Wybrane zagadnienia biomechaniki i robotyki oraz ich wzajemne powiązania

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Seria: MECHANIKA z. 85 Nr kol. 1010

_______ 1987

XI OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA TEORII MASZYN I MECHANIZMÓW

U th POLISH CONFERENCE ON THE THEORY OF MACHINES AND MECHANISMS

27— 30. 04. 1987 ZAKOPANE

Adam MORECKI

Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Politechnika Warszawska

WYBRANE ZAGADNIENIA B IOMECHANIKI I ROBOTYKI ORAZ ICH WZAJEMNE POWIĄZANIA

Streszczenie. W pracy, opierając się na danym zakresie dyscyplin j biome- chaniki i robotyki, omówiono tematyką tych obu dziedzin nauki i tech­

niki, ich związki wzajemne oraz powiązania z innymi dyscyplinami na­

uki, jak bioniką, biocybernetyką i inżynierią rehabilitacyjną.

Omówiono również metody i narzedzih stosowane w badaniach biome- chanicznych i w zakresie robotyki. Podkreślono szczególną rolą mode- . lowania matematycznego, metod doświadczalnych, obliczeniowych i tech­

niki komputerowej w badaniach podstawowych oraz w zastosowaniach.

Ponieważ badania w tych obu dziedzinach wiedzy noszą wyraźnie in­

terdyscyplinarny charakter, w pracy krótko omawia sie różne zagadnie­

nia towarzyszące, a mianowicie kwestie współpracy w mieszanych zespo­

łach inżyniersko-biologiczno-medycznych, terminologii oraz zasad,któ­

rymi należy kierować sie budując urządzenia techniczne, wykorzystują­

ce pewne własności organizmów żywych do budowy urządzeń technicznych.

1. Pewne zagadnienia biomechaniki

Biomechanika jest dziedziną zajmującą sią badaniem ruchu oraz mechaniz­

mów ruch ten wywołujący ze szczególnym uwzględnieniem człowieka oraz zwie­

rząt i owadów £l].

Jako dziedzina zbliżona do mechaniki i mechaniki maszyn, biologii, medy­

cyny, sportu, ergonomii i innych jest szczególnie trudna do szczegółowego zdefiniowania. Łatwiejsze .jest określenie zakresu badań i zastosowań biome­

chaniki.

Według podziału przyjętego na VII Międzynarodowym Kongresie Biomechaniki, który odbył sie w Warszawie w dniach 18-21.09.1979 roku £2^,można wyróżnić następujące działy biomechaniki

bioraechanike inżynierską.

biomechanikę medyczną, biomechanikę sportu, biomechanikę ogólną,

które związane są z

f i o n i k ą ,

biocybernetyką, inżynierią biomedyczną, ergono­

mią i inżynierią rehabilitacyjną, a w ostatnich latach z teorią manipulato-

’ rów i robotów lub ogólnie z robotyką.

W ostatnich 30 latach można zaobserwować, że do tej dziedziny, która- by­

ła tradycyjnie domeną działalności fizjologów, chirurgów, ortopedów i wycho­

wawców fizycznych włączyli się matematycy, fizycy i inżynierowie, którzy w

"posagu" wnieśli i nadal wnoszą metody i metodyki badań ścisłych, ekspery­

mentalnych i inżynierskich. Stąd biomechanika medyczna i sportu w coraz większym stopniu wykorzystują metody fizycznego i matematycznego modelowa­

nia oraz metody badań inżynierskich w zakresie obliczeń, projektowania, po­

miarów i eksploatacji.

Ponieważ obiekt badań - żywy organizm lub jego cześó, jest bardzo skom­

plikowany pod wzglądem budowy i funkcji, często badacz musi łączyć sztuką profesjonalną z niezbądnym ładunkiem wiedzy ścisłej,nie mówiąc już o intui­

cji. Stąd zadaniem specjalistów z dziedzin 'pozainżynierskich jest koniecz­

ność podwyższenia swojego poziomu wiedzy ścisłej, a zadaniem matematyków i inżynierów zwiąkszenie zasobu wiedzy z biologii, nauk medycznych i wychowa­

nia fizycznego, w celu stworzenia korzystniejszych warunków współpracy mię­

dzy sobą w mieszanym zespole z jednej strony oraz z pacjentami lub sportow­

cami z drugiej strony.

Omówimy pokrótce tematyką badawczą biomechaniki. W zakresie biomechaniki .inżynierskiej (biomechanics of engineering) przedmiotem zainteresowania ba­

daczy są: studia i modelowanie ruchu, techniki pomiarowe ruchu, lokomocja (chód, bieg, skok, lot); badanie postawy, badanie własności mechanicznych i elektrycznych miąśni, kości, tkanki łącznej, ściągien, płynów biologicz­

nych, własności mechanicznych, i regulacyjnych układu szkieletowo-mięśniowe- g<ą, synteza i projektowanie urządzeń wspomagających lub zastępujących utra­

cone funkcje kończyn lub innych narządów i organów zarówno wewnętrznych,jak i zewnętrznych, inżynieria rehabilitacyjna, oćHrona organizmu przed skutka­

mi drgań, zderzeń, hałasu oraz zagadnienia na styku człowiek-maszyna lub system, a ostatnio maszyna z określonym poziomem, "inteligencji" maszyno­

wej .

Biomechanika medyczna zajmuje się głównie neurofizjologicznymi aspektami układu mięśniowo-stawowego, elektromiografią, elektroencefalografią, kli­

nicznymi aspektami przepływu płynów biologicznych, funkcjonalną stymulacją elektryczną mięśni, nerwów i kości, FSE zastosowaną do eliminacji bólu, protetyką, ortotyką, badaniem chodu w patologii, implantami,- skutecznymi me- todami rehabilitacji.

Biomechanika sportu zajmuje się m.in. badaniem i modelowaniem ruchu za­

wodnika wykonującego różne ćwiczenia gimnastyczne, podnoszenie ciężarów, skokj o tyczce, pływanije, jazdja na nartach, y kołowrót wielki, rzut i dys­

kiem i wielce innych.

