acționarea unui motor de curent continuu, la apăsarea butonului, în sensul acelor de ceasornic. La eliberarea butonului, motorul se va opri.

La inceputul programului se setează pinul 5 al portului D și pinul 3 ai portului B ca ieșiri; portul A se setează ca intrare

Dacă se apasă butonul conectat la pinul 0 al portului A atunci intrarea IN2 conectată la pinul 5 al portului D ia valoarea 1, intrarea IN1 conectată la pinul 3 al portului B ia valoarea 0 și motorul se rotește in sens orar cu turație maximă

Dacă se eliberează butonul conectat la pinul 0 al portului A atunci, intrarea IN2 conectată la pinul 5 al portului D ia valoarea 0, intrarea IN1 conectată la pinul 3 al portului B ia valoarea 0 și motorul se oprește.

Aplicația 2 – Acționarea unui motor de curent continuu în sens trigonometric

Scopul aplicației este acționarea unui motor de curent continuu, la apăsarea butonului, în sensul invers acelor de ceasornic (sens trigonometric). La eliberarea butonului, motorul se va opri.

La inceputul programului se setează pinul 5 al portului D și pinul 3 ai portului B ca ieșiri; portul A se setează ca intrare.

Dacă se apasă butonul conectat la pinul 0 al portului A atunci intrarea IN2 conectată la pinul 5 al portului D ia valoarea 0, intrarea IN1 conectată la pinul 3 al portului B ia valoarea 1 și motorul se rotește in sens antiorar cu turație maximă.

Dacă se eliberează butonul conectat la pinul 0 al portului A atunci, intrarea IN2 conectată la pinul 5 al portului D ia valoarea 0, intrarea IN1 conectată la pinul 3 al portului B ia valoarea 0 și motorul se oprește.

Întreruperi. Tratarea întreruperilor

O întrerupere reprezintă un semnal sincron sau asincron de la un periferic ce semnalizează apariția unui eveniment care trebuie tratat de către procesor. Tratarea intreruperii are ca efect suspendarea firului normal de execuție al unui program și lansarea în execuție a unei rutine de tratare a intreruperii (RTI) .

Întreruperile hardware au fost introduse pentru a se elimina buclele pe care un procesor ar trebui să le facă în așteptarea unui eveniment de la un periferic. Folosind un sistem de intreruperi, perifericele pot atenționa procesorul în momentul producerii unei întreruperi (IRQ), acesta din urmă fiind liber să-și ruleze programul normal în restul timpului și să iși întrerupă execuția doar atunci când este necesar

Înainte de a lansa în execuție o rutină de tratare a intreruperii (RTI), procesorul trebuie să aibă la dispoziție un mecanism prin care să salveze starea în care se află în momentul apariției întreruperii. Aceasta se face prin salvarea într-o memorie, a registrului contor de program (Program Counter), a registrelor de stare precum și a tuturor variabilelor din program care sunt afectate de execuția RTI. La sfârșitul execuției RTI starea anterioară a registrelor este refacută și programul principal este reluat din punctul de unde a fost intrerupt.

Perifericele care pot genera întreruperi la ATMega16 sunt timerele, interfața serială (USART), convertorul analog-digital (ADC), controlerul de memorie EPROM, comparatorul analog și interfața serială I2C. Deasemenea, procesorul poate să primească cereri de întreruperi externe din trei surse (INT0, 1 și 2) ce corespund unui număr egal de pini exteriori:

INT0 pinul 16 (PD2)

INT1 pinul 17 (PD3)

INT2 pinul 3 (PB2)

Principiul de funcționare al unui Timer

Timerul/Counterul, după cum îi spune și numele oferă facilitatea de a măsura intervale fixe de timp și de a genera întreruperi la expirarea intervalului măsurat. Un timer, odată inițializat va funcționa independent de unitatea centrală. Acest lucru permite eliminarea buclelor de delay din programul principal.

Fig. 5.14. Schema principiului de funcționare a unui Timer

Principiul de funcționare a unui Timer poate fi descris astfel :

– Prescaler-ul divizează în funcție de necesitățile aplicației frecvența de ceas și odată cu divizarea incrementează registrul numărător TCNT .

– La fiecare incrementare a registrului numărător are loc o comparație între acest registru și o valoare stocată în registrul OCR. Această valoare poate fi incărcată prin software de utilizator. Dacă are loc egalitatea se generează o intrerupere, în caz contrar incrementarea continuă.

