tpwr_1_2014.pdf

1

Techniki Programowania

w Robotyce

Wprowadzenie

Prof. dr hab. Edward Jezierski

Dr hab. in. Grzegorz Granosik

Politechnika dzka, Instytut Automatyki

Cele przedmiotu i efekty ksztacenia

Celem przedmiotu jest przekazanie podstawowej wiedzy dotyczcej sterowania manipulatorw i robotw mobilnych oraz wyrobienie umiejtnoci programowania przykadowych systemw robotycznych.

Student po zaliczeniu przedmiotu potrafi:

1. charakteryzowa podstawowe pojcia z zakresu kinematycznych waciwoci robotw,

2. objania metody planowania trajektorii, 3. opisywa metody programowania robotw. 4. tworzy programy dla robotw przemysowych na poziomie

podstawowym,

5. posugiwa si kilkoma metodami programowania 6. projektowa trajektorie robotw dla okrelonych zada.

Techniki Programowania w Robotyce, Jezierski & Granosik 2


Organizacja przedmiotu, Literatura

Wykad 15 godz e-automatyka.p.lodz.pl (TPwR) Laboratorium 15 godz Laboratorium robotyki E100 robotyka.p.lodz.pl

Granosik G.: Hypermobile robots: concept, construction and control, Wyd. Polit.dzkiej, d 2011.

Jezierski E.: Dynamika robotw. WNT, Warszawa, 2006. Kozowski K., Dutkiewicz P., Wrblewski W.: Modelowanie i sterowanie

robotw. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003. Jezierski E.: Robotyka kurs podstawowy. Wyd. Polit. dzkiej, d, 2002.


Troch historii

Po raz pierwszy terminu robot uy czeski pisarz Karel apek w 1920 roku w swojej sztuce R.U.R. (Rossumovi Universln Roboti). Terminem tym okreli maszyn-niewolnika zastpujc czowieka w najbardziej uciliwych zajciach. Nazwa wywodzi si od czeskiego sowa robota czyli cika praca.

Ojcem robotyki jest nazywany konstruktor

amerykaski George Devol, ktry zbudowa w roku 1954 pierwszy programowalny manipulator,

opatentowany w roku 1956. Bazujc na tym wynalazku firma Unimation w 1960

roku wyprodukowaa jego wersj uytkow i rok pniej zastosowano go w firmie General Motors na linii

produkcyjnej.


Od patentu Devola po roboty humanoidalne "The present invention makes available for the first time a more or less

general purpose machine that has universal application to a vast diversity of

applications where cyclic control is desired - Patent USA No. 2,988,237

Patent USA No. 2,988,237


Podstawowe definicje (1)

Robotyka to interdyscyplinarna dziedzina wiedzy dziaajca na styku mechaniki, automatyki, elektrotechniki i elektroniki oraz informatyki.

Robotem jest nazywany uniwersalny system techniczny zastpujcy przez swoje dziaanie intelektualne i manipulacyjne funkcje czowieka.

Cechami charakterystycznymi robotw s: 1. uniwersalno polegajca na atwym przystosowaniu go do realizacji

rnych funkcji, 2. moliwo wykonywania pewnych czynnoci automatycznych np.

powtarzanie nauczonych ruchw, podejmowanie decyzji o rodzaju pracy w zalenoci od informacji pochodzcych z otoczenia robota.

2



Manipulatorem nazywane jest urzdzenie techniczne naladujce manipulacyjne i wysignikowe ruchy ludzkiej rki.

Manipulatorami s np. teleoperatory powtarzajce ruchy rk operatora lub urzdzenia dwigowo-transportowe z bezporednim sterowaniem przez czowieka.

Robotem przemysowym lub robotem manipulacyjnym nazywane jest urzdzenie techniczne przeznaczone do zastpowania czowieka przy wykonywaniu okrelonych czynnoci manipulacyjnych i przystosowane do realizacji rnych, atwo zmienianych programw ruchu manipulacyjno-transportowego.

Roboty przemysowe s obecnie stosowane w procesach produkcyjnych mao- i rednioseryjnych, przy operacjach technologicznych uciliwych lub niebezpiecznych dla czowieka, np.: paletyzacja, monta, spawanie, malowanie, obrbka.