Wybrane zagadnienia biomechaniki i robotyki. 233

Biomechanika ogólna zajmuje się metodami i metodykami badawczymi, ogólny­

mi zagadnieniami mierniczymi i aparaturowymi, technikami komputerowymi, biomateriałami i innymi.

Należy podkreślić, że przyjęty podział tematyczny jest umowny i należy go traktować jako porządkujący. Często granice miedzy wyróżnionymi działami biomechaniki zacierają się ^ 3]] .

Jak już podkreślono,obiekt badać jest bardzo złożony i stąd istotne tru­

dności związane z jego pełną analizą. Badacze stają wiec przed koniecznoś­

cią dokonywania przy wyborze modelu niezbędnych uproszczeń zarówno samego : — delu,jak i jego opisu, rozwiązania i wnioskowania.

Jednocześnie występowanie zjawisk mechanicznych, elektrycznych, chemicz­

nych, przepływowych, cieplnych powoduje, że budując model np. do badania mechanizmu skracania mięśnia świadomie przyjmujemy tylko model mechaniczny lub elektryczny lub biochemiczny w zależności od jcelu badawczego i przygotowania badacza. Ponadto jednoczesne badanie złożonego modelu mecha- niczno-elektryczno-biochemicznego nie wydaje się na razie możliwe.

Model

mechaniczny okazuje się użyteczny do badania różnych charakterystyk mecha­

nicznych, jak np. zależności siła-długość, siła-prędkość, moc-prędkość.

P o ­

nieważ każdej działalności mięśnia towarzyszy działalność elektryczna

dc

określenia związku siła-elektromiogram,należy zbudować specjalny

model,

różny w zależności od warunków pracy, statycznych lub dynamicznych.

Do w y ­

tłumaczenia mechanizmu skracania mięśnia nie wystarczy prosty

model

mecha­

niczny lub elektryczny, należy więc sięgnąć

do

zjawisk

b i o m e c h a n i c z n y c h .

Powszechnie uznanym modelem jest tutaj model ślizgowej teorii

skracania

włókienka mięśniowego

W ostatnich latach zainteresowania badaczy zajmujących się biomechaniką inżynierską, skupiają się na następujących zagadnieniach: ustalania

u ś c i ś ­

lonych danych geometrycznych, kinematycznych, dynamicznych i regulacyjnych całego człowieka, jego części, mięśnia, zespołu mięśni, stawów,

ścięgcn i

innych; wyboru modeli dynamicznych służących do analizy i symulacji

postawy

ciała, lokomocji dwunożnej człowieka oraz technik i metod mierniczych dc badania chodu, biegu' i skoku: ustalania modeli do badania przenoszenia ob­

ciążeń przez poszczególne stawy oraz obciążeń występujących pomiędzy

stopa

a podłożem podczas chodu i biegu dla celów poznawczych i rehabilitacyjnych.

Nadal aktualnym zagadnieniem badawczym pozostaje wyznaczanie charakte­

rystyk siła-długość, siła-prędkość niezbędnych do prowadzenia różnych

a n a ­

liz biomechanicznych.

Kontynuowane są prace z zakresu oceny współudziałów mięśni w

realizacji

ruchów kończyn w warunkach statycznych i dynamicznych.

Wymieniona przykładowo tematyka badawcza jest na

ogół podejmowana przez

inżynierów mechaników, automatyków, cybernetyków, fizyków i

ma t ematyków we

współpracy z biologami, biochemikami, fizjologami, neurofizjologami i

or to ­

pedami oraz ze specjalistami teorii sportu i kultury fizycznej. Omówimy bli­

żej niektóre z wymienionych zagadnień ilustrując* je uzyskanymi ostatnio wy­

nikami badań.

Id entyfikacja w ła sności ge om et r y c z n y c h mięśn i w b u d o w an y ch ,j ak : po ło że n ia przyczepów, prz e bi eg w ł ók ie n mięśniowych, zmiaqy pr ze kr o ju p o pr ze c z n e g o mięśnia podczas jego skracania, zmiana pr omieni sił m i ę ś n i o w y c h w funkcji kąta obrotu w stawie,nie jest sprawą banalną. D o t y c h cz as ow e m e t o d y badania na zwłokach oraz zwierzętach oka zu j ą się n ie wy starczające. Ba rdziej k o ­ r zystne są wyniki uz yskane b e z p o ś r e d n i o na badanym. Z grupy nieinw az yj ny c h m et od p om iarowych ro kujące nadzieję w yd a ją się: m e t od a izot op ów znaczonych oraz u l t r a s o n o g r a f i c z n a . Te m e t o d y u m oż l iw ia ją u z y s k an ie różnych d a ny ch o mięś n iu nawet położonym., dość g ł ęb ok o oraz jego od tw o r z e n i e m e t o d a m i symu­

lacji komputerowej. I n te r e s u j ą c a również w y d a j e się m et od a t om og r af ii ompu- terowej do us ta la n ia p r z e k r o j ó w p o p rz ec z ny ch mięśni. W p r a w d z i e p o m i a r y są u ci ąż li w e i bardziej jakośc io we ,n i em ni ej jednak na tej d ro d ze u d a je się uzys ka ć dotąd niedo s tę pn e informacje £5].

N ad al a k t u al ną sprawą poz os ta j e u s t a l en ie związku p o m ię dz y siłą rozw ij a ­ ną przez mięs ie ń w ruchu( a to wa rz y sz ąc ym i zjawis ka m i e le ktrycznymi. Ze wzgl ę du na złożoną budowę mię śn ia u s t a l e n i e jego globalnej a k t y w n o ś c i elek­

trycznej w postaci tr an sm it a nc ji oper at o ro we j nie jest spraw ą p r os tą i w y ­ maga da ls zy ch badań.