Timerele sunt prevăzute cu mai multe canale astfel că se pot desfășura în paralel mai multe numărători. ATmega16 este prevăzut cu 3 unități de timer: două pe 8 biți și una pe 16 biți.

Semnale PWM

Pentru a controla turația motoarelor de curent continuu există mai multe metode. Cea mai simplă ar fi înserierea unui rezistor variabil in circuitul de alimentare al motorului. Prin modificarea valorii rezistenței se modifică tensiunea aplicată motorului. Variația tensiunii nu este proporțională cu variația rezistenței ci depinde și de curentul absorbit de motor. Această metodă nu este eficientă, având in vedere faptul că se pierde foarte multă energie prin disipare de căldură.

Cea mai des utilizată metodă de control a turației este comanda cu impulsuri modulate în lățime PWM (Pulse Width Modulation).

Fig. 5.15. Impulsuri modulate în lățime PWM

Variația turației motorului se face prin creșterea sau micșorarea timpului în care semnalul de comandă are valoarea 1 logic (tON). Astfel la un factor de umplere de 100%, motorul are turația maximă, deci tON este maxim, iar tOFF este zero. La un factor de umplere de 50 %, motorul are jumatate din turația nominală deci tON = tOFF. Iar la un factor de umplere de 0 % motorul este oprit deci tOFF este maxim, iar tON este zero.

Majoritatea microcontrolerelor pot genera semnale PWM. Pentru măsurarea timpului cât semnalul este în 1 logic și al timpului cât stă în 0 logic, se folosește un Timer.

Pentru a genera un astfel de semnal numărătorul este incrementat periodic și este resetat la sfârșitul fiecărei perioade a PWM-ului. Când valoarea numărătorului este mai mare decat valoarea de referință, ieșirea PWM trece din starea 1 logic in starea 0 logic (sau invers)

In cazul microcontrolerului ATmega16 pentru a genera semnale PWM, este nevoie de programarea a doi regiștrii TCCR1A și TCCR1B. Regiștrii de control (TCCR1A/B) sunt regiștrii de 8 biti, cu rol de a configura Timerul pentru un anumit mod de functionare.

Pentru a genera un semnal PWM standard, trebuie setați biții COM1A1 și COM1B1 din registrul TCCR1A. Aceasta înseamnă că li se va atribui valoarea 1 logic. Pentru stabili numărul de biti corespunzător factorului de umplere al PWM-ul trebuie setați biții WGM10 și WGM12. Dacă mărimea factorului de umplere trebuie exprimată printr-un număr intreg pe 10 biti atunci celor doi biți li se atribuie valoarea1. Pentru a stabili frecvența semnalului se poate folosi un divizor de frecvență (prescaler) Dacă se utilizează un prescaler de 8, atunci bitul CS11 are valoarea 1.

Astfel, registrul TCCR1A are in final valoarea

TCCR1A := 10100001 ; sau TCCR1A := $A1 ;

iar TCCR1B:

TCCR1B := 00001010 ; sau TCCR1B := $0A.

Pentru a ușura generarea semnalelor PWM și a elimina necesitatea programării celor doi regiștrii de control, in librăria flexunit a fost inclusă o procedură care poate fi apelată cu instrucțiunea Init_pwm.

Circuitul L293 de pe placa de dezvoltare permite comanda a două motoare de curent continuu.

Fig. 5.16. Circuitul L293 de pe placa de dezvoltare

Pentru a comanda cele două motoare se utilizează instrucțiunile:

Init_pwm care initializează cei doi regiștii de control TCCR1A și TCCR1B

motor0(x)

motor1(y)

unde:

motor0 reprezintă motorul conectat la pinii 3 și 6

motor1 este motorul conectat la pinii 11 și 14

x și y sunt numere cuprinse intre -127 și 127 și semnifică valoarea factorului de umplere al semnalului PWM.

Dacă x și/sau y au valoarea – 127 atunci motorul se va invârti cu turație maximă de exemplu în sens orar; dacă au valoarea 127 se va invârti cu turație maximă in celălalt sens iar dacă au valoarea 0 motorul nu se rotește.

Aplicația 3 – Comanda bidirecțională a motorului de curent continuu

Scopul aplicației este comanda bidirecțională a unui motor de curent continuu cu posibilitatea reglării vitezei.

