Góra Marta, dr nż. emal: mgora@m6.mech.pk.edu.pl Petruszka Krzysztof, nż. emal: krzysztof.petruszka88@gmal.com Trzmel Adam, mgr nż. emal: trzmel.adam@gmal.com Poltechnka Krakowska, Wydzał Mechanczny MODEL OŚMIONOŻNEGO ROBOTA SAPERSKIEGO W ŚRODOWISKU CATIA v5 Streszczene: Wykorzystując wzorce bologczne opracowano model robota saperskego jako robota kroczącego, ze względu na wększe możlwośc przemeszczeń w trudnym zmennym terene. Przyjęto strukturę odnóża robota o ruchlwośc. Opracowano analzę knematyczną analzę chodu robota kroczącego. Przeprowadzono symulację wygenerowano charakterystyk ruchu kończyny robota w środowsku CATIA. Model robota saperskego zaprojektowano wyróżnając oprzyrządowane do wykrywana usuwana mn oraz pracy w trybe transportowym poszukwawczym. MODEL OF OCTOPOD SAPPER ROBOT IN CATIA v5 ENVIROMENT Abstract: Model of octopod robot for sapper applcatons s formulated as steppng machne, that has great potental of moton n hard terran. The robot legs are descrbed as degrees of moblty seral structure. Knematc analyss consderng robot pace modes s carred out. The model s formulated n Cata envronment. Project of the robot desgn s consdered for dfferent sapper tools and modes of operaton ncludng searchng, removng and transportaton of the mnes.. Wprowadzene Istotnym zagrożene zdrowa życa człoweka jest występowane pól mnowych newybuchów jako pozostałośc po konflktach zbrojnych. W welu państwach ludność cywlna jest zmuszona do życa na terenach, gdze wcąż tkwą w zem setk tysęcy mn. Według statystyk na całym śwece spoczywa w zem ok. 0 mlonów mn, które co roku są przyczyną ponad 0 tys. ofar, z czego prawe połowa to przypadk śmertelne. Oprócz tego mny wykazują bardzo dług okres zdolnośc bojowej w dobrych warunkach mogą być sprawne nawet po 50 latach od zakopana w zem. W celu rozwązana tego problemu organzacje humantarne współpracują z nżyneram specjalstam wojskowym, opracowując coraz lepsze konstrukcje, pozwalające zneutralzować to zagrożene. Proces dentyfkacj uneszkodlwena ładunków wybuchowych polega na dentyfkacj podejrzanego obektu (np. samochodu), lokalzacj dentyfkacj materału wybuchowego, a następne rozbrojenu ładunku wybuchowego lub przenesenu go do kontenera detonacyjnego, gdze zostaje zdetonowany. Kedyś wszystke te czynnośc musał wykonać człowek, obecne we wszystkch tych zadanach jest w stane wyręczyć go robot [5]. Wększość robotów saperskch wykorzystuje napęd kołowy lub gąsencowy. Spowodowane jest to tym, że roboty take dzałają zazwyczaj na terenach mejskch, gdze ruch wykonywany jest po płaskm terene. Jednak na całym śwece pozostały setk tysęcy mn przecwpechotnych na terenach trudnodostępnych, dlatego nżynerowe zaczynają konstruować saperske roboty kroczące.
. Analza strukturalna knematyczna kończyny robota Projektując robota ośmonożnego wzorowano sę na strukturze pajęczaków (rys. ). W odnóżu pająka ptasznka [] można wyróżnć segmenty take jak: bodro (łac. coxa), udo (łac. femur) kolano (łac. Patella), goleń (łac. tba), śródnoże (łac. metatarsus), tyłonoże (łac. tarsus). Pomędzy bodrem a udem znajduje sę krętarz (łac. trochanter) element połączony stawam, za pomocą którego wprowadzona zostaje ruchlwość bodra względem dolnej częśc nog. Tyłonoże (łac. tarsus) można porównać do stopy robota. W strukturze mechanzmu robota kroczącego można wyróżnć korpus jako platformę ruchomą do której połączone są odnóża. Na rys. przedstawa budowę kończyny pająka, schemat strukturalny kończyny robota składającej sę z ognw połączonych param knematycznym obrotowym model kończyny opracowany w środowsku CATIA. Rys.. Wzorce bologczne w procese modelowana kończyn robota Struktura robota kroczącego zależna jest przede wszystkm od zadań, jake dany robot ma spełnać. Z racj szerokego wachlarza zastosowań nezbędne jest uwzględnene dodatkowych parametrów, jak masa robota, zasęg dzałana, środowsko pracy, wymagany udźwg lub nezawodność. Projektując robota kroczącego na początku określamy lczbę kończyn. Mnejsza lczba kończyn sprawa, że cała konstrukcja jest lżejsza, ale jednocześne bardzej ogranczona w możlwoścach ruchowych. Kolejny wybór stanow lczba stopn swobody odnóża. W celu osągnęca dowolnego punktu w przestrzen roboczej odnóże pownno meć, co najmnej trzy stopne swobody [9]. Ruchlwość mechanzmu można wyznaczyć na podstawe wzoru Kutzbacha Grublera [6], czyl zależnośc: 5 w n p () 6 0 gdze: w ruchlwość mechanzmu, n lczba członów ruchomych, p lczba par knematycznych tej klasy. Przyjmując korpus robota jako neruchomy, ruchlwość kończyny (rys. ) na podstawe () wynos (gdze: n =, p 5 = ). W przypadku robota ośmonożnego ruchlwość wynos 4 (n = 4, p 5 = 4).
