Roboti Pasitori

PROIECT DE DIPLOMĂ

ROBOȚI PĂȘITORI

Cuprins

Capitolul 1 1.0 Perspectivă istorică a roboților pășitori

1.1 Introducere

1.2 Roboți mobili

1.2.1 . Structura sistemelor de acționare electrică ale roboților industriali

1.2.2 Roboți industriali

1.3 Evoluția roboților pășitori (carte)

1.4 Domenii de utilizare a robotilor pasitori

Capitolul 2 2.0 Dinamica și cinematica unui robot pășitor

2.1 Dinamica roboților pășitori

2.2 Modele cinematice

Capitolul 3 3.0 Motoarele roboțiilor pășitori

3.1 Construcția și funcționarea motoarelor pas cu pas

3.2 Variante constructive de motoare pas cu pas

3.3 Comanda motoarelor pas cu pas

3.4 Regimul de micropășire

3.5 Structura sistemelor de poziționare în circuit închis

3.6 Sistem de comandă pentru o acționare diferențială cu motoare pas cu pas a unui robot

3.7 Sistemele de control a locomoției picioarelo

Capitolul 4 Proiectul robotului

Capitolul 5 Bibliografie

1.0 O perspectivă istorică a roboților pășitori

1.1 Introducere

Din toate timpurile omul s-a străduit să construiească mașini imitatoare. În trecut oamenii credeau, că prin constuirea acestor modele mecanice vor descoperi secretele vieții. Modelele lor au fost preluate din natură, precum zborul păsărilor si mersul animalelor.

Animalele se pot mișca in mod liber prin folosirea picioarelor, cu o ușurință mult mai mare decât mecanismele construite de om. Locomoția animalelor fiind astfel superioară mecanismelor atât sub aspecte energetice cât și al manevrabilitații. Omul ca ” creația lui Dumnezeu” cu inteligența sa a reușit să preia multe din tainele acestuia , dar nici pe aproape de o realizare comparabilă. Cu multe eșuări tot a încercat să creeze instrumente de investigare iar succesele au dat dovezi pozitive. Ce și-a imaginat generația trecutului este creat de generația de astăzi, datorită noilor posibilități, într-o dinamică avansată.

Studiul mișcarei mecanice atât la oameni, cât și la animale a preocupat numerosi oameni intelectuali din cele mai vechi timpuri. Imitarea mișcărilor antropomorfe chiar cu inteligența artificială este foarte greu, deoarece trebuie să conține aproximativ 400 de mecanisme de acționare. Din acest motiv trebuie reduse numărul gradelor de libertate ale roboților pășitori la limite rezonabile, dar numărul posibilitățiilor de pășire să atingă cifra de minimum 5040. Acesta reprezintă problema sintezei mersului artificial, precum și problema referitoare la stabilitatea mersului, necorespunzători utilizând metoda clasică de comandă și control.

Oamenii de știință încearcă să creeze un robot pășitor autonom dotat cu funcțiile de manipulare, locomoție, navigație, percepție, invățare, stocare de informație și un control inteligent

Roboții pășitori apar în secolul XIX., când George Moore a construit robotul biped numit, The Steam. Între primele mecanisme se mai numără și L. A. Rygg în 1893 cu un brevet obținut pentru The Mechanical Horse.

Acestea foloseau mecanismele cu bare și roți dințate pentru a obține o mișcare biformă. Aceste mișcări au fost dezvoltate abea in secolul al XX.-lea.

În anul 1960 au fost concepute doi roboți pentru exploatarea planetelor la Space General Corporation. Cele două se diferențiau prin numărul picioarelor, primul era echipat cu șase, iar al doilea cu opt picioare. Aceste picioare erau alimentate din exterior cu cablu, coordonate de mecanisme cu bară si came.

In Moscova la Universitatea Lomonosov în perioada 1971-1994 un grup de savanți au realizat mai multe modele de hexapod, numite, Masha. Hexapodurile aveau trei grade de mobilitate, tipul piciorului ” insectă”.

Instituții care au realizat hexapoduri: Universitatea din Roma 1972, Institutul de Fizică Tehnică din Moscova 1974.

La Ohio State University prin colaborare cu Mc Ghee în 1977, a fost construit un robot hexapod cu numele de, OSU Hexapod. Acest Hexapod a fost dezvoltat continuu cu echiparea unor senzori de forță, și un senzor de proximitate, o cameră video, și un giroscop. Robotul cântărea 160 de kilograme, și era controlat de un calculator PDP. Picioarele robotului avea trei grade de mobilitate și toate acestea erau operate de motoare electrice, cu un reductor cu roți dințate.

1.2 Roboți mobili

Unul din cele mai importante aspecte în evoluția ființei umane este folosirea uneltelor care să simplifice munca fizică. În aceasta categorie se înscriu și roboții, ocupând totuși  o poziție privilegiată datorită complexității lor.Noțiunea de robot este cunoscută de peste 4000 de  ani. Omul și-a imaginat dispozitive mecanizate și inteligente care să preia o parte din efortul fizic uman. Astfel a construit jucării automate si mecanisme inteligente și și-au imaginat roboții in desene,carti, etc.

Revoluția informatică a marcat saltul de la societatea industrializată la societateaavansat informatizată generând un val de înnoiri în tehnologie și în educație.

Acest lucru adus  și la apariția roboților Termenul "robot" a fost folosit in 1920 de cehul Karel Capek într-o piesa numită"Robotul universal al lui Kossum". Ideea era simplă: omul face robotul după care robotulucide omul. Multe filme au continuat sa arate că roboții sunt mașinării dăunătoare sidistrugătoare.Revoluția informatică a marcat saltul de la societatea industrializată lasocietatea avansat informatizată generând un val de înnoiri în tehnologie și în educațiepermițând realizarea de roboți.Roboții oferă beneficii substantiale muncitorilor, industriilor si implicit țărilor.In situatia folosirii în scopuri pașnice, roboții industriali pot influența pozitiv calitateavieții oamenilor prin înlocuirea acestora in spații  periculoase, cu conditii de mediudaunatoare omului, cu conditii necunoscute de exploatare etc.Domeniile de aplicare a tehnicii roboților se lărgesc mereu, ei putând fi utilizați înindustrie, transporturi și agricultură, în sfera serviciilor, în cunoasterea oceanului și aspatiului cosmic, în cercetarea științifică etc.

Dintre roboții mobili, cei care se deplasează pe șenile sau roți cu pneuri sunt folosiți tot mai mult pentru executarea unor lucrări speciale , cu grad mare de pericol pentru operatorul uman, dintre care se menționează: manipularea și neutralizarea munițiilor neexplodate; executarea unor culoare prin câmpurile de mine; cercetarea autovehiculelor, trenurilor, aeronavelor și a clădirilor, urmată de neutralizarea dispozitivelor explozive descoperite în aceste vehicule.

Roboții mobili sunt comandați de la distanță (prin unde radio sau prin cablu), sistemele de acționare ale brațului manipulator fiind de tip electro-hidraulic sau electric, cu motoare hidraulice liniare sau motoare electrice rotative.

La realizarea sistemelor de locomoție ale roboților mobili trebuie să se aibă în atenție îndeplinirea unor activități complexe cum ar fi: abordarea scărilor, escaladarea diferitelor obstacole, deplasarea în terenuri accidentate etc.