La inceputul programului inițializează comunicația cu LCD-ul și cei doi regiștii PWM

Dacă se apasă butonul conectat la pinul 6 al portului D atunci motorul se rotește in sens antiorar cu o turație corespunzătoare unui factor de umplere de 48, timp de 1,5 secunde, după care iși va schimba sensul și se va roti cu aceeasi viteză tot 1,5 secunde. Apoi ciclul se repetă

Dacă se eliberează butonul conectat la pinul 6 al portului D atunci, motorul se oprește.

Sensul se rotație al motorului va fi afișat pe LCD

Aplicația 4 – Variator de turație (I)

Scopul aplicației este modificarea turației unui motor de curent continuu.

La inceputul programului inițializează comunicația cu LCD-ul și cei doi regiștii PWM

Pe canalul 1 al ADC-ului (pinul 39) este conectat un potențiometru. La mijlocul cursei potențiometrului turașia motorului este zero. La rotirea potențiometrului într-un sens turația motorului va crește proporțional cu unghiul de rotație. La schimbarea sensului de rotație al potențiometrului se schimbă și turația motorului.

Pe primul rând al afișajului LCD va fi afișat textul “Variator turație” iar pe al doilea valoarea factorului de umplere al semnalului de comandă PWM

Aplicația 5 – Variator de turație (II)

Scopul aplicației este modificarea turației unui motor de curent continuu cu ajutorul encoderului de pe placa de dezvoltare.

Unul din terminalele encoderului este legat la pinul PB2 adică la pinul care corespunde intreruperii externe int_2. Din acest motiv la inceputul programului este o procedură ce tratează intreruperea externă.

Dacă pinul 2 al portului B este 1 logic atunci variabila in2 este decrementată cu 5 unități; dacă este in 0 logic atunci variabila va fi incrementată cu 5 unități. Practic se realizează un numărător care numără din 5 in 5 de la -128 pâna la 127.

La rotirea encoderului într-un sens turația motorului va crește proporțional cu unghiul de rotație. La schimbarea sensului de rotație al encoderului se schimbă și turația motorului.

Pe primul rând al afișajului LCD va fi afișat textul “PWM test” iar pe al doilea valoarea factorului de umplere al semnalului de comandă PWM adică valoare obținută prin rotirea encoderului.

STRUCTURA MECANICĂ A ROBOTULUI HHR

6.1. Prezentare generală

Robotul HHR folosit în acest studiu este varianta numărul 2 a unui robot hiper-redundant tip trompă de elefant.

Robotul HHR 02 este format din 9 elemente înseriate, legătura între module fiind făcută prin articulații sferice (Fig. 6.1). Robotul este un robot de tip hiper-redundant discret. Lungimea elementelor variază în progresie aritmetică, elementul de lungime maximă constituind baza robotului, respectiv elementul de lungime minimă constituind terminalul robotului. Robotul este format din trei module înseriate fiecare dintre acestea fiind constituite din trei elemente robotice.

Fig. 6.1. Robotul HHR 02 – Element modelat în SolidWorks

Structura prezentată introduce ca element de noutate un nou principiu de acționare și control a robotului bazat numai pe trei cabluri tendoane pentru toată structura robotică. Practic cablurile de tracțiune sunt folosite pentru imprimarea unei curburi a unui modul, respectiv a modului/modululor active. Fiecare element este prevăzut cu un sistem de blocare a poziției care poate fi acționat independent de celelalte elemente. Un element blocat se consideră un element inactiv. În acest fel putem controla, prin intermediul cablurilor de tracțiune, numai elementele active. Curbând secvențial fiecare modul/tronson/element al robotului se obține curbura dorită exact ca și în cazul structurii clasice prevăzută cu perechi de trei cabluri pentru fiecare modul.

Sistemul de blocare al unui element se bazează pe fricțiune având ca element central de acționare un piston pneumatic. Deși fiecare element poate fi controlat independent în structura prezentată sunt blocate simultan toate elementele unui modul, respectiv trei elemente. În acest fel structura prezentată este formată din trei module, a câte trei elemente, deci poate asigura trei curburi spațiale ale corpului robotului.

Avantajul prezentat de structura robotică HHR 02 rezidă din simplificarea și minimizarea sistemului de acționare, ceea ce duce și la simplificarea comenzii.

