Rys. 6.1.3. Widok latajÄ…cego mikrorobota: a) impuls mocy, b) impuls zwrotny
2) Mikrorobota latajÄ…cy Micromechanical Flying Insect (MFI)
Projekt mikrorobota latającego Micromechanical Flying Insect (MFI) został
rozpoczęty w 1998r. Jeden z etapów projektu pokazany jest na rys. 6.2.1., zaś pomysł
na ostateczną postać robota na rys. 6.2.2. Robot ma posiadać rozpiętość skrzydeł
25mm i być zdolny do całkowicie samodzielnego lotu. Konstruktorzy w swoich
badaniach starają się wzorować na owadach latających, tak więc czerpią pomysły z
obserwacji natury. Udało się uzyskać ruch skrzydeł o częstotliwości 150 uderzeń na
sekundę (tak, jak u prawdziwej muchy), jednak cały czas istnieje jeszcze problem
miniaturyzacji niektórych części oraz wypracowanie odpowiedniego sterowania lotem.
Obecnie pracuje siÄ™ nad zmniejszeniem wagi robota oraz nad poprawieniem kontroli
skrzydeł, rozważane są też pomysły wykorzystania energii słonecznej do zasilania.
Planuje się wykorzystanie MFI do różnego rodzaju akcji poszukiwawczych, do
prowadzenia obserwacji oraz przeprowadzania zwiadów.
Rys. 6.2.1. Projekt MFI: a) porównanie wielkości robota z ludzką dłonią, b) jeden z etapów
projektu
Rys. 6.2.2. Pomysł na ostateczną postać robota MFI
7. Mikroroboty pływające
Dane techniczne zaprojektowanej mikrołodzi zebrane są w tab. 7.1. Do napędu
Å"
zastosowano dwa mikrosilniki prądu stałego i baterię: 1,2 V, 50 mA h, Ni-Cr. Siłownik został
zbudowany z materiału o pamięci kształtu (SMA -Shape Memory Alloy) i służy do
unoszenia płetw. Mikrołódz
jest sterowana mikrokomputerem pracujÄ…cym na podczerwieni
(IR - ang. infrared) i sygnałem PCM (ang. Puls Code Modulation). Na rys. 7.1 pokazano
widok łodzi podwodnej, natomiast na rys. 7.2- schemat siłownika do poruszania płetw. Na
rys. 7.3 przedstawiono schemat ogólny mikrołodzi. Pojazd może wykonywać różne prace i
badania w takich miejscach, które są niedostępne dla dużych maszyn, np. w organizmie czło-
wieka.
Tab. 7.1. Dane techniczne pływającego mikrorobota
Długość mikrołodzi 45 mm
Masa maszyny 16 g
Rys. 7.1. Prototyp mikrołodzi podwodnej; długość 45 mm, rozpiętość skrzydeł 55 mm, masa 16 g
Rys. 7.2. Siłownik skrzydła typu pamięci kształtu (S.M.A)
Rys. 7.3. Widok ogólny mikrołodzi
8. Mikroroboty kroczÄ…ce
1) dwunożne
W laboratorium H. Miura zbudowano różne odmiany bipeda. Na rys. 8.1.1,
8.1.2, 8.1.3 i 8.1.4 pokazano kilka odmian takich inteligentnych dwunogów,
realizujących szybkie i dokładne ruchy.
Rys. 8.1.1. Mikrorobot dwunożny fango
Rys. 8.1.2. Mikrorobot dwunożny bilboquet
Rys. 8.1.3. Mikrorobot dwunożny typu odwróconego wahadła
Rys. 8.1.4. Mikrorobot dwunożny typu szczudła
2) czteronożne
Jedną z pierwszych czteronożnych mikromaszyn kroczących była maszyna
zbudowana przez Mizukami, Koyabu i Ohira. Była to mobilna maszyna o objętości 1
cm3 napędzana silą elektromagnetyczną i siłą sprężyny. Przeprowadzono analizę
różnych siłowników (tab. 8.2.1) i na tej podstawie zdecydowano się na wybór
siłownika elektromagnetycznego (elektromagnesu).