Znając ge om e tr ię i u s y t u o w a n i e zespołu m ię śn i o b s ł u g u j ą c y c h d a n y staw oraz wy s tę p u j ą c e zjawiska elektryczne, p o do k on an iu w y b o r u m o d e l u stawu, m ożna o c enić w s p ó ł u d z i a ł y m i ę ś n i w r ó żn yc h ak tach ruchowych, n p . sz yb kiego z ginania lub p r o st ow an i a w stawie łokciowym. W w a r u n ka ch st at yc z n y c h r o z ­ w i ą z an ie p rz y bl iż on e taki e go zadania jest stosunkowo, p r os te d l a s ta wó w o j ednym lub d w óc h s to pniach swobody. W p r z y p a d k u stawu o t r z ec h stopniach swobody zadanie to nie z o st ał o d o t ą d ro z wi ą z a n e n aw et w s posób pr zybliżony i jest nadal pr ze dm i o t e m badań £6].

O d d z i e l n ą sprawą p o z o s t aj e w y b ó r k r y t e r i u m w s p ó ł u d z i a ł u mięśni. Czasami w y s t a rc za prosta zgodność m o m e n t u z e w n ę t r z n e g o i sumy m o m e n t ó w sił mięśnio­

w yc h dla b a d a n e g o zakresu ruchu, o b c ią że ń i prędkości. C z a s a m i n a le ży sięg­

nąć do innych kryteriów, jak m i n i m u m siły lub r e ak cj i w stawie. Zagadnienie bada n ia w s p ó ł u d z i a ł ó w m i ę ś n i w w a r u n k a c h d y n a m i c z n y c h k o m p l i k u j e się. U ż y ­ tecznie o k a z u j ą się tutaj m o d e l e d yn am ic z no - r e g u l a c y j n e . Związki typu si- ła-długośó, siła-prędkość, s i ł a - e l e k t r o m i o g r a m dla r u c h ó w s z y b k i c h m a j ą od­

m i e n n y p r z e bi eg niż dla sytuacji w stat yc e lub q u a s i - statyce. Ich ustalenie n aw et d la p r o s ty c h s t aw ó w nie jes t łatwe. N i e jest również s p r a w ą p rostą us t al en ie ni ez b ę d n y c h d o o b l i c z e ń p a r a m e t r ó w d y n a m i c z n y c h stawu. Również w y b ó r k r y t e r i u m z go dn o śc i d la sytuacji d y n a m i c z n y c h n ie je st s pr aw ą prostą.

I nt er es uj ą ce o k a z a ł o się p r z y j ę c i e k r y t e r i u m m i n i m a l n o - c z a s o w e g o do oceny sz y bk ic h r u ch ó w w stawi e o j e dnym s t op ni u s w o bo dy £7, 8£j . W y d a j e się celowe s k o r zy st an i e tutaj również z k r y t e r i u m do kł ad n o ś c i p o ł o ż en ia w przestrzeni, jak również k r y t e r i u m e n e r g e t y c z n e g o L^l-

K o l e j n y m z a g a d n i e n i e m ,

które

k r ó t k o zasygnalizujemy, jest zagadnienie

dar

p o s t a w y

człowieka tzn. równowagi

p o s t a w y p rz y różn yc h wymuszeniach.

Itt zaisz, t v ' ąlu badań. Na ół jako m o d e l p r z y j m u j e się

Wybrane zagadnienia biomechaniki i robotyki.. 235

otwarty łańcuch ki n ematyczny o 3,5 lub siedmiu stopniach swobody. Decyzja o za stąpieniu u kładu p os ia dającego 240-250 stopni swobody obsługiwanego przez o ko ł o 600 siłowników m ię śn io w yc h przez układ o kilku stopniach swo­

body, jest oczyw iś ci e g r u b y m przybliżeniem, ale umożliwia prowadzenie ta­

kich badań. P o us t aleniu m odelu oraz sposobu wymuszenia (np. platforma ru- choma-obrotowa) można ustalió d op us zczalne wychylenia każdego z członów łańcucha( pr z y któr yc h układ poz os ta j e w równowadze, tzn. nie przewraca się

[10, 11[] . Badan i e chodu lub biegu prowa dz on e jest przy wy korzystaniu modeli posiada j ąc yc h od 5,7 do 15 stopni swobody, p ł askich i przestrzennych. G ł ó w ­ nym c e l e m tych badań jest przy zadanej geometrii, kinematyce i parametrach dynamicznych (masy, m o m en t y b e z w ł a d n o ś c i ) , wy z naczanie m o m en t ów w głównych stawach w funkcji kątów stawowych. Znajomośó mom e nt ów jest niezbędna do różnych c e l ó w technicznych, m ed yc z ny ch (rehabilitacyjnych) oraz treningu sportowego. B a d a ni e chodu lub biegu jest prowadz on e' n a drodze do świadczal­

nej przy w y k o r z y s t a n i u różn yc h technik pomia r ow yc h, j ak filmu, telewizji, lasera w po ł ąc z e n i u z rejest r ac ją reakcji podłoża (rozkładu nacisków) przy użyciu w y s p e c j a li zo wa n yc h pla tf o rm t e n s o m e t r y c z n y c h . Wykresy rozkładu n a ­ cisków (wektorowe lub przestrzenne) poz wa l aj ą na wnio sk ow a ni e o rodzaju chodu i po s tę pa ch w p r o c es ie re habilitacji [12, 13, 143- Kończąc omawianie wybranych p r z y k ł a d ó w badawc zy c h w zakresie biomechaniki inżynierskiej, p r a ­ gniemy zwró ci ć uwagę na pe wn e sprawy metodyczne. N a gruncie analizy sta­

tycznej i dynamicznej staramy sie s prowadzić analizowane zagadnienie do możliwie p r o s t e g o m o de lu i opisu podd aj ą ce go się a nalizie n u m e r y c z n e j . J e ­ żeli p r z e d m i o t e m a n al i zy jest bada ni e w ła s no śc i me c ha nicznych obiektu,np.

typu kończyna-lub cał y czło wi e k, st os u je sie m o de le typu otwartych łańcuchów k in ematycznych p ł a s ki c h lub przestr ze nn y ch o kilku lub kilkunastu stopniach swobody. Na ogół w p i e r w sz ym prz yb li ż en iu pomi j a sie tarcie i luzy w p o ł ą ­ czeniach. J e ż el i anali za dotyczy zagadnień drganiowych, to k orzystamy z wie- lomasowych m o d e l i dyskretnych, na ogół liniowych. Stopień komplikacji m o d e ­ lu zależy od ce lu b ad a wc ze go z jednej strony oraz możliwości ustalenia p a ­ rametrów masowych, sztywno śc i ow yc h lub tłumienia z drugiej strony 0 5 ] .

