Ρομποτικός Δρυοκολάπτης19o Γυμνάσιο Θεσσαλονίκης

Γραμματικόπουλος Παντελής, Δημητρόπουλος Χρήστος, Δρίλλιας Παναγιώτης, Καμκαμίτζε Νίκος, Καμπερογιάννης Θανάσης, Τσιούντος Μιχάλης

Μαθητές της Α’ Τάξης, 19ο Λύκειο ΘεσσαλονίκηςΜπάφα Θεοδώρα

Μαθήτρια της Α’ Τάξης, 19ο Γυμνάσιο ΘεσσαλονίκηςΜουρατίδου Χριστίνα, Ξεφτέρη Φωτεινή

Μαθήτριες της Β’ Τάξης, 19ο Γυμνάσιο ΘεσσαλονίκηςΣαρβάνης Σταύρος

Μαθητής της Γ’ Τάξης, 19ο Γυμνάσιο Θεσσαλονίκης

Επιβλέποντες ΚαθηγητέςΒέρρος Νικόλαος– ΠΕ14.04nikosveros@windowslive.comΠάλλης Γεώργιος – ΠΕ08

gpallis @ sch . gr Παμπουκίδης Χαράλαμπος – ΠΕ12.04, ΠΕ19

xpabo @ otenet . gr Τσορμπατζόγλου Νέστωρ – ΠΕ19, ΠΕ04.01

ntsormp @ sch . gr

ΠερίληψηΗ ιδέα για την πρόταση μας ξεκίνησε από την συμμετοχή της ομάδας μας “19Robogators” στο ρομποτικό διαγωνισμό FLL Animal Allies, «Σύμμαχοι των ζώων», επιλέγοντας θεματικά σαν project την βιομίμηση. του δρυοκολάπτη.Η πρόταση μας αφορά την κατασκευή ενός ρομποτικού δρυοκολάπτη. Κάναμε λοιπόν μια προσομοίωση της κίνησης ενός δρυοκολάπτη όταν βρίσκει την τροφή του κτυπώντας τον κορμό ενός δέντρου, πειραματιζόμενοι παρατηρώντας αν θα μπορεί να στέκεται κάθετα στο δέντρο μπήγοντας τα νύχια του και χρησιμοποιώντας την ουρά του. Τα δύο εξωτερικά δάκτυλα των ποδιών τους είναι γυρισμένα προς τα πίσω και τα εσωτερικά προς τα μπρός, ώστε να γατζώνονται με ευκολία στα κλαδιά και στις αυλακώσεις των δένδρων. Οι κάλαμοι των ουραίων φτερών (ουροπήγιο), εκτός των εξωτερικών, είναι πολύ σκληροί και μυτεροί, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιούν την ουρά τους ως στήριγμα για να κάθονται.Χρησιμοποιήσαμε για την ρομποτική μας κατασκευή, προγραμματιστικά την Wiring C, Arduino Uno, κινητήρες Servo, αισθητήρες Flex, αντιστάσεις, καλώδια, αλλά και απλά υλικά όπως ξύλο, βέλο, κόντρα πλακέ, αλουμίνιο συνδυάζοντας διαθεματικά στοιχεία Πληροφορικής, Ρομποτικής, Βιολογίας, Τεχνολογίας.

Λέξεις κλειδιά: Βιομίμηση, Ρομποτική, Arduino.

1. Εισαγωγή

Η ιδέα για την πρόταση μας ξεκίνησε από την συμμετοχή της ομάδας μας “19Robogators” στο ρομποτικό διαγωνισμό FLL “Animal Allies”, «Σύμμαχοι των ζώων», επιλέγοντας θεματικά σαν project την βιομίμηση. του δρυοκολάπτη.Η πρόταση μας αφορά την κατασκευή ενός ρομποτικού δρυοκολάπτη. Κάναμε λοιπόν μια προσομοίωση της κίνησης ενός δρυοκολάπτη (εικ. 1) όταν βρίσκει την τροφή του κτυπώντας τον κορμό ενός δέντρου, πειραματιζόμενοι παρατηρώντας αν θα μπορεί να στέκεται κάθετα στο δέντρο μπήγοντας τα νύχια του και χρησιμοποιώντας την ουρά του σαν βοήθεια υποστήριξης του βάρους του.

