Greek English French German Italian Japanese Russian Spanish Turkish

Snake - Robots

Απαιτήσεις Ρομπότ Εξερεύνησης σε περιπτώσεις Σεισμών

Η ιδιαίτερη κυματοειδής κίνηση που χρησιμοποιούν τα φίδια καθώς και η φυσική κατασκευή του σώματος τους μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τα ρομποτικά συστήματα που χρησιμοποιούν για την κίνηση τους τροχούς ή «πόδια». Ένας μεγάλος αριθμός ερευνητικών ομάδων έχει αναπτύξει ρομπότ εμπνευσμένα από την κίνηση των φιδιών για να εκμεταλλευτεί αυτά τα πλεονεκτήματα, όπως παρουσιάστηκε στο πρώτο παραδοτέο του έργου με τίτλο «Βιβλιογραφική Αναζήτηση Ρομπότ για Αντιμετώπιση Καταστροφών». Η κυματοειδής κίνηση των ρομποτικών συστημάτων που έχουν βασιστεί στην φυσιολογία των φιδιών, υπερτερεί σε σχέση με τις παραδοσιακές μορφές μετακίνησης τόσο των ζωντανών οργανισμών όσο και των μηχανών (Hirose, 1993, Tanaka, 2009).

Λόγω της επιμηκυμένης μορφής και της έλλειψης «ποδιών», τα φίδια αποτελούνται από συμπαγείς διατομές και μπορούν, έτσι, να κινηθούν διαμέσου στενών περασμάτων. Επιπλέον, τα ρομπότ – φίδια αποτελούνται από πολύ λεπτότερες διατομές σε σχέση με άλλα ρομποτικά συστήματα ισοδύναμου μεγέθους. Επίσης, τα φίδια έχουν τη δυνατότητα να αναρριχηθούν πάνω από εμπόδια τα οποία δύναται να είναι μεγαλύτερα του μεγέθους τους. Αυτό επιτυγχάνεται ανυψώνοντας κατά το ήμισυ το μπροστινό μέρους του σώματος τους. Ομοίως, θα πρέπει να επισημανθεί ότι ένα ρομπότ- φίδι μπορεί να ανυψώσει το σώμα του επάνω από εμπόδια πολύ περισσότερο από ότι ρομποτικά συστήματα που φέρουν «πόδια» ή τροχούς. Αυτές οι ιδιότητες είναι επιθυμητές κατά την κίνηση ανάμεσα σε σύνθετα και γεμάτα εμπόδια περιβάλλοντα, όπως στην περίπτωση κίνησης μέσα σε ερείπια για αναζήτηση επιζώντων.

• Οι βηματισμοί (gaits) που χρησιμοποιούνται από τα φίδια για τη μετακίνηση είναι πολύ σταθεροί. Επειδή το σώμα τους είναι σε συνεχή επαφή με το έδαφος σε πολλά διαφορετικά σημεία, είναι δύσκολο να χτυπήσουν επάνω σε κάτι, επειδή έχουν ένα χαμηλό κέντρο μάζας και δεν ανυψώνουν πολύ το σώμα τους από το έδαφος κατά τη διάρκεια της μετακίνησης. Η μορφή μετακίνησης που χρησιμοποιούν, προκειμένου να γλιστρούν, στηρίζεται, επίσης, στην επαφή μεταξύ του εδάφους και του οπίσθιου τμήματός τους (posterior). Αυτή η μεγάλη περιοχή επιφάνειας δίνει στο φίδι καλά χαρακτηριστικά έλξης (traction characteristics) σε διάφορα μεταβλητά περιβάλλοντα. Εκτιμάται ότι ένα σύνηθες ρομπότ με «πόδια» ή ρόδες θα μπορούσε να γλιστρήσει, ενώ η μεγάλη επιφάνεια επαφής ενός ρομπότ – φιδιού θα καθιστούσε αυτό το περιστατικό λιγότερο πιθανό (Gray, 1946).