Gabaritul redus (atât longitudinal cât și transversal), ca și greutatea proprie redusă, reprezintă condiții extrem de severe impuse roboților mobili; aceștia trebuie să pătrundă în clădiri și locuri mai puțin accesibile, să se deplaseze pe culoare sau în pasaje proiectate inițial numai pentru accesul operatorului uman.

În ultimii ani s-a produs o creștere considerabilă a tipurilor și a capacităților roboților mobili și în general există trei tipuri: UAV (unmanned aerial vehicles – vehicule aeriene), UGV (unmanned ground vehicles – vehicule terestre) și UUV (unmanned under-water vehicles – vehicule subacvatice).

În anumite cazuri teoria controlului și a proiectării roboților mobili s-a bazat pe sistemele biologice, conducând la o clasă superioară, aceea a roboților cu inspirație biologică. Există două tipuri de roboți mobili: cu roți și cu picioare.

Roboții mobili au aplicații în următoarele domenii:

Sistemele de producție : Roboții mobili sunt utilizați pe scară largă pentru deplasarea materialelor în interiorul fabricilor. Robotul mobil este ghidat prin fabrică utilizând cabluri electrice pe pardoseală sau linii de ghidare vizuale. În cele mai multe sisteme roboții urmăresc o cale fixată fiind sub comanda controlerului instalației, încât ei sunt capabili să deplaseze un produs la comandă.

Sistemele de securitate: Utilizarea roboților mobili este considerată o soluție convenabilă, din punct de vedere al costului efectiv, pentru patrularea depozitelor mari sau a altor cl ădiri. Ei sunt echipați cu senzori și sunt capabili să detecteze intruși sau incendii.

Distrugerea explozibililor și a altor dispozitive suspecte: Un mare număr de roboți mobili au fost dezvoltați pentru a asista la căutarea și detonarea explozibililor. Scopul acestor roboți este de a permite inspecția și distrugerea unui dispozitiv suspect de la distanță fără a risca viața unor oameni.

Explorarea planetelor: Ca exemplu se consideră roboții care au explorat planeta Marte în 2004. În timpul explorării planetei, au fost transmise peste 15 Gb de informații, incluzând peste 12000 de imagini. Fiecare robot avea 39 de motoare de curent continuu clasice, cu rotor fără fier.

Motoarele au fost proiectate standard, cu mici modificări, mai exact motoarele trebuiau să suporte condiții extreme, cum ar fi domenii de variație a temperaturilor cuprinse între -120 C și +25 C.

O categorie aparte de roboți mobili sunt roboții cu picioare, preocuparea în privința acestora crescând foarte mult în ultimul timp, datorită interesului mare în domeniul roboticii cu inspirație biologică.

Au fost realizate multe proiecte de roboți cu picioare, atât pentru domeniul militar – cărăuși ai logisticii militare – cât și replici ale unor insecte. Acești roboți, numiți roboți biometrici, mimează structura și mișcarea oamenilor și a animalelor. Foarte interesant este modul de contrucț ie și control din punct de vedere al stabilității dinamice a acestor roboți. La proiectarea acestor sisteme există următoarele probleme:

Robotul trebuie să se susțină singur. Acest lucru limitează sever rapoartele forță/masă și putere/masă ale actuatorilor.

Actuatoarele robotului nu trebuie să se distrugă în timpul pașilor de contact sau a căzăturilor și trebuie să-și mențină stabilitatea după impactul cu un obstacol.Actuatoarele necesită controlabilitatea forței deoarece algoritmii utilizați pentru mișcarea robotului se bazează pe forțe (Fig.1.0).

Unii dintre cei mai reușiț i roboți cu picioare se bazează pe actuatoare elastice în serie, care au un resort în serie cu transmisia și cu ieșirea actuatorului (Fig.1.1). Resortul reduce oarecum lățimea de bandă a actuatorului, dar pentru o aplicație cu lățime de bandă redusă, cum ar fi plimbarea, aceasta nu are importanță. În schimb, actuatoarele elastice în serie sunt cu mișcare redusă, rapoarte forță/masă și putere/mas ă ridicate, cu un control bun al forței și o toleranță la impact rezonabilă. În plus, ele au frecare și impedanță reduse, și astfel se poate obține un control al forței de calitate foarte bună.

Fig.1.0 Diagrama bloc a buclei de reglare a actuatorului

Fig.1.1 Funcționarea actuatorului elastic în serie

În practică actuatorul elastic în serie este format din două subansamble: un subansamblu de comandă și un subansamblu de transfer de forță (Fig.1.1). La asamblare, partea de ieșire este cuplată la partea de comandă prin resorturi. În timpul funcț ionării, servomotorul antrenează direct șurubul cu bile, direcția de deplasare a piuliț ei cu bile depinzând de direcția de rotație a motorului. Mișcarea de rotație a motorului este transformată în mișcare liniară a piuliței cu bile, care împinge resorturile comprimându-le, acestea transmițând forțe sarcinii. Forța pe sarcină se calculează măsurând compresia resorturilor folosind traductoare de poziție, cum ar fi potențiometrele liniare sau transformatoarele diferențiale liniar variabile.

1.2.1 Structura sistemelor de acționare electrică ale roboților industriali

Un sistem de acționare electrică (SAE) reprezintă o mulțime de obiecte (elemente) interconectate ș practică actuatorul elastic în serie este format din două subansamble: un subansamblu de comandă și un subansamblu de transfer de forță (Fig.1.1). La asamblare, partea de ieșire este cuplată la partea de comandă prin resorturi. În timpul funcț ionării, servomotorul antrenează direct șurubul cu bile, direcția de deplasare a piuliț ei cu bile depinzând de direcția de rotație a motorului. Mișcarea de rotație a motorului este transformată în mișcare liniară a piuliței cu bile, care împinge resorturile comprimându-le, acestea transmițând forțe sarcinii. Forța pe sarcină se calculează măsurând compresia resorturilor folosind traductoare de poziție, cum ar fi potențiometrele liniare sau transformatoarele diferențiale liniar variabile.

1.2.1 Structura sistemelor de acționare electrică ale roboților industriali

Un sistem de acționare electrică (SAE) reprezintă o mulțime de obiecte (elemente) interconectate și interdependente în scopul realizării conversiei electromecanice a energiei, pentru a realiza un anumit proces tehnologic .

Componentele unui sistem de acționare electrică sunt: motorul electric sau mașina electrică de acționare (MEA), mașina de lucru (ML), transmisia (T) și elementul de execuție (EE) (Fig.1.2).

Fig.1.2 Schema-bloc simplificată a unui sistem de acționare electrică

Motorul electric realizează transformarea puterii electrice în putere mecanică. Mașina de lucru ML este antrenat ă de motorul electric (MEA) și realizează anumite operații dintr-un proces tehnologic. Transmisia T (de exemplu un reductor cu roți dințate) realizează legătura mecanică dintre motor și mașina de lucru, cu rolul de a analiza transferul de putere mecanică și, eventual, de a schimba parametrii acestei puteri (viteză unghiulară, cuplu).

Convertorul electronic (CE) are drept scop alimentarea cu energie electrică a motorului și comanda funcționării motorului în conformitate cu anumite cerințe.

Deci, în ansamblu, un sistem de acționare electrică are rolul de a realiza un flux de energie (de la rețeaua electrică prin CE, MEA, T, ML la procesul tehnologic) și un flux de comenzi conform cerințelor unui proces tehnologic (PT).