6.2. Modelarea geometrică și prezentarea structurii mecanice

Structura schematică

Un modul al robotului HHR 02 este format din trei elemente înseriate. Legătura între două elemente este realizată printr-o cuplă de clasă patru, respectiv o cuplă sferică care are restricționată rotația în jurul unei axe. Structura similară pentru acest tip de articulație este o structură RR care un element are lungime zero. Pentru un modul se obține o structură clasică cu 6 articulații de rotație

Structura mecanică a unui element

Toate elementele robotului sunt aparent identice singura diferență constituind-o lungimea elementului care variază în progresie aritmetică cu rata de creștere 5 mm, fiecare element fiind mai scurt decât anteriorul (pornind de la bază) cu 5 mm. Lungimea elementelor variază între 35 mm și 75 mm (Fig.6.2).

Din punct de vedere funcțional un element este format din două discuri unite prin centrele de rotație printr-o tijă de lungime L. Unul dintre discuri se consideră fix și constituie baza elementului. Legătura între tijă și centrul acestui disc este rigidă, neavând nici un grad de libertate. Cel de-al doilea disc este conectat la tijă printr-o articulație sferică de clasă trei. Prin restricțiile impuse de sistemul de acționare cu cabluri de acționare unul din gradele de mobilitate, respectiv rotația în jurul axei z-în jurul tijei, este anulat. În acest fel articulația devine o cuplă de clasă patru permițând rotația în jurul axei OX, respectiv OY (Fig.6.2). Discul mobil al elementului n se consideră unitar cu discul fix al elementului n+1.

Prin acționarea cu cabluri tendoane discul mobil se înclină unghiular în raport cu discul fix ceea ce asigură curbura corpului robotului [53].

Proiectarea parametrizată a elementelor robotice s-a realizat în SOLIDWORKS. Softul de proiectare SOLIDWORKS face parte din categoria softurilor CAD-CAM.

Acest lucru a permis găsirea soluției optime din punct de vedere constructiv. În cadrul proiectării elementului parametrii dimensionali principali au fost prescriși ca parametrii și variați în cadrul procesului de simulare parametrizată în cadrul moduluilui de analiză al programului SOLIDWORKS.

Componentele constructive ale elementului realizat în SOLIDWORKS sunt prezentate în Fig.6.2.

Fig.6.2. Robotul HHR 03 – Structura unui element

După realizarea variantei finale în SOLIDWORKS fiecare componentă a fost realizată pe freza cu comandă numerică Roland MDX 40A. În cadrul acestui proces fiecare componentă a fost reproiectată în SOLIDWORKS astfel încât sa asigure posibilitatea proiectării pe CNC-ul amintit. Prelucrarea componentelor s-a făcut cu o freză de 1 mm, cu rezoluția maximă a mașinii, respectiv 0.01 mm.

S-a ținut cont de parametrii mecanici ai materialului folosit, respectiv poliacetal, urmărind micșorarea masei componentelor, respectând în același timp condițiile de rigiditate (vezi anexa Poliacetal).

Datorită procesului de prelucrare, CNC ROLAND MDX 40A fiind cu prelucrare în patru axe, a fost necesară realizarea unor componente din subcomponente. Acestea au fost asamblate ulterior folosind un adeziv specific.

În figurile Fig. 6.3 – Fig. 6.15 sunt prezentate componentele finale realizate pe ROLAND.

Componenta 1 – discul mobil

Datorită constângerilor de realizare pe CNC componenta a fost realizată din două subcomponente care ulterior au fost lipite folosind un adeziv specific (Fig. 6.3).

Fig. 6.3. Robotul HHR 02 – Discul mobil

Masa acestei componente este de 7 g. Dimensiuni geometrice sunt: diametrul exterior – 80 mm, iar grosimea maximă – 12 mm.

Componenta 2 – sfera elementul mobil al ariculației sferice

Datorită constângerilor de prelucrare pe ROLAND această componentă a fost realizată din patru subcomponente care ulterior au fost lipite folosind un adeziv specific (Fig. 6.4).

Fig. 6.4. Robotul HHR 02 – Sfera, elementul mobil al articulației sferice

Componenta 3 – tija de legătură dintre discul fix și discul mobil

Această componentă reprezintă componenta care unește și poziționează cele două discuri. Practic aceasta este realizată din trei tije independente situate la 120o în jurul articulației sferice

Datorită constrângerilor de prelucrare pe ROLAND această componentă a fost realizată din 3 subcomponente independente (Fig. 6.6).