W celu jednoznacznego opsu położena, uwzględnając dodatkowo prędkośc przyspeszeń każdego członu mechanzmu kończyny robota względem korpusu wykonano analzę knematyczną. W przypadku odnóża opsano ruch wykorzystując współrzędne Denavta-Hartenberga współrzędne jednorodne [6]. Rozwązując zadane proste knematyk ustalono pozycję końcówk łańcucha knematycznego względem bazowego układu współrzędnych. W przypadku robotów kroczących wynkem jest pozycja orentacja końcówk odnóża, która bezpośredno styka sę z podłożem względem korpusu. Na rys. umeszczono schemat knematyczny kończyny robota z zaznaczonym układam współrzędnych, kątam obrotów długoścam ognw. Układy Ox0 y0z 0, Ox yz Ox yz są układam zwązanym z kolejnym ognwam odnóża a obrót wokół os z 0, z, z oznaczono odpowedno,,. Rys.. Schemat knematyczny kończyny robota ośmonożnego z zaznaczonym współrzędnym D-H Ostatn układ współrzędnych Ox yz jest zwązany z końcówką odnóża. Długośc ognw wynoszą odpowedno l, l, l. Współrzędne D-H kończyny umeszczono w tab.. Tab.. Współrzędne D-H dla kończyny robota -π/ 0 0 0 0 0 l l l l Rozwązując zadane proste knematyk otrzymano macerz T,0 = A A A, gdze A ( =,, ) - macerz przekształcena jednorodnego z układu do - wykorzystująca współrzędne D-H. Macerz T,0 określa pozycję orentację końca odnóża względem korpusu robota dla określonych wartoścach kątowych.
W przypadku planowana trajektor wykorzystano zadane odwrotne knematyk, które ma na celu ustalene wszystkch możlwych przemeszczeń kątowych dla każdej pary knematycznej, które pozwolą osągnąć zadaną pozycję orentację końcówk odnóża. Na podstawe macerzy T,0 zapsanej symbolczne wyznaczono kąty,,. 4. Modelowane chodu robota ośmonożnego Chód jest dyskretyzowaną formą lokomocj, czyl kontakt kończyn z podłożem ograncza sę do cągu śladów, pomędzy którym występują odstępy [9]. Cecha ta odróżna chód od nnych typów lokomocj, np. gąsencowego lub kołowego, które pozostawają po sobe cągłą śceżkę. Charakterystyczną cechą wspólną dla wszystkch rodzajów chodu jest występowane faz ruchu. W przypadku, gdy odnóże znajduje sę w stycznośc z podłożem mamy do czynena z fazą podparca. Przenoszene odnóża do nnej pozycj określamy manem fazy przenoszena. Przykładowo dla ośmonożnego robota przedstawono dagram chodu, gdze w jednym cyklu przenoszone są naraz cztery kończyny (rys. ). Wprowadzono następujące oznaczena: P, P,,P8 kończyny robota, T okres chodu, czas wykonana jednego kroku lub zrealzowana jednej sekwencj przestaweń nóg (dla chodów cyklcznych), t czas styku z podłożem dla -tego odnóża podczas jednej sekwencj t ruchu, współczynnk obcążena czas styku nog z podłożem względem okresu T chodu. Chody o współczynnku obcążene mnejszym od 0,5 nazywamy begam; chody o współczynnku obcążena wększym lub równym 0,5 nazywamy chodam spacerowym lub stępam. Rys.. Dagram chodu czteropodporowego Współczynnk obcążena kończyny wynos 0,5. Jest to najszybszy rodzaj chodu dla mechanzmu ośmonożnego. Oprócz tego chód tego typu charakteryzuje sę stałym welokątem podparca sekwencje polegają na przestawanu dwóch par kończyn najperw drugej czwartej, następne perwszej trzecej. Podobną cechę uzyskałby chód, w którym najperw przestawane byłyby nog z ndeksem parzystym, a potem z neparzystym. Chody okresowe charakteryzuje sę dużą prędkoścą przemeszczana, jednak mogą być stosowane jedyne w łatwym terene. W przypadku wystąpena nerównośc terenowych bądź przeszkód koneczne jest zamplementowane chodu swobodnego, który 4