Tab. 8.2.1. Wady i zalety siłowników
Rodzaj siłownika Zalety Wady
Duża wartość odpowiedzi
Elektromagnetyczny Sterowanie Duże straty energii
DÅ‚ugi udar
Niska wartość odpowiedzi
Pneumatyczny Duża moc
Złożony mechanizm
Z pamięcią kształtu Prosty mechanizm Niska wartość odpowiedzi
Prosty mechanizm
Piezoelektryczny Krótki udar
Duża wartość odpowiedzi
Na rys. 8.2.1 pokazana jest konfiguracja maszyny. Głównymi jej elementami
sÄ…:
" magnes
" elektromagnes
" cewka nawinięta na rdzeniu ferromagnetycznym.
Ruch do przodu i do tyłu, generowany przez siły sprężyste i elek-
tromagnetyczne, jest przetwarzany na jednokierunkowy ruch cienkiej metalowej
nóżki. Zasada przemieszczania pojazdu jest następująca: brak dopływu prądu
powoduje, że przednia i tylna noga są w spoczynku, a ich odległość jest minimalna,
ponieważ siła F od sprężyny jest mniejsza niż siła magnesu F . Dopływ prądu
s m
powoduje, że siła F jest większa niż F ze względu na generowanie siły
s m
elektromagnetycznej F . Przednia i tylna noga przemieszczają się wówczas do
e
przodu, ponieważ siła sprężysta zmagazynowana w sprężynie zostaje wyzwolona.
Ponieważ siła tarcia tylnej nogi T jest większa niż przedniej T , zatem przednia noga
b a
przesuwa się do z B do B (rys. 8.2.2). Odcięcie dopływu prądu sprawia, że odległość
1 2
obu nóg względem środka maszyny skraca się. Ponieważ T b a
przemieszczają się z A do A . Powtarzanie tych kroków powoduje, że maszyna
1 2
przemieszcza się w jednym kierunku. Aby sterować kierunkiem ruchu, łączy się
równolegle dwie maszyny.
Rys. 8.2.1. Konfiguracja robota mobilnego typu elektromagnetycznego
Rys. 8.2.2. Zasada przemieszczania siÄ™ maszyny
Na rys. 8.2.3 pokazano schemat maszyny wykonanej i zbadanej w
Zespole Biomechaniki Technicznej i Robotyki Politechniki Warszawskiej. Rozróżnia
się tutaj dwa przypadki: F >F oraz F >F . Bardziej szczegółowo zbadano pierwszy
s m m s
przypadek. Zasada działania maszyny jest pokazana na rys. 8.2.2. Średnica i długość
elektromagnesu wynoszą 10 mm. Ruchy skrętne obu części maszyny wyeliminowano
przez odpowiednie połączenie. Zasilanie maszyny rozwiązano metodą pałąka
przemieszczającego się po sieci trakcyjnej. Testowano również wpływ powierzchni i
przewodów na ruch maszyny. Ustalono również, że częstotliwość 8 Hz jest korzystna.
Maszyna czteronożna skonstruowana w laboratorium Miuro, pokazana na rys. 8.2.4,
porusza się dynamicznie. Jest również dynamicznie stabilna. Podczas chodu w fazie
przenoszenia z podłożem stykają się tylko dwie nogi.
Rys. 8.2.3. Widok ogólny maszyny: 1 -magnes stały, 2 -sprężyna, 3 -
elektromagnes, 4 - nóżki, 5 - korpus, 6 - zderzaki
Rys. 8.2.4. Czteronożna maszyna krocząca Miuro
3) sześcionożne (i więcej)
Sześcionożne maszyny kroczące można podzielić ze względu na rodzaj nóg.
Mogą to być więc maszyny z nogami typu nóg ssaków lub gadów. Chód jest
realizowany metodÄ… sterowania ruchem zginania powrotu elastycznej nogi. Przez
elastyczną nogę (rys. 8.3.1) rozumiemy rurkę wytworzoną ze wzmocnionych włókien
gumowych. Odkształcenia uzyskuje się sterując przepływem powietrza lub cieczy.
