MODUŁOWY ROBOT MOBILNY WZOROWANY NA BUDOWIE WĘśY Z NAPĘDEM OPARTYM O MATERIAŁY SMA Łukasz Jastrzębski *, Piotr Płatek * 1. Wstęp Natura na przestrzeni milionów lat udoskonalała w procesie ewolucji budowę organizmów Ŝywych, starając się jak najlepiej dopasować ich cechy do środowiska, w którym Ŝyją. Dzięki lepszej budowie szkieletu i mięśni, zwierzęta mogą znacznie lepiej się poruszać. Rozwój systemu nerwowego i naturalnych receptorów pozwala na lepsze i szybsze przetwarzanie bodźców płynących ze świata zewnętrznego oraz reagowanie na nie i podejmowanie odpowiednich decyzji. Budując konstrukcje mechaniczne, jakimi niewątpliwie są roboty, mamy do czynienia z tymi samymi problemami. KaŜdy robot mobilny musi w jakiś sposób się poruszać, pokonywać lub omijać przeszkody, a od budowy jego konstrukcji zaleŝeć będzie, jak sprawnie będzie mógł wykonywać ruch w danym środowisku. Nie bez znaczenia dla robota mobilnego są czujniki (sensory) oraz system sterowania pełniący rolę podobną do układu nerwowego w organizmach Ŝywych. Widząc powyŝsze analogie, moŝemy sobie zadać pytanie, czy moŝna w jakiś sposób wykorzystać wiedzę zdobytą przez miliony lat ewolucji organizmów Ŝywych, i wzorując się na ich budowie konstruować znacznie lepsze roboty mobilne. Dziedziną wiedzy, która to umoŝliwia jest bionika, dzięki której moŝemy lepiej zrozumieć budowę i funkcjonowanie organizmów Ŝywych. oraz wykorzystać tą wiedzę do budowy robotów przypominających i naśladujących ich zachowanie. MoŜna powiedzieć, Ŝe Bionika jest twórczą inspiracją dla konstruktorów chcących skorzystać z ogromnej wiedzy znanej naturze do wieków. Modułowy robot mobilny, którego konstrukcja wzorowana jest na budowie węŝy jest próbą praktycznej realizacji robota, który dzięki nowoczesnym materiałom napędowym i zaawansowanemu sterowaniu mógłby naśladować ruch węŝy. Na świecie budowanych jest wiele tego typu konstrukcji, słuŝących do badania algorytmów ruchu węŝy. W przewaŝającej części są to konstrukcje napędzane przy pomocy róŝnego typu silników elektrycznych posiadających odpowiednią przekładnię. Popularność tego typu napędów ma swoje uzasadnienie ekonomiczne, jak równieŝ jest spowodowana tym, Ŝe są one bardzo dobrze zbadane pod względem zasady ich działania jak równieŝ sterowania. Do napędzania tego typu robotów uŝywane są takŝe inne typy napędów, takich jak napędy pneumatyczne i hydrauliczne. W konstrukcji naszego robota zdecydowaliśmy się wykorzystać nowy typ napędu, jakim są cięgna wykonane z materiału z pamięcią kształtu SMA (ang. Shape Memory Alloy). Cięgna takie są wykonane ze specjalnego stopu Niklu i Tytanu, który pod wpływem doprowadzonego ciepła ulega skróceniu. Zalety i wady tego typu napędu zostaną opisane w dalszej części artykułu, przy okazji omówienia zasady ich działania. * Student, Wydział InŜynierii Mechanicznej i Robotyki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków.