charakteryzuje sę cągłym wyborem, którą kończynę należy przełożyć w danym momence. Zastosowane chodu swobodnego dla robotów moblnych jest szczególne trudnym zadanem ze względu na dużą lczbę szybkozmennych parametrów. Ważne jest określene prorytetowych kryterów, które muszą być zachowane w perwszej kolejnośc podczas chodu swobodnego, np. utrzymane stablnośc. 5. Model robota w środowsku CATIA v5 Model robota saperskego zaprojektowano w środowsku CATIA v5. Wykorzystywane programów do projektowana wspomaganego komputerowo (ang. computer aded desgn - CAD) jest obecne bardzo powszechne w prawe każdej dzedzne technk, szczególne przy konstrukcjach mechancznych. Gotowe modele można łatwo edytować, generować na ch podstawe dokumentację technczną oraz różnego rodzaju charakterystyk np. wytrzymałoścowe, knematyczne, tp. Perwszym krokem budowy makety cyfrowej było opracowane poszczególnych częśc robota. Odbywa sę to w modułach modelowana bryłowego (Part Desgn) powerzchnowego (Shape Desgn) [7]. Jako perwsze zamodelowano kończyny korpus (rys. 4). W tym celu wykorzystano moduły modelowana bryłowego (Part Desgn) oraz powerzchnowego (Shape Desgn). Rys. 4. Modele korpusu kończyny wykonane w środowsku CATIA v5 Opracowane detale połączono w pary knematyczne za pomocą modułu Assembly Desgn. Po opracowanu kompletnej platformy kroczącej (rys. 5) wygenerowano dokumentację technczną za pomocą modułu Draftng. Jest to nezwykle przydatna funkcja oprogramowana CATIA, gdyż pozwala opracować znormalzowane rysunk technczne w dowolnej lczbe rzutów, a następne automatyczne zwymarować poszczególne elementy. 5
Rys.. Model robota kroczącego opracowanej w środowsku CATIA v5 Defnowane zakresu ruchu w poszczególnych parach knematycznych, określene które pary knematyczne są czynne, a które berne przeprowadzene symulacj ruchu wraz z wygenerowanem charakterystyk umożlwa moduł DMU Knematcs [8]. Na rys. 6 po prawej strone wdoczny jest panel komend określających przemeszczena kątowe każdego ognwa. Rys.. Platforma cyfrowa opracowana w środowsku CATIA v5 Przeprowadzene analzy prędkośc przyspeszeń jest nezwykle stotnym elementem przy projektowanu robota. Otrzymane wynk decydują m. n. o doborze odpowednch typów napędów. Analza chodu modelu pozwala określć m. n. zakresy kątowe dla poszczególnych ognw, prędkośc przyspeszena kątowe lnowe końcówk kończyny względem korpusu, trajektorę kończyny oraz jej przestrzeń roboczą. Na rys. 7 umeszczono przykładowe 6
charakterystyk ruchu dla przesunęca kończyny z jednego do drugego punktu w przestrzen. Analza została przeprowadzona dla kończyny ósmej (przedna prawa). Przyjęte wartośc dla przebegu symulacj wynoszą: zakresy ruchu w poszczególnych parach knematycznych, dobrane na potrzeby symulacj, 0 45 55 00 0 wartośc początkowe, 0 45 0 długośc ognw, L 0 mm L L 80 mm 70 mm czas symulacj t s a) b) Rys. 4. Przykładowe charakterystyk ruchu kończyny względem korpusu wygenerowane w środowsku CATIA v5 7
Wynkem rozwązana zadana prostego knematyk dla położena początkowego końcowego oraz zadana odwrotnego dla całego zakresu było przeprowadzene symulacj ruchu kończyny w programe CATIA v5 wygenerowane charakterystyk ruchu (rys. 7). Na rys. 7a wygenerowano trajektorę końcówk odnóża (układ współrzędnych { Ox yz }) w os x, y, z względem korpusu robota (układ współrzędnych { Ox0 y0z 0 }). Zależnośc prędkośc lnowych w czase umeszczono na rys. 7b. Łatwo można wyodrębnć moment unoszena kończyny, jej obrót względem korpusu a następne opuszczene do określonego punktu. Zebrane wynk stanową bardzo ważne źródło nformacj dotyczących planowana chodu. Na ch podstawe określć można m. n. jak wpłyne zadany kąt obrotu wału mechanzmu napędowego na położene kończyny lub jake położene wału należy zadać, by dane położene uzyskać. 