Roboții autonomi sunt sisteme care simt, acţionează, calculează și comunică. Acționarea, punctul central al acestui capitol, este capacitatea robotului de a se mișca și de a manipula lumea. Mai exact, facem diferența între locomoție ca abilitatea robotului de a se mișca și manipulare ca abilitatea de a muta obiecte în mediul robotului. Ambele activități sunt strâns legate: în timpul locomoției robotul își folosește motoarele pentru a exercita forțe asupra mediului înconjurător (sol, apă sau aer) pentru a se deplasa; în timpul manipulării folosește motoare pentru a exercita forțe asupra obiectelor pentru a le deplasa în raport cu mediul. Acest lucru ar putea să nu necesite nici măcar motoare diferite. Insectele sunt exemple bune în acest sens: ambele își pot folosi cele 6 picioare nu numai pentru locomoție, ci și pentru ridicarea și manipularea obiectelor.
Locomoția include concepte foarte diferite de mișcare, inclusiv rostogolire, mers, alergare, sărituri, alunecare (locomoție ondulatorie), târăre, cățărare, înot și zbor. Ele sunt drastic diferite în ceea ce privește consumul de energie, cinematica, stabilitatea și capacitățile cerute de robotul care le implementează. Cu toate acestea, definițiile de mai sus sunt libere și ambigue: de exemplu, „înotul” se poate face folosind multe forme diferite de sisteme de propulsie. În mod similar, o mișcare de alunecare pe sol ar putea duce la înot cu doar câteva modificări.
Modul în care părțile individuale ale unui robot se pot mișca unele față de altele și mediul înconjurător se numește cinematica robotului. Cinematica se ocupă doar de poziția și viteza (prima derivată a poziției) acelor părți, dar nu și de dinamica acesteia, care include accelerația (derivata a doua a poziției) și smucitura (derivata a treia a poziției).
Din punct de vedere comercial, cea mai dominantă formă de locomoție este rostogolirea. Acest lucru se datorează faptului că rularea oferă de departe cel mai eficient raport energie-viteză (Figura 2.1), făcând din inventarea roții una dintre cele mai mari descoperiri tehnologice din istorie. În consecință, oamenii și-au modificat mediul pentru a avea suprafețe netede de mare întindere precum rețeaua de drumuri, dar și spații de depozite și rezidențiale. În schimb, evoluția nu a dezvoltat niciun singur animal cu dispozitive de acționare asemănătoare unei roți.
Interogare: Puteți găsi exemple de roboți din categoriile de mai sus? Identificați diferitele tipuri de actuatoare care sunt utilizate în ele.
Datorită dominației roboților de rulare, motorul electric se numără printre cele mai populare actuatoare. Cu excepția motorului pas cu pas, care folosește electromagneți mari pentru a roti un ax intern cu câteva grade de fiecare dată, fizica motorului electric impune ca acesta să se rotească la viteze foarte mari (multe mii de rotații pe minut). Prin urmare, motoarele sunt aproape întotdeauna folosite împreună cu angrenajele pentru a reduce viteza și a crește cuplul, adică forța pe care o poate exercita motorul pentru a roti o axă. Pentru a putea măsura numărul de rotații și poziția axei, motoarele sunt adesea combinate cu encodere rotative. Motoarele care combină un motor electric cu o cutie de viteze, un codificator și un controler pentru a se deplasa către poziția dorită sunt cunoscute sub denumirea de servomotoare și sunt populare în rândul pasionaților. O altă clasă populară de actuatoare, în special pentru roboții cu picioare, sunt actuatoarele liniare, care ar putea exista sub formă electrică, pneumatică sau hidraulică. În cele din urmă, există o gamă largă de actuatoare de specialitate, cum ar fi aliaje cu memorie de formă, polimeri electroactivi sau piezo-elemente, care permit adesea o miniaturizare extremă, dar nu oferă rapoarte atractive energie-forță și sunt dificil de controlat.
Figura 1: Consumul de energie în raport cu viteza pentru diferite mijloace de locomoție. Din Todd (1985).
Majoritatea dispozitivelor de acționare (și mecanismelor) capabile de locomoție pot fi, de asemenea, utilizate pentru manipulare cu doar modificări minore. Majoritatea manipulatoarelor industriale constau dintr-un lanț de actuatoare rotative care sunt conectate prin legături. Majoritatea roboților industriali au șase sau mai multe axe care se rotesc independent. Vom vedea de ce mai jos. Manipulatoarele industriale moderne au capacitatea nu numai de a controla poziția fiecărei articulații, ci și de a controla cu precizie cuplul și forța la fiecare articulație individuală, făcând brațul compatibil, ceea ce este inversul rigidității în sens mecanic. Pentru o manipulare abilă, un robot nu are nevoie doar de un braț, ci și de o prindere sau mână. Prinderea este o problemă grea în sine și merită propriul capitol.
Sursa: Nikolaus Correll (2024). Introduction to Autonomous Robots, LibreTexts, licența CC BY-NC 4.0. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu
Lasă un răspuns