• Τα φίδια έχουν πολλαπλά σχέδια που στηρίζονται στο ίδιο είδος άρθρωσης (και δομής) που επαναλαμβάνεται πολλές φορές. Αυτό σημαίνει ότι εάν μια άρθρωση αποκοπεί, το ρομπότ - φίδι μπορεί να συνεχίσει να μετακινείται . Η απλότητα του σχεδιασμού αποσκοπεί στο ότι δεν θα υπάρχουν εύθραυστα προσαρτήματα που μπορούν εύκολα να σπάσουν.

• Τα φίδια είναι πολύ ευπροσάρμοστα και μπορούν να χρησιμοποιήσουν το σώμα τους, τυλίγοντάς το γύρω από τα αντικείμενα για να τα πιάσουν. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί κατά την αναρρίχηση τους σε δέντρα. Δεδομένου ότι μια δομή μπορεί να εκτελέσει και τις δύο εργασίες, εξαλείφεται η ανάγκη να δημιουργηθούν διαφορετικοί μηχανισμοί για να επιτύχουν διαφορετικούς στόχους. Παρά την τριβή που αντιτίθεται στην κίνηση, τα φίδια, στην πραγματικότητα, παρουσιάζεται να καταναλώνουν συγκρίσιμο ποσό ενέργειας σε σχέση με άλλους οργανισμούς παρόμοιου μεγέθους, βάρους και ταχύτητας.

Τα ρομπότ – φίδια εισήχθησαν στις αρχές της δεκαετίας του 1970 από τον Shigeo Hirose (Hirose, 1993). Αν και οι διάφοροι σχεδιασμοί ρομποτικών φιδιών ακολουθούν το κοινό θέμα της μίμησης της μετακίνησης του φιδιού, μπορούν να διαφέρουν πολύ στη φυσική σύνθεση και το σκοπό. Επιπλέον, μερικά ρομπότ χρησιμοποιούν ενεργά ελεγχόμενους τροχούς, οι οποίοι αποτελούν την κινητήρια δύναμη των συστημάτων αυτών, ενώ άλλα χρησιμοποιούν παθητικούς τροχούς ή καθόλου τροχούς. Υπάρχουν σχεδιασμοί ακόμα και για αμφίβια ρομπότ τα οποία είναι ικανά να κινηθούν αβίαστα τόσο στο εδάφους όσο και στο νερό. Τα ρομπότ – φίδια έχουν προταθεί για αποστολές που αφορούν τόσο θέματα εξερεύνησης καθώς και διάσωσης, όσο και για στρατιωτικούς σκοπούς αναγνώρισης και παρακολούθησης στόχων (Hirose, 2009) .

Υπάρχουν τέσσερις κύριοι βηματισμοί μετακίνησης φιδιών: 1) πλευρικός κυματισμός (lateral undulatory), 2) τύπου «ακορντεόν» (concertina), 3) τύπου κροταλία (crotaline or sidewinding) και 4) παλινδρομικής κίνησης προς τα εμπρός (rectilinear progression). Η πλειοψηφία των ρομπότ – φιδιών χρησιμοποιεί είτε πλευρικό κυματισμό είτε παλινδρομική κίνηση προς τα εμπρός (Transeth, 2009).

Οι διάφοροι σχεδιασμοί που εντοπίζονται στην βιβλιογραφία κατηγοριοποιήθηκαν ως εξής:

(1) ρομπότ με παθητικούς τροχούς (robots with passive wheels),

(2) ρομπότ με ενεργούς τροχούς (robots with active wheels),

(3) ρομπότ με ενεργά βήματα (robots with active treads),

(4) ρομπότ βασισμένα σε κυματισμό που δημιουργείται με κάθετα κύματα και

(5) ρομπότ βασισμένα σε κυματισμό που χρησιμοποιεί γραμμική επέκταση.