W obecnej fazie badań w y d a j e się celowe pominiecie różnych n i el in i ow oś ­ ci, k t ór e na ogół b a r d z o k om pl i ku ją badania.

W p r z y p a d k u p ro w ad ze ni a a n al i zy związanej ze sterowaniem lub regulacją korzysta sie zwykle z m odeli st osowanych w teorii sterowania i automatyce, W pr zy pa dk u a n a li zy prz e pł yw u pł ynów biologi c zn yc h k o rzysta sie z różnych metod : -haniki płynów. A n al i za zjawisk ci ep lnych wymaga korzystania z m e ­ tod i m o de l i termodynamicznych. Bad an ia w y t r z y m a ło śc i ow e lub zmęczeniowe prowadzone są pr zy w y k o rz y st an iu m e to d stosowanych w technicznych badaniaęh w ytrzymałości m a t e r i a ł ó w i kons tr uk cj i z a r ó w n o ' m e t a l o w y c h ,jak i p l a st yk o­

wych. o c z y w i ś c i e b e z po ś re dn ie s tosowanie modeli mechanicznych, ele kt r yc z­

nych, regulacyjnych, przepływowych, cieplnych do obie kt u żywego nie jest możliwe. N a l e ż y po dc ho d z i ć do tej sprawy ostrożnie i w miarę m ożliwości uwzględnić sko mp l ik ow an ą naturę obiektu biologicznego. Weryfikacja d o ś wi a d­

czalna b a r d z o p o ma g a w badaniach, należy jednak bardzo ostrożnie wyciągać

wnioski z badań. N a we t pozo rn a zgodność w y n ik ó w badań teoretycznych, s y m u ­ lacyjnych czy eksperyme nt a ln yc h nie świa dc z y o p op ra w no śc i a n al iz y i opisu przebiegu zjawiska.

2. W y br a ne zagadnienia robotyki

Robo t yk a jest dz i ed zi ną n auki i techniki zajmującą sie w s z y s t k i m i p r o ­ blemami doty cz ąc ym i mechaniki, s te ro w an ia ruchem, sensoryki, inte li g en cj i maszynowej, projektowania, z astosowań i eks pl o at ac ji m an ipulatorów, robotów i maszy n k r oc z ąc yc h [i 60 .

M ożna wyró żn ić n a s tę pu j ąc e d z i a ł y robotyki:

- robotykę teor e ty cz ną (teorię m a n i p u l a t o r ó w i robotów),

- robotykę pr ze m y s ł o w ą (zastosowanie m a n i p u l a t o r ó w i r o b o t ó w w przemyśle, budownictwie, rolnictwie, transporcie, chemii, g ór nictwie, energetyce, łączności, do pr ac p o d w o d ą i w p rz e st r z e n i kosmicznej),

- robotykę m e d y c z n ą i r e h a b i l it ac yj n ą (manipulatory i roboty r e h a b i l i t a c y j ­ ne, u k ł a d y c z ł ow i ek - m a s zy na ( s ystem),

- robotykę m a s z y n k r o c z ą c y c h ^ (jedno-, dwu-, cztero-, sześcio-j i wielono żn y ch , mi e sz a n y c h k o ł o w o - n o ż n y c h ) ,

- robotykę o g ó l n ą (metody, a s p ek ty ekonomiczne, socjalne, społeczne, kształ' cenią, terminologii, rozwój i t e n d e n c j e ) .

P r o b le ma ty k a b a d a w c z a r o b o ty ki te or e tycznej d o t y cz y za ga d ni eń m e c h a ni ki w zakresie anali zy i synt e zy ł ań cu c hó w k i n e m a t y c z n y c h m a n i p u l a t o r ó w i ro bo ­ tów z u w z g l ę d n i e n i e m tarcia, luzów, p od at n o ś c i do kł adności, za ga dn i eń d o b o ­ ru i projektowania- n a p ę d ó w i ich u k ł a d ó w stero wa n ia ruchem, s e n s o r ó w i in­

teligencji maszynowej.

P r z e d m i o t e m sz cz e g ó l n e g o z a i n t e r e s o w a n i a b a d a c z y są w o s t a t n i m okres ie badania: d ok ła d n o ś c i pozyc jo no wa n ia , r e al i z a c j i traj ek to ri i w p r z e s t r z e n i z p r z e sz ko d am i (unikanie k o l i z j i ) , c z y n n e g o sterowania siłowego, p r o j e k t o w a ­ nia r o b o t ó w w s p o m a g a n e g o ko mputerem, k o m u n i k a c j i głosowej, w ł a s n o ś c i e l a s ­ ty cz n yc h manipulatorów.

Przy r o z w i ąz yw a ni u tych za g ad ni eń k o r z y s t a się z całej k la sy m e t o d m e ­ chaniki, teorii sterowania, informatyki, cybernetyki, t eorii systemów, mi er ­ nict wa oraz w y s p e c j a l i z o w a n y c h d z i a ł ó w m a t e m a t y k i wsp ół c ze sn ej . G ł ó w n ą d o ­ m en ą d zi a ła ni a r obotyki p r z e my sł ow e j jest k o mp l e k s z ag adnień z w ią z a n y c h z a p l i ka cj ą m a n i p u l a t o r ó w i r o b o t ó w p r z e m y s ł o w y c h do c e l ó w r o b o t y z a c j i takich p r o c e s ó w p r o d u k c y j n y c h , j a k odlewnictwo, spawalnictwo, m a l a r s t w o i lakier- nictwo, montaż, o b sł ug a pr as i w i e l e innych p r o c e s ó w przemys ł ow yc h, w y m a ­ g a j ą cy ch zn acznego w y s i ł k u fizycznego, s zk od l i w y c h i n i e b e z p i e c z n y c h dla c z ł o wi ek a 0 7 , 18].