Fig. 6.6. Robotul HHR 02 – Tija de legătură între discul fix și discul mobil

Componenta 4 – discul fix

Această componentă împreună cu tija de legătură (componenta 3) formează structura rigidă a elementului. Această componentă a fost realizată dintr-o singură subcomponentă (Fig. 6.7.)

Fig. 6.7. Robotul HHR 02 –Discul fix

Componenta 5 – tijele de ghidare a elementului mobil al mecanismului de blocare

Această componentă este formată din trei cilindri, care vor fi montați la 120o în locașurile speciale aflate pe discul mobil (Fig. 6.8).

Fig. 6.8. Robotul HHR 02 – Tijele de ghidare

Componenta 6 – arcurile de distanțare a elementului de blocare

Sunt folosite trei arcuri care sunt poziționate între discul mobil și elementul mobil de blocare al sistemului de blocare, folosind în acest scop locașele cilindrice prevăzute special în discul mobil și în calota sferică a elementului mobil al sistemului de blocare (Fig. 6.9).

Fig. 6.9. Robotul HHR 02 – Arcurile de distanțare

Componenta 7 – pârghia, respectiv elementul de amplificare a forței de fricțiune

Această componentă are rolul de a transmite forța de la pistonul pneumatic la elementul mobil de blocare. Dimensiunile geometrice sunt adaptate corespunzător, capătul elementului cu artiulația de rotație fiind mai gros (Fig. 6.10).

Fig. 6.10. Robotul HHR 02 – Pârghia

Componenta 8 – elementul fix al sistemului de blocare

Această componentă are rol de legătură de bază, element rigid sau fix, pentru mecanismul de blocare. Asigură legătura între elementele mobile ale mecanismului de blocare. Datorită constângerilor de prelucrare pe ROLAND această componentă a fost realizată din două subcomponente (Fig. 6.11).

Fig. 6.11. Robotul HHR 02 – Elementul fix al mecanismului de blocare

Componenta 9 – elementul de distanțare al mecanismului de blocare

Această componentă face legătura între discul fix și mecanismul de blocare (Fig. 6.12).

Fig. 6.12. Robotul HHR 02 – Element de distanțare elementul 3-9

Componenta 10 – suportul pistonului pneumatic

Este format din doi cilindrii de diametre diferite, suprapuși. Cilindrul superior de diametru mai mic, are rolul de a fixa pistonul pneumatic. Cilindrul inferior de diametru mai mare are rol de a se fixa pe componenta rigidă a sistemului de blocare și de a ghida tija pistonului pneumatic, spre pârghia acestuia (Fig. 6.13).

Fig. 6.13. Robotul HHR 02 – Suportul pistonului pneumatic

Componenta 11 – componenta de blocare

Această componentă are ca rol principal blocarea elementului mobil al articulaței sferice (Fig. 6.14).

Fig. 6.14. Robotul HHR 02 – Componenta de blocare

Componenta 12 – arcurile de tensionare ale elementului

Prin montaj acestea sunt pretensionate pentru poziția de echilibru a dicului mobil. La înclinarea discului mobil se comprimă sau se destind în funcție de situație.

Fig. 6.15. Robotul HHR 02 – Arcurile de tensionare

Componenta 13 – cablurile de tracțiune

Acestea au rolul de a poziționa discul mobil conform incrementelor unghiulare prescrise. Realizează această funcție în combinație cu arcurile de tensionare ale elementului, pentru care realizează și funcția de cămașă internă.

Sunt realizate din material textil în combinație cu mătase. Acest tip de material asigură o flexibilitate maximă și o rezistență suficientă atât pentru poziționarea elementului mobil cât și pentru realizarea funcției de cămașă interioară pentru arcurile de tensionare.

Componenta 14 – pistonul pneumatic de acționare

Această componentă are rolul de a efectua lucrul mecanic necesar sistemului de blocare (Fig. 6.15).

Fig. 6.15. Robotul HHR 02 – Pistonul pneumatic de acționare

CONCLUZII

Roboții hiper-redundanți reprezintă o clasă nouă de roboți, care a trezit interesul unui număr mare de cercetători științifici din întreaga lume. Față de structurile clasice, proiectate să aibă un număr redus de articulații, conectate în serie prin intermediul unor elemente structurale rigide ce operează într-un spațiu deschis, fără constrângeri, roboții hiper-redundanți au fost proiectați cu un număr foarte mare de articulații cu un grad de mobilitate ridicat, pentru a putea opera în spații cu restricții.