Robot mobilny to kompozycja rnorodnych fizycznych i informatycznych skadnikw tworzca 4 podstawowe podsystemy: Ruchu (locomotion)

Detekcji (sensing)

Wnioskowania (reasoning)

Komunikacji (communication). Dodatkowo robot mobilny jest wyposaony w ukady wykonawcze odpowiednie do zada jakie ma wykonywa.



Roboty serwisowe

wykonuj autonomicznie lub czciowo autonomicznie usugi na rzecz czowieka lub jego otoczenia, poza dziaaniami produkcyjnymi (IFR).

s form przejciow w ewolucji od robotw przemysowych do robotw osobistych spodziewanych w cigu najbliszych 15-20 lat.

Roboty serwisowe s mobilne, zrczne, wspoddziauj z czowiekiem (otoczeniem) lub wykonuj autonomiczne dziaania na jego rzecz. Operuj w takich obszarach jak: rozrywka, edukacja, dziaania militarne, usugi biurowe, kontrola i monitoring, rolnictwo, opieka i rehabilitacja, medycyna, dziaania poarnicze i poszukiwawcze, eksploracja (roboty podwodne, kosmiczne, mini- i nanoroboty)


Pocztki robotyki

1938 pierwszy programowalny mechanizm do malowania DeVilbiss Company

1947 opracowanie pierwszego teleoperatora z serwonapdem elektrycznym

1954 zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota przez George'a Devola

1956 zakupienie praw do robota Devola i zaoenie firmy Unimation Company przez Josepha Engelbergera, studenta fizyki na Uniwersytecie Columbia

1961 zainstalowanie pierwszego robota Unimate (do obsugi cinieniowej maszyny odlewniczej) w fabryce General Motors

1971 opracowanie Stanford Arm 1978 opracowanie przez Unimation robota PUMA 1979 opracowanie w Japonii robota SCARA


Roboty mobilne historia

1970 SHAKEY 1979 Stanford cart 1983 3D One-Leg Hopper 1989 Genghis 1993 DANTE 1997 Nomad 1997 Pathfinder (Sojourner) 2000 Sony AIBO 2000 Honda ASIMO 2003 Mars Exploration Rover 2004 Robosapien


SHAKEY 1968-1972

Stanford Research Institute

Kamera, skaner laserowy, czujniki zderzakowe

czno bezprzewodowa

Percepcja, tworzenie modelu otoczenia

Mg porusza si jedynie w wysoce ustrukturalizowanych pomieszczeniach

Z wi prdkoci 2m/h

Nazwa pochodzi od szarpanych ruchw

3


Stanford cart 1979

Stanford Research Institute

Kamery do tworzenia map 3D otoczenia

Planowanie cieki, omijanie przeszkd

4-6m/h w 10-15 minutowych zrywach

Komputer pokadowy i wielkie komputery stacjonarne


3D One-Leg Hopper 1983

MIT LegLab

Pierwszy robot swobodnie skaczcy

1.1m, 17.3kg

Napd hydrauliczno-pneumatyczny


Genghis 1989

MIT Mobile Robotics Group

Wzorowany na owadach 1kg, 35cm dugoci Czki, inklinometry, czujniki zblieniowe

podczerwieni

4 omiobitowe CPU na pokadzie Sterowanie metod wielowarstwowych

automatw o skoczonych stanach


DANTE 1993

Carnegie Mellon University

8-nony robot schodzi po stoku krateru Mt Erebus zdalnie sterowany z USA

Wersja II poprawiona i wzbogacona w specjalistyczne czujniki potrafia autonomicznie porusza si w trudnym terenie


Nomad 1997

CMU

Robot 4 koowy z manipulatorem

Stereowizja, skaner laserowy, radar, GPS, inne czujniki,

zdalnie sterowany

4 komputery pokadowe

725kg, szecian 2.4m


Pathfinder 1997

NASA JPL

Ldownik i Mars Rover

6-koowy, 10 kg

Zasilanie - baterie soneczne, 83 dni pracy

Prdko maksymalna 0.4m/min, przejecha ok. 100m, wykona 230 manewrw

Czujniki laserowe, stereowizja, odometria, yroskopy, inne czujniki naukowe

Niewielki komputer ok. 0.1 MIPS, 0.5 MB RAM

4


Sony AIBO 2000

Sony Corp.