Z a s t o s o w a n i a r o bo tó w p r z e m y s ł o w y c h w o s t a t n i c h la tach w y b i e g a j ą p o z a o b ­ szar s z er o ko p o j ęt eg o p r z e my sł u e l e k t r o m a s z y n o w e g o i dotyczą!- przemysłów;

górniczego, hutniczego, lotniczego, okrętowego, rolnictwa, transportu, b u ­

Wybrane zagadnienia biomechaniki i robotyki. 237

downictwa, łączności, chemii, leśnictwa i w ielu innych. Rozwijającym sią działem są tutaj badania p odwodne oraz w p rz estrzeni kosmicznej i na innych p l a n e t a c h .

Przysz ło ś ć robotyki przemysłowej to elastyc zn e systemy produkcyjne oraz bezludne fabryki [l^J.

Prace bad a wc ze i a pl i ka cy jn e w dziedz in i e robotyki medycznej i rehabili­

tacyjnej k on ce n tr uj ą sie na w y k o rz ys ta n iu pewn yc h istniejących typów m a n i ­ pulatorów i robo t ów do ce ló w chirurgii, terapii wspo ma g an ia narządu ruchu, obsługi pacjentów. W y s t ę pu j ę tutaj ca ły k ompleks zagadnieii na styku c z ł o ­ wiek - m a sz y na (system), a ost at n io c z łowiek (pacjent) - "inteligenta" m a ­ szyna lub syst em (manipulator lub robot st a cjonarny lub m o b i l n y ) . Wiele zna­

nych roz wi ąz a ń st osowanych w w a r u n k a c h p r z em ys ło w yc h nie daje sie be zp o śr e­

dnio w y ko rz y s t a ć do tych c e ló w i nale ży poszukiwać tutaj nowych rozwiązań, szczególnie w zakr e si e sterowania ruchem, s e n s o r y k i 'oraz rozpoznawania sytu­

acji w otoczeniu. Jes t to dz ie dzina stosu nk o wo nowa i ciągle jeszcze ń i e - u k s z t a ł t o w a n a . Ze w z g lą du na styk cz ło w ie ka z u r zą dz e n i e m technicznym w wielu p r zy pa d ka ch zagad ni en i a a nt r op om or f iz mu lub bi o niczności umożliwiają lepszą k o mu ni k ac je i w s pó łp ra c e C2 0 / 2 i!] •

R obotyka m a s zy n k r oc zą c y c h jest d z ie dz in ą zajmującą sie mechaniką, p r o - • jektowaniem i st er o w a n i e m r uchu jedno-, dwu-, cztero-, sześcio- j i wielonożnych maszyn k r oc zą c y c h lub m i e s z a n y c h n o ż n o - k o ł o w y c h . Wyko r zy st uj e sie do tego celu różne w ł a s n o ś c i ruchu o w a d ó w lub ssaków palcochodnych, ich budowy, własności sterowni cz yc h odnoż y lub kończyn, rod za j ów chodu, biegu lub skoku.

W ob ec d u ż e g o boga ct wa i ty p ów lokomocji nożnej spotykanych w przyrodzie, wybór op ty m a l n e g o rodzaju ch od u masz yn y jest jedny m z po ds tawowych i trud­

nych zagadnień. K o l e j n y m t r u dn ym z a g ad ni en i em jest wybór modelu maszyny, struktury nogi, liczby nóg, ich k o n f ig ur ac j i oraz układu sensorów i stero­

wania r u ch em nóg i całej maszyny. Zaga dn ie ni a uk s zt ał to w an ia terenu, r oz­

poznawania sytuacji, k w e st i e st abilności m a s zy n y st anowią dodatkowe u t r u d ­ nienie podc za s anali zy i projektowania. Stopień trudności realizacji m a s z y ­ ny kroczącej lub skaczącej w z r as ta wraz ze zmniejs z en ie m sie liczby nóg.

Maszyny jedno- i d w u no ż ne są tutaj o dp ow i e d n i m przykładem.

Sp e cj al ną klasą m a s z y n st anowią m a s zy n y dwu no żn e o dużym stopniu a nt ro ­ pomorf izmu - człekokszt ał tn e .

Najb ar d zi ej z a a wa ns o wa ną k on s tr u k c j ą lat os ta tn i ch jest tutaj robot - muzyk [

22

] .

O dp ow ie d ni e w y k o r z y s t a n i e w i el op o z i o m o w y c h u k ł a d ó w sterowania, e k s t r e ­ malnych regulatorów, int el ig en c ji maszynowej, w y daje sią niezbądne dla d a l ­ szego rozwoju tych m a s z y n i umo żl iw i a im prz e jś ci a od kroczenia (zwanego czasem pełzaniem) do ruchu s zy bkiego i z czase m biegu [23, 24, 25, 2 6 } . I nteresującym k i e r u n k i e m w y d a j e sią tutaj m a s zy na o ruchu wążopodobnym, k t ó ­ ra w realiza cj i technicznej jest m a s z y n ą ko łowo-nożną. Robo ty k a ogólna zaj­

muje sią różnymi as p ek ta mi robotyki, a mi an o w i c i e ekonomicznymi, socjalnymi, społecznymi, kształcenia, o c h ro n y i b e z p ie c ze ńs tw a pracy. W ażnym działem jest tutaj terminologia i jej standaryzacja.

Jest to stosunk o wo słabo r o zw in ię t y dział robotyki i jak.dotąd nie d y s ­ p onuje się własnymi i pewnymi me to d a m i oc en y skutk ów ekonomicznych, socjal­

nych i społecznych robotyzacji. Równ i eż sprawa te r mi nologii ni e jest u s t a ­ lona jednoznacznie.

3. Wy ko rz y st an ie wła sn oś c i b i o m e c ha ni cz n yc h człowieka, z wierząt i owadów do budo w y manipulatorów, rob o tó w i m a sz yn kroczą cy c h

Wykorzystując omówioną w poprzednich rozdziałach tematykę badawczą bio- mechaniki i robotyki, na kilku przykładach zilustrujemy możliwości wykorzys­

tania pewnych własności strukturalnych, napędu, sterowania, receptorów i in­

teligencji do budowy bardziej rozwiniętych manipulatorów, robotów i maszyn kroczących 0 60 .