Εικόνα 1. Δρυοκολάπτης πάνω στο δέντρο

Εικόνα 2. Α) Οι συνιστώσες δυνάμεις, Β) Μυοσκελετικό σύστημα, C) Ζυγοδάκτυλα

Τα δύο εξωτερικά δάκτυλα των ποδιών τους είναι γυρισμένα προς τα πίσω και τα εσωτερικά προς τα μπρός, ώστε να γατζώνονται με ευκολία στα κλαδιά και στις αυλακώσεις των δένδρων. Οι κάλαμοι των ουραίων φτερών (ουροπήγιο), εκτός των εξωτερικών, είναι πολύ σκληροί και μυτεροί, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιούν την ουρά τους ως στήριγμα (άγκυρα) για να κάθονται.Οι δυνάμεις που δρουν σε ένα δρυοκολάπτη μπορούν εύκολα να γίνουν κατανοητές εάν χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες δύο αναλογίες (βλέπε εικ.2). Η πρώτη είναι εκείνη ενός άνδρα που σκαρφαλώνει σε ένα δέντρο ή έναν στύλο. Τα πόδια του με τα σίδερα αναρρίχησης αντιστοιχούν στην ουρά του δρυοκολάπτη και χρησιμεύουν για να τον συγκρατήσουν κατά της μεγάλης προς τα κάτω συνιστώσας της δύναμης της βαρύτητας. Ο ιμάντας για τον κορμό του δέντρου στον οποίο ο ορειβάτης κλίνει εξυπηρετεί την ίδια λειτουργία όπως το πόδι του δρυοκολάπτη: εμποδίζει τον ορειβάτη από την πτώση προς τα πίσω.Η πλευρική θέση του τέταρτου δακτύλου μπορεί να εξηγηθεί καλύτερα με αναφορά σε ένα ορειβάτη.Αν κάποιος στέκεται πάνω σε ένα στενό περβάζι, η πιο ασφαλής λαβή είναι όταν οι βραχίονες απλώνονται προς τις πλευρές και το σώμα κρατιέται κοντά στον απότομο βράχο. Αυτό μειώνει την προς τα έξω συνιστώσα και αυξάνει τη προς τα κάτω συνιστώσα, η οποία μπορεί εύκολα να υπερκεραστεί από τα πόδια, και την ίδια στιγμή η θέση αυτή επιτρέπει την καλύτερη δυνατή τοποθέτηση των χεριών ως μοχλών. Αν οι βραχίονες διπλασιαστούν κάτω από το σώμα, οι μύες τραβούν κοντά στο υπομόχλιο σημείο του μακριού βραχίονα και ως εκ τούτου χάνουν το μεγαλύτερο μέρος της δύναμης τους. Ωστόσο, εάν οι βραχίονες επεκταθούν στις πλευρές, το τράβηγμα των μυών είναι κατά μήκος του άξονα των οστών και άρα σε μεγαλύτερο μηχανικό πλεονέκτημα. Επίσης, όταν ο βραχίονας εκτείνεται προς την πλευρά, ο μυς είναι στην αρχή του κύκλου συστολής και ως εκ τούτου είναι σε θέση να συστέλλεται με περισσότερη δύναμη από ό, τι όταν ο βραχίονας διπλασιάζεται κάτω από το σώμα και ο μυς έχει ήδη εν μέρει συσπασθεί.

2. Βιομίμηση

Βιομιμητική ή βιομίμηση είναι η μίμηση των μοντέλων, των συστημάτων, και των στοιχείων της φύσης με σκοπό την επίλυση σύνθετων προβλημάτων του ανθρώπου. Μετά από μελέτη θεμάτων ορνιθολογίας ανακαλύψαμε πολλά για τα πουλιά και ειδικά για το δρυοκολάπτη:Δεν δώσαμε το βάρος στο ράμφος του δρυοκολάπτη, αλλά στο υπόλοιπο σώμα του, στα πόδια του και στην ουρά του. Βλέπετε ο δρυοκολάπτης είναι ο καλύτερος αναρριχητής στα δέντρα. Τα κάτω άκρα του είναι ζυγοδάχτυλα (βλέπε εικ.3), δηλαδή έχει δύο δάχτυλα μπροστά και δύο πίσω που τον βοηθούν να γατζώνεται στα δέντρα με τα μεγάλα νύχια και τα ισχυρά πόδια του. Συγχρόνως η μεγάλη ουρά του λειτουργεί σαν φρένο (άγκυρα) και τον βοηθά να στέκεται. Όχι, δεν κατεβαίνει τα δέντρα περπατώντας, γι αυτή τη δουλειά είναι άλλο πουλί, ο τσοπανάκος. Όταν χρειάζεται να κατέβει απλά πετάει, κάνοντας έτσι οικονομία ενέργειας.

Εικόνα 3. Τα ζυγοδάκτυλα του Δρυοκολάπτη

Αυτό ακριβώς θέλουμε κι εμείς για ένα ρομπότ, να μπορεί να ανεβαίνει ένα δέντρο, να μένει ακίνητο για όσο εμείς θέλουμε και όταν κατεβαίνει να πετάει, καταναλώνοντας έτσι όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια. Μη φανταστείτε βέβαια ότι κάναμε το ρομπότ. Δεν έχουμε ούτε την τεχνογνωσία, ούτε τα χρήματα, ούτε τον απαραίτητο χρόνο για μια τέτοια κατασκευή. Ξεκινήσαμε όμως τη μελέτη του, κι ελπίζουμε μελλοντικά να την τελειώσουμε!

