Za našich dětských dob a možná i nyní mezi dětmi koloval jeden vtip. Ptali se dítěte, čím by chtělo být. A ono, že hadem. A proč? Protože si lehnu a jdu. Představa, že si lehnu a jdu, je sice lákavá, ale opravdu velmi dětská. Za našich dětských let se o takových vleže se pohybujících technických zařízeních pouze snilo. Dnes se staly realitou konstrukce a výuky v oboru Mechatronika na našich vysokých školách. Kolik úsilí je třeba vyvinout a umu použít, aby se dalo lehnout a jít, popisuje následující text.

V současnosti se technická zařízení nejčastěji pohybují po zemi pomocí nekonečných rotačních elementů, jako jsou kola nebo pásy. Nekonečné rotační elementy jsou epochálním elementem ve strojích, nezávisle vyvinuté lidmi a pohybující se prostředky, které tyto elementy používají, jsou vytvořeny lidskou civilizací. Avšak tyto kolové pohybující se prostředky mají i své nedostatky. Existuje mnoho případů, ve kterých jsou nevhodné pro pohyb po nerovném terénu.

V přírodě nenajdeme analogii k pohybu pomocí kola a ani pomocí pásů.

V současné době je již několik aplikací, kde jsou použity přírodní analogie pohybů. Ve většině případů si však zatím člověk vystačil s klasickými dosud využívanými přístupy. Šance pro využití biologických vzorů jsou především v případech, kdy možnosti využití klasických prostředků z nějakých důvodů končí. Tento článek se zabývá konstrukcí modelu robota inspirovaného pohybem hadů. Model byl vyvinut v rámci diplomové práce [1] a využívá se jako didaktická pomůcka při výuce na Strojnické fakultě Technické univerzity v Košicích.

Úvod do pohybu plazů

Hadi již v minulosti na sebe poutali pozornost svými zvláštními pohyby. Podrobněji se zkoumáním pohybů hadů zabývali v Hirose & Yoneda Lab [2] a zjistili, že had realizuje mnoho druhů pohybů uzpůsobených k podmínkám okolí. Tyto pohyby jsou obecně klasifikovány do čtyř základních režimů:

1. harmonikový pohyb (concertina movement)
2. klikatý pohyb (serpentine movement)
3. boční ohýbání (sidewinding movement)
4. přímočarý pohyb (Rectilinear movement)

Obr. 1 Základní techniky pohybu hadů v pořadí shora dolů

1. Harmonikový pohyb,

2. klikatý pohyb,

3. boční ohýbání,

4. přímočarý pohyb

Harmonikový pohyb je klouzavá metoda používaná hady omezenými na přímou cestu přes úzkou přímou cestičku a hady umístěnými na ploše schodů, které jsou extrémně kluzké. Obzvlášť klouzavá konfigurace na takových schodišťových plochách je jevem, při němž v teoretické terminologii je koeficient statického tření větší než koeficient dynamického tření. Z toho důvodu je tento pohyb možné aplikovat dokonce ve velmi kluzkém prostředí, použitím tohoto klouzavého režimu. Nicméně účinnost takového pohybu je extrémně nízká.

Klikatý pohyb je pohyb, který je možno vidět obecně u téměř všech druhů hadů. Jde o klouzavý režim (glinding mode), jehož charakteristikou je, že každá část těla vytváří podobné stopy. Od starověkých dob to je režim, který je „pohonem“ hadů jako proud vody mezi kameny a přivádí lidi do úžasu. Z vyjmenovaných čtyř režimů může být tento považován za nejefektivnější z nich.

Boční ohýbání je klouzavá metoda používaná hady jako chřestýš, který žije v poušti a který zvedá část svého těla a pohybuje se jako roztáčející se spirálová cívka. V tomto režimu pohybu není žádný klouzavý pohyb mezi tělem a plochou klouzání prostřednictvím dynamické charakteristiky, která tělo kontaktuje s terénem. Kvůli této charakteristice je odolnost vůči kluznému tření malá a při pohybu v podmínkách, které nejsou pevné (tvrdé), jako je písečná půda, je pohybová účinnost vysoká.

Přímočarý pohyb je klouzavý pohyb vykonávaný se speciální konfigurací velkými hady jako chřestýš a zmije, když se blíží jejich kořist nebo se kloužou po hladké ploše.

Kinematické uspořádání článkovaného robota

Robot (obr. 2, 3) sestává z osmi článků, mezi nimiž je sedm rovinných kloubů. Podstata kinematického uspořádání spočívá ve střídání vertikálních a horizontálních pohybů. První a poslední článek, tedy Článek 1 (Hlava) a Článek 8 (Ocas), byly navrženy tak, aby konaly vertikální pohyb kvůli předpokládanému způsobu pohybování se vpřed.

Tento návrh byl inspirován jednoduchým pohybem kinematické dvojice s jedním stupněm volnosti a myšlenkou střídání těchto pohybů.

