Robotët me gjashtë këmbë - hexapodët

Hexapodët me këmbë janë robotë të programueshëm me gjashtë këmbë të ngjitura për trupin e robotit. Këmbët kontrollohen me shkallë të lartë lirie në mënyrë që roboti të ketë mundësi të lëvizë në ambientin e tij, që të kryej punët e menduara. Robotët hexapod janë të përshtatshëm për aplikime tokësore si dhe hapësinore dhe mund të kenë mundësi të lëvizjes omnidirekcionale (çdo-drejtimëshe), mundësi të gjeometrisë së ndryshueshme (mund ta ndryshojnë formën e trupit), stabilitet të kënaqshëm, qasje në terrene të ndryshme si dhe kanë lëvizje e cila është tolerante në gabime. Njëri nga faktorët motivues që jepet për zhvillimin e robotëve hexapod është fakti që ata mund të ngjiten në pengesa shumë më të mëdha se robotët me rrota të madhësisë së ngjashme. Në fakt, përdorimi i rrotave e limiton madhësinë e pengesave që mund të kalohen, deri në gjysmën e diametrit të rrotës së robotit. Në anën tjetër, robotët me këmbë mund të kalojnë pengesa që janë të krahasueshme me madhësinë e këmbës së makinës. Robotët ecës hexapod, gjithashtu kanë përparësinë e një goditje më të vogël me tokën dhe kanë lëvizshmëri më të mirë në ambiente natyrore. Kjo është posaçërisht e rëndësishme në mjedise të rrezikshme si fushat e minuara, ose kur është e rëndësishme të mbahet terreni kryesisht i pa ndryshuar për qëllime shkencore.

Historia e Hexapodë-ve

Hexapodët e parë mund të identifikiohen si robotë të bazuar në lëvizje të ngurta të paracaktuara ashtu që adaptimi me tokën nuk ishte i mundur. Kërkimet e hershme shkencore të viteve të 50-ta, ishin të fokusuara në kontrollin e lëvizjes së robotit në mënyrë manuale nga një operator njerëzor. Një nga Hexapodët e parë të suksesshëm ishte ndërtuar në universitetin e Romës në vitin 1972, si një makinë ecëse e kontrolluar nga kompjuteri me motorë elektrikë. Në mes të viteve të 70-ta në Akademinë e Shkencave të Rusisë, u zhvillua një makinë gjashtkëmbëshe me një model matematikorë të kontrollit të lëvizjes. Ajo ishte e pajisur me një senzorë të distancës me laser dhe ishte e lidhur me një sistem kontrolli me dy kompjuterë. Në vitin 1976, në Universitetin Shtetërorë të Moskës u dizajnua roboti ecës – Masha. Roboti kishte një shasi boshtore me tuba , këmbë të nyjëzuara me tri liri të lëvizjes. Ky hexapod ishte në gjendje të detektonte pengesa duke përdorur ndërprerës në këmbë dhe senzorin e largësisë. Në vitin 1977 Universiteti Shtetërorë i Ohio-së e zhvilloi një sistem robotik të bazuar në insekte me gjashtë këmbë të quajtur “OSU Hexapod”. Ky hexapod ishte mbajtur i lidhur dhe ishte detyruar të ecte distanca të shkurta mbi pengesa. Në vitin 1983, Universiteti Carnegie-Mellon zhvilloi një “ecës hidraulik me gjashtë këmbë”, hexapodi që mund të barte njerëz dhe ishte i aftë të kalonte terrene të vrazhda duke përdorur forma të ndryshme të ecjes. Hexapodi përdorte një kombinim të reagimit (feedback) hidraulik, kontrollit kompjuterik dhe kontrollit njerëzor dhe ishte përafërsisht 2.5m i gjatë dhe me gjerësi të njëjtë. Peshonte rreth 800 kg dhe fuqizohej nga një motor me gaz 13 kW-ësh. Në vitin 1984 kompania Odetic Inc., California, USA, zhvilloi Odex I, një robot hexapod me simetri rrethore i cili përdorte një kompjuter për ti përsëritur lëvizjet e para programuara. Kompjuteri i tij mund të kontrollohej nga larg dhe roboti lëvizte me fuqinë e tij. Duke përdorur kontroll njerëzorë nga larg ose lëvizjet e para programuara, hexapodi mund të ngjitej pengesa siç janë shkallët. Odex I peshonte 136 kg, secila këmbë ishte në gjendje të barte 180 kg. Hexapodët Atilla dhe Hanibal u ndërtuan në MobotLab në fillim të viteve të 90-ta; ata ishin robotë autonom shumë të sofistikuar për madhësinë e tyre, pasi që kishin mbi 19 shkallë lirie, më shumë se 60 hyrje senzorike, 8 mikroprocesorë dhe sjellje në kohë reale. Makina Ecëse TUM u zhvillua vitin 1991. Roboti ishte i dizajnuar dhe manovrohej ngjashëm me insektet shkop; sistemi kontrollues ishte realizuar si një strukturë neurale. AMBLER ishte një hexapod i zhvilluar nga Laboratori Për Shtytje Reaktive në mes të viteve të 90-ta për navigim në terrene planetare. Roboti ishte i gjatë 5m deri në 7m i gjerë dhe peshonte 2500 kg. Për derisa shumica e hexapodëve i lakojnë këmbët për ecje, Ambler i mbante këmbët vertikale dhe i lëkundte në mënyrë horizontale duke përdorur një sistem të zhvendosjes si teleskopët palues për ta prekur tokën.