6. Model robota saperskego Opracowane modelu robota saperskego wymagało przyjęca klku założeń. Przede wszystkm oprzyrządowane przenoszone przez robota pownno być możlwe najlżejsze []. Dlatego zdecydowano sę na opracowane dwóch model robotów: do wykrywana mn, do usuwana mn. Model robota do wykrywana ładunków wybuchowych przedstawony został na rys. 8. Robot ten posada cewkę detekcyjną o średncy 0 mm, która zamocowana jest na ramenu manpulacyjnym o czterech stopnach swobody. Lczba stopn swobody ramena jest wystarczająca, gdyż ne ma potrzeby, by detektor obracał sę wokół os prostopadłej do płaszczyzny detektora an os równoległej do kerunku ruchu. a) b) Rys. 5. Model robota do wykrywana mn w trybe: a) transportowym, b) poszukwawczym Na ramenu robota zamontowany został równeż detektor cząstek FIDO wykrywający obecność materałów wybuchowych w powetrzu na zasadze zakłócena fluorescencj polmeru pomarowego przez cząsteczk materału wybuchowego. Są to urządzena nezwykle czułe potrafą wykrywać śladowe lośc materałów wybuchowych (nawet ponżej nanograma) [4]. Potrafą wykrywać materały wybuchowe bez kontaktu bezpośrednego, co jest nezwykle stotne w przypadku mprowzowanych ładunków wybuchowych IED (ang. mprovsed explosve devce), np. bomb ukrytych w elementach nfrastruktury (zabetonowanych w krawężnkach, ukrytych w samochodach td.). 8
Na rys. 9 przedstawony został model robota do usuwana mn. Wyposażene robota stanową dwa zasobnk z ładunkam DRAGON (po szt. w zasobnku) oraz manpulator z chwytakem. W przecweństwe do poprzednego ramena manpulacyjnego, w roboce tym zastosowano ramę manpulacyjne o sześcu stopnach swobody, gdyż koneczne jest ustawene ładunku DRAGON w odpowednej pozycj nad mną. a) b) Rys. 6. Model robota do usuwana mn: a) w trybe transportowym, b) w momence poberana ładunku DRAGON DRAGON opracowany został przez brytyjską organzację Dsarmco []. Budową dzałane przypomna flarę sygnalzacyjną, jednakże meszanka protechnczna (składająca sę m.n. z termtu) pozwala uzyskać płomeń o temperaturze przekraczającej 000 stopn Celsjusza. Temperatura taka umożlwa przepalene płaszcza mny, a następne wypalene znajdującego sę w nej materału wybuchowego bez ryzyka detonacj. Ponższy rysunek przedstawa testy polgonowe DRAGONA urządzena przepala płytę stalową o grubośc ¼. Rys. 7. Dragon podczas testów w Welkej Brytan [] 9
7. Podsumowane Artykuł Autorsk, XI Forum Inżynerskego ProCAx cz. II, W opracowanu modelu robota saperskego wykorzystano analzę strukturalną knematyczną oraz analzę chodu robotów kroczących. W kolejnych krokach projektowana można uwzględnć bezkolzyjność robota uwzględnając brak zderzeń kończyn z otoczenem. Uwzględnając bardzo szeroke możlwośc środowsko CATIA w zakrese projektowana symulacj mechanzmów można wprowadzć tor przeszkód, który mógłby symulować zachowane sę maszyny w różnych sytuacjach. Umożlw to szybką weryfkację korektę ewentualnych błędów jeszcze na etape projektowana, co przekłada sę na zaoszczędzene czasu jak umożlwć opracowane konstrukcj spełnającej stawane krytera. Lteratura [] Antonć D., Ban Ž., Žagar M.: Demnng Robots Requrements and Constrants. 9TH Medterranean Conference on Control and Automaton, 7-9 June 00. [] Ceślak P.: Pająk ptasznk. Agencja Wydawncza EGROS, Warszawa. [] Dsarmco Dragon flar. http://www.dtw.org.kh/templates/dsarmco.html [4] FIDO OnBoard. Robot ntegrated explosves vapor detecton. Product overvew. [5] Hrshkesh T.: Robots for demnng. Techncal presentaton, Department of Mechancal Engneerng, Vasav College of Engneerng, 0 June 00. [6] Moreck A., Knapczyk J. (red. nauk.): Podstawy robotyk. Wydawnctwa Naukowo -Technczne, Warszawa 999. [7] Wełyczko A.: CATIA v5 Przykłady efektywnego zastosowana systemu w projektowanu mechancznym. Wydawnctwo HELION, Glwce 005. [8] Wyleżoł M.: CATIA v5 Modelowane analza układów knematycznych. Wydawnctwo HELION, Glwce 007. [9] Zelńska T.: Maszyny kroczące. PWN, Warszawa 00. 0