Potrafi chodzi, kopa, rozpoznaje i ledzi obiekty, omija przeszkody, rozpoznaje, dwiki i wydaje odgosy, rozpoznaje adowark gdy koczy mu si energia

Kamera, wykrywanie krawdzi, czujniki taktylne, czujniki przyspieszenia, wibracji, odlegoci, mikrofon, cze bezprzewodowe

20 DOF, 576MHz 64-bit CPU 64 MB RAM


AIBO 2003 wersja 7


Honda ASIMO 2003

120cm wysokoci, 52kg wagi, 1.6km/h

26DOF, yroskopy i akcelerometry, czujniki taktylne

Koszt leasingu 160 000 $/miesic


ASIMO Asimo Run


Robosapien 2004

Robot biomorficzny

5


F. przynaleno do generacji robotw: I generacji roboty odtwarzajce,

II generacji roboty wyposaone w system sensoryczny,

III generacji roboty wyposaone w system wizyjny,

IV generacji roboty o sterowaniu adaptacyjnym,

V generacji roboty inteligentne;

G. poziom inteligencji: urzdzenia sterowane rcznie,

roboty o staej sekwencji ruchw,

roboty o zmiennej sekwencji ruchw,

roboty odtwarzajce,

roboty sterowane numerycznie,

roboty inteligentne;

H. poziom jzyka programowania: systemy uczone przez prowadzenie,

systemy programowane na poziomie robota,

systemy programowane na poziomie zadania;

System wizyjny

Podzia robotw


Podstawowe podzespoy robota

Ukad zasilania Sterownik Ukad sensoryczny Energia

Operator

Manipulator

Zwykle robot przemysowy jest elementem elastycznego systemu produkcyjnego i wsppracuje z urzdzeniami technologicznymi takimi jak podajniki, stoy obrotowe, przenoniki tamowe.


Manipulator

Manipulator jest utworzony przez szereg ogniw poczonych zczami, ktre wsplnie tworz acuch kinematyczny. Poszczeglne zcza s napdzane odpowiednimi zespoami napdowymi, tj. silnikami wraz z przekadniami lub siownikami, ktre zapewniaj ruchy efektora manipulatora w rnych kierunkach. Mona powiedzie, e manipulator wykonuje prac robota przemysowego. Czsto wic pojcia robota i manipulatora s utosamiane, cho nie jest to poprawne.


Ukad zasilania

Ten element skadowy robota przetwarza energi pierwotn dostarczan do robota (najczciej jest to energia elektryczna) na odpowiedni rodzaj energii stosownie do rodzaju zespow napdowych manipulatora.

Zwykle jest to zestaw wzmacniaczy mocy w przypadku robotw z napdami elektrycznymi, bd zewntrzny kompresor (pompa) z zespoem filtrw i zaworw w przypadku zespow napdowych pneumatycznych lub hydraulicznych.


System sensoryczny

System sensoryczny dostarcza sterownikowi robota informacji o stanie manipulatora i jego otoczenia. Sensory stosowane we wspczesnych robotach dziel si na dwie zasadnicze grupy:

sensory wewntrzne, ktre zwizane s z acuchem kinematycznym manipulatora i su do pomiaru wzajemnych przemieszcze i prdkoci poszczeglnych zczy;

sensory zewntrzne, ktre su do pomiarw wzajemnych pooe efektora robota i elementw otoczenia. Przykadami tych sensorw s czujniki zblieniowe, dotykowe czy systemy wizyjne.


Sterownik

1. przechowuje w pamici sekwencje danych dotyczcych podanych ruchw manipulatora;

2. zbiera i przetwarza informacje z systemu

sensorycznego robota;

3. inicjuje i koordynuje ruchy poszczeglnych zespow napdowych manipulatora;

4. komunikuje si z innymi podzespoami zrobotyzowanego stanowiska.

6


Klasyfikacja ruchw manipulatorw

ruchy globalne - ruchy podstawy manipulatora wzgldem podoa

ruchy regionalne - ruchy podstawowych czonw kinematycznych manipulatora w celu umoliwienia osignicia zadanego punktu w przestrzeni roboczej

ruchy lokalne - ruchy kici w celu uzyskania odpowiedniej orientacji efektora manipulatora


Struktury kinematyczne manipulatorw ruchy regionalne

manipulator kartezjaski

manipulator cylindryczny

manipulator sferyczny

manipulator typu SCARA

manipulator stawowy


Manipulator kartezjaski


Manipulator cylindryczny


Manipulator sferyczny


Manipulator typu SCARA

(Selective Compliance Assembly Robotic Arm )