Zhvillimet e fundit

Dy dekadat e fundit janë karakterizuar me një zhvillim të shpejtë të teknologjisë së sistemeve kontrolluese. Hexapodët u pajisën me sisteme të ndryshme senzorike. Sistemet e inteligjencës artificiale filluan të aplikohen shumë në analizën e ambientit dhe për lëvizjen e robotëve në sipërfaqe komplekse. Një seri e robotëve të inspiruar nga biologjia u zhvilluan në Universitetin Case Western Reserve në fund të viteve të 90-ta, siç është për shembull Robot III që kishte në total 24 shkallë lirie. Arkitektura e Robot III u bazua në një lloj insekti, duke u munduar ta imitojnë sjelljen e tij. Faktikisht secila këmbë e pasme kishte 3 shkallë lirie, secila këmbë e mesi kishte 4 shkallë lirie dhe secila këmbë e përparme kishte 5 shkallë lirie. Ngjashëm Biobot ishte një robot biomimetik(kopjues biologjik) i cili ishte modeluar fizikisht si një insekt, që gjendet në Amerikë, dhe fuqizohej nga ajri i kompresuar. Ky hexapod kishte shpejtësi dhe shkathtësi të lartë. Hamlet ishte një hexapod i ndërtuar në universitetin e Canterbury në Zelandë të Re. Këmbët e tij ishin identike dhe secila kishte tri nyje rrotulluese(revolute joints). Në vitin 2001, filloi një projekt i quajtur RHex; dizajni i RHex vjen nga një ekip mualtidisciplinar dhe multiuniversitar me fonde të DARPA ku janë aplikuar teknika matematikore nga teoria e sistemeve dinamike në zgjidhjen e problemeve të lëvizjes si shtazët. RHex kishte një trup të ngurtë me gjashtë këmbë secila me nga një shkallë lirie. Kështu, RHex ka vetë gjashtë motorë të cilët i rrotullojnë këmbët si rrota. Disa prototipa të RHex janë zhvilluar si dhe projekti është ende aktiv. Hexapodi Lauron V (figura 3b) ishte rezultat in rreth 10 viteve të përmirësimit progresiv mbi konfigurimet e mëhershme Lauron I, II, III dhe IV. LAURON është robot i inspiruar nga biologjia më saktësisht nga insekti shkop. Si ky insekt, roboti ka gjashtë këmbë të fiksuara për trupi qendrorë. Secila nga këmbët lëvizet nga katër nyje. Secila shputë ka senzorë të forcës dhe secili motor ka senzorë të rrymës që detekton forcat që e kundërshtojnë lëvizjen. Për momentin ky projekt është ende aktiv. Në vitin 2005, u zhvillua hexapodi i quajtur Bill-Ant-p. Roboti u bazua në sjelljen e milingonave dhe përbëhet nga 3 shkallë lirie për secilën këmbë, me senzorë force për gjashtë këmbët, me qafë dhe kokë me 3 shkallë lirie dhe me mandibula të lëvizshme me senzorë force për një total të 28 shkallëve të lirisë. Një seri e hexapodëve të quajtur LEMUR(Robotë me Gjymtyrë për Punë Mekanike) ishte zhvilluar nga Laboratori i Shtytjes Reaktive me qëllim të përdorimit të robotëve për riparime dhe mirëmbajtje në zero gravitet në sipërfaqet e anijeve hapësinore. AQUA ishte një hexapod amfib i zhvilluar me gjashtë këmbë të kontrolluara në mënyrë të pavarur. Një nga veçoritë më të rëndësishme të këtij roboti ishte aftësia për ndërrim nga ecja në notim kur është duke lëvizur nga plazhi në ujë. Hexapodi i quajtur RiSE është në gjendje të ngjitet në një mori sipërfaqesh vertikale, si demonstron lëvizshmëri horizontale. Një mekanizëm i aplikuar në RiSE përdorë mikro gjemba në këmbët e tij për tu ngjitur në sipërfaqe vertikale.