3. Κατασκευή - Λειτουργία

Κάναμε λοιπόν μια προσομοίωση ενός δρυοκολάπτη και ένα πείραμα για να δούμε αν μπορεί να στέκεται κάθετα σ΄ ένα κορμό δέντρου μπήγοντας τα νύχια του και χρησιμοποιώντας την ουρά του. Και απ΄ ότι βλέπετε η υπόθεση μας επαληθεύθηκε! Η κίνηση του ελέγχεται από ένα ρομποτικό γάντι με 4 αισθητήρες Flex (βλέπε εικ.4). Ένας αισθητήρας Flex χρησιμοποιεί άνθρακα σε μια λωρίδα από πλαστικό και ενεργεί σαν μια μεταβλητή αντίσταση. Ο αισθητήρας λυγίζει προς μία κατεύθυνση, και όσο περισσότερο κάμπτεται, τόσο η αντίσταση αυξάνεται. Αυτό εκμεταλλευόμαστε για να μπήγονται τα νύχια του ρομποτικού δρυοκολάπτη και να αγκυρώνεται η ουρά του στον κορμό του δέντρου .

Εικόνα 4. Ο Ρομποτικός Δρυοκολάπτης με το γάντι.

O ρομποτικός δρυοκολάπτης εξωτερικά είναι μία επιζωγραφισμένη ξυλοκατασκευή ενσωματώνοντας φύλλο αλουμινίου για την ουρά του και στοιχεία αλουμινίου και ελατηρίων για τα πόδια του (βλέπε εικ.5).Εσωτερικά (βλέπε εικ.6) χρησιμοποιήσαμε ένα μικροελεγκτή Arduino Uno, 4 κινητήρες Servo (3 για να κινεί τα 3 από τα 4 ζυγοδάκτυλα και 1 για την ουρά), 4 αισθητήρες Flex (στο ρομποτικό γάντι), 4 αντιστάσεις των 10ΚΩ η καθεμία, 2 cell επαναφορτιζόμενες μπαταρίες των 3,4 Volts, ένα διακόπτη και καλώδια (βλέπε εικ.7).

Εικόνα 5. Τα Ζυγοδάκτυλα του Ρομποτικού Δρυοκολάπτη

Εικόνα 6. Το εσωτερικό του Ρομποτικού Δρυοκολάπτη

Εικόνα 7. Arduino Uno, αισθητήρας Flex , αντίσταση, κινητήρας Servo

4. Προγραμματισμός

Το πρόγραμμα (sketch) “robowoodpecker”με το οποίο λειτουργεί ο ρομποτικός δρυοκολάπτης (βλέπε εικ.8) είναι γραμμένο σε Wiring C κάνοντας χρήση του ολοκληρωμένου περιβάλλοντος ανάπτυξης Arduino IDE. Περιλαμβάνει την βιβλιοθήκη Servo για τον έλεγχο των κινητήρων και δυο συναρτήσεις:1. setup() που καλείται μια φορά μόλις το πρόγραμμα αρχίζει.2. loop() που καλείται επαναληπτικά ξανά και ξανά όσο το Arduino είναι σε ισχύ.

Εικόνα 8. Το Sketch “robowoodpecker”

5. Χρησιμότητα και Βελτίωση project

Ο ρομποτικός δρυοκολάπτης είναι ένα project σε εξέλιξη. Επεκτείνοντας μελλοντικά το project, το ρομπότ, θα μπορεί να ανεβαίνει ένα δέντρο, θα μένει ακίνητο για όσο εμείς θέλουμε και όταν κατεβαίνει θα πετάει, καταναλώνοντας έτσι όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια. Ένα τέτοιο ρομπότ θα μπορούσε να είναι κατάλληλο για εντοπισμό αγνοουμένων για έγκαιρη προειδοποίηση φυσικών καταστροφών, όπως πυρκαγιές, πλημμύρες και ελπίζουμε να μην χρειαστεί ποτέ για πολεμικούς σκοπούς…

Ευχαριστίες

Ιδιαίτερες ευχαριστίες στην κ. Κλεοπάτρα Αλαμανταριώτου, πρόεδρο της Βιομιμητικής Ελλάδας- Κέντρο Έρευνας και Καινοτομίας, για τo σεμινάριο Βιομιμητικής, που αποτέλεσε πηγή έμπνευσης για το project μας.

Βιβλιογραφία

1. Bock, W. J. & DeWitt Miller, W. (1959). The Scansorial Foot of the Woodpeckers, with Comments on the Evolution of Perching and Climbing Feet in Birds. American Museum Novitates, No. 1931, March 5, 1959 Published by The American Museum Of Natural History (New York)www address: http :// digitallibrary . amnh . org / handle /2246/5316   (Το βιβλίο σε pdf).2. Sartori, B. (2014). Let's Learn About… WOODPECKERS, Kindle Edition. 3. Shunk, S. (2016). Peterson Reference Guide to Woodpeckers of North America (Peterson Reference Guides). Houghton Mifflin Harcourt. Kindle Edition.

Διαδικτυακές πηγές1. http :// biomimicrygreece . blogspot . gr /2015/12/ blog - post . html Βιομιμητική Ελλάδας-Κέντρο Έρευνας και Καινοτομίας.Κλεοπάτρα Αλαμανταριώτου.2. https :// en . wikipedia . org / wiki / Biomimetics Βιομιμητική.3. http :// www . instructables . com / id / How - to - use - a - Flex - Sensor - Arduino - Tutorial / Αισθητήρας Flex