Κατασκευαστικές Απαιτήσεις Επίγειων Ρομποτικών Συστημάτων

Μετά από την εκτενή μελέτη ρομποτικών συστημάτων που έχουν υλοποιηθεί και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές εξερεύνησης και διάσωσης και που παρουσιάστηκαν τόσο στο πρώτο παραδοτέο του έργου, όσο και σε αυτό το δεύτερο παραδοτέο, στην συνέχεια θα παρατεθούν επιπλέον κατασκευαστικές απαιτήσεις για τον σχεδιασμό του επίγειου πολυαρθρωτού ρομποτικού συστήματος που θα προταθεί στα πλαίσια του παρόντος ερευνητικού προγράμματος.

Πιο συγκεκριμένα, το ρομπότ-φίδι θα αποτελείται από πολλές αρθρώσεις που δύναται να είναι αυτόνομες, έτσι ώστε να μπορούν να αποσπαστούν και να λειτουργήσουν ανεξάρτητα. Επίσης έμφαση θα δοθεί στο εμπρόσθιο και στο οπίσθιο μέρος του ρομποτικού συστήματος στα οποία θα ενσωματωθούν οι απαραίτητοι αισθητήρες για τον εντοπισμό των επιζώντων.

Οι αισθητήρες που επιλέχθηκαν να ενσωματωθούν στο σύστημα είναι: α) 2 κάμερες (μια στο εμπρόσθιο τμήμα και μια στο οπίσθιο) που στόχο θα έχουν την εποπτεία του χώρου κίνησης του ρομπότ, καθώς και του εντοπισμού του θύματος σε ερείπια που προκλήθηκαν από φυσικές καταστροφές, β) μικρόφωνο και μεγάφωνο μέσα από τα οποία οι διασώστες θα μπορούν να επικοινωνήσουν με τα θύματα και να τους δίνουν χρήσιμες οδηγίες καθώς και ψυχολογική ενθάρρυνση μέχρι οι διασώστες να καταφέρουν να τους απεγκλωβίσουν, γ) αισθητήρα θερμοκρασίας με στόχο να αναγνωριστεί ο επιζών στην περίπτωση που δεν έχει τις αισθήσεις του και είναι ακόμα ζωντανός και, δ) επειδή είναι πολύ σημαντικό το ρομπότ να είναι σε θέση να εγγυηθεί ότι ο οργανισμός που έχει εντοπίσει είναι ζωντανός, έχει κριθεί σημαντικό να ενσωματωθεί αισθητήρας που να αναγνωρίζει διάφορες χημικές ουσίες που απελευθερώνονται από την στιγμή που ένας άνθρωπος έχει αποβιώσει. Έτσι κερδίζεται πολύτιμος χρόνος προκειμένου οι διασώστες να κατευθυνθούν προς άλλες θέσεις όπου υπάρχουν επιζώντες.

Το κάθε τμήμα του ρομπότ – φιδιού απαιτείται να είναι αυτόνομο, έτσι ώστε να είναι σε θέση να κινηθεί το καθένα ανεξάρτητα. Αυτό δίνει την ευχέρεια στο ρομποτικό σύστημα να μπορεί να διασπαστεί σε πολλά μικρότερα τμήματα και να αναλάβει τον ρόλο ενός πομποδέκτη στην περίπτωση που λόγω της κατάρρευσης κρίνεται αναγκαία η επαναφορά του δικτύου επικοινωνίας στο σημείο που προκλήθηκε καταστροφή. Για την επίτευξη της επικοινωνιακής κάλυψης θα τοποθετηθεί ασύρματη κεραία πάνω σε κάθε τμήμα του ρομπότ-φιδιού, ενώ τεχνολογίες από την περιοχή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων θα χρησιμοποιηθούν.

