An Innovative Project of a Bionic Robot for Social Applications in Felinotherapy

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_242/5

send Sonia Litwin *, Klaudia Woźniak *, Mariusz Olszewski ** * Politechnika Warszawska, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych ** Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Automatyki i Robotyki

Download Article

Abstract

The paper describes an innovative design of a bionic robot for applications in felinotherapy supporting hospital and home psychotherapeutic treatment of bedridden children and adults. The project was engineered by biomimicrating a biological cat, reaching its robotic model. Particular attention in this process was devoted to capturing the essence of feline motorics behavior and the possibility of mapping them in a mechatronic model. The geometry, kinematics and kinetics of this model were analyzed, creating assumptions for its practical implementation in the real mechanism of cat skeleton movement. The used software used the topology of elements in Autodesk Fusion 360 Simulation workspace by performing the critical elements of the mechatronic model in print using SLS technology. The work was also supported by a graphical simulation in the PyBullet environment.

Keywords

3D modeling, biomimicry, bionics, felinotherapy, geometry, kinematics, kinetics, motor drives, movement mechanism, robotic cat, robotics

Innowacyjny koncept budowy robota bionicznego dla zastosowań społecznych w felinoterapii

Streszczenie

W pracy opisano innowacyjny projekt bionicznego robokota dla zastosowań w felinoterapii, wspomagającej szpitalne i domowe leczenie psychoterapeutyczne obłożnie chorych dzieci i dorosłych. Projekt zrealizowano inżyniersko przez biomimikrowanie biologicznego kota, dochodząc do jego robotycznego modelu. Szczególną uwagę w tym procesie poświęcono uchwyceniu istoty kocich zachowań ruchowych i możliwości ich odwzorowania w mechatronicznym modelu. Przeprowadzono analizę geometrii, kinematyki i kinetyki tego modelu, tworząc założenia jego praktycznej realizacji w rzeczywistym mechanizmie kociego ruchu. W wykorzystanym oprogramowaniu korzystano z topologii elementów w obszarze roboczym Autodesk Fusion 360 Simulation, wykonując krytyczne elementy mechatronicznego modelu drukiem, w technologii SLS. Prace wspomagano także symulacją graficzną w środowisku PyBullet.

Słowa kluczowe

biomimikra, bionika, felinoterapia, geometria, kinematyka, kinetyka, mechanizm ruchu, modelowanie 3D, napędy silnikowe, robokot, robotyka