 

Pro předběžné ověření flexibility návrhu robota byl vytvořen papírový model, na kterém byly zkoušeny možnosti lokomoce robota (obr. 4).
 
Obr. 4 Papírový model robota

Návrh hada-robota

Každý článek disponuje jedním stupněm volnosti vzhledem k sousednímu článku robota. Tyto pohyby jsou generovány akčními členy, tj. polohovými servomechanismy Hitec HS 645MG. Konkrétní žádaná poloha výstupního hřídele servomechanismu je zadávána pomocí šířky impulzu v rozmezí 1,0 až 2,0 ms.
Každý servomotor disponuje kromě samotného motoru, převodovky a řízení i potenciometrem pro snímání úhlu natočení výstupního hřídele.

Pro získání informace o aktuální poloze úhlu natočení jednotlivých kloubů bylo nutné snímat jejich úhly natočení. Ideálním řešením je využití interního snímače úhlu natočení – potenciometru, který je obsažen již v servomechanismu pro vlastní ovládací elektroniku servomechanismu. Protože nepotřebujeme instalovat externí snímač polohy úhlu natočení jednotlivých kloubů, dojde ke značnému zjednodušení konstrukce robota a snížení jeho hmotnosti.

Pro získání informace z interního snímače polohy je třeba z něj vyvést informaci pomocí kabelu připojeného k běžci tohoto potenciometru. Experimenty ukázaly, že na běžci potenciometru se spojitě mění elektrické napětí v závislosti na úhlu natočení kloubu. Toto napětí je ale závislé také na napájecím napětí servomechanismu (při napájení robota z akumulátorů se mění jejich elektrické napětí v důsledku jejich vybíjení), a proto je třeba jej stabilizovat na konstantní hodnotu. Touto úpravou jsme získali signálovou linku s informacemi o úhlu natočení jednotlivých kloubů bez instalace dodatečných snímačů.
Při prvních experimentech se servomechanismy se ukázalo, že tyto servomechanismy se vzájemně vyruší. Projevilo se to chaotickým otáčením všech servomechanismů při buzení jednoho servomechanismu. Původní signálové vodiče dodané výrobcem proto bylo třeba vyměnit za stíněné vodiče. Po této úpravě byly tyto nedostatky odstraněny.

Konstrukční uspořádání robota

Jeden článek robota (obr. 5) byl celkově složený z 13 kusů dílců. Nejdůležitějším požadavkem na článek byla souměrnost jeho stran z důvodu symetrie pro dosažení funkčnosti a stability při pohybu robota.
 
 

Konstrukční uspořádání hlavy a ocasu (obr. 7) se liší, protože v hlavě bylo třeba umístit plošný spoj řídící jednotky a v ocasu napájecí zdroj – akumulátory.

 

Před samotnou realizací byl vytvořen 3D model pro ověření funkčnosti robota (obr. 9). Realizace robota byla doprovázena řešením několika technologických problémů, jako jsou např. přesnost ohýbání jednotlivých dílů apod. Pro tento účel byl navržen technologický přípravek pro ohýbání plechových dílů. Realizovaný model je na obr. 9.
 

Závěr

Pohyb je pro živé organismy základem přežití, potřebují ho na to, aby si zajistily potravu, aby unikly nepříteli, aby se vyhnuly nebezpečí atd. Způsoby pohybu živých organismů slouží velmi často jako inspirace při návrhu různých zařízení, nevyjímaje z toho ani pohybující se zařízení.

Na zrealizování modelu byl experimentálně odzkoušen pohyb na principu pohybující se ( „cestující“) vlny (travelling wave). Při tomto pohybu pohybující se robot vytváří vlnivý pohyb. Co všechno s naším „plazem“ budeme chtít dělat a následně ho to naučíme, ukáže čas. Jedno je jisté, hádek nezapadá prachem a plazí se mezi studenty a učiteli získávaje stále větší a větší zkušenosti.
Literatura

1. MAČANGA, M.: Návrh modelu zariadenia pohybujúceho sa po členitom povrchu, diplomová práce, vedoucí práce: Michal Kelemen, SjF TU Košice, 2009
2. HIROSE, S.: Biologically Inspired Robots. Snake-like locomotors and manipulators, Oxford University Press. New York, 1993. ISBN 0 19 856261 6

Článek byl vypracován v rámci řešení projektů:

• VEGA 1/0201/08 „Výzkum struktur a chování modulů mechatronické mobilní technické soustavy na úrovni orgánů a stavebních prvků za účelem zlepšení vlastnosti mobilní technické soustavy“,
• VEGA 1/0464/09 „Výzkum mechatronických soustav imitujících lokomoci hada v omezeném a proměnlivém prostoru“ a
• VEGA 1/0401/08 „Metody 3D modelování s uvažováním využití virtuálních simulačních CA-technologií“.