Aceste modele robotice sunt utilizate în diverse aplicații, cum ar fi operații ce necesită deplasarea pe teren accidentat, în operațiuni de căutare și salvare a victimelor în urma unor dezastre (cutremure, tsunami, accidente, etc), în inspecția zonelor limitate ca dimensiuni din medii industriale precum și în chirurgie.

Oamenii de știință își îndreaptă din ce în ce mai mult atenția asupra roboților salvatori. Creați atât pentru a zbura prin aer, a merge pe apă sau pentru a se târî pe pământ, roboții au misiunea de a monitoriza și ține sub control structurile, dar și de a găsi persoanele prinse sub dărâmături și a îndruma autoritățile către acestea.

Roboții sunt, de asemenea, răspândiți în cercetările ecologice, chiar dacă aceștia nu au fost dezvoltați în acest scop. Cei mai mulți roboți utilizați în ecologie sunt mobili și pot fi clasificați în funcție de echipamentele pe care le transportă, dimensiunea lor, de modul în care aceștia operează, de mobilitatea și autonomia lor.

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

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

Constructiv putem împărți roboții hiper-redundanți, funcție de numărul gradelor de libertate, în categoriile principale: hard, continuu și soft.

De asemenea din punct de vedere al acționării avem roboții acționați cu cabluri de tracțiune (convenționale sau SMA) sau acționați în moduri neconvenționale (acționare intrinsecă, extrinsecă sau hibridă).

Deși pentru comanda robotului s-a folosit comanda PIC32 Ethernet Starter Kit, pentru teste s-a folosit platforma cu PIC16F917 în aplicațiile practice.

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

De la dezastre nucleare, la catastrofele naturale și incendii, roboții care pot înlocui oamenii în aceste locuri periculoase, sunt în curs de dezvoltare și reprezintă un domeniu ce prezintă un mare interes.

BIBLIOGRAFIE

Riscuri potențial generatoare de dezastre naturale [online]

URL:http://www.isuteleorman.ro/doc/Preg_populatiei/ianuarie2011/RISCURI%20TELEORMAN/Riscuri%20potential%20generatoare%20-%20tr.pdf[accesat 03.06.2015]

Prof. univ. asoc. Dr. Nicolae Steiner, „Actualități în organizarea echipelor medicale mobile de asistență în dezastre”, București, 2012

Reguli de comportare în cazul producerii unei situații de urgență [online]

URL: http://www.orastie.info.ro/servicii/prciv/pc11.pdf [accesat: 03.06.2015]

Despre cutremure [online]

URL: http://www.infp.ro/despre-cutremure/ [accesat: 03.06.2015]

Alertă în caz de cutremur: Aplicațiile care te pot proteja în timpul unui seism [online]

URL: http://playtech.ro/2015/avertizarea-in-caz-de-cutremur-aplicatiile-care-te-pot-proteja-in-caz-de-seism/ [accesat: 03.06.2015]

Furtuna [online]

URL: https://ro.wikipedia.org/wiki/Tr%C4%83snet [accesat:03.06.2015]

Efectul furtunilor din țară [online]

URL: http://www.turnulsfatului.ro/30422/galerie-efectele-furtunii-de-azi-noapte:-inundatii-tigle-sparte-acoperisuri-luate-de-vant.html [accesat: 03.06.2015]

Încălzirea globală [online]

URL: http://www.descopera.ro/incalzirea-globala [accesat: 03.06.2015]

De ce suportăm mai greu canicula [online]

URL:http://www.meteo.ro/stire/1903/De-ce-suportam-mai-greu-canicula.html [accesat: 03.06.2015]

Alunecările de teren [online]

URL: http://www.chimiamediului.ro/tag/alunecari-de-teren/ [accesat: 03.06.2015]

Alunecări de teren în Vrancea [online]

URL: http://www.jurnaldevrancea.ro/ultima-ora-alunecari-de-teren-in-vrancea/ [accesat: 03.06.2015]

C. Burțilă, G. Popescu, „Protecția mediului. Influența incendiilor și substanțelor de stingere asupra mediului”, Proiect de diplomă, Facultatea de Pompieri, Academia de Poliție „Alexandru Ioan Cuza”, București, 2006

Incendiile de pădure [online]