În cazul roboților industriali sistemul de acț ionare electrică necesită și o automatizare, el fiind completat atunci și cu alte elemente ca: elementul de automatizare și traductoare, cele mai evoluate sisteme fiind cele comandate cu calculatorul. În această categorie intră și roboții industriali. În Fig.1.3 se prezintă schema bloc a unui sistem de acționare electrică comandat cu calculatorul. Blocurile care apar în schemă sunt: AC – aparatura de conectare, CE – convertorul electronic, ME – mașina electrică, T – transmisia între mașina electrică și mașina de lucru ML, CP – calculatorul, R – regulatorul, DM – dispozitivul de măsură (la acționările actuale este sub forma unor pl ăci de achiziții de date), BC – blocul de comandă, DP – dispozitivul de protecție

.

Fig.1.3. Schema-bloc a unui sistem de acționare electrică comandat cu calculatorul

De o importanță deosebită sunt caracteristicile viteză unghiulară –cuplu: =f(M), în regim staționar ale mașinilor de lucru, respectiv ale motoarelor electrice de acționare. Aceste caracteristici se numesc caracteristici mecanice.

O performanță a unui sistem de acționare funcționând în regim staționar o constituie gama de viteze de lucru necesare procesului tehnologic. Roboții industriali funcționează cu o gamă continuă de viteze.

Avantajele prezentate de sistemele de acționare electrică în comparație cu alte tipuri de sisteme de acționare sunt: transportul simplu al energiei electrice pe distanț e mari și la puteri foarte mari, mașinile electrice de acționare oferă posibilitatea modificării turației, porniri, frânări, reversări în cele mai bune condi ții, corelarea mișcării mașinilor de lucru ale aceleeași instalații industriale, funcționare economică cu posibilitatea recuperă rii energiei în rețea, oferă posibilitățile cele mai bune pentru automatizare, oferă posibilitatea dispunerii utilajelor în fluxul tehnologic.

1.2.2 Roboți industriali

În funcție de aplicație și de tipul robotului, structura mecanică a unui robot convențional poate fi împărțită în două părți, manipulatorul principal și ansamblul axelor de mișcare. Manipulatorul are rolul de a poziționa efectorul final, în timp ce axul va controla orientarea acestuia. Structura robotului constă din mai multe module și articulații; o articulație permite mișcarea relativă între două module. Se utilizează două tipuri de articulații: articulația rotativă pentru a produce mișcarea de rotație și articulația liniară sau prismatică. Sunt necesare minimum 6 articulații pentru a obține un control complet al poziției și orientării efectorului final.

Există cinci configurații de roboți care sunt utilizate de obicei în cadrul roboților industriali:

polar (Fig.1.6.a) – această configurație are un bra ț extensibil liniar (articulația 3) care poate fi rotit în jurul axelor orizontală (articulația 2) și verticală (articulația 1). Această configuraț ie se utlizează frecvent în industria automobilelor datorită faptului că are o rază de acțiune mare.

cilindric (Fig.1.6.b) – acesta cuprinde un braț extensibil liniar (articulația 3) care poate fi deplasat vertical în sus și în jos (articulația 2) în jurul unei coloane rotative (articulația 1). Este o configurație cu comandă simplă, dar raza de acțiune și capacitatea de evitare a obstacolelor sunt reduse.

cartezian și portal (Fig.1.6.c) – acest robot cuprinde trei articulații liniare (articulațiile 1-3). Roboții portali sunt de departe mai rigizi decât cei cu configurație carteziană de bază; ei au o rază de acțiune considerabilă și necesită o suprafață minimă pe platformă pentru robotul însuși.

braț articulat (Fig.1.6.d) – acești roboți constau din trei articulații (articulațiile 1-3) dispuse într-o configuraț ie antropomorfică. Aceasta este configurația cel mai des utilizată în aplicațiile industriale în general.

braț robotic de tip selectează – înțelege – asamblează (selective-compliance-assembly robotic arm – SCARA) (Fig.1.6.e) – constă din două axe de rotație (articulațiile 1,2) și o articulație liniară (articulația 3). Brațul este foarte rigid pe direcție verticală, dar este foarte docil pe direcția orizontală. Aceste caracteristici îl fac util pentru operații de asamblare.

Un braț robotic convenț ional are trei articulații; aceasta permite ca unealta de la capătul brațului să fie poziționată oriunde în spațiul de lucru al robotului. Pentru orientarea uneltei, sunt necesare trei articulații adiționale; acestea se montează în mod normal la capătul brațului într-o configurație de tip "încheietura mâinii" (wrist) (Fig.1.6.f). Brațul împreună cu "încheietura mâinii" îi dau robotului cele șase grade libertate necesare pentru poziționarea și orientarea uneltei conform cerințelor procesului tehnologic.

Alegerea unui robot este o problemă important ă pentru un inginer proiectant și aceasta depinde de sarcina care trebuie să fie îndeplinită. Una dintre primele aplicații ale roboților a fost o turnătorie; asemenea medii au fost considerate a fi periculoase pentru operatorii umani datorită zgomotului, căldurii și noxelor din proces. Aceasta este o aplicație clasică a roboților care trebuie să înlocuiască muncitorii datorită pericolelor mediului de lucru.

Alte domenii care necesită utilizarea roboților includ perioade de lucru repetitive, deplasarea unor materiale dificile sau periculoase ș i necesitatea realizării unor operații complexe. Roboții care au fost instalați în industria prelucrătoare sunt utilizați de obicei pentru realizarea următoarelor operații: manipularea materialelor, operații de prelucrare, asamblare sau verificare.

Pentru obținerea performanțelor impuse de procesul tehnologic, controlul robotului necesită ca toate articulațiile acestuia să fie controlate cu mare precizie. În principiu controlerul unui robot este configurat ca o structură ierarhică, similară cu aceea a unei mașini unelte cu comandă numerică; fiecare actuator al unei articulații are un controler de miș care local, fiind supervizat de un controler principal care coordonează mișcarea fiecărei articulații astfel încât să se obțină traiectoria dorită a efectorului final.

a. Robot polar b. Robot cilindric

c. Robot cartezian și portal d. Robot de tip braț articulat

e. Robot SCARA f. Articulația efectorului final (wrist)

Fig.1.6. Tipuri de roboți

Deoarece teoria controlului roboților s-a dezvoltat foarte mult, a crescut complexitatea controlerului și a algoritmului acestuia. Controlerele pot fi încadrate în următoarele categorii de control:

Control cu secvență limitată:

Aceste controlere se utilizează la roboții relativ ieftini folosiți pentru

operații de tip pick and place , de ridicare și plasare. Controlul se face de obicei utilizând opritoare mecanice pe articulațiile robotului, care controlează pozițiile finale pentru fiecare mișcare. Se folosește un controler secvențial de tip pas cu pas (step by step) pentru a comanda succesiunea articulațiilor, astfel realizându-se ciclul corect.

Control punct cu punct cu program memorat:

În locul opritoarelor mecanice folosite la roboții cu secvență limitată, locațiile sunt stocate în memorie și pot fi apelate când este necesar. Totuși traiectoria efectorului final nu este controlată; doar punctele finale ale articulației sunt verificate înainte de trecerea programului la pasul următor.