Uproszczona struktura kończyny górnej i dolnej człowieka została wyko­

rzystana pod względem konfiguracji par kinematycznych i ich rozmieszczenia oraz przestrzeni roboczej do budowy klasy manipulatorów typu kończyna. Duże uproszczenia w stosunku do oryginału wynikają z trudności sterowania parami wyższych klas, rozmieszczenia napędów oraz specjalizacji manipulatora bądź robota.

Cecha wielostawowości napędów łańcucha manipulatora typu kończyna górna i dolna człowieka lub zwierzęcia, jest stosunkowo słabo wykorzystana w bu­

dowie manipulatorów; \ z wyjątkiem klasy manipulatorów kopiujących typu lin­

kowego [27]. Wydaje się, że ta kwestia jest wciąż otwarta i napęd tego typu posiada wiele zalet w porównaniu do klasycznego napędu indywidualnego sto­

sowanego w budowie maszyn. Napęd jednostronnego działania wymaga wprawdzie większej liczby siłowników, ale zapewnia większą elastyczność sterowania, oszczędności energetyczne i większą pewność pracy 0283 •

Współczesne układy sterowania manipulatorów i robotów nie wykorzystują własności hierarchii, wielopoziomowości i autonomii właściwych układom ży­

wym. Ciekawa właściwość autonomii określonych poziomów sterowania oraz za­

chowanie decyzji dla poziomów wyższych w przypadku organizmów żywycli dają określone korzyści informacyjne, energetyczne Tiie angażując wyższych pozio­

mów do czynności typowych oraz ^posiadają ważną własność uczenia się i doskona­

lenia czynności ruchowych. W zakresie układu sensorycznego współczesne ro­

boty znacznie ustępują możliwościom człowieka, zwierząt i owadów.. 0 ile na­

rząd wzroku i dotyku zaczyna być coraz powszechniej stosowany w budowie ma­

nipulatorów i robotów, to narządy słuchu, mowy, smaku, węchu są raczej w stadium badań laboratoryjnych. Pod względem liczby receptorów najbardziej zaawansowane urządzenie techniczne jest bardzo “zacofane" w stosunku do układu biologicznego.

Własności ruchu falowego odnóży owadów są już wykorzystywane w konstruk­

cji maszyn kroczących. Również hierarchiczne układy sterowania zaczynają

tutaj odgrywać pewną rolę. Jak dotąd są to tylko jednak działające modele

i prototypy maszyn kroczących 025J.

Wybrane zagadnienia biomechaniki i robotyki. 239

Są bardzo powolne i nie mają możliwości realizacji ruchu szybkiego. Skła da sią na to wiele przyczyn, z których na plan pierwszy wysuwa się niedo­

skonałość konstrukcji mechanicznej, kwestie stabilności oraz ograniczone możliwości komputerowe w zakresie przetwarzania informacji. Również i w tyra zakresie istnieją duże możliwości usprawnienia konstrukcji istniejących przez zwiększenie stopnia ich bioniczności rozwiązania. Wymaga to jednak pogłębionych badań w zakresie mechanizmów sterowania ruchem u owadów i ssa­

ków palcochodnych.

Duże możliwości stwarza wykorzystanie ruchu wężopodobnego, trąby słonia i języka do budowy nowej klasy manipulatorów elastycznych. Interesujące możliwości stwarzają tutaj materiały posiadające własność pamięci kształtu

[29, 30],

Należy tutaj wyraźnie podkreślić, że kopiowania różnych własności biome- chanicznych człowieka, zwierząt lub owadów nie jest celowe ani możliwe ze względu na różnice materiałowe, budowy i własności organizmów żywych. Roz­

wiązania techniczne umożliwiają ponadto realizację ruchów, które nie wy­

stępują w przyrodzie (np. koło lub para postępowa). Wydaje się jednak inte­

resujące wykorzystanie pewnych własności strukturalnych, napędu, sterowania czucia i rozpoznawania w budowie bionicznych i antropomorficznych manipula­

torów i robotów. Należy również podkreślić celowość podjęcia odpowiednich badań w zakresie biomechanicznych własności organizmów żywych w celu ich wykorzystania w robotyce. .. — '

4. Zagadnienia towarzyszące badaniom interdyscyplinarnym

Badania na styku kilku dyscyplin wymagają współpracy specjalistów repre­

zentujących wiedzę o obiekcie z jednej strony oraz wiedzę ścisłą, inżynier­

ską i eksperymentalną z drugiej strony. Jak już wspomniano,wymagany jest określony stopień przygotowania obu stron w celu zapewnienia lepszej komu­

nikacji i porozumienia różnych specjalistów. Ważną rolę odgrywają tutaj sprawy terminologiczne [3fj, metodologiczne, umiejętność prowadzenia badań doświadczalnych, zbierania i opracowywania danych oraz wnioskowania [32, 33 34, 35, 36[j . Prawidłowe sformułowanie celu badawczego, umiejętność wyboru obiektu badań, narzędzi oraz metody ^metodyki badawczej wymagają głębokiego przedyskutowania różnych aspektów zagadnienia przez odpowiednio dobrany ze­

spół ekspertów. Decydujący głos należy jednak do największego znawcy badane go obiektu. Stałe seminarium służące do wymiany poglądów w trakcie prowadzę nia badań ułatwia lepsze ukierunkowanie dalszych prac i zrozumienie zagad­

nienia oraz służy kształceniu młodych badaczy. Konfrontacja własnych wyni­

ków na forach szerszych zarówno krajowych,jak i zagranicznych jest dalszym

krokiem na drodze weryfikacji poziomu i oryginalności badań.

LITERATURA

[1] MORECKI A.: (Editor), Bioraechanics of Motion. CISM, Cources and Lectu­

res. No 263. Springer-Verlag. Wien-New York, 1980.

[ 2 ] MORECKI A., FIDELUS K., KĘDZIOR K., WIT A.: (Editors), Bioraechanics VII-A, Proceedings of the Sevent International Congress of Biomechanics.