Με σκοπό την όσο δυνατόν μεγαλύτερη αυτονομία των τμημάτων του ρομποτικού οχήματος, θα πρέπει να γίνει εκτενής μελέτη των τύπων μπαταρίας που πρέπει να ενσωματωθούν μέσα στο σύστημα μας. Σε αυτές τις περιπτώσεις επιθυμητή είναι η χρησιμοποίηση τύπου μπαταριών που να πληρούν τις μικρότερες δυνατές διαστάσεις, καθώς και το μέγιστο χρόνο που αυτές δύναται να παρέχουν επαρκή τάση στο σύστημά μας. Είναι σημαντικό να γίνει η σωστή επιλογή των διαστάσεων των υλικών που θα τοποθετηθούν στις μονάδες, κυρίως λόγω του ότι σε αυτές, εκτός από τις μπαταρίες θα πρέπει να τοποθετηθούν και μικροελεγκτές. Στην αγορά αυτήν την στιγμή είναι διαθέσιμα πολλά μοντέλα μικροελεγκτών. Οι διαστάσεις αυτών έχουν μειωθεί δραστικά με αποτέλεσμα να είναι εύκολη η επιλογή αυτών από την στιγμή που θα καταλήξουμε στην διάσταση των επιμέρους τμημάτων. Στη φάση της σχεδίασης θα δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη χωροταξική δομή των στοιχείων.

Λόγω της πολυπλοκότητας του περιβάλλοντος στο οποίο θα κινηθεί το ρομπότ, θα πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί στην επιλογή του υλικού κατασκευής του πολυαρθρωτού συστήματος. Επειδή λόγω κατάρρευσης μπορεί στην περιοχή που θα κινηθεί το ρομπότ-φίδι να έχει δημιουργηθεί πυρκαγιά, το υλικό θα πρέπει να αντέχει θερμοκρασίες τουλάχιστον 100ο C. Επίσης το υλικό θα πρέπει να είναι στεγανό και να μην επιτρέπει την διέλευση υγρών στο εσωτερικό τμήμα του ρομπότ.

Σχεδιασμός Πολυαρθρωτού Ρομποτικού Συστήματος

Το ρομποτικό σύστημα που έχει σχεδιαστεί αποτελείται από 8 τμήματα (όμοια στο σχήμα και στο μέγεθος), μια ουρά και ένα κεφάλι (διαφορετική σχεδίαση και δομή). Ο κάθε σύνδεσμος περιέχει περιστροφικό ενεργοποιητή, μικροεπεξεργαστή και μπαταρία, με αποτέλεσμα να είναι πλήρως σπονδυλωτό (modular) και η κάθε μονάδα να λειτουργεί ανεξάρτητα. Να σημειωθεί ότι οι σύνδεσμοι είναι ανεξάρτητοι ο ένας από τον άλλον και ηλεκτρικά και μηχανικά. Με την ενσωμάτωση της μπαταρίας σε κάθε σύνδεσμο αποφεύχθηκε η τροφοδοσία του ρομπότ - φιδιού με καλώδια. Ο κάθε σύνδεσμος είναι εξοπλισμένος με κύκλωμα ρύθμισης τάσης και επίσης κύκλωμα φόρτισης μπαταρίας, το οποίο θα επιτρέπει στις μπαταρίες σε όλες τις συνδέσεις να φορτιστούν ταυτόχρονα συνδέοντας στον ρομπότ μια εξωτερική παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα τμήματα του ρομποτικού συστήματος συνδέονται με ενεργές αρθρώσεις, με εμβέλεια περιστροφής 45 μοιρών, που επιτρέπουν την περιστροφή της μίας σε σχέση με την άλλη. Η μετακίνηση του ρομπότ πραγματοποιείται με τη διάδοση ενός κύματος υπό μορφή καμπύλης serpenoid, το οποίο συνεπάγεται ότι η μετακίνηση δημιουργείται μόνο μέσω της αλλαγής του σχήματος του ρομπότ, όπως σε ένα πραγματικό φίδι. Το ρομποτικό σύστημα που σχεδιάστηκε αποτελείται από 9 ενεργές αρθρώσεις, πέντε εκ των οποίων συμβάλουν στην δημιουργία κυματοειδούς κίνησης στο οριζόντιο επίπεδο και οι άλλες τέσσερις για κυματισμό στο κάθετο επίπεδο. Οι γειτονικοί ενεργοποιητές είναι κάθετοι μεταξύ τους. Η κάθε άρθρωση θα ενεργοποιείται με την χρήση ενός DC σερβοκινητήρα (HS-7955TG Digital Servo) ενώ το κύκλωμα 1056 - PhidgetSpatial 3/3/3 θα ενσωματωθεί για την μέτρηση γωνίας περιστροφής. Ένα σημαντικό σημείο στο στάδιο της σχεδίασης είναι στο πως θα εγκατασταθούν τα γρανάζια στην άρθρωση. Ένα γρανάζι τύπου worm έχει εγκατασταθεί στον άξονα του κινητήρα ενώ ένα άλλο γρανάζι στον άξονα της άρθρωσης (gear worm τύπου μετάδοση κίνησης). Ο άξονας περιστροφής, στον οποίο είναι ενσωματωμένο το γρανάζι για την επίτευξη της περιστροφής, συνδέεται μηχανικά σε ένα εξάρτημα σχήματος σταυρού το οποίο είναι υπεύθυνο για την μηχανική σύνδεση των δύο συνδέσμων. Έτσι οι ενότητες δεν μπορεί να έχουν σχετική κίνηση η μια σε σχέση με την άλλη. Οι ενότητες μπορούν να κινηθούν μόνο όταν οι κινητήρες περιστρέφονται.