Control cu traiectorie continuă cu program memorat:

Controlul traiectoriei este similar cu controlul conturării la echipamentele cu comandă numerică. În timpul mi șcării robotului poziția articulației ș i viteza sunt măsurate continuu și sunt comparate cu valorile memorate în program.

Controlul robotului intelligent:

Cu ajutorul senzorilor, robotul este capabil să interacț ioneze cu mediul înconjurător, de exemplu, urmă rind cusătura sudurii. Cu cât crește gradul de inteligență al robotului, cu atât crește complexitatea hardware de control și a softului acesteia.

Funcț ia robotului este de a deplasa efectorul final dintr-o poziție inițială într-o poziție finală . Pentru a realiza acest lucru, sistemul de control al robotului trebuie să planifice și să execute traiectoria de mișcare; această traiectorie este o secvență a pozițiilor, vitezelor și accelerațiilor articulațiilor individuale care vor asigura ca efectorul final al robotului să se deplaseze conform secvenței corecte a pozițiilor.

1.3 Evoluția roboților pășitori

În 1983 s-a construit la Odetics Inc. un robot pășitor hexapod, numit Odex 1. Robotul avea greutate de 170 kg. Era destinat extrem pentru intervenții în industriile chimice si nucleare. Mobilitatea picioarelor erau de trei grade, fiind realizate din mecanisme pantografe tridimensionale. Pentru deplasarea robotului Odex 1 au utilizat mersul de tip tripod. Între anii 1980-1983 Odetics Inc. a conceput si a construit robotul numit, CMU Hexapod.

În anii 1985-1989, la Robotics Laboratory, Ministry of Transport din Japonia și Port and Harbour Research Institute, un grup mare de cercetători, au creat un nou robot pășitor hexapod, denumit Aquarobot.

În perioada 1988-1993, la Universitatea din Helsinki, Halme împreună cu colaboratorii săi au conceput un robot hexapod acționat hidraulic. Mărimile robotului hidraulic erau încă ieșite din comun, greutatea sa fiind 1100 kg, si lungimea 2.1 m. A căpătat numele, Mecant și era concepută special pentru utilizarea în exploatările forestiere. Mobilitatea picioarelor erau de două grade, de tip pantograf la care s-a mai adăugat o rotație în jurul axei verticale. Pentru detectarea eventualelor obstacole acestea erau dotate cu senzori de forță.

Hexapodul Plustech conceput si construit de firma Timberjack din Tampere, Finlanda avea aceeași dotări ca înaintașul din Helsinki. Picioarele erau hidraulice, greutatea de 3500 kg cu o lungime de 3.5 m. Robotul avea în plus un braț care ajuta la manipularea arborilor.

Amber un alt robot impunător, cu o greutate de 2000 kg și înălțime de 4-6 m s-a construit în anii 1988-1992 la Carnegie Mellon University în Robotics Institue din Pennsilvania, Statele Unite ale Americii. A fost conceput pentru expoatări pe planeta Marte, iar proiectul a fost finanțat de NASA. RTT este tipul piciorului, mărimea este 2 m, de deplasare verticala. Este reprezentat de o cinematică originală, stabilitatea statică în locomoție este datorată a șase picioare, articulate câte trei. Pe parcurs proiectul Amber a fost închis în favoarea realizării unor modele mai compacte. Un bun exemplu este, robotul Dante II cu o greutate de 700 kg care a fost utilizat la exploatarea unui vulcan pe muntele Erebus, în 1994.

Robotul pășitor ASV (Adaptive Suspension Vehicle), realizat in 1984 la Ohio State University, este un robot pășitor conceput pentru locomoția pe orice tip de teren. Este acționat hidraulic, cu o masă de 3200 kg, putere de 35 kW și o lungime de 5m. ASV este capabil să transporte o încărcătură de 225 kg și un operator. Mecanismele pantografe aparțin structurii piciorului, ele aparținând fiecare câte trei grade de mobilitate. ASV era un robot pășitor hexapod care a fost îmbunătățit continuu prin adăugarea unui giroscop, a unui de sistem de orientare, senzori de forță și senzori de proximitate.

Fig 1.7 Robot Pășitor ASV

Cercetările în acest domeniu ”The New Generation” au fost intensificate dupa anul 1990. Cele mai reprezentative vor fi prezentate pe scurt.

În anii 1992-1995 la CWRU Bio-Robotics Laboratory, Ohio State University un grup de cercetători, în cadrul proiectului finanțat de NASA, s-a construit CWRU Robot. Specificitatea robotului era, că avea picioarea de tip ”insectă”, cu patru grade de mobilitate, dintre care unul este parazit.

În 1993, la Carnegie Mellon University este realizat Daedalus, robot pășitor hexapod, destinat special pentru explorări din sistemul solar. Și acest proiect a fost finanțat de NASA, însă acest proiect se dezvoltă și în prezent.

Robotul MAG a fost construit în anii 1994-1995, la Universitatea din Magdeburg. Piciorul este de tip insecta, cu șase grade de mobilitate, din care trei, parazite.

LAURON este finalizat în 1993, și LAURON II în 1995, cu o masă de 12 kg și o lungime de 80 cm acești roboți sunt rectangulari hexapozi, realizate în Germania, la Universitatea din Karlshruhe. Fiecare picior este de tip ”insectă”, și au câte trei grade de mobilitate.

Între anii 1994-1995 în Elveția, în cadrul Universității din Lausanne, în Laboratorul de Microinformatică au făcut cercetări pentru construirea unui robot hexapod, cu două grade de mobilitate pentru fiecare picior. Astfel s-a construit robotul denumit, Leonard.

TARRY este tot un robot hexapod cu o greutate de 2.2 kg și o lungime de 40 cm. Picioarele de tip ”insectă”, fiecare având trei grade de mobilitate. A fost conceput în anul 1992, la Institutul de Mecanică din Duisburg.

În Laboratorul de Inteligență Artificială din Massachusetts, au efectuat în domeniul robotului pășitor cercetări intensive. Pot fi menționați roboții hexapozi pășitori: NEXES, HERMES, ATTILA II, GENGHIS II, NERO.

În 1991 la Universitatea Gifu din Japonia a fost construit robotul denumit, COLT 3. Robotul are o greutate de 45 kg, lungime de 94 cm și înăltime de 88 cm. Dotări: senzori de fortă, accelerometru, înclinometru, și senzori ultrasonici.

MENO II a fost realizat in 1995 în Californa, are masa de 5kg. Echipat cu cameră video, senzori de forță și senzori ultrasonici.

ROBUG II, provine din perioada 1993-1995 din Anglia. Robotul a fost construit pentru a escalada pereți verticali, cu acționare pneumatică.

Fig 1.8 ROBUG II

THING are masa de 1.6 kg și lungime de circa 30 cm. A fost realizat în 1994 la universitatea din Massachusetts. Robotul este acționat tot pneumatic.

Firma HONDA a prezentat in 1996 împreună cu Universitatea Waseda un biped Honda Humanoid Robot- P2, care avea înălțime de 182 cm și greutate de 210kg, iar 1999 au finalizat varianta îmbunătățită HHR- P3 cu înălțimea de 160 cm și masa 130 kg.