URL: http://vegetatiaforestiera.com/incendiile-de-padure/ [accesat: 03.06.2015]

The causes of water pollution [online]

URL: http://www.water-pollution.org.uk/causes.html [accesat: 03.06.2015]

Poluarea apei [online]

URL: http://bionatura21.wikispaces.com/Alle%26Camy [accesat: 03.06.2015]

Effects of water pollution [online]

URL: http://enviropol.com/index.php/effects-of-water-pollution [accesat: 03.06.2015]

D. Grémillet, W. Puech, V. Garçon, T.Boulinier, Y.Le Maho, ,,Robots in Ecology: Welcome to the machine”, Open Journal of Ecology, 2(2), 2012, 49-57

T. Nakamura, T. Tomioka, ,,Can robots contribute to preventing environmental deterioration?”, Proceedings of the 1993 IEEE/Tsukuba International Workshop on Advanced Robotics, Tsukuba, Japan, 1993 Seashore Robot for Environmental Protection and Inspection

Protei, Open Hardware Oil Spill Cleaning Sailing Robot [online]

URL: https://www.kickstarter.com/projects/cesarminoru/protei-open-hardware-oil-spill-cleaning-sailing-ro [accesat: 29.06.2015]

Șerpii-roboți vor căuta oameni sub clădirile prăbușite în Japonia [online]

URL: http://www.descopera.ro/dnews/8070543-serpii-roboti-vor-cauta-oameni-sub-cladirile-prabusite-in-japonia-video [accesat: 29.06.2015]

Natural disasters: Networking robots and sensor systems to help first responders react more quickly [online]

URL:http://www.sciencedaily.com/releases/2011/10/111017124255.htm?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+sciencedaily+%28Latest+Science+News+–+ScienceDaily%29 [accesat: 29.06.2015]

Conf. univ. dr. ing. Cezar Dumitru Popa, „Roboți industriali” [online]

URL: http://yamaho.eu/files/roboti.pdf [accesat: 05.06.2015]

Ing. Mihai Duguleană, „Învățarea roboților mobili pentru deplasare și manipulare în medii industriale”, Teză de doctorat, Informatică industrială virtuală și robotică, Brașov, 2011

Ing. Dănuț Adrian Bucur, „Contribuții în controlul mișcării sistemelor de prehensiune pentru roboți și mâini umanoide inteligente”, Teză de doctorat, Institutul de Mecanica Solidelor al Academiei Române, București, 2014

Liviu Morar, „Mașini, Roboți și Echipamente pentru Sisteme Flexibile de Fabricație”, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, 2012

Alexandru Năstase, „Mecanica roboților-Mecanisme manipulatoare seriale”, Galați University Press, 2012

BIOSwimmer robot mimics the humble tuna fish

URL:http://www.gizmag.com/bioswimmer-robotic-tuna/24213/ [accesat: 05.06.2015]

South Korean Scientists Develop the World’s First Cancer-Treating Nanorobots [online]

URL: http://nuviun.com/content/nanorobots [accesat: 05.06.2015]

Emil P. Pop, Monica C. Leba, Maria D. Pop, ,,Sisteme de conducere a roboților-structura, conducerea, modelarea, simularea și programarea roboților ficști și mobili”, Ed. Didactică și Pedagogică, București, 2007

Robot rescue: First-responders of the future [online]

URL: http://www.foxnews.com/tech/2014/06/10/robot-rescue-first-responders-future/ [accesat: 05.06.2015]

E. Shammas, A. Wolf, H. Choset, ,,Three degrees-of-freedom joint for spatial hyper-redundant robots”, Mechanism and Machine Theory, 41, 2006, 170-190

G.S. Chirikjian, J.W. Burdick, ,,A Hyper- Redundant Manipulator”, IEEE Robotics & Automation Magazine, 1994, 22-29

G.S. Chirikjian, J.W Burdick, ,,An obstacle avoidance algorithm for hyper-redundant manipulator”, Proceeding of IEEE Conference on Robotics and Automation (Cincinnati, OH), 1, 1990, 625-631

M. Shahinpoor, H. Kalhor M. Jamshidt, ,,On magnetically activated robotic tensor arms”, In Proceedings of the International Symposium on Robot Manipulator: Modeling, Control, and Education, 1986

A.B. Jamali, R. Khan, M. Rahman, ,,Design and Control of Variable Length Hyper Redundant Robot”, Procedia Engineering 41, 2012, 1105-1113