Warsaw, Poland 18-21 Sept. 1979. Polish Scientific Publishers, Warsaw University Park Press, Baltimore, 1981.

[ 3 ] MORECKI A.: Modern Biomechanics, Its Foundations and Objectives in Engineering, Medicine and Sport. Proceedings of the Fifth World Con­

gress on the Theory of Machines and Mechanisms. Vol. 1, Jury 8-13, Montreal, Canada.

[ 4 ] MORECKI A.: Manipulatory bionicznej. PWN, Warszawa 1976.

[ 5 ] DĄBROWSKA A. and KĘDZIOR K.: Modeeling of the spatial structure of man's uppar limb. "Biology of Sport". Vol. VIII. No 3 PWN Warsaw,

1986 (in printing).

[ej GIELO K.: Metoda określenia roli i udziałów siłowników mięśniowych w połączeniach obrotowych wyższej klasy (na przykładzie stawu ramienne- go). (Praca doktorska).

[7] MORECKI A., KĘDZIOR K., BIEŻANOWSKA E., DĄBROWSKA A. and PAŚNICZEK R.:

Cooperation of Muscles under Dynamic Conditions with Stimulation Con­

trol. Control Aspects of Prosthetics and Orthotics. Proceedings of the IFAC Symposium, Ohio, USA, 7-9 May 1982. Ed. by R.M. Cambell Published for the IFAC by Pergamon Press, 1983.

[sj MORECKI A. and KĘDZIOR K.: Dynamic Modelling and Synthesis of Biome­

chanical Systems. Proceedings of the 1984 Summer Computer Simulation Conference. July 23-25 1984. Printed in the USA.

[ 9 3 MACUKOW B.: Modelowanie układów sterowania ruchem manipulatorów bio- nicznych. Rozprawa habilitacyjna. WPW, Warszawa 1985.

[ 10] KOCZEKANANI S:H., BARIN R., McGHEE R.B. and CHANG. : A. Recursive Free- Body Approach to Computer Simulation of Hukan Postural Dynamics.

Control Aspects of Prosthetics and Orthotics. Proceedings of the IFAC Symposium, Ohio, USA, 7-9 May. 1982. Edited by R.M. Cambell. Published for the IFAC by Pergamon Press, 1983.

[ 1 1 ] DMOWSKA E.: Badanie stabilności postawy otwartych łańcuchów kinema­

tycznych człowieka metodami symulacji komputerowej. Praca magisterska, Wydział MEiL P.W. Sierpień 1984.

[ 12] McGHEE R.B.: Computer Simulation of Human Movements. Biomechanics of Motion (Ed. A. Morecki). CISM. Cources and Lectures - No 263. Springer Verlag. Wien-New York, 1980.

[ 13] MORECKI A., OLSZEWSKI J. , JAWOREK K., McGHEE R.B., KOOZAKANANI S.H.

and BURNETT C.N.: Automatic Computer Analysis of Human Gait, Biomecha­

nics VII-B Proceedings of the Seventh Inter. Congress of Biomechanics.

Warsaw, Poland. PWN, University Park Press Baltimore, 1981.

[ 14] PEDOTTI A., FRIGO C., ASSENTE R., FEERRIGNO G .: Analysis of Human Lo­

comotion by Advanced Technologies and Methodologies, Biomechanics of Motion. Advanced School Coordinated by A. Morecki, Udine, June 24-28,

1985 (in preparation).

[15] BAJON W., NADER M. : The Analysis of Locomotive Drivers Reaction on Certain Dynamical Loads. Proceedings of the First International CISM- IFToMM Symposium, Man under Vibrations. Moscow, April 8-12, 1985.

Nader M., Vibration Model for Man-Vehicle System. Proceedings of

“Biomechanics Human Movement - Applications to Ergonomics, Sport and Rehabilitation". June 16-21 1986. Italy.

¡163 MORECKI A. and KĘDZIOR K.: Biomechanical Aspects in Robotics. Theory and Practice of Robots and Manipulators. Proceedings of -the Ro. Man.

sy '84 : The Fifth CISM-IFToMM Symposium. Ed. by A. Morecki, G.

Bianchi.

and K. Kędzior. Kogan Page, London, Hermes Publishing, 1985.

Wybrane zagadnienia biomechaniki i robotyki. 241

[17] MOR E CK I A. : Robotyka - Kierunki prac b adawczych i aplikacyjnych na

¿wiecie i w Polsce. I Krajowa Ko nferencja Robotyki. Prace Naukowe ICP P ol it echniki Wrocławskiej. Nr 65, 1985.

[1 8] Ec onomic Co mm i s s i o n for Europe: Product io n and Use of Industrial Robots. United Nation, N e w York 1985.

[19] E c o n om i c C om m is si on for Europe. Recent Trends in Flexible Ma nu f a c t u r ­ ing. U n it ed Nations. N e w Yor k 1986.

[20] I n ternational C o nf er e n c e on Telem an ip u la to rs for the Physically H a n d i ­ capped. Co ll og ue s IRIA. 4-6 Sept. 1978, Paris, France.

[2 1] M O RE C KI A . : Control Aspects of Artificial Hand. IFAC Monograph tin printing) .

2j B u l l et i n of Sci en ce a nd Engin ee ri ng R esearch Laboratory. Waseda Uni- wersity. No 112 Special Issue an Wabot-2. Japan, 1985.

[23] T h eo ry and Pr ac ti c e of Ro bots and Manipulators. Proceedings of Ro. man.

sy '84: the Fi ft h C I S M - I F T o M M Symposium. Ed. by A. Morecki, G. Bianchi a nd K. Kędzior. Part. 6. K og an Page, London, Hermes Publishing, 1985.

[2 4J J A WO RE K K., P OG OR ZE L SK I W.: C h ó d czteronożnej mas zy ny kroczącej i jej sterow an ie w ukła dz i e otwartym. X O g ól n op ol sk a Konf er e nc ja Na u ko w o - D y ­ d a k t yc z na T eo r ii M aszyn i M e c h a n i z m ó w (Zbiór r e f e r a t ó w ) . Warszawa 2-5.X I I . 1984.