În perioada 1994-1999 au realizat robotul pășitor MERO la Universitatea Politehnică din București. Este construit în variante de patruped, biped, si hexapod. Este alcătuit din următoarele părți:

Sistem mecanic alcătuit din unu, două sau trei module configurate și articulate;

Acționarea picioarelor s-a realizat în varianta hidraulică;

Sistemul de distribuție, cu 6, 12 sau 18 servovalve;

Sistem de alimentare cu energie;

Sistem de achiziție a informațiilor;

Sistem de control și comandă

Fig 1.9 Robot MERO

1.4 Domenii de utilizare

În afară de roboți de topologie de serie și topologia paralel au proliferat în ultimii ani, roboți cu trepte, din cauza avantajelor lor, care recomanda anumite tipuri de activități. Zone în care acestea sunt tot mai prezente sunt: ​​explorare planetară, medicină (asistarea persoanelor cu handicap), explorarea subacvatică, activitățile nucleare, aplicații militare (de detectare a minelor anti-personal), precum și zonele de explorare periculoase pentru om. De structura și funcționalitatea lor roboți în trepte se încadrează în definiția generală de roboți.

Există trei configurații de bază pentru roboți mobili:

1. Roboți pe șenile. Ei au o mare mobilitate, dar un număr mic de grade de libertate.

2. Roboți picioare, care au o mobilitate ridicată și pot trece peste obstacole.

3.Roboți cu organismele articulate compuse din mai multe articulații ca un șarpe. Sunt folosite pentru inspecția de spații înguste.

Roboții pășitori au următoarele caracteristici:

-se pot deplasa pe teren accidentat;

-necesită un consum redus de energie;

-garda la sol ridicat le permite să depășească ușor obstacolele;

-contactul piciorului cu solul este discontinu, cu posibilitatea de a selecta punctul de contact (de sprijin);

-posibilitatea perceperii contactului cu solul;

-se pot deplasa pe teren moale;

-deteriorează puțin solul pe care se deplaseaza (important în silvicultură);

-controlul mersului este complicată, având în vedere numărul de grade de libertate.

Roboți sunt acum pas cu pas pentru următoarele domenii:

Menținerea medii nucleare.

Explorarea planetar.

Exploatare forestieră.

Explorări subacvatice.

2.0 Dinamica și cinematica unui robot pășitor

2.1 Dinamica roboților pășitori

S-au evidențiat anumite probleme particulare ce apar în analiza cinematică a roboților pășitori, atât din punct de vedere al cinematicii directe, cât și din cel al cinematicii inverse.

Analiza cinematicii directe s-a efectuat atât asupra mișcării corpului robotului în spațiu, ținând cont de legile de mișcare ale unui corp rigid în spațiul tridimensional, având numărul gradelor de libertate egal cu șase, descris printr-un set de șase coordonate generalizate: trei pentru orientarea acestuia și respectiv, trei pentru definirea unui punct fixat al corpului, cât și asupra piciorului robotului considerând că acesta are o structură formată din: trei legături, prima superioară de lungime 0 (care formează șoldul), a doua superioară și cea de-a treia inferioară, precum și trei grade de libertate în raport cu corpul realizate de trei articulații de rotație, și anume: prima articulație fiind o articulație abducție-aducție a șoldului, adică o rotație în jurul axei verticale a corpului, cea de-a doua articulație fiind una a șoldului piciorului, adică o rotație în jurul axei longitudinale a corpului, iar cea de-a treia articulație este flexie-extensie a genunchiului. Axele de rotație pentru cele două articulații care formează șoldul sunt stabilite astfel încât să se intersecteze orthogonal.

Modelul dinamic al unui robot sau sistem mecanic este reprezentat analitic printr-un sistem de ecuații diferențiale care definesc legăturile dintre coordonatele generalizate sau derivatele acestora și forțele care acționează asupra fiecărui element al sistemului mecanic. Metoda utilizată în determinarea modelului dinamic al robotului pășitor a fost Ecuația Euler–Lagrange sau ecuația lui Lagrange. Astfel, în acest studiu s-a pornit de la determinarea energiilor cinetice și a celor potențiale separate, atât pentru corpul robotului cât și pentru picioarele acestora, ca apoi prin cuplarea acestora să se determine funcția Lagrange și modelul matematic al mișcării robotului pășitor.

2.2 Modele cinematice

Cinematica roboților se ocupă cu determinarea principalilor parametri care caracterizează

mișcarea unui robot biped sau industrial. In acest sens, au fost elaborate diverse metode cu

ajutorul cărora se pot determina ecuațiile de poziție, orientările, distribuția de viteze și

respectiv distribuția de accelerații pentru orice element din structura unui robot.

Pentru modelarea mișcărilor efectuate de către un robot se consideră că acesta este format

printr-o succesiune de solide rigide interconectate între ele prin intermediul unor articulații

Modelele geometrice și cinematice discutate în prima parte a capitolului pornesc de la ipoteza că pentru orice configurație a robotului este atinsă o stare de echilibru. Aceste modele sunt mai puțin reprezentative atunci când este vorba de viteze și accelerații mari datorate creșterii forțelor de inerție, centrifugale și de cuplaj. În acest caz, s-a impus luarea în considerare a unui alt model, și anume modelul dinamic asociat robotului.

Fig 2.0 Schema cinematică a unui picior

3.0. Motoarele roboțiilor pășitori

3.1. Construcția și funcționarea motoarelor pas cu pas

Sistemele de acționare electrică cu motoare pas cu pas fac parte din cadrul sistemelor de comandă și reglare incrementală a poziției. Comanda și reglarea incrementală a poziției constituie una din direcțiile domeniului acționărilor electrice și al automatizărilor discrete. Din punct de vedere al posibilităților de comandă , elementele de execuție cu mișcare incrementală, cum sunt motoarele pas cu pas, sunt cele mai adecvate în combinație cu tehnici electronice numerice de prelucrarea informației, deoarece realizează o conversie electromecanică discontinuă a energiei, perfect adaptată la conversia discretă a informației.

Compatibilitatea cu tehnica de calcul a făcut ca poziționarea incrementală să capete o largă utilizare chiar în cadrul acesteia, în cadrul echipamentelor periferice. Comanda numerică a mașinilor-unelte, roboții industriali, telecomunicațiile, tehnica nucleară, aerospațială, etc. vin să completeze spectrul bogat de aplicații.

Motorul pas cu pas (MPP) reprezintă o categorie aparte de mașini sincrone, caracterizată printr-o construcție și un sistem de alimentare adecvate funcționării discrete, adică "în pași".

Fazele mașinii sunt alimentate cu impulsuri de curent rezultate ca urmare a aplicării unor tensiuni tip "treaptă" sau combinații între mai multe "trepte". În acest fel câmpul magnetic în întrefier prezintă o repartiție discretă.

Rotorul este astfel executat încât să se poată situa, în raport cu repartiția câmpului magnetic în întrefier, numai în anumite poziții, determinate, fie de principiul reluctanței minime, fie de componenta tangențială a forței de atracție magnetică a polilor de nume contrar.

În Fig.3.0 se prezintă părțile componente ale unui motor pas cu pas.

Fig.3.0 Părțile componente ale motorului pas cu pas

Trecerea de la o poziție la alta, ceea ce reprezintă pasul mașinii, se face direct sub influența schimbării repartiției discrete a câmpului magnetic, adică mașina pas cu pas convertește impulsul primit sub formă de treaptă într-o deplasare unghiulară discretă, precis determinată (Fig.3.1). De aici rezultă un prim mod de definire a mașinii electrice pas cu pas – acela de convertor electromecanic discret impuls/deplasare.