Noga łatwo odkształca się w kierunku osiowym, a nie podlega odkształceniom
promieniowym. Odkształcenia uzyskuje się drogą niezależnego sterowania
ciśnieniem wewnętrznym komór. Noga ma trzy stopnie swobody: zginanie, ruch
boczny i rozciÄ…ganie. Dane techniczne maszyny z nogami typu ssaka zebrane sÄ… w
tab. 8.3.1. Na rys. 8.3.2 pokazano przykład sześcionożnej maszyny kroczącej po palcu
ręki.
Tab. 8.3.1. Dane techniczne mikromaszyny z nogami typu ssaka
Wymiary maszyny 15x10x12 mm
Prędkość chodu 0,20 m/min
Masa przenoszonego ładunku użytecznego 300 mg
Liczba stopni swobody 3
Åšrednica 4 ÷ 12 mm
Parametry
DÅ‚ugość 20 ÷ 50 mm
nogi
Masa 0,3 ÷ 8 g
SiÅ‚a zginajÄ…ca 0,15 ÷ 1 N
Rys. 8.3.1. Przekrój podatnego siłownika (FMA) o średnicy 1 mm
Rys. 8.3.2. Sześcionożna maszyna krocząca z siłownikami podatnymi typu ssaka
Drugi typ maszyny pokazany na rys. 8.3.3 ma nogi typu pełzającego gada.
W tym przypadku również mamy do czynienia z maszyną sześcionożną. Dane
techniczne tej maszyny zebrane sÄ… w tab. 8.3.2. Powietrze jest doprowadzane przez
18 przewodów o średnicy wewnętrznej 0,2 mm każdy. Jeżeli nie zachodzi potrzeba
niezależnego sterowania sześcioma nogami, to wystarczy 12 przewodów dla uzyskania
ruchu w dowolnym kierunku (naprzód, do tyłu, obrót).
Tab. 8.3.2. Dane techniczne kroczącej mikromaszyny 6- nożnej z nogami typu gada
Wymiary maszyny 15x20x7 mm
Åšrednica nogi 2 mm
Długość nogi 12 mm
Prędkość chodu 0,20 m/min
Masa przenoszonego ładunku użytecznego 100 mg
Rys. 8.3.3. Sześcionożna maszyna krocząca z siłownikami podatnymi typu gada
9. Zastosowania
Ważnym czynnikiem dalszego rozwoju MM jest określenie atrakcyjnych zastosowań.
Dobrymi przykładami mogą być tutaj opracowane w latach 1991-97 mikromanipulatory
do celów medycznych (np. endoskopy) oraz roboty inspekcyjne. Lista opracowanych
modeli i urządzeń jest obszerna i obejmuje oprócz dotąd omówionych silników,
mikrosiłowników, turbiny powietrznej, maszyn kroczących różne mikromanipulatory i
roboty.
Przykłady ciekawych zastosowań:
4) Mikrotelerobot do manipulacji mikroskopowych obiektów zanurzonych
w cieczy
Mikrotelerobot przeznaczony jest do manipulacji takimi mikroskopowymi
obiektami jak mikromolekuły i żywe mikroorganizmy zanurzone w strumieniu cieczy
wiskotycznej. Rozmiary tych obiektów i grubość strumienia cieczy wynoszą od
kilkuset do kilku źm.
Istota tego postępowania polega na iniekcji małej liczby mikroskopowych czą-
stek ferromagnetycznych lub magnetostrykcyjnych do strumienia cieczy, albo przed
lub po przyłączeniu obiektu, który ma być przedmiotem manipulacji. Efektory są
aktywowane i sterowane przez elektromagnes ulokowany na zewnÄ…trz strumienia.
Opracowano również nieliniowy model matematyczny opisujący dynamiczne
własności mikrotelerobota.
W procesie manipulacji istotne jest unikanie zerowania powierzchni cieczy,
która podlega dużemu napięciu powierzchniowemu, ponieważ może to spowodować
zniszczenie strumienia cieczy.