7


Manipulator stawowy


Ruchy obrotowe kici manipulatora


Liczba robotw przemysowych w stosunku do liczby ludnoci (2007)

Liczba

mieszkacw

[miliony]

Liczba robotw

przemysowych

[tysice]*

Liczba

mieszkacw/

liczba

robotw

wiat ogem

6 641a

999b

Japonia

Niemcy

USA

127

82

296

400

140

100

320

590

2 960

*) dane szacunkowe IFR; a) roczny przyrost 1,1%; b) roczny przyrost 4,5%

6 650


Roboty przemysowe stan obecny Cakowita sprzeda w 2005r. 126 700 robotw wzrost o 30% w

stosunku do 2004r.

Rok 2008 to stagnacja na nieco niszym poziomie 113 300 sztuk

Gwne wzrosty w Azji, spadki w Ameryce, stagnacja w Europie

Umocnienie inwestycji pochodzcych z przemysu samochodowego

Due inwestycje sektorw produkcji gumy, plastiku, przemys metalowy i elektroniczny (komunikacja i komputery)

W Europie spadek liczby nowych instalacji w przemyle samochodowym za wzrost (30%) w produkcji ywnoci

Rok 2009 to istotny spadek o 47% do poziomu 60 000 sztuk

Gwnie roboty przegubowe (74 000), kartezjaskie/portalowe (25 000), cylindryczne (15 000), SCARA (10 000)

Ponad 1 000 000 jednostek pracujcych na wiecie

Liczba jednostek pracujcych od roku 1960 = 1 970 000


Stan obecny


Stan obecny

8


Ud

zia

r

nyc

h k

raj

w


Stan obecny Wzrost kosztw pracy 100 179


Gsto instalacji robotw Japonia 352

Korea 173

Niemcy 171

Wochy 130

Szwecja 117

Finlandia 99

USA 90

EEU

9


Roboty specjalne W tej grupie mona wyrni: roboty medyczne w tym: - rehabilitacyjne

- do maoinwazyjnych operacji medycznych - inteligentne protezy koczyn roboty wojskowe w tym: - do operacji na polu walki

- zwiadowcze

- do rozminowywania

roboty inspekcyjne i policyjne roboty poarnicze i ratownicze roboty usugowe roboty rozrywkowe.

Ocenia si, e liczba tych robotw uytkowanych przez profesjonalistw wynosi obecnie kilkadziesit tysicy, a kilkanacie milionw jednostek uywaj osoby prywatne (roboty usugowe i rozrywkowe).

Aibo, Sony


Automatic Guided Vehicles

Roboty mobilne do transportu

blokw silnikw wewntrz fabryki

ledz ciek wyznaczon za pomoca kabla

elektrycznego


HelpMate

Robot mobilny uywany w szpitalach do zada transportowych

Wykorzystuje kamer skierowan na sufit do nawigacji lampy stanowia punkty

odniesienia


BR700 Cleaning robot

Robot sprztajcy firmy Krcher

Wykorzystuje sonary i

yroskopy do nawigacji


Tiburon robot podwodny

Zanuenie do 4000m

Koszt budowy 6M$

Teleoperator


Pioneer

Inspekcja elektrowni w

Czernobylu

10


Platformy badawcze

Pioneer 1

Robot B21

Khepera II


Pulstech

Przemysowy robot kroczcy do zbierania i

wynoszenia

drzew


Inspekcja kanalizacji

Robot do inspekcji rur kanalizacyjnych

6 czujnikw zblieniowych podczerwieni, 3 czujniki momentu, czujnik przechylenia, 2 czujniki pooenia w kadym segmencie oraz kamera

MAKROplus

Snake2


Roboty przegubowe

OmniTread ACM

i inne we

Genbu SlimSlime robot


Roboty przegubowe

Soryu (S. Hirose) Moira (K. Osuka)

Kohga (F. Matsuno) Techniki Programowania w Robotyce, Jezierski & Granosik 60

GuideCane

11


Roboty dla gospodarstwa domowego


Robot osobisty


Robot przewodnik-informator


Zwiadowczy

Scout

PackBot


Roboty serwisowe Human Robot

Interaction HRI (George A. Bekey)

Roboty serwisowe z zaoenia maj bezporedni kontakt z ludmi nie mog ich zrani

Komunikacja za pomoc jzyka naturalnego, gestw, ukadu ciaa

Wsppraca z ludmi i innymi robotami, nauka poprzez naladowanie

Roboty powinny wykrywa i odpowiednio reagowa na emocje wyraone przez jzyk ciaa, gesty, min, ton gosu, dobr sw

Roboty powinny wyraa emocje, wypracowa odczucia estetyczne i etyczne zachowanie aby sta si partnerami ludzi


Roboty mobilne koa, gsienice czy nogi?