Fig.3.1. Funcționarea de principiu a motorului pas cu pas

Caracterul de mașină sincronă se păstrează, deoarece viteza de deplasare a rotorului exprimată prin numă rul de pași efectuați în unitatea de timp, depinde direct de frecvența impulsurilor de alimentare.

O caracteristică proprie numai motorului pas cu pas este că deplasarea unghiulară totală , fiind constituită dintr-un număr bine determinat de pași, reprezintă univoc numărul de impulsuri de comandă aplicat pe fazele motorului.

Prin aceasta, motorul pas cu pas se poate defini ca și element integrator numeric, caracterizat printr-o constantă de integrare egală cu inversul frecvenței impulsurilor de comandă. Poziția finală a rotorului corespunde ultimului impuls de comandă aplicat și această poziție se păstrează, este "memorată" până la apariția unui nou impuls de comandă.

Fig.3.2 Caracteristicile limitată pas cu pas

Proprietatea de univocitate a conversiei impulsuri/deplasare asociată cu aceea de memorare a poziției, fac din mașina pas cu pas un excelent element de execuție adecvat sistemelor de reglare a poziției în circuit deschis sau închis, mai general spus, sistemele de poziționare.

Încă o proprietate este aceea că, spre deosebire de mașinile sincrone clasice, mașinile pas cu pas asigură, în domeniul de lucru, porniri, opriri și reversări brusce fără pierderea informației, adică omisiuni de pași.

Majoritatea parametrilor caracteristici ai sistemelor de acționare echipate cu MPP se referă la caracteristica cuplu/frecvență . În Fig.3.2 sunt prezentate principial caracteristicile limită cuplu-frecvență ale motorului pas cu pas, adică caracteristica limită de mers și caracteristica limită start-stop (dinamică). Aceste caracteristici sunt determinante în proiectarea sistemelor de acționare cu mașini pas cu pas.

3.2. Variante constructive de motoare pas cu pas

Motoarele pas cu pas se construiesc în prezent într-o gamă largă de tipuri constructive pentru diferite puteri și viteze.

Criteriul constructiv se referă la geometrie și structura magnetică a motorului. Motoarele pas cu pas se împart în:

motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă;

motoare pas cu pas cu magneți permanenți;

motoare pas cu pas hibride.

Motoarele hibride reprezintă o combinație între primele două tipuri constructive și motoarele pas cu pas speciale, cum sunt motoarele pas cu pas liniare, electrohidraulice, piezoelectrice etc.

Cel mai important criteriu este acela al construcției rotorului, după care, MPP se împart în două categorii :

MPP cu rotor activ (magnet permanent sau bobine de excitație)

MPP cu rotor pasiv (dințat)

MPP cu rotor activ poate fi cu magneți permanenți sau cu rotor bobinat, capetele bobinelor fiind scoase la inele colectoare.În Fig. 3.3 se prezint ă o secțiune printr-un MPP cu reluctanță variabilă și distribuția curenților pe înfășurările statorice.

Fig.3.3. Secțiune transversală printr-un MPP cu reluctanță variabilă

După construcția statorului se deosebesc motoare pas cu pas monostatorice și polistatorice; la cele din urmă rotorul este comun iar statorul este compus dintr-un numă r de secțiuni separate magnetic în vederea asigurării unui cuplu electromagnetic mărit.

După numărul fazelor, MPP pot fi cu două, trei sau mai multe faze , dispuse pe stator sub forma unor înfășurări concentrate plasate pe poli aparenți.

După dispunerea întrefierului, MPP pot fi cu întrefier radial sau cu

întrefier axial.

Categorii aparte de MPP le formează mașinile liniare pas cu pas (MLPP).

3.3. Comanda motoarelor pas cu pas

În general, comanda motoarelor pas cu pas se face printr-un convertor electronic, realizat cu elemente electronice de putere, ce alimentează secvențial înfășurările fazelor motorului. Sensul de distribuire a pulsurilor de curent pe înfășurări ca ș i tipul de alimentare (simetrică, asimetrică) precum și frecvența de comutare a înfășurărilor sunt realizate prin prelucrare numerică într-un bloc distribuitor de impulsuri, Fig.3.4.

Fig.3.4. Schema bloc de alimentare a unui motor pas cu pas

Cea mai simplă variantă a blocului contactor static este prezentată în Fig.3.5, unde cele m faze ale motorului sunt alimentate succesiv prin intermediul tranzistoarelor de putere. Pentru frecvențe reduse de alimentare curentul are practic forma tensiunii de puls dreptunghiular, deoarece perioada acestor impulsuri este mult mai mare decât constanta de timp a înfășurărilor (valoare tipică cca. 10ms).

La frecvențe mai ridicate perioada de repetiție a pulsurilor de tensiune devine de același ordin de mărime sau chiar mai mică decât constanta de timp a înfășurării, iar în înfășurare se introduce în plus tensiunea electromotoare de rotație.

Fig.3.5. Schema de principiu a convertorului electronic

Ca urmare curentul nu mai poate atinge valoarea sa iniț ială, ceea ce are ca efect scăderea cuplului electromagnetic produs de mașină și deci riscul de a pierde paș i. Pentru a atenua acest efect se introduc rezistențe în serie cu fazele motorului în scopul diminuării constantei de timp, sau se utilizează circuite de compensare RC, Fig.3.6, care permit o creștere mai rapidă a curentului prin înfășurări.

a. b. Fig.3.6. Îmbunătățirea performanțelor motorului pas cu pas; a) blocul contactor modificat; b) variația curentului de fază.

O altă soluție, pentru servomotoare de putere mai mare și de viteză ridicată, o reprezintă utilizarea unei a doua surse, de tensiune mai mare, Fig.3.7, care să forțeze creșterea accelerată a curentului în înfășurare.

Pentru scăderea cât mai rapidă a curentului din înfăș urare se înseriază cu dioda de curent invers o rezistență de amortizare care are o valoare de câteva ori mai mare decât rezistența fazei respective.

a b

Fig3.7. Îmbunătățirea performanțelor prin forțarea curentului ; a) schema pentru o fază; b) variația tensiunii și curentului.

Cu creșterea frecvenț ei impulsurilor de comandă scade valoarea medie a curentului în înfășurări și ca urmare scade și cuplul electromagnetic produs. În funcție de frecvența pulsurilor de comandă se trasează pentru diversele motoare o caracteristică a cuplului maxim sincron produs de mașină, cuplu ce odată depășit provoacă ieșirea mașinii din sincronism, fig.3.8.

Fig3.8. Caracteristicile de frecvență tipice ale motorului pas cu pas

În general firmele producătoare furnizează ș i caracteristici de intrare în sincronism, respectiv pentru reversarea mașinii. Se remarcă faptul că pentru a nu pierde pași frecvența impulsurilor este circa 50% față de mersul normal.

3.4. Regimul de micropășire

Există aplicații care cer o poziționare foarte precisă, cu rezoluție de

ordinul 1 m, făr ă a utiliza transmisii cu demultiplicare mare și voluminoase, ci prin reducerea incrementului elementului de execuție. Este cazul microscoapelor electronice, dispozitivelor de confecționat circuite integrate, plottere, etc.