Bibliography

  1. Bednarczyk M., Felinoterapia jako forma wsparcia włączenia społecznego i rehabilitacji osób niepełnosprawnych (Felinotherapy as a Form of Support for Social Inclusion and Rehabilitation of Disabled People). Faculty of Life Sciences, University of Natural Sciences and Humanities in Siedlce, “Student Niepełnosprawny. Szkice i Rozprawy”, Nr 17, 2017, 67–75.
  2. Bin Pung X., Coumans E., Zhang T., Tsang T., TsangWei E., Tan J., Levine S., Learning Agile Robotic Locomo tion Skills by Imitating Animals. University of California, Berkeley 2020.
  3. Bugała M., Chudzik T., Karczewski M., Pokorski P., Opracowanie i realizacja roboszczura dla Pracowni Neurobiologii Emocji Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN (Development and Implementation of a Robotic Rat for the Laboratory of Emotions Neurobiology of the Institute of Experimental Biology M. Nencki PAN). BSc thesis (Promoter M. Olszewski, work awarded in the Competition “Young Innovations”, PIAP, in 2017 and by Siemens and the Rector of Warsaw University of Technology, in 2017). Warsaw University of Technology, 2017.
  4. Frontzek H., Meating with Bionic. Media Presentation „Bionic Day”, Warsaw University of Technology, 2013.
  5. Goleman M., Drozd L., Karpiński W., Czyżowski P., Felinoterapia jako alternatywna forma terapii z udziałem zwierząt (Cat Therapy as an Alternative Form of Animal Assisted Therapy). “Medycyna Weterynaryjna.”, 68(12), 2012, 732–735.
  6. Górska M., Olszewski M., Interfejs mózg-komputer w zadaniu sterowania robotem mobilnym (The Brain-computer Interface in the Task of Controlling a Mobile Robot), „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 19, Nr 3, 2015, 15–24, DOI: 10.14313/PAR_217/15.
  7. Jaeger G.H, Marcellin D., Depuy V., Lascelles B.D., Validity of Goniometry Joint Measurements in Cats. “American Journal of Veterinary Research”, Vol. 68, No. 8, 2007, 822–826, DOI: 10.2460/ajvr.68.8.822.
  8. Litwin S., Woźniak K., Opracowanie i realizacja podstawowych założeń konstrukcyjnych robokota „Cthulhu 2.0” we współpracy z Centrum Aplikacji Festo Polska (Development and Implementation of Fundamental Design Cencepts for „Cthulhu 2.0” Robotic Cat in Collaboration with Festo Poland Application Centre). BSc thesis (Promoter M. Olszewski). Warsaw University of Technology, 2021.
  9. Morecki A., Ekiel J., Fidelus K., Bionika ruchu (Bionics of Movement). PWN, Warszawa 1971.
  10. Morecki A., Ekiel J., Fidelus K., Cybernetyczne systemy ruchu kończyn zwierząt i robotów (Cybernetic Limb Motion Systems for Animals and Robots). PWN, Warszawa 1979.
  11. Olszewski M., Bionika (Bionics). „Automatyka”, 2(6), 2018, 111–116.
  12. Olszewski M., Mechatronika (Mechatronics). „Automatyka”, 2(1–2), 2018, 97–99.
  13. Olszewski M., Modern Industrial Robotics. „Pomiary Automatyka Robotyka”, Vol. 24, No. 1, 2020, 5–20, DOI: 10.14313/PAR_235/5.
  14. Olszewski M., O istocie mechatroniki i bioniki (On the Essence of Mechatronics and Bionics). Media Presentation „Bionic Day”, Warsaw University of Technology, 2013.
  15. Olszewski M,: Zasady budowy robotów (Basics of Building Robots). Learning Materials, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology, 2010–2021.
  16. Pfeifer R., Iida F., Bongrad J., Design Principles for Intelligent Systems. Artificial Intelligence Laboratory, Department of Information Technology, University of Zurich, 2003.
  17. Reyes J.F., Tosunoglu S., An Overview of Brain-Computer Interface Technology Applications in Robotics. [in] Florida Conference on Recent Advances in Robotics, 2011, 4–5.
  18. Song H., Yun-Soo K., Junsuk Y., Seong-Ho Y. Jiwon S., Yong-Jae K., Development of Low-Inertia High-Stiffness Manipulator LIMS2 for High-Speed Manipulation of Foldable Objects. International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Madrid 2018.
  19. Stoll W., Bionics. Inspiring Technology. Verlag Hermann Schmidt, Mainz 2012.
  20. Stranz J., Projekt egzoszkieletu stawu łokciowego do badań nad sterowaniem (Elbow Joint Exoskeleton Design for Steering Research). Faculty of Mechanical Engineering and Management, Poznań University of Technology, 2015.
  21. https://lainsignia.org/2005/marzo – Documentation of the Impact of the Presence of Cats on the Improvement of the Mental State of Patients.
  22. https://mainecoon.org/maine-coon-personality-traits/ – About Maine Coon cats.
  23. https://www.researchgate.net/publication/320213320 – Whoever has a cat-feels better. What is felinotherapy?
  24. https://www.emotionalpetsupport.com/2019/12/felinotherapy-how-effective-is-the-cat-therapy/
  25. https://twitter.com/xrobotsuk/status/1039581893589704706 – Walking Robot OpenDog.
  26. https://www.artstation.com/artwork/6112Z6 – Model of a Domestic Cat Skeleton.
  27. https://dol.org/10.1371/journal.pone0197837, August 6, 2018 – Methodology of Cat Motorics Research.
  28. https://oumals.physiology.org/do/pdf/10.1152/ in.1995.74.6.2266 – Movement Angles and Muscle Outlines of the Cat’s Hind Limbs.
  29. https://www.hindawi.com/journals/vm/2016/9561968/fig1.
  30. https://www.ncbi.nih.gov/articles/PMC3293090.
  31. https://sketchfab.com/3d-models/feline-skele - ton-dec-a5d0bb8f55dc4f49b103cd20d65e0b17 – 3D Model of a Domestic Cat Skeleton.
  32. https://www.researchgate.net/publication/6170431 – Validity of Goniometry Joint Measurements in Cats.
  33. https://turnigy.com/ – Turnigy RC Power Systems Docu m