1 ΚΙΝΟΥΜΕΝΑ ΡΟΜΠΟΤ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ

2

3 Η έννοια του Ρομπότ είναι σηνηφασμένη με την έννοια της Κίνησης Η Κινηματική μελετάει τα συστήματα, που σχετίζονται με την κίνηση, από γεωμετρική άποψη. Η Δυναμική μελετάει τα συστήματα, που σχετίζονται με την κίνηση, από ενεργειακή άποψη. Για την κατάλληλη επιλογή Κινηματικής Στρατηγικής, πρέπει να απαντήσουμε σε ερωτήματα, όπως: Πόσο γρήγορα πρέπει το ρομπότ να κινείται; Πρέπει να υπερπηδάει εμπόδια; Τι είδους έδαφος έχουμε; Πόσο ευέλικτο χρειάζεται να είναι;

4 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ (σύμφωνα με το περιβάλλον δράσης τους) ΕΠΙΓΕΙΑ Ρομπότ που κινούνται στο έδαφος και χρησιμοποιούν την τριβή και τη βαρύτητα για να κινηθούν. ΘΑΛΑΣΣΙΑ Δρουν είτε στην επιφάνεια, είτε κάτω από το νερό. Χρησιμοποιούν κυρίως προπέλες και πτερύγια. ΙΠΤΑΜΕΝΑ Αεροπλάνα και ελικόπτερα, χρειάζονται πολύ καλό έλεγχο της κίνησης τους για να παραμένουν σε πτήση. ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ Ορισμένα απλά “γαντζώνονται” πάνω στο διαστημόπλοιο για να εκτελέσουν κάποιες εργασίες. Ενώ άλλα κινούνται αυτόνομα.

5 Στο υπόλοιπο του μαθήματος, θα ασχοληθούμε με επίγεια ρομποτικά συστήματα, καθώς αυτά είναι πιο ευρέως διαδεδομένα. Βασικό πρόβλημα της κινηματικής των Ρομπότ είναι η Ευστάθεια (Stability). Στατική και Δυναμική ευστάθεια. Αριθμός και Γεωμετρία σημείων κίνησης και επαφής. Κέντρο βάρους του ρομπότ. Είδος και κλίση εδάφους. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε δύο μεγάλες κατηγορίες κινούμενων ρομπότ. Αυτά που χρησιμοποιούν Πόδια (Legged Robots) Τροχούς (Wheeled Robots) για την κίνηση τους.

6 ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ-LEGGED ROBOTS Αυτός ο τρόπος κίνησης προήλθε από την παρατήρηση βιολογικών συστημάτων. Μεγάλα θηλαστικά και ερπετά  4 πόδια Άνθρωπος  2 πόδια Έντομα  6 (ή περισσότερα) πόδια ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Προσαρμοστικότητα και Ευελιξία Διασκελισμός εμποδίων Δυνατότητα χειρισμού αντικειμένων ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μηχανική και κατασκευαστική πολυπλοκότητα Κατανάλωση ενέργειας

7 ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ-ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΠΡΩΪΜΑ ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ  1970: Kato- Vukobratovic  1973: το πρώτο ανθρωπομορφικό ρομπότ

8 ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ

9 ΑΝΑΠΗΔΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ  ΣΤΑΤΙΚΑ ΑΣΤΑΘΗ  ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ Η ΒΟΗΘΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ  ΠΕΤΥΧΑΙΝΟΥΝ ΜΕΓΑΛΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ  Δεν υπάρχει, μέχρι σήμερα, πρακτικό πλεονέκτημα από την εφαρμογή τους, παρά μόνο ερευνητικό.  Υπήρξαν η έμπνευση για τις μελλοντικές έρευνες.

10 ΑΝΑΠΗΔΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ  ΜΕ ΕΝΑ ΠΟΔΙ Το πρώτο ρομπότ με ένα πόδι – Raibert’s Hopper (1983) Το σύστημα ελέγχου περιλαμβάνει τρία υποσυστήματα που ελέγχουν ξεχωριστά:  Το ύψος ελέγχεται με την ρύθμιση της ώσης σε κάθε αναπήδηση,  Την ταχύτητα προχώρησης με την ρύθμιση της απόστασης του πέλματος από το σημείο προσγείωσης,  Τον προσανατολισμό με την αλλαγή της θέσης του ποδιού κατά την φάση μέγιστου ύψους-μηδενικής ταχύτητας. Λόγω της απλότητας του συστήματος ελέγχου είναι δυνατός ο έλεγχος σε πραγματικό χρόνο (real time).

11 ΑΝΑΠΗΔΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ  ΜΕ ΔΥΟ ΠΟΔΙΑ  Το σύστημα ελέγχου έχει την ίδια δομή όπως στα αναπηδόντα ρομπότ με ένα πόδι. Προστίθενται αλγόριθμοι για την ρύθμιση της ακολουθίας των ποδιών κατά την κίνηση.  Με την χρήση δεύτερου ποδιού μπορεί να επιτευχθεί κίνηση όπως αυτή του ανθρώπινου βαδίσματος.,

12 ΔΙΠΟΔΑ ΡΟΜΠΟΤ Έχουν γνωρίσει μεγάλη επιτυχία και έχουν εξελιχθεί αρκετά, τα τελευταία χρόνια. Είναι “φιλικά” στο ανθρώπινο περιβάλλον καθώς, η εμφάνιση τους είναι ανθρώπινη, οι διαστάσεις τους είναι ανθρώπινες και μιμούνται την ανθρώπινη κίνηση και συμπεριφορά. Στις αρθρώσεις τους χρησιμοποιούν κυρίως μηχανισμούς, που επιτυγχάνουν πρωτοφανή σχέση βάρους-δύναμης, εξαιρετική ροπή και άριστο έλεγχο. Η ευστάθεια κατά την κίνηση τους, επιτυγχάνεται με Δυναμικό τρόπο. ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ

13 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ

14 ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ ΚΟΙΝΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Σε όλα τα ρομπότ αυτού του τύπου: ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ

15 ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ZMP Με δεδομένη την γεωμετρία του ρομπότ, μπορεί να υπολογισθεί το ΖΜΡ: Α) ρομπότ, Β) ισοδύναμο μοντέλο κίνησης σε δύο διαστάσεις. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ

16 ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ZMP σε δύο διαστάσεις. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ

17 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ZMP σε δύο διαστάσεις. ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ

18 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ZMP σε τρεις διαστάσεις. ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ

19 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΑΔΙΣΜΑΤΟΣ ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ Σκοπός: η κατάλληλη κίνηση του ρομπότ ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή θέση

20 Σχεδιασμός κίνησης ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ

21 Σύστημα ελέγχου ZMP - ΒΑΔΙΖΟΝΤΑ ΡΟΜΠΟΤ

22 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Πετυχαίνουν ευκολότερα στατική ευστάθεια. Συνθήκη ευστάθειας: η προβολή του Κ.Β. πρέπει να βρίσκεται μέσα στο πολύγωνο στήριξης

23 ΤΕΤΡΑΠΟΔΑ ΡΟΜΠΟΤ Η ευστάθεια, κατά την κίνηση, είναι ευκολότερο να επιτευχθεί, καθώς, τρία σημεία επαφής είναι αρκετά για να έχουμε στατική ευστάθεια. Χρειάζεται, όμως, να μετακινείται το κέντρο βάρους του ρομπότ, καθώς αλλάζουν τα σημεία επαφής με το έδαφος. Το κέντρο βάρους (κόκκινη βούλα) πρέπει να βρίσκεται μέσα στην περιοχή που ορίζουν τα σημεία επαφής (πράσινο πλαίσιο), ώστε το ρομπότ να ισορροπεί. Μόλις το ρομπότ σηκώσει το ένα του πόδι, θα πέσει!

24 ΕΞΑΠΟΔΑ ΡΟΜΠΟΤ Είναι αρκετά δημοφιλή στο χώρο της ρομποτικής, διότι η στατική ευστάθεια είναι δεδομένη καθώς κινούνται. Έτσι, μειώνεται αρκετά η ανάγκη για έλεγχο της κίνησης τους. Θεωρητικά είναι ικανά να κινηθούν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και προσανατολισμό. Πρακτικά, αυτό περιορίζεται από την πολυπλοκότητα (αρθρώσεις) που θα προσδώσουμε στα πόδια του ρομπότ. Σίγουρα, το χάσμα μεταξύ της κινηματικής ρομποτικών συστημάτων με πόδια και αντίστοιχων βιολογικών οργανισμών είναι ακόμη μεγάλο.

25 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ περιθώριο ευστάθειας (stability margin): το min της απόστασης της προβολής του Κ.Β. από το πολύγωνο στήριξης Α. περιθώριο ευστάθειαςΒ. διαμήκες περιθώριο ευστάθειας

26 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Αρίθμηση ποδιών ενός ρομπότ

27 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Για να μπορεί να διατηρεί την στατική ευστάθεια το ρομπότ μετακινεί ένα πόδι σε κάθε βήμα: Δυνατοί συνδυασμοί βηματισμού για την διατήρηση της στατικής ευστάθειας: (β) μέγιστη ευστάθεια, (α),(δ) μικρή ευστάθεια κατάλληλη για στροφές

28 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Παράδειγμα: όχημα μεταφοράς σε ανώμαλο έδαφος

29 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Παράδειγμα: πειραματικό όχημα

30 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Οχήματα εμπνευσμένα από την φύση

31 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ Ειδικές μορφές βαδίσματος τροχασμός

32 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ 2 ΠΟΔΙΑ

33 ΕΝΤΡΟΧΑ ΡΟΜΠΟΤ (WHEELED MOBILE ROBOTS) Αυτός ο τρόπος κίνησης είναι ο πιο δημοφιλής, όχι μόνο στο τομέα της Ρομποτικής, αλλά και σε όλα τα τεχνητά οχήματα. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ευστάθεια Ευκολία στην κατασκευή ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑ Σύστημα ανάρτησης σε ανώμαλες επιφάνειες Μεγάλο κομμάτι της έρευνας είναι επικεντρωμένο στα διαφορετικά είδη τροχών και στη γεωμετρική διάταξη αυτών, στο Ρομπότ. Παρακάτω θα αναλύσουμε τις δημοφιλέστερες διατάξεις.