2. Zasada działania napędu opartego o cięgna SMA W chwili obecnej materiały z pamięcią kształtu stanowią przedmiot badań wielu ośrodków akademickich i naukowych, powstaje duŝo publikacji i prac związanych z tematyką zastosowań tych materiałów jako napędu. Jednym z najpopularniejszych materiałów z pamięcią kształtu jest stop Niklu i Tytanu, który posiada bardzo dobre własności mechaniczne, co sprawia, Ŝe jest on najczęściej stosowany do budowy nowego typu napędów. Materiały z pamięcią kształtu są stopami metali, które posiadają unikalną zdolność zmiany własnego kształtu wraz ze zmianą temperatury. Gdy materiał ulegnie odkształceniu w fazie niskotemperaturowej pod wpływem oddziaływania sił, a następnie zostanie podgrzany powyŝej pewnej charakterystycznej dla niego temperatury, odzyska on swoje pierwotne wymiary geometryczne. Efekt ten nazywamy efektem pamięci kształtu. Materiały te posiadają dwie stabilne fazy pokazane na rysunkach 1 i 2: Rys. 1. Faza wysokotemperaturowa (austenit) Rys. 2. Faza niskotemperaturowa (martenzyt) Jako elementy napędowe wykonane z materiału z pamięcią kształtu SMA, najczęściej wykorzystuje się cięgna ze stopu niklu i tytanu. Stop ten zwany pod nazwą NiTiNOL zawierający około 55% tytanu oraz 45% niklu, po raz pierwszy odkryty został przypadkiem w laboratoriach Naval Ordnance Laboratory w roku 1958 w USA. Cięgna w postaci cienkiego drutu wykonane z tego materiału wykazują względne skrócenie o około 4% swojej długości. Skrócenie cięgna wykonanego z stopu SMA następuje na skutek podgrzania, które w większości przypadków realizowane jest poprzez przepuszczenie prądu o odpowiedniej wartości przez ten materiał. PoniŜej pokazana została przykładowa charakterystyka zmiany długości cięgna pod wpływem zmiany temperatury. Rys. 3. Zmiana długości cięgna pod wpływem zmiany jego temperatury
Zalety cięgien SMA: duŝy współczynnik mocy wyjściowej do masy, korzystny współczynnik wagowy, prostota konstrukcji i niezawodność, zamiennik solenoidu duŝo lŝejszy, dostępne pozycje pośrednie, stała siła, zamiennik silników klasycznych mniejsza masa i objętość, nie generują hałasu podczas pracy, Wady cięgien SMA: Nieliniowość histereza, Podatność na zmęczenie materiału, DuŜy wpływ temperatury otoczenia na charakterystykę pracy, Małe procentowe skrócenie rzędu 4%, DuŜy czas chłodzenia, Mała częstotliwość pracy, DuŜe prądy płynące przez cięgno. 3. Konstrukcja mechaniczna Modułowy robot mobilny, którego konstrukcja wzorowana jest na budowie węŝy, składa się z dziewięciu modułów pokazanych na rysunku nr 4. KaŜda para modułów połączona jest ze sobą przy uŝyciu przegubu kardana, umoŝliwiając ich względne przemieszczenie kątowe względem dwóch wzajemnie prostopadłych osi α x i α z pokazanych na rysunku nr 5. Dzięki modułowej budowie robota moŝliwa jest jego dalsza rozbudowa o kolejne moduły zwiększając liczbę stopni swobody konstrukcji. Rys. 4. Widok wszystkich dziewięciu modułów robota węŝa Zaprezentowana konstrukcja robota składa się z dziewięciu modułów połączonych przy pomocy ośmiu przegubów kardana, dzięki którym posiada ona szesnaście stopni swobody. Taka liczba stopni swobody pozwala robotowi na realizację ruchów, jakie moŝemy spotkać w przyrodzie obserwując sposoby poruszania się węŝy. Szczegółowa budowa modułów oraz sposób ich połączenia przedstawiony został na poniŝszym rysunku.
Pojedynczy moduł robota składa się z: Widełek (1), KrzyŜa kardana (2), Sworzni mocujących krzyŝ kardana (3), Pokryw frontowych (4), Listew bocznych (5), Rolek cięgien (6), Sworzni rolek (7), Blach (8), Rolek jezdnych (9). Rys. 5. Współpraca dwóch modułów i ich budowa Przemieszczenie kątowe dwóch modułów uzyskiwane jest względem dwóch wzajemnie prostopadłych osi obrotu α x i α z., które są jednocześnie prostopadłe do głównej osi robota. Obrót względem konkretnej osi obrotu uzyskuje się poprzez skrócenie odpowiedniego cięgna zamocowanego do sworznia kardana. Układ cięgien SMA, które są napędem tego robota pracuje na zasadzie przeciwcięgien, co oznacza Ŝe jeŝeli przez cięgno pierwsze przepływa prąd powodujący jego skrócenie, to cięgno drugie ulega rozciągnięciu magazynując energię potrzebną do uzyskania zerowego kąta obrotu w przypadku gdy przerwiemy przepływ prądu przez cięgno pierwsze. Analogicznie kąt wychylenia w drugą stronę uzyskujemy po przepuszczeniu prądu przez cięgno drugie. W kaŝdym z modułów znajdują się cztery cięgna pracujące jako napęd umoŝliwiający uzyskanie kąta wychylenia nie mniejszego niŝ +- 30 wzdłuŝ kaŝdej w dwóch osi obrotu α x i α z. Rys. 6. Schemat kinematyczny napędu wykorzystującego cięgna SMA pracujące w układzie przeciwcięgien 4. Elektronika sterująca KaŜdy robot zawiera w sobie część elektroniczną, która jest dla niego tym, czym dla prawdziwego węŝa jest układ nerwowy. Zadaniem układu elektronicznego jest odpowiednie sterowanie napędami, realizacja ogólnego algorytmu ruchu robota jako całości, zbieranie danych z otoczenia poprzez róŝnego rodzaju czujniki oraz komunikacja poprzez interfejsy umoŝliwiające wymianę informacji z człowiekiem.