S. Hirose, ,,Biologically Inspired Robots: Snake-like Locomotors and Manipulators”, Oxford University Press, 1993

G.S. Chirikjian, J.W. Burdick, ,,Kinematically Optimal Hyper-Redundant Manipulator Configurations”, IEEE Trans. on Robotics and Automation, 11(6), 1995, 123-136

M.W Hannan, I.D.Walker, ,,The ‘Elephant Trunk’ Manipulator, Design and Implementation”, Proceedings of the 2001 IEEE/ASME AIM, Italy, 2001

J. Suthakorn, ,,Binary Hyper-Redundant Robotic Manipulator Concept”, Department of Mechanical Engineering, The Mahidol University, Thailand, 2004

K.J. Dowling, ,,Limbless Locomotion: Learning to Crawl with a Snake Robot”, PhD Thesis, The Robotics Institute, Carnegie Mellon University, December 1997

Snake Robot Control [online]

URL: http://www.snakerobot.com/ [accesat: 10.06.2015]

NEC Corporation, ,,Orochi 12DOF Snake Like Robot”, Press Release, NEC Corp. Melville, New York, 1996

L. Marques, J. Dinis, A. P. Coimbra, M. M. Crisóstomo, J. P. Ferreira, ,,3D Hyper-Redundant Robot”, 11th Spanish Portuguese Conference on Electrical Engineering, Zaragoza, Spain, 2009

P. Liljebäck , K.Y. Pettersen , O. Stavdah, J.T. Gravdal, ,,A review on modelling, implementation, and control of snake robots”, Robotics and Autonomous Systems, 60, 2012, 29-40

C.M. Humphrey, J.A. Adams, „Robotic Tasks for Chemical, Biological, Radiological, Nuclear and Explosive Incident Response”, Advanced Robotics, 23(9), 2009, 1217-1232

M. Yim, D.G. Duff, K.D. Roufas, ,,PolyBot: A modular reconfigurable robot”, Proceedings of the 2000 IEEE/International Conference on Robotics & Automation, San Francisco, 2000

L. Sciavicco, B. Siciliano, ,,Modelling and Control of Robot Manipulators”, 2000, Springer-Verlag, Berlin

Doru Adrian Pănescu, Ștefan Dumbravă, ,,Sisteme de Control al Roboților – Modelarea cinematică, Ed. Politehnium Iași, 2009

Alice Predescu, ,,Sistem de control 3D pentru un robot hiper-redundant”, Teză de doctorat, 2011

D. Strîmbeanu, I. Vladu, M. Florescu, I. C. Vladu, ,,The Curvature Control of a Hybrid Hyper-redundant Robot HHR 2”, Proceedings of the 18th International Conference on System Theory, Control and Computing, Sinaia, Romania, October 17-19, 2014

Valer Dolga, Adriana Teodorescu, ,,Acționarea roboților industriali”, Editura Eurobit, Timișoara, 1999

G. Tunsoiu, E. Seracin, C. Saal, ,,Acționǎri electrice”, Editura didacticǎ si pedagogicǎ, București, 1982

M. Ivanescu, M. Nitulescu, V. Stoian, ,,Sisteme neconvenționale pentru conducerea roboților”, Editura Universitaria, Craiova, 2002

Vladu Ionel Cristian, ,,Sisteme de acționare neconvenționale pentru conducerea roboților”, Teză de doctorat, 2009

Ce este mecatronica [online]

URL: http://www.mecatronica.ro/ce_este_mecatronica.html [accesat 02.07.2015]

Anexa 5.3.1. PIC32 USB Starter Kit II Diagrama de dezvoltare a plăcii bloc

Înalt nivel de bloc Diagrama PIC32 USB Starter Kit II BOARD

Anexa 5.3.2. Structura plăcii PIC32 USB STARTER KIT II

FIG. A. PIC32 STARTER KIT USB II Structura (montajul parții de sus)

Fig. B. PIC32 STARTER KIT USB II Structura (montajul parții de jos)

Anexa 5.3.3. Schema plăcii PIC32 USB STARTER KIT II

Fig. 5.3.3 A

Fig. 5.3.3 B

Fig. 5.3.3 C

Anexa 5.4.1. Diagrama bloc a microcontrolerului PIC32MX

Anexa 5.4.2. Descriere I/O pinii de ieșire