34 ΕΝΤΡΟΧΑ ΡΟΜΠΟΤ Είδη τροχών

35 ΕΝΤΡΟΧΑ ΡΟΜΠΟΤ Προσδιορισμός θέσης ρομπότ στο επίπεδο Ακτίνα στροφής

36 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ 2 ΤΡΟΧΟΥΣ Η κίνηση δίνεται από τον πίσω τροχό και η οδήγηση γίνεται από τον μπροστά. Κλασσικό παράδειγμα αποτελούν οι μοτοσικλέτες και τα ποδήλατα. Διαφορική κίνηση δύο τροχών. Για να επιτευχθεί στατική ευστάθεια, πρέπει το κέντρο βάρους να βρίσκεται χαμηλότερα από τον άξονα κίνησης.

37 Segway Όχημα μεταφοράς με αυτόματο ελεγκτή ευστάθειας nBot Ρομπότ με διαφορική κίνηση και δυναμική ευστάθεια ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ 2 ΤΡΟΧΟΥΣ

38 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ 3 ΤΡΟΧΟΥΣ Εδώ η στατική ευστάθεια είναι δεδομένη. Οι δύο κινητήριοι τροχοί κινούνται ανεξάρτητα, οπότε έχουμε διαφορική κίνηση. Το ρομπότ κατευθύνεται από τον εμπρόσθιο τροχό. Για να στρίψει χρειάζεται κάποιο δεδομένο χώρο. Γενικά, τα ρομπότ με 3 (ή περισσότερους) τροχούς, επιτυγχάνουν στατική ευστάθεια. Λόγω αυτού, αλλά και της κατασκευαστικής απλότητας τους, έχουν βρει μεγάλη εφαρμογή.

39 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ 3 ΤΡΟΧΟΥΣ

40 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ 4 ΤΡΟΧΟΥΣ Περίπου αυτή τη γεωμετρία τροχών, χρησιμοποιεί το ρομπότ του εργαστηρίου Robo Lefter. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε κατασκευές που κινούνται σε εξωτερικό περιβάλλον, όπου η τριβή και η ομαλότητα του εδάφους διαφέρουν αρκετά. Πολύπλοκοι αλγόριθμοι Κίνησης, αλλά αυξημένη ευελιξία λόγω του τετραπλού διαφορικού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, τα αυτοκίνητα με εμπρόσθια κίνηση. Έχουν περιορισμένη ευελιξία.

41 ΡΟΜΠΟΤ ΜΕ 6 ΤΡΟΧΟΥΣ Περισσότεροι από 4 τροχοί, δεν προσφέρουν ιδιαίτερα πλεονεκτήματα. Τέτοιες διατάξεις βρίσκουν εφαρμογή σε ειδικές ρομποτικές κατασκευές. Κλασσικό παράδειγμα το ρομπότ Shrimp, κατασκευασμένο να ξεπερνά κάθε είδους ανωμαλία.

42 Εξισώσεις κίνησης

43 Ειδικές Κατασκευές Σε ερευνητικό, κυρίως, επίπεδο, έχουν προταθεί αρκετές ενδιαφέρουσες κινητήριες ρομποτικές διατάξεις. Απόλυτη ευελιξία κατεύθυνσης και προσανατολισμού Μεγάλη δυσκολία στην κατασκευή, στην οδήγηση και στην οδομετρία Περιορίζεται σε ομαλές επιφάνειες Omnidirectional Robot Ρομπότ Tribolo

44 Δύο κινητήρες, αντί για τρεις Πλήρης έλεγχος της κατεύθυνσης Δεν ελέγχεται άμεσα ο προσανατολισμός Synchro Drive Robot Ειδικές Κατασκευές

45 Απόλυτη ευελιξία κατεύθυνσης και προσανατολισμού Δυσκολία στη κατασκευή και την κίνηση των τροχών Swedish Wheeled Robots Ειδικές Κατασκευές

46 Αυξημένη πρόσφυση σε μη στέρεες επιφάνειες Μικρή ακρίβεια χειρισμών λόγω ολίσθησης Μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, πολλές φορές χωρίς λόγο Tracked Robots Snake RobotUrban Rescue Robot Ειδικές Κατασκευές

47 Εξειδικευμένες κατασκευές που προορίζονται για πολύ ειδικές εργασίες Υβριδικά Ρομπότ με ρόδες και πόδια RoboTrac Ειδικές Κατασκευές

48 Ειδικές Κατασκευές

49 Ειδικές Κατασκευές

50 Ειδικές Κατασκευές

51 Ειδικές Κατασκευές

52 Ειδικές Κατασκευές

53 Ειδικές Κατασκευές

54 Ειδικές Κατασκευές

55 Ειδικές Κατασκευές