MECANISME PENTRU ROBOTI CARE SE DEPLASEAZA PRIN SALT

OBTINUTE PRIN STUDII PE SUBIECTI VII

1. INTRODUCERE

Asa cum se stie, prin biologie se intelege stiinta vietii (gr. bios - viata, logos - stiinta) .

Stabilirea si elucidarea unor analogii intre sistemele tehnice si cele biologice a fost si ramane o

inepuizabila sursa de inspiratie in stimularea si dezvoltarea creativitatii tehnice.

Una din cele mai tinere stiinte care s-au delimitat in ultimele decenii, este bionica. 52434pht89kis1i

Notiunea a fost introdusa de americanul J.E.Steele in 1960 (provine din cuplarea

notiunilor de biologie si electronica), pentru a desemna cercetarile de cibernetica orientate in

special spre studiul simularii mecanice a unor functii caracteristice organismelor.

Bionica a fost definita ca stiinta care studiaza functiile organismelor vii si simularea prin hi434p2589kiis

mijloace tehnice a acestor functii. Printre obiectivele cercetarii bionice actuale, o atentie speciala

este acordata:

- studiului sistemului nervos conceput ca retea hipercomplexa de senzori;

- studiului organelor senzoriale;

- studiului organelor efectoare.

Studiul organelor efectoare si al proceselor de transmitere a comenzilor catre organele

efectoare reprezinta o parte esentiala a bionicii.

Solutiile existente in natura vie in acest domeniu sunt extrem de diverse si ingenioase.

Studiul si imitarea lor este de o inestimabila utilitate in circumstante nenumarate. Ca

exemple tipice pot fi citate cele ale constructiei manipulatoarelor automate si ale pedipulatoarelor

automate.

Asa cum se stie, mecanismul este un sistem mecanic in care corpurile materiale

rezistente componente, intre care exista legaturi mobile, isi pot schimba sub actiunea fortelor

pozitia relativa, in mod determinat, pentru indeplinirea unor functii necesare (transmiterea puterii

mecanice, a fortelor, a miscarilor, ghidarea corpurilor etc.).

Biomecanismul este acel sistem mecanic intalnit in organismele vii, care are caracteristici

comune cu mecanismul definit anterior.

Mecanismul bionic reprezinta acele mecanisme care modeleaza structura si functiile

biomecanismelor. Acesta se mai poate defini ca fiind mecanism echivalent biomecanismului a9s.

Biomecanismul este mecanismul existent in biosisteme.

Mecanismul bionic este mecanismul care modeleaza structura si functiile

biomecanismului.

Devin astfel, interesante, biomecanismele care realizeaza performante deosebite. Intre

acestea, biomecanismele care realizeaza locomotia prin salt se caracterizeaza prin:

- deplasarea rapida;

- consum energetic minim;

- echilibrare dinamica;

- prezinta componente care realizeaza recul elastic.

Locomotia prin salt a inceput sa fie studiata relativ recent. Parintele deplasarii prin salt,

M. H. Raibert, a infiintat MIT Leg Laboratory in 1980 pe care l-a condus pana in 1995. In 1980

Marc Raibert era cadru diadctic asociat si preda metode computationale la Institutul de Robotica,

dupa care a devenit profesor de inginerie electrica si de stiinte informationale devenind membru

al Artificial Intelligence Laboratory. In 1995 Raibert a devenit presedintele companiei private

Boston Dynamics Inc.

In

perioada

1980-2000 MIT Leg Laboratory a proiectat si a realizat aproximativ 20 de

roboti, majoritatea obtinuti pe baza studiilor realizate pe subiecti din regnul animal (dinozaur,

flamingo, curcan, capra, cal, cangur etc.) [10].

2. ANALIZA MISCARII DE SALT A BROASTEI-DE-LAC

Pentru identificarea functiilor cinematice ale biomecanismului aferent locomotiei prin salt

la broasca a fost necesara filmarea in conditii de laborator a subiectului viu. S-au folosit doua

exemplare de broasca-de-lac mare (Rana ridibunda ridibunda) dintre care unul de masa 10,7 g,

iar celalalt de masa 25 g.

Filmarea s-a realizat in doua etape:

1. In conditii de studio cu doua camere mobile de tipul PANASONIC M40 si SONY 8 mm.

2. In conditii de studio cu doua camere fixe de tipul JVC cu 20 cadre/sec.

Subiectii au fost introdusi intr-o cutie de sticla la care s-au atasat repere fixe trasate pe hartie

milimetrica pe doua fete ale acesteia. S-au realizat filmari paralel cu planul YOZ, XOY si XOZ

care au pus in evidenta parametrii cinematici necesari pentru identificarea miscarii spatiale.

S-au utilizat mai multe scheme principale de filmare utilizand in principal doua camere de luat vederi. O astfel de schema de filmare este prezentata in fig.1.

Fig.1. Schema de filmare la care o camera a fost amplasata perpendicular pe planul YOZ, iar

cealalta perpendicular pe planul XOY.

Filmarile s-au realizat cu camere fixe fixate pe trepied sau cu camere mobile cu operator

uman, analiza miscarii studiindu-se fata de reperul fix XYZ sau fata de un alt reper fix paralel cu

acesta. Filmarea s-a realizat in timp real cu 20 de cadre pe secunda, fara contorizarea timpului pe

videocamera, baza de timp luandu-se in considerare pe filmele digitale obtinute. Utilizand un

videocasetofon PANASONIC NV-P2U (videoplayer cu inregistrare) si un calculator cu procesor

Pentium II dotat cu o placa de captura video 3DEMON iar cu programul Adobe Premiere 4.2. s-a

transformat semnalul video in fisiere TIFF Bitmap (20 de fisiere pentru fiecare secunda de film)

la rezolutia 320x420 dpi. Programul Adobe Premiere 4.2. este un program de captura de imagine

care pe langa posibilitatea transformarii semnalului video in film digital permite selectarea

secventelor si montarea acestora, avand toate instrumentele necesare unui laborator de montaj.