În regim de micropăș ire, alimentarea obișnuită a fazelor cu impulsuri este înlocuită cu alimentarea combinată a două faze alăturate în așa fel încât poziția rotorului să se poată situa în mai multe puncte între axele fazelor respective, în acest fel pasul propriu-zis fiind divizat în pași mai mici (micropași), numărul acestora depinzând de combinațiile de alimentare a două faze alăturate. Trebuie menționat că cuplul maxim și viteza de rotație se păstrează.

Schema de principiu pentru alimentarea unui motor pas cu pas cu patru faze în regim de micropășire este prezentată în fig.3.9. Cele patru faze sunt aranjate astfel încât să fie alimentate două câte două, în cruce prin intermediul unor variatoare de curent.

Fig.3.9. Schema de principiu pentru alimentarea fazelor în regim de micropășire

Comutatoarele statice S1,…S4 separ ă alimentarea fazelor după logica de comandă. Variatoarele de curent se pot realiza în mai multe variante: cu tranzistoare în regim activ, cu variatoare "chopper" sau cu convertoare numeric-analogice cu tranzistoare și rezistențe. Această ultimă variantă este arătată în fig.3.10.

Pentru patru micropași, cuprinși într-un pas al motorului cu patru faze sunt 16 combinații posibile de alimentare ce se selectează cu un decodificator cu ieșiri spre contactoarele k1…k4 și T11…T24. Schema permite divizarea pasului în patru. Cele două convertoare numeric-analogice CNA 1 și CNA 2 asigură posibilitățile de alimentare a fazelor vecine.

Fig.3.10. Blocul contactoarelor statice cu convertor numeric-analogic

În fig3.11. se compară răspunsul unghiular al unui motor pas cu pas în regim normal și respectiv în regim de micropășire, în mărimi relative.

Fig.3.11. Comparație între pășire și micropășire în regim dinamic

Se constată că în regim de micropășire mișcarea este mai lină, cu oscilații mult mai mici ale poziției rotorului. Frecvența de microcontact este însă de k ori mai mare, lucru de care trebuie ținut seama în regim de micropășire.

3.5. Structura sistemelor de poziționare în circuit închis

Lipsa unei bucle de reacție face ca adesea performanț ele sistemelor de poziționare să fie afectate. De aceea, pentru a obține viteze mai mari pentru motorul pas cu pas și o stabilitate a funcționării mai bună în raport cu variațiile de sarcină este necesar ă conceperea schemelor de comandă în circuit închis. Caracteristica de bază a acestor sisteme de comandă în circuit închis este faptul că motorul este cuplat cu un traductor de poziție sau de deplasare de care este legat și funcț ional. Traductorul este de obicei elementul de măsură a unghiului de rotație, de la care pleacă reacția negativă de poziție.

La sistemele de poziționare ce prelucrează numeric informația de poziție se utilizează un traductor de poziție numeric incremental, Fig.3.12. Conținutul numărătorului reversibil scade pe măsură ce motorul face pași și se apropie de poziția finală.

Fig.3.12. Sistem de pozi ționare în circuit închis

Un alt procedeu de comandă al motorului pas cu pas în circuit închis este comanda în buclă minoră.

Includerea MPP într-un circuit închis de comandă are în vedere:

-obținerea unor viteze superioare de mers

-o stabilitate mai bună în raport cu variațiile parametrilor un mers mai liniștit, cu oscilații mai reduse

-obținerea unei fiabilități mărite în funcționare.

Comanda MPP în circuit închis (buclă minoră) nu are semnificația de sistem automat, întrucât este lipsită de mărime de referință și abatere (de fapt mașina func ționează în autocomutație). Viteza de rotație este funcție nu de o frecvență de referință, ci depinde de ansamblul parametrilor sistemului.

În general, în sisteme de poziționare cu MPP în circuit închis, reglarea vitezei trebuie să fie subordonată reglării poziției, aceasta necesitând introducerea unei bucle de reglare a vitezei în structura sistemului de poziționare. Pentru modificarea vitezei MPP în buclă minoră, trebuie schimbat echilibrul staționar definit de valorile parametrilor: tensiune de alimentare, constante de timp, cuplu rezistent static, unghiul de decalaj al traductorului. Cea mai simplă metodă este modificarea unghiului de avans al impulsurilor (modificarea unghiului de comutație), prin aplicarea unei întârzieri reglabile electronic pe bucla minoră. Un unghi de comutație dependent de viteză, genereaz ă o caracteristică dinamică mai bună. În vederea frânării maș inii se aplică o întârziere mărită a unghiului de comutație, fiind posibilă chiar suprimarea unui impuls de comandă.

În aplicații de poziționare la care sarcina prezintă fluctuații semnificative, sistemul în circuit deschis nu satisface, fiind înlocuit cu sistemul în circuit închis. Această soluție aduce însă dezavantajul fluctuațiilor vitezei cu sarcina motorului, care nu se admit în cele mai multe cazuri. Din acest motiv este necesară reglarea automată a vitezei unghiulare, ceea ce complică sistemul de acționare. Pentru a realiza și menține constantă viteza motorului, întârzierea aplicată pe bucla minoră trebuie reglată în concordanță cu eroarea de viteză.

Fig.3.13. Schema de comandă în circuit închis a MPP

În aplicațiile la care sarcina prezintă fluctuații mari sistemul în buclă minoră are fluctuaț ii de viteză. De aceea se practică alături de bucla minoră și reglajul automat de viteză.

Trebuie reținut că prin creșterea întârzierii viteza de rotație scade și invers; rezultă c ă la comanda întârzierii în funcție de sarcină se poate păstra viteza constantă.

În Fig.3.14. se arată schema bloc a unui sistem de poziționare cu motor pas cu pas în buclă minoră.

Reglarea vitezei este analogică. Schema se distinge prin comenzi de sens (1 sau 0), viteză (modificarea frecvenței impulsurilor) și de poziție (numărul impulsurilor). Bucla vitezei operează cu semnal continuu asupra întârzierii impulsurilor pe bucla minoră, fiind conectată la sistem cu mărimea de referință și cea de reacție (ambele numerice) prin intermediul unor convertoare N/A.

Fig.3.14. Schema poziționării cu motor pas cu pas în buclă minoră

Bucla minoră conține și un bloc logic pentru sens și oprire în poziția impusă prin blocarea impulsurilor. În fig.3.15. se prezintă variația mărimilor unui MPP la comanda în buclă minoră.

Fig.3.15

3.6 Sistem de comandă pentru o acționare diferențială cu motoare pas cu pas a unui robot

Aplicația prezintă componentele hardware și software utilizate pentru comanda a două motoare pas cu pas utilizate la acționarea diferențială a unui robot. Circuitul acceptă 2 cuvinte pe doi biți care comandă fiecare motor pentru a merge înainte, înapoi, pentru a păstra o anumită poziție sau pentru starea de repaus. De asemenea, circuitul furnizează un semnal de ieșire când se realizează un pas. Această soluție este flexibilă, fiind potrivită pentru motoare unipolare și bipolare și fiind axată pe comanda prin microcontroler a alimentării înfășurărilor statorice, a vitezei motorului, a formatului cuvântului de comandă și a altor parametri.

Partea hardware a circuitului cuprinde 3 circuite integrate: un microcontroler PIC16F84 și 2 punți H – L293D pentru comanda motoarelor bipolare (fig.3.16.) sau 2 circuite ULN2803 pentru motoare unipolare.