Na rys. 9.1.1 pokazano schemat mikrotelerobota z aktywną końcówką do
manipulacji mikroskopowych obiektów z materiałów ferromagnetycznych lub
magnetostatycznych.
Rys. 9.1.1. Mikromanipulacja w strumieniu cieczy
W ramach studiów przeprowadzono badania symulacyjne zlinearyzowanego
modelu matematycznego. Dane przyjęte do badań zebrane są w tab. 9.1.1.
Tab. 8.3.2. Dane przyjęte do badań symulacyjnych zlinearyzowanego modelu matematycznego
mikrotelerobota
r = 0,005 cm
o
Promień chwytaka
r = 0,1 mm
p
Odległość sondy od powierzchni
y = 0,1 mm
strumienia
Liczba obrotów cewki sondy węglowej N = 1000
Natężenie prądu w cewce 0,7 A
Prędkość sondy F = 0,5 mm/s
GÄ™stość cieczy Á = 1 g/cm3
Masa efektora 1,5708 x 10  6 g
5) Chwytak wielopalcowy
Podatny siłownik, usytuowany w układzie równoległym, może być wy-
korzystany jako chwytak wielopalcowy do manipulacji małymi obiektami. Na rys.
9.2.1 pokazano przykład trzymania soczewki kontaktowej o średnicy 9 mm.
Prototyp chwytaka ma trzy palce, każdy o średnicy 2 mm. Chwytak zapewnia różne
rodzaje chwytów oraz zmianę orientacji obiektu. Chwytak może również dostosować
się do kształtu obiektu.
Rys. 9.2.1. Chwytak wielopalcowy
6) Robot inspekcyjny
A. Robot inspekcyjny do kontroli cienkich rur
Do budowy tego robota również można wykorzystać podatny mikrosiłownik.
Robot typu wąż, składający się z dwóch szeregów połączonych podatnych
mikrosiłowników (rys. 9.3.1), był zastosowany jako robot lokomocyjny w małych
przewodach. Sześć podatnych rurek pneumatycznych połączono w środku robota.
Ciśnienie wewnątrz sześciu komór było sterowane niezależnie. Siłowniki były
napędzane okresowo przez analogowe sygnały pneumatyczne o tej samej
częstotliwości i różnicy w fazie o 1/4. Siłowniki umożliwiają przemieszczanie się
robota przez tzw. fale podróżne. Doświadczenia przeprowadzono na akrylinowej rurce.
Dane techniczne robota zebrane sÄ… w tab. 9.3.1.
Tab. 9.3.1. Dane techniczne robota inspekcyjnego do kontroli cienkich rur
Długość 110 mm
Åšrednica 12 mm
Masa 15 g
Parametry Liczba rurek 6
podatnych rurek Średnica wewnętrzna 0,5 mm
pneumatycznych Średnica zewnętrzna 1 mm
Średnica wewnętrzna rurki 25 mm
Dane techniczne
Maksymalna prędkość w poziomej rurce 10 mm/s
robota użytego
Dopuszczalne obciążenie
w doświadczeniu 0,7 N
podłużne przy ruchu się w pionie
Rys. 9.3.1 Mikrorobot inspekcyjny
B. Multifunction Automated Crawling System (MACS)
Multifunction Automated Crawling System (MACS) jest projektem JPL
Miniature Robotics Inspection Team. Powstaje robot inspekcyjny (przy
wykorzystaniu technologii NASA), który potrafi poruszać się po gładkich,
dowolnie nachylonych powierzchniach np. kadłuba samolotów.
Rys. 9.3.2. MACS podczas inspekcji kadłuba samolotu
7) Grupowa praca mikrorobotów
Na rys. 9.4.1a pokazano grupę robotów, a na rys. 9.4.1b- sytuację robotów w
zależności od selekcji obiektów. Kolejne dwa rysunki (c i d) pokazują konfiguracje
uzyskane w zależności od prędkości poruszania się lidera.