W przypadku zaprezentowanej konstrukcji robota węŝa, mamy do czynienia z układem składającym się z kilku identycznych modułów, w których do wzajemnego przemieszczenia kaŝdej pary zastosowano jako napęd cięgno z pamięcią kształtu SMA. Na poniŝszym rysunku przedstawiono schemat blokowy układu elektronicznego modułowego robota mobilnego, którego konstrukcja wzorowana jest na budowie węŝy. Szyna komunikacyjna I2C Kontroler sterujący prądem w 4 cięgnach Kontroler sterujący prądem w 4 cięgnach Kontroler sterujący prądem w 4 cięgnach Kontroler główny (realizuje algorytm ruchu robota i komunikację) Moduł 1 Moduł 2 Moduł 10 Port USB BlueTooth Czujniki zewnętrzne Komputer PC Rys. 7. Schemat blokowy układu elektronicznego robota Jak widać kaŝdy moduł robota posiada swój własny kontroler który jest układem elektronicznym pełniącym zadanie sterowania prądem przepływającym przez cięgna napędowe, odpowiedzialne za wzajemne usytuowanie względem siebie dwóch modułów. KaŜdy z tych kontrolerów podpięty jest do szyny komunikacyjnej robota, która pośredniczy w wymianie danych pomiędzy kontrolerami sterującymi kaŝdym z modułów a głównym kontrolerem robota, w którym realizowany jest algorytm ruchu całej konstrukcji. Do zadań kontrolera głównego oprócz realizacji algorytmu ruchu robota i komunikacji z modułami naleŝy równieŝ komunikacja z komputerem PC, dzięki której uŝytkownik moŝe modyfikować algorytm ruchu, monitorować jego wykonanie oraz reagować w stanach awaryjnych. Komunikacja z komputerem realizowana jest przez bardzo popularny interfejs USB. Zadaniem kontrolera sterującego cięgnami napędowymi jest osiągnięcie takiego skrócenia cięgna SMA, aby uzyskać zadany kąt pomiędzy dwoma modułami. śeby skrócić cięgno wykonane ze stopu NiTi, naleŝy podnieść jego temperaturę poprzez przepuszczanie prądu o określonej wartości. Zatem z elektrycznego punktu widzenia zadanie sprowadza się do regulacji średniej wartości prądu płynącego przez cięgno, który zgodnie z prawem Joule a Lentza Q = R*I 2 *t powoduje wydzielenie na nim odpowiedniej energii cieplnej. Prowadzi do wzrostu temperatury samego cięgna, a co za tym idzie odpowiedniego jego skrócenia. Na rysunku 8 przedstawiono schemat blokowy budowy kontrolera sterującego pracą cięgien napędowych. Sercem całego układu jest mikrokontroler z rdzeniem ARM (Cortex- M3) z najnowszej serii STM32F103 firmy STM. Posiada on szereg interfejsów komunikacyjnych takich jak SPI, I2C oraz USB, które umoŝliwiają szybką wymianę danych między modułami oraz czujnikami zewnętrznymi.
Rys. 8. Schemat blokowy budowy kontrolera sterującego pracą cięgien napędowych Układ składa się z 4 wyjść PWM do sterowania cięgnami napędowymi, z których sygnał elektryczny podawany jest przez układ optoizolacji na stopień mocy. W stopniu mocy sygnał ten powoduje przepływ prądu o określonej wartości przez cięgno powodując jego odpowiednie skrócenie. Aby uzyskać dany kąt obrotu między dwoma modułami, musimy dokonać pomiaru prądu płynącego przez cięgno, którym sterujemy, oraz spadku napięcia, który posłuŝy do określenia wartości rezystancji cięgna. Pomiaru dokonujemy wykorzystując znajdujące się wewnątrz mikrokontrolera 8 kanałowe przetworniki analogowo-cyfrowe o rozdzielczości 12 bitów i czasie konwersji równym 1µs. 5. Podsumowanie Zrealizowany obecnie modułowy robot wąŝ jest konstrukcją prototypową, która moŝe słuŝyć do badania algorytmów sterowania zarówno napędami opartymi o cięgna z pamięcią kształtu, jak równieŝ algorytmów ruchu całości. Głównym celem konstruktorów było stworzenie urządzenia, które wykorzystywałoby nietypowy i rzadko stosowany rodzaj napędu oraz jak najlepiej odwzorowywałoby naturalny ruch węŝy. Robot w obecnej formie jest bardzo dobrym punktem wyjścia do wszelkiego rodzaju eksperymentów związanych ze zwiększaniem jego funkcjonalności i rozbudowy poszerzającej zakres jego moŝliwości. Referat pt. Prezentacja modułowego robota wzorowanego na ruchu węŝa z napędem opartym o materiały SMA autorstwa Łukasza Jastrzębskiego i Piotra Płatka, został wygłoszony na XLV Sesji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego AGH w Sekcji Automatyzacji Procesów oraz wyróŝniony drugą nagrodą. Opiekun naukowy referatu: dr inŝ. Waldemar Rączka. Literatura [1] SAMEK A., SIOMA A.: Bionika twórcza inspiracja dla inŝynierów, Kraków 2007 [2] DOMINIK I.: Sterowanie liniowym napędem wykorzystującym efekt pamięci kształtu. Praca doktorska. AGH, IMIR, 2007