[25J WILCZEK-ZIELIŃSKA T.: Modelowanie chodu czteronożnej maszyny kroczącej.

Pr a ca doktorska. Wydz ia ł MEiL. Poli te c hn ik i Warszawskiej, 1986.

[26] McGHEE R.B.: Vehicular Legged Locomotion, Chapter 7. Advanced in A uto­

m a t i o n and Rob ot ic s (Ed. b y G.N. S a r i d i s ) . Vol. 1, 1985.

[27] V E R T U T Jean and C O I FF ET Phillipe: Tel e op er at i on and Robotics. Ev alua­

tion and Development. R obots Technology. A. series of Eight Volumes.

H ermes Publishing, Lo nd o n- Pa ris-Lousanne, 1984.

[2 8] M O R E C K I A., B U S K O Z., J A W OR EK K. and G A S ZT O LD H.: Con t ro l and Dynamic P ro pe r t i e s of A n th ro p o m o r p h i c A r m Proce ed in g s of the 16 ISIR, 29 Sept.

-2nd Oct. 1986, Brussels, Belgium.

[29J H IROSE S., I KUTA K. and UMETANI Y.: A. N e w Design Metho d of Servo-Actu- ators B a s e d on the Shape M e m o r y Effect. Th eory and Pr actice of Robots a nd Ma nipulators. Proce ed i ng s of Ro. Man. sy ‘84: the Fifth C IS M-ITToMM Symposium. Ed. by A. Morecki, G. Bianchi and K. Kędzior. Kogan Page London, H e rmes Publishing, 1985.

[3 0J M A L CZ YK G. and MORECKI A.: A. Mat he ma ti c al Model of a Flexible M a n i p u ­ l ator of the E l e p h a n t ' s - T r u n k e - T y p e . Six C IS M- I F T o M M Sy mp osium on T he or y and Pra c ti ce of R obots and Ma nipulators. PREPRINTS. Ro. man. sy

*86, 9-12 September 1986. Cracow, Poland.

[]3lJ M O R EC K I A.: On t h e Study of the S ta nd a rd iz at i on of T e r mi no lo g y in In- t er dy sc y pl in ar y Sciences. M MT Journal. Vol. 18. No 3, 1983.

[3 2] M O R EC KI A., E K I E L J. , FIDE LU S K.: Cyber n et ic s Systems of Limb Movements in Man, A n i ma ls and Robots. Ellis Horwood. Publishers. Chiche st er PWN - P o l i s c h Scientific Publishers. Wars z aw a 1984.

[3 3] H U I S K E S R.K., DICK H. van CAMPEN, J OOAST R. de VIJN (editors): B i o m e ­ chanics: P r in ci pl e s and A p plications. Mat in u s Nijhoff Publishers. The Hague (Boston) Lo ndon 1982.

[3 4] T HR I NG M.W.: R ob o ts and Telechirs. Ellis Hor wc o d Limited. Publishers.

Chichester. 1983.

[3 5J P o d s t a w o w e P r o bl em y Współczesnej Techniki. Robotyka. (Pod redakcją A. Moreckiego) (PWN w d r u k u ) . j

[36] B E R M E N. Ed. i B i om ec ha n ic s of N o rm al and Pa th o logical Human A r t i c u ­ lating Joints. N A T O ASI Series E. N o 93, 1985.

H3EPABHHE ITPOEJIEMH EHOMEXAHHKH H POBOTO TEXHHKK A TAKHΠHX B3AHMHOE C0E13.HHEHHE

P e . 3 »

m

' e

B paéoxe, ka

^oohobshkh

y^enas S

^{homsxakhke h}

paëoxoxexHHKH, flaëroa od3op aayaHHx a TexHHaeoKHx npofijieM

bihx

AacipinjiHH,

hx

BsaHMHue cooTHomeHHS a 08A3H 0 TaKBMH HayVHHMH AHOfflUIXHHaHII KaK SHOHEICa, ÔHOKKÔGpHGXHKa H HpOEHe, PaoouaipHsaaioa xaJoce aexoAH, npHMeaaeuHe

^b

OaoMexaHBaecKHX HOCJieAOBaa..ax, a xaxse

^b

oëaacxa poOôxoxexHHKH. IloABëpKHBaeTCfl oooQaa poxa MaxeMaiaaecKoro MOAejtHpoBaHaa, BKcnepHHeHiajiiHHx a pacaëiBHx

^{mbtoaob h}

BiMHOjiaxexBHoô xèx-

bhkb b ochobhmx

a npaKxaaeoKax accaeAOBaHHax.

Tax Kax HOOxeAOBaHM

^{b bthx}

oOxaoxax auest HHxepAHCUHnjiHHapHufi xapaxiep,

b

padoxe KoposKo odoyatflaxwca pa3XHEHue nonyxHhie npodxewH, a

h h s h h o

« Bonpoos ooipyAHHBeoiBa

b

cuemaHHKx HinaHepHHx, daoxorHaeoKHX a MeAaiyiHCKHx rpynnax yaëHiix| Bonpoou

^t

©

pmhhojiothh h

npaHi^nH, KOTopaaa

^hhao

pyKOBOAaxtca npa OTpoeaaa TexBaaecKax yoxpofioxB, Ca3Hpya Ha

xh bu x

opraHH3Hax.

CHOSEN PROBLEMS OF ROBOTICS

AND BIOMECHANICS AND THEIR CONNECTIONS

S u m m a r y

I n

this paper, based on the descriptive definitions of the biomechanics

and robots, the oven of interest of the above mentioned disciplines and its connections with each other and bionics, biocybernetics and rehabilitation engineering are discussed. The methods and research metodology in biome­

chanics and robotics are presented. The rule of mathematical modelling, experimental methods, analytical description and computer calculations in the fundamental and research is underlined. Because of interdyscyplinarity of biomechanics and robotics in this paper some other factors like

n e c e s s i t y

of cooperation in interdyscyplin&ry team are discussed. Terminology and bionic aspect in the design process of technical devices are shortly pre­

sented. .

Recenzent: Prof. dr hab. ini. Józef

W o

jnarowski

Wplynglo do redakcji 12.VIII.1986 r.