Rys. 9.4.1. a) potencjalne możliwości i stabilna pozycja robotów, b) sytuacja robotów
w zależności od selekcji obiektu, c) konfiguracja w czasie ruchu zespołowego (lider
porusza się wolno), d) konfiguracja w czasie ruchu zespołowego (lider porusza się
szybko)
8) Maszyny biomorficzne
Nazwa tego gatunku maszyn jest skrótem od BlOlogical MORPHology i jej
autorzy Brosl Husslacher i Mark W.Tilden traktują je jako formę równoległego życia.
Do budowy takich maszyn stosuje się silniki typu ATP, co umożliwia budowanie
potencjalnie użytecznych form życia. Podstawową różnicą między maszynami
biomorficznymi a typowymi robotami mobilnymi jest nie sprawa materiałowa lecz
organizacja. Maszyny te wykorzystujÄ… dynamicznÄ… niesymbolicznÄ… reprezentacjÄ™
świata zewnętrznego i podatną dwukierunkową odpowiedz
interaktywnÄ…, kiedy
zakłada się podstawową rolę świata zewnętrznego. Są one zbliżone do biologicznych
form życia. Zbudowano ponad 70 pracujących maszyn, m.in. maszyn kroczących
(mobilnych). InteligencjÄ™ maszyn zapewnia siÄ™ przez neuronalne sztuczne silniki.
Prawa biomorficzne zapewniające maszynie przetrwanie, wyszczególnione przez
autorów:
A. Maszyna musi bronić swojej egzystencji.
B. Maszyna musi magazynować więcej energii niż zużytkuje.
C. Maszyna powinna przejawiać ruch.
Podane prawa różnią się istotnie od praw robotyki Asimowa. Autorzy rozważali
również mikromaszyny o wymiarach kilku dziesiętnych źm2. Kolonia takich
biomorficznych maszyn jest nie tylko praktyczna ale i pożądana. Powinny samoor-
ganizować się i rozwijać zespołowe zachowanie, np. w sytuacji niebezpieczeństwa.
Do budowy takich maszyn przewiduje siÄ™ wykorzystanie technologii silikonowych
chipów oraz metod litograficznych. W przyszłości myśli się o biomorficznych
maszynach w skali nano. Jeżeli uda się osiągnąć wymiar 100 nanometrów lub
poniżej, to można będzie wniknąć w głąb komórki, co daje dużo nowych możliwości.
9) Nanomedycyna
Naukowcy przewidują, że wraz z rozwojem nanorobotów medycyna
przekształci się z postaci znanej nam dziś w inżynierię medyczną (medical
engineering), gdzie stosowane będą specjalnie zaprojektowane mikroskopijne
maszyny. Przewiduje się, że będzie to możliwe dzięki poszerzaniu wiedzy o strukturze
molekularnej. Futurystyczna wizja nanorobotów pracujących w ludzkim ciele
przedstawiona jest na rys. 9.6.1.
Rys. 9.6.1. Futurystyczna wizja nanorobotów pracujących w ludzkim ciele
Przewiduje się wiele zastosowań dla nanorobotów. Dwa przykładowe to:
A. mikromechanizm medyczny do czyszczenia naczyń krwionośnych (rys.
9.6.2)
Rys. 9.6.2. Mikrorobot oczyszczający tętnicę
B. mikroroboty dentystyczne (rys. 9.6.3)
Rys. 9.6.3. Roboty poszukujące uszkodzeń w strukturze zęba
C. mikroroboty wielozadaniowe (rys. 9.6.4)
Rys. 9.6.4. Nanorobot naprawczy
Bibliografia
1. Morceki A., Knapczyk J. (red): Podstawy robotyki. Elementy manipulatorów i robotów.
Warszwa, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne 1993, 1999.
2. Internet:
" http://cybair.ar-kari.put.poznan.pl/index.htm
" http://www.roboty.po.opole.pl/ie/index.htm
" http://www.ai.mit.edu/projects/ants/
" http://www.kurzweilai.net/index.html?flash=2
" http://graphicon2002.unn.ru/demo/2002/Cavalcanti_En_Re.pdf
" http://www.ad.tut.fi/aci/courses/7606082/Presentations/Katija_Nanomedicine.pdf