Przykłady Małej Architektury w oparciu o System Arm-Z

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_252/73

Ela Zawidzka *, Jacek Szklarski *, Janusz Kobaka **, Machi Zawidzki *** * Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, ul. Adolfa Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa ** Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Instytut Geodezji i Budownictwa, ul. Michała Oczapowskiego 2, 10-719 Olsztyn *** Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

Download Article

Streszczenie

Arm-Z to koncepcja hiperredundantnego manipulatora robotycznego opartego na sekwencji szeregowo połączonych identycznych modułów. Każdy moduł ma tylko jeden stopień swobody (1-DOF) – skręt względem poprzedniego. Moduły systemu Arm-Z mogą być masowo produkowane i łatwo wymieniane w przypadku awarii. Sterowanie Arm-Z jest stosunkowo trudne, dlatego zwykle wymaga stosowania metod inteligencji obliczeniowej. W artykule przedstawiono kilka koncepcji kinetycznych obiektów małej architektury opartych na Arm-Z: spiralną kolumnę o regulowanej wysokości, system nadążania słonecznego, kinetyczną rzeźbę bioniczną i kinetyczny zraszacz/fontannę. Prezentowane koncepcje są zasadniczo nisko-technologiczne (“low-tech”). W każdym przypadku moduł bazowy jest przymocowany do podstawy (podłoża). Dla prostoty napęd jest przykładany bezpośrednio do pierwszego modułu, a następnie przenoszony za pomocą wewnętrznych przekładni na kolejne moduły. Każdy moduł jest wyposażony w zestaw cylindrycznych i stożkowych kół zębatych z zębami prostymi o profilu spiralnym (do połączeń miedzy modułami).

Słowa kluczowe

Arm-Z, hiperredundancja, manipulator, mała architektura, systemy modularne

Examples of Urban Furniture Based on Arm-Z System

Abstract

Arm-Z is a conceptual hyperredundant robotic manipulator composed on linearly joined number of identical modules. Each of them has one-degree-of-freedom (1-DOF) – the relative twist. Since modules are congruent, Arm-Z presents potential economical advantages and enhanced robustness. The modules can be mass produced and easily replaceable. The control of Arm-Z, however, is difficult and not intuitive. Therefore it most often requires the use of computational intelligence techniques. This article presents selected concepts for kinetic street furniture based on Arm-Z: a helical column of adjustable height, a sun tracking shade or solar energy harvesting device, bio-mimicing sculpture, sprinkler or fountain. All these ideas are based on low-tech approach. For this purpose, the initial unit in the chain is fixed to the solid foundation. For simplicity, the drive is applied directly to the first unit and transferred by the means of internal gears to the following modules. All of them are equipped with a set of cylindrical and bevel gears with straight teeth with involute profile (for connecting the modules).

Keywords

Arm-Z, hyper-redundancy, manipulator, modular system, small architecture

Bibliography

  1. Fuhs W., Stachel H., Circular pipe-connections. “Computers & Graphics”, Vol. 12, No. 1, 1988, 53–57, DOI: 10.1016/0097-8493(88)90007-6.
  2. Zawidzki M., Nishinari K., Modular pipe-z system for threedimensional knots. “Journal for Geometry and Graphics”, Vol. 17, No. 1, 2013, 81–87.
  3. Zawidzki M., Nagakura T., Arm-Z: a modular virtual manipulative. [In:] H-P. Schröcker, editor, 16th International Conference on Geometry and Graphics, 2014, 75–80.
  4. Gray J., The mechanism of locomotion in snakes. “Journal of Experimental Biology”, Vol. 23, No. 2, 1946, 101–120, DOI: 10.1242/jeb.23.2.101.
  5. Hirose S., Biologically Inspired Robots: Snake-Like Locomotors and Manipulators. Oxford University Press, 1993.
  6. Ning K., Wörgötter F., A novel concept for building a hyper-redundant chain robot. “IEEE Transactions on Robotics”, Vol. 25, No. 6, 2009, 1237–1248, DOI: 10.1109/TRO.2009.2032968.
  7. Murray R.M., Li Z., Sastry S.S., A mathematical introduction to robotic manipulation. CRC press, 1994.
  8. Rolf M., Steil J.J., Efficient exploratory learning of inverse kinematics on a bionic elephant trunk. “IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems”, Vol. 25, No. 6, 2014, 1147–1160, DOI: 10.1109/TNNLS.2013.2287890.
  9. Melingui A., Escande C.,Benoudjit N., Merzouki R., Mbede J.B., Qualitative approach for forward kinematic modeling of a Compact Bionic Handling Assistant trunk. “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 47, No. 3, 2014, 9353–9358, DOI: 10.3182/20140824-6-ZA-1003.01758.
  10. Falkenhahn V., Hildebrandt A., Neumann R., Sawodny O., Dynamic control of the bionic handling assistant. “IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics”, Vol. 22, No. 1, 2017, 6–17, DOI: 10.1109/TMECH.2016.2605820.
  11. Chirikjian G.S., BurdickJ.W., A hyper-redundant manipulator. “IEEE Robotics & Automation Magazine”, Vol. 1, No. 4, 1994, 22–29, DOI: 10.1109/100.388263.
  12. Yin S.Y.-L., Wang J.-C., Wang P.-H., Development of multi-spiral confinements in rectangular columns for construction automation. “Journal of the Chinese Institute of Engineers”, Vol. 35, No. 3, 2012, 309–320, DOI: 0.1080/02533839.2012.655528.
  13. Havlásek P., Jirásek M., Bittnar Z., Modeling of precast columns with innovative multi-spiral reinforcement. Proceedings of the fib Symposium 2019, 2301–2307.
  14. Zawidzka E., Szklarski J., Kiński W., Zawidzki M., Prototype of the Arm-Z Modular Solar Tracker. [In:] Conference on Automation, Springer, 2022, 273–282, DOI: 10.1007/978-3-031-03502-9_28.
  15. Xiang Y., Sun D.Y., Fan W., Gong X.G., Generalized simulated annealing algorithm and its application to the Thomson model. “Physics Letters A”, Vol. 233, No. 3, 1997, 216–220, DOI: 10.1016/S0375-9601(97)00474-X.
  16. Virtanen P., et al., SciPy 1.0: Fundamental Algorithms for Scientific Computing in Python. “Nature Methods”, Vol. 17, 2020, 261–272, DOI: 10.1038/s41592-019-0686-2.
  17. Coumans E., Bai Y., Pybullet, a python module for physics simulation for games, robotics and machine learning. http://pybullet.org, 2016–2021.
  18. Luh J.Y.S., Walker M.W., Paul R.P.C., On-Line Computational Scheme for Mechanical Manipulators. “Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control”, Vol. 102, No. 2, 1980, 69–76, DOI: 10.1115/1.3149599.
  19. Zawidzki M., Arm-Z Manipulations, 2014. URL http://demonstrations. wolfram.com/ArmManipulations/. An interactive demonstration