Înafară de sursele de alimentare, celelalte componente sunt: un resonator de 4 MHz, un rezistor de 10 K și câțiva conectori. Pentru alimentarea fazelor motorului se folosește un pachet de baterii de 6 x 1,2 V, în total 7,2 V, care este reglată liniar până la valoarea de 5 V.

Fig.3.16

Cuvântul de comandă este împăr țit în 2 cuvinte de comandă pe 2 biți: 2 biți cei mai semnificativi ai cuvântului de comandă, care sunt biții 2 și 3 ai portului A comandă motorul stâng și cei doi bi ți mai puțin semnificativi ai portului A comandă motorul drept. Motoarele pot fi comandate pentru a merge înainte, înapoi, pentru a pă stra o anumită poziție sau pentru starea de repaus, cuvântul de comandă având valorile 00, 01, 10 și respectiv 11. Această secvență se poate schimba ușor prin program. Programul poate fi realizat în limbajul C sau în limbajul de asamblare al microcontrolerului.

3.7 Sistemele de control a locomoției picioarelor

Schemele de control locomoție picioare sunt clasificate în controlul bazat ZMP-si-ciclu bază de limita de control. Punctul zero clipă (ZMP) este extinderea centrului de greutate luând în considerare forța de inerție. A fost demonstrat că un control ZMP pe baza de este eficient pentru controlul postura și-viteză mică de mers pe jos de un biped și un patruped. Cu toate acestea, controlul pe bază de ZMP-nu este bun pentru mare viteză de mers pe jos din punctul de vedere al consumului de energie-mediu sau, din moment ce un corp cu o masă mare trebuie să fie accelerat și decelerat de elemente de acționare în fiecare ciclu pas.

În contrast, mișcare generată de controlul pe bază de ciclu limită are eficiență energetică superioară; dar există limita superioară a perioadei de ciclu de mers pe jos, în care mersul pe jos dinamic stabil poate fi realizat (Kimura și colab. 1990). Trebuie remarcat faptul că un control de un sistem neuronal format din CPGs și reflexe este dominantă pentru diferite tipuri de ajustări în viteză medie plimbare de animale (Orlovsky et al. 1999). Full & Koditschek (1999), de asemenea, a subliniat faptul că, în stare de funcționare de mare viteză, energia cinetică este dominant, și de auto-stabilizare printr-un mecanism cu un arc și un amortizor este mai important decât ajustări de sistemul neural. Studiul nostru are ca scop viteză medie de mers pe jos controlat de sistem neuronal format din CPGs și reflexe.

Fig 3.17 Sistem dinamc cuplat

Sistemul dinamic cuplat poate induce adaptare autonomă în funcție de dinamica proprie, în schimbări în mediul (de exemplu, de mers pe jos de adaptare pe teren neregulat) și ajustarea parametrilor sistemului neuronale cu un controler de nivel superior (de exemplu, mers tranziție în schimbare a vitezei de mers pe jos). Prin urmare, putem evita astfel de probleme serioase in robotică cum ar fi modelarea de sistem mecanic și de mediu, planificare autonom, un conflict între mișcare planificată și mișcare reală și așa mai departe.

4.0 Proiectul robotului

Fig 4.0 Robot patruped

Greutate: 1,305 kg.

Dimensiuni: de 20.3 cm , 20.3 cm , 17.8 cm (L: W: H)

Rulații Timp de 15-30 minute

Programare Limba Arduino IDE

Metoda de control de la distanță Bluethooth

Acumulat:Baterie LiPo 1x 7.4V 1650Mah 2S Lippo

Am ales să proiectez un robot patruped cu ajutorul materialelor ce am gasit pe Internet.Robotul nu a fost practic realizat fiind costurile destul de mari aproximativ 1800 ron. Majoritatea pieselor se găsesc pe Robofun.ro dar am folosit si piese de la RaspberryPi Camera Modul ,Arduino Mega –microcontroller.

Senzorul de distanță Sharp este o componentă care poate fi utilizat impreuna cu Arduino. Acest sensor ajută la calculul distanței obiectelor din jur.

Exista 3 tipuri de senzori:

senzor de apropiere, eficient pentru masuratori intre 3 cm si 40 cm.

senzor de departare medie, eficient intre 10 cm si 80 cm

senzor de departare, eficient intre 15 cm si 150 cm

Senzorul current este efficient între 10 cm- 80 cm

Conectarea la Arduino este deosebit de simplă. Dispozitivul dispune de 3 pini, doi dintre ei fiind pini de alimentare (GND si VCC), iar cel de-al treilea fiind pinul care da indicatii asupra distantei, prin potentialul prezent pe acesta.

Fig 4.1 Senzor de distanță Sharp

Fig 4.2 Senzor de distanță Sharp Catia

Mega Arduino este o placă microcontroler bazat pe ATmega 2560 (foaie de date). Are 54 de pini digitale de intrare / ieșire (din care 14 pot fi utilizate ca ieșiri PWM), intrări analogice 16, 4 UART (porturi seriale hardware), un 16 MHz oscilator cu cristal, o conexiune USB, un jack de putere, în afara ICSP, și un buton de resetare. Acesta conține tot ce este necesar pentru a sprijini microcontroler; pur și simplu îl conectați la un calculator printr-un cablu USB sau de alimentare cu un adaptor sau baterie pentru a începe AC-DC. Mega este compatibil cu cele mai multe scuturi concepute pentru Arduino Duemilanove sau Diecimila.

Fig 4.3 Mega Arduino

Fig 4.4 Mega Arduino 2560 Catia

Modulul camerei Raspberry Pi poate fi folosit pentru a filma un video de înaltă calitate, precum și fotografii. Este ușor de folosit pentru începători, dar are multe de oferit utilizatorilor avansați. Camera este de 5 megapixeli cu focus fix, care suportă 1080p30, 720p60 și VGA90 mod video.

Fig 4.5 RaspberryPi modul

Motorul folosit la patrupedul proiectat este un motor pas cu pas ”STEPPER 400 PAȘI NEMA 17”.

Acesta este un motor pas cu pas simplu, dar foarte puternic, cu un cablu cu 4 fire atasat.

Caracteristici:

unghiul pasului (in grade): 0.9

doua faze

voltaj: 3V

curent: 1.7 A

cuplu: 4.8kg*cm

arbore motor cu diametrul de 5 mm

Fig 4.6 Motor Stepper

Fig 4.7 Motor Stepper Nema 17 Catia

Acesta este piciorul folosit la robotul proiectat. Materialul folosit la acest element este aluminiu. Este cel mai utilzat la robotul hexapod si patruped. Include toate componentele hardware necesare.

Fig 4.8 Lynxmotion Aluminium Leg

5. Bibliografie:

webbut.unitbv.ro

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

http://cursuri.flexform.ro

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

http://www.robotics.ucv.ro

http://www.robotics.ucv.ro

cis01.central.ucv.ro

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

http://rsta.royalsocietypublishing.org/com

5. Bibliografie:

webbut.unitbv.ro

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

http://cursuri.flexform.ro

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

Ion N. Ion ”Roboți pășitori” Editura Bren, București 2001

http://www.robotics.ucv.ro

http://www.robotics.ucv.ro

cis01.central.ucv.ro

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

S.l. dr.ing Spoiala Viorica, Curs Acționări electrice

http://rsta.royalsocietypublishing.org/com