Principet e punës dhe të dizajnit të hexapodë-ve

Dizajni

Dizajnimi i hexapodëve nuk është fare i thjeshtë. Ekzistojnë shumë mënyra për dizajnimin e hexapodëve siç edhe është treguar në seksionin e kaluar. Dizajnuesit duhet të marrin parasysh disa vendime të cilat ndikojnë në operimin dhe veçoritë teknike. Disa prej problemeve dhe kufizimeve më të rëndësishme mund të përshkruhen si :

• Arkitektura e trupit të Robotit
• Arkitekturat kinematike të këmbëve
• Kontrolli i Hexapodëve
• Mënyrat e ecjes

Arkitektura e trupit të Robotit

Ekzistojnë dy arkitektura bazike të robotëve hexapod: drejtkëndëshe dhe heksagonale. E para ka gjashtë këmbë të shpërndara në mënyrë simetrike përgjatë dy anëve, ku secila prej tyre ka nga tre këmbë. E dyta ka këmbë të shpërndara në simetri boshtore përreth trupit, në formë heksagonale ose rrethore. Ka shumë referenca në literaturë për robotë me formë drejtkëndore. Gjithashtu, metodat e ecjes janë studiuar dhe testuar gjerësisht. Kjo simetri bilaterale është më e përshtatshme për lëvizje në vijë të drejtë. Arkitekturat drejtkëndore kërkojnë një ecje të veçantë për kthim në vend; në përgjithësi iu atyre iu duhen 4 hapa për ta realizuar një kthim të plotë. Hexapodët heksagonal demonstrojnë performanca më të mira se ata drejtkëndorë në disa aspekte. Për shembull, robotët heksagonal mund të kenë mënyra të shumta të ecjes dhe mund ta ndryshojnë lehtë drejtimin, në fakt simetria e vërtetë radiale nënkupton se të gjitha këmbët janë të barabarta dhe se roboti nuk ka “anë të përparme ” ose “anë të pasme”, prandaj nuk ka një drejtim të preferuar.

Arkitekturat kinematike të këmbëve

Arkitektura kinematike varet nga faktorët e aplikimit të hexapod-it, siç janë forma e terrenit , hapësira punuese dhe ngarkesa. Literatura tregon se ekziston një numër i tipave të ndryshëm të këmbëve të cilat janë në përdorim. Të gjitha kanë përparësitë dhe mangësitë e veta.

Kontrolli i Hexapodëve

Sistemet kontrolluese të hexapodëve të kohëve të fundit janë sisteme me shpërndarje hierarkike që përbëhen prej një kompjuteri në bord, kontrolluesi dhe senzorë dhe aktuatorë të ndryshëm. Një skemë bazike e kontrollit të lëvizjes së robotit tregohet në figurën 5. Përdoruesi vendosë pozicionin e dëshiruar dhe mënyrën e ecjes, që është hyrja për gjeneruesin e trajektores. Gjeneruesi i trajektores i dërgon koordinatat e këmbës te modeli invers kinematikë për secilën këmbë. Modeli invers kinematikë ri-kalkulon ato koordinata të dhëna në koordinata këndore për secilën nyje. Daljet e modelit invers kinematikë janë këndet e nyjave të cilat pastaj do të hynë në unazën e kontrollit. Kontrolli në nivel të nyjave gati gjithmonë implementohet me PID.

Mënyrat e ecjes

Mënyrë e ecjes quhet sekuenca e lëvizjeve të këmbëve të koordinuara me një sekuencë të lëvizjeve trupore për lëvizjen e tërë trupit në drejtimin e dëshiruar dhe për orientimin nga një vend në vendin tjetër. Një ecje përshkruhet si periodike kur gjendje të ngjashme të këmbës gjatë hapave të njëpasnjëshëm të këmbës së njëjtë ndodhin në interval të njëjtë për të gjitha këmbët. Ecjet periodike janë të përshtatshme për terrene të rrafshëta dhe janë studiuar nga shumë studiues. Ecja metakronale përdoret për ecje të ngadaltë. Të gjitha këmbët në njërën anë lëvizin përpara njëra pas tjetrës, duke filluar me këmbën e pasme. Kjo pastaj përsëritet në anën tjetër. Pasi që vetëm njëra këmbë është e ngritur në të njëjtën kohë, me të tjerat poshtë, hexapodi është gjithmonë në gjendje të stabilitetit të lartë. Ecja valore përdoret nga hexapodi për shpejtësi mesatare. Ecja tre këmbëshe, është ecje periodike ku këmba e përparme dhe e pasme e njërës anë ngritën në të njëjtën kohë me këmbën e mesit të anës tjetër. Kjo ecje përdoret për shpejtësi të mëdha. Një problem i madh me ecjet periodike është se ato kërkojnë sinkronizim mes kohës kur pritet kontakti me tokën dhe kohës kur kontakti ndodhë. Në tokë të vrazhdë me pengesa koha e kontaktit me tokën bëhet e pa parashikueshme dhe në këtë mënyrë thyhet fazimi rigoroz i këmbëve dhe rrezikohet stabiliteti. Në këto terrene të vrazhda, ecja e lirë është shumë më efektive. Ecja e lirë është kur secila këmbë mundë të lëvizë në interval që e zgjedhë vetë me algoritmin e vetë për hapa. Kjo metodë paraqet problem me kompleksitetin kompjuterik. Për ta zgjidhur më lehtë këtë problem përdoren teknika të sistemeve inteligjente siç janë Algoritmat Genetike dhe Fuzzy logjika apo edhe rrjetat neurale.