Απεικόνιση Κυματοειδούς κίνησης του ρομπότ – φιδιού σε Τρισδιάστατη απεικόνιση

Μοντελοποίηση Πολυαρθρωτού Ρομποτικού Συστήματος

Για την μοντελοποίηση του ρομποτικού συστήματος που έχουμε σχεδιάσει θεωρούμε ένα ρομπότ-φίδι χωρίς τροχούς το οποίο έχει τη δυνατότητα να προσαρμόζεται στο περιβάλλον, χάριν στην ενεργειακή του απόδοση. Στόχος είναι να εφαρμοστεί ένα μαθηματικό πλαίσιο για μοντελοποίηση, ανάλυση και σύνθεση της οφιοειδούς κίνησης ενός πολυαρθρωτού ρομποτικού φιδιού. Εφαρμόζοντας την ήδη υπάρχουσα γνώση από τις μελέτες φιδιών βιολογικής φύσης, αλλά εστιάζοντας στην υλοποίηση της οφιοειδούς κίνησης μέσω της θεωρίας της ρομποτικής, περιορίζουμε την προσοχή μας στην υλοποίηση επίπεδης οφιοειδούς κίνησης (Hopkins, 2009, Liljebäck, 2011).

Σε πρώτη φάση, χρησιμοποιούμε ένα μαθηματικό μοντέλο για ένα πολυαρθρωτό ρομπότ-φίδι αποτελούμενο από n άκαμπτους συνδέσμους με ενεργοποιητές που παράγουν τις απαραίτητες ροπές στις n-1 αρθρώσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται δύο μοντέλα για την κατευθυντική δύναμη τριβής που δρα σε κάθε σύνδεσμο, τα οποία ενσωματώνονται στις ολικές εξισώσεις κίνησης του ρομπότ-φιδιού. Ειδικότερα, ερευνάται το σχήμα κίνησης, ώστε να επιτυγχάνεται η κίνηση με προκαθορισμένη ταχύτητα και με τις ελάχιστες απαιτήσεις ισχύος. Βάσει των αποτελεσμάτων της ανάλυσης, εφαρμόζεται μια αρχιτεκτονική ελέγχου ανατροφοδότησης με σκοπό την πραγματοποίηση της επιθυμητής κίνησης. Αυτή η προσομοίωση βασίστηκε στην πρώτη ερευνητική προσπάθεια που ασχολήθηκε με το πρόβλημα της μοντελοποίησης, της ανάλυσης και της υλοποίησης ελέγχου ανατροφοδότησης οφιοειδούς κίνησης σε ένα πολυαρθρωτό ρομπότ-φίδι χωρίς τροχούς (Saito, 2002)

Κίνηση ρομποτικού συστήματος στην ευθεία y=0 για ρομπότ 10 συνδέσμων