Pentru filmele realizate (care s-au obtinut cu camere care filmeaza cu 20 de cadre pe secunda)

s-au obtinut secvente TIFF pentru fragmentele selectate care cuprind salturile interesante. Trebuie

remarcat faptul ca, din materialul vast filmat numai o parte foarte mica devine material real

pentru analiza saltului, deoarece:

- conditiilor de studio sunt complet diferite de ecosistemul animalelor studiate;

- exista timpi de pregatire si de asteptare;

- subiectii obosesc relativ repede (dupa 4-5 salturi);

- subiectii analizati sunt activi noaptea si mai putin in timpul zilei;

- deseori, subiectii lovesc peretii in timpul saltului datorita reflexiei de oglinda a sticlei

(animalul considera ca este prezent un alt exemplar in apropiere).

Materialul selectat si transformat in imagini TIFF este supus operatiei de contorizare prin

introducerea bazei de timp; prin filmare cu 20 de cadre pe secunda se poate considera ca se obtine

o imagine la fiecare 0,05 secunde. De asemenea, se traseaza sistemul global fix la care se va

raporta miscarea de salt. In figura 7 se prezinta o imagine cu contorul de timp si sistemul fix de

axe.

Se constata ca se pot obtine solutii relativ precise pentru pozitiile punctelor caracteristice

biomecanismului broastei-de-lac, chiar daca se face analiza unor imagini laterale (prin filmarea

planului XOZ) utilizand aceste unelte auxiliare suprapuse peste imaginea bruta obtinuta prin prelucrarea cu Adobe Premiere, urmata de prelucrarea cu CorelDraw. Astfel, se poate extrage

coordonata Y pentru punctele aflate in centrul articulatiilor prin trasarea auxiliara a proiectantelor

pe planul XOY.

Pentru sistematizarea datelor s-a considerat ca este necesara schematizarea structurii

biomecanice a subiectului studiat, precum si notarea articulatiilor principale care participa la

locomotia prin salt. Astfel, s-a obtinut schema din figura 2 care s-a creat printr-o serie de

simplificari evidente.

Fig.2. O schema a biomecanismului broastei-de-lac creata pentru sistematizarea datelor.

Pentru determinarea pozitiilor punctelor caracteristice ale biomecanismului s-a analizat o

secventa de film formata din noua imagini.

Cu instrumentele expuse anterior si prin citirea directa a coordonatelor pe imagini s-au

obtinut rezultate de tipul celor prezentate in tabelul 1:

Tabelul 1-Datele masurate ale punctului A

Curbele pe care se deplaseaza punctele caracteristice ale biomecanismului pot fi

vizualizate prin intermediul functiei 3DPOLY din programul AUTOCAD. In acelasi program se

poate obtine o interpolare grafica de tip spline-spatial utilizand comanda PEDIT. In figura 4 se

prezinta variatia obtinuta prin incarcarea directa a datelor (cu albastru) si curba realizata prin

interpolare spline (rosu) a6s.

Fig.4. Variatia punctului A in functie de timp.

Pe baza datelor masurate s-a incercat interpolarea rezultatelor cu functii polinomiale de

gradul 8 de tipul:

F(t)=a t

Pentru aceasta s-a utilizat programul Mathematica 2.2

In acest program s-a format un sistem de 9 ecuatii cu 9 necunoscute pe baza datelor

prezentate in tabelele 1-15 care este rezolvat cu functia NAlgebraicRules

Dupa rezolvare se obtine urmatoarea functie de gradul 8 pentru coordonata x a punctului

A:

2 6 3 7 4

XA(t) = 70 + 5599.13 t - 286390. t + 5.62982 10 t - 5.61025 10 t +

8 5 8 6 9 7 8 8

3.0924 10 t - 9.50151 10 t + 1.52044 10 t - 9.86178 10 t

Pentru

obtinerea graficului functiei x(t) pentru punctul A se aplica functia Plot . In figura

5 este prezentata variatia coordonatei X in functie de timp pentru punctul A.

Fig.5. Variatia functiei X(t) a punctului A.

Pentru

obtinerea componentei pe axa OX a vitezei punctului A se deriveaza in functie de

timp functia X(t) obtinuta anterior, prin intermediul functiei Dt si se obtine functia prezentata in

figura 6.

Fig.6. Variatia componentei pe axa OX a vitezei.

Aceasta componenta a vitezei se mai deriveaza inca o data si se obtine componenta

acceleratiei pe axa ox a punctului A care este prezentata in figura 7.

Fig.7. Variatia componentei pe OX a acceleratiei punctului A.

Asemanator, se determina variatiile coordonatelor, vitezelor si acceleratiilor pentru

celelalte puncte caracteristice ale biomecanismului .

Pentru determinarea unor mecanisme echivalente care sa permita deplasarea prin salt este

foarte important studiul scheletului si a mobilitatilor acestuia.

Corpul vertebrelor este individualizat, fiind amficelic la urodele inferioare. In lungul

coloanei vertebrale se disting patru regiuni: cervicala, dorso-lombara, sacrala si codala.

In regiunea gatului se gaseste o singura vertebra care nu corespunde cu atlasul amniotelor.

Regiunea toraco-lombara are vertebre prevazute cu apofize transversale la care s-au sudat

rudimentele coastei. Acestea nu se unesc intr-un stern adevarat. Vertebra unica care alcatuieste

regiunea sacrala are apofize transverse foarte dezvoltate, servind la articularea cu centura

pelviana.