Zalety Wady

Koa Mae opory ruchu. Prosty sposb przenoszenia napdu.

Dostosowane do stosunkowo

gadkiego i sztywnego podoa.

Gsienice

Moliwo stosowania w bardzo trudnym terenie.

Due zuycie energii.

Nogi Moliwo stosowania w kadym terenie.

Mae zuycie energii.

Kopotliwy sposb napdu i sterowania.

OmniTread Univ. of Michigan LandWalker,Sakakibara Japonia NASA Fido Mars Rover

12


Roboty humanoidalne Pierwszy humanoidalny robot (WABOT-1) zosta zbudowany w latach 1970-73 r przez zesp prof. Ichiro Kato w Uniwersytecie Waseda w Tokio. Wikszo z robotw humanoidalnych bya wykonana w celach wycznie badawczych.

Po roku 2000 pojawiy si pierwsze humanoidalne roboty usugowe (przewodnicy, kelnerzy).

Firma Motoman Inc. wyprodukowaa dwurcznego robota SDA 10.

WABOT-1 Motoman SDA 10 Rabbit Honda Asimo Techniki Programowania w Robotyce, Jezierski & Granosik 68

Robotyka a rodowisko

Sprawno energetyczna robotw przemysowych jest stosunkowo niska, nie przekracza 10%. W robotach specjalnych i usugowych jest jeszcze mniejsza.

Utylizacja robotw jest bardzo powanym problemem. Roboty starzej si w cigu 5 lat, ywotno ich nie przekracza 15 lat.

Roboty w zasadzie nie zanieczyszczaj rodowiska. Jedynym wyjtkiem s roboty o napdach hydraulicznych. Napdy pneumatyczne s haaliwe.

Roboty staj si coraz bardziej estetyczne - zaczynaj dba o urod.

Stubli RX-160


Notacja skalarw, wektorw, macierzy i zbiorw

Oznaczenie Przykady

Skalary Mae litery a, x, m, t

Wektory Mae litery

pogrubione lub

podkrelone

v, x, f, lub

v, x, f

Macierze Due litery

pogrubione lub

podkrelone

A, X, R lub

A, X, R

Zbiory Due litery X, Y, Z


Przykady wektorw i macierzy

wektory

x

x

x

xn

1

2

z

y

x

r

r

r

r

macierze

A

a a a

a a a

a a a

m

m

n n nm

11 12 1

21 22 2

1 2

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

rrr

rrr

rrr

R


Indeksowanie w robotyce

Grny indeks T jest rezerwowany do oznaczenia transpozycji macierzy lub wektora.

Indywidualne indeksy grne poprzedzajce dany symbol s uywane do zrnicowania zbiorw.

Xi Yi Zi Ai x A

i y Ai z


Wektory w trjwymiarowej przestrzeni

rzeczywistej

X

Z

u

u

ux

y

z

u

Y

Tzyxz

y

x

uuu

u

u

u

u

Tzyxz

y

x

vvv

v

v

v

v

Iloczyn skalarny: zzyyxx vuvuvu vu

Iloczyn wektorowy: w u v

u v u v

u v u v

u v u v

y z z y

z x x z

x y y x

13


Waciwoci wektorw trjwymiarowej

przestrzeni rzeczywistej

uvvuvuTT cosvuvu

sin vuvu

Iloczyn skalarny:

zzyyxx vuvuvu vu

Iloczyn wektorowy:

xyyx

zxxz

yzzy

vuvu

vuvu

vuvu

vuw

vuuv


Waciwoci wektorw w n-wymia-

rowej przestrzeni rzeczywistej

1.

2.

3.

4.

0aa 0aaa 0

abba )()()( cbcacba aa

Norma Euklidesowa wektora:

n

1i

2

iaaaa

n

1i

iibaba Iloczyn skalarny:

tpwr_1_2014.pdf

Documents