Systemy sterowania robotów - interfejsy, planowanie zadań z zastosowaniem informacji wizyjnej, badanie sterowań.

1.    Streszczenie tematu badawczego ( krótkie ) i pojęcia kluczowe:

W ramach projektu przedstawiono podstawowe problemy robotyki stacjonarnej obejmujące opis robotów stacjonarnych dla potrzeb ich programowania i projektowania układów sterowania. Wynikiem badań w ramach tematu jest metoda obliczania współrzędnych położenia i orientacji układu współrzędnych kamery w układzie odniesienia. Zaprojektowano i wykonano zrobotyzowane stanowisko do skanowania 3D brył. Prowadzone prace w ramach tematu badawczego dotyczyły także modelowania ramienia ludzkiego, jako układu hybrydowego. W pracy przedstawiono wyniki wykorzystania możliwości obliczeniowych kart graficznych w przetwarzaniu wstępnym obrazów. Porównano czasy realizacji przykładowych zadań przetwarzania wstępnego realizowanych z wykorzystaniem procesora głównego i karty graficznej wspierającej technologie CUDA. Innym rezultatem realizacji tematu jest opis konstrukcji mobilnego robota eksperymentalnego typu odwrócone wahadło.

pojęcia kluczowe
planowanie ruchu robotów, sterowanie robotów, laserowe skanowanie, roboty kroczące, ramię ludzkie, systemy i reguły przełączania.

2.    Dyscyplina naukowa:

Automatyka i Robotyka

3.    Symbol pracy:

BK/214/RAU1/2013, zadanie nr 2

4.    Jednostka Uczelni realizująca temat:

Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej

5.    Termin realizacji:

2.01.2013-31.12.2014

6.    Zespół wykonujący:

Dr hab. inż. Szkodny Tadeusz
Dr inż. Aleksander Staszulonek
Dr. inż. Damian Bereska
Dr. inż. Krzysztof Jaskot
Dr. inż. Artur Babiarz

 
STRESZCZENIE TEMATU:

Wynikiem realizacji tego projektu są miedzy innymi publikacje 3 książek i 12 artykułów. W niniejszej pracy przedstawiono książki i kserokopie tych artykułów.

Rozdział 1 stanowią książki: Szkodny T.: Dynamika robotów przemysłowych. Wyd. Pol. Śl. ISBN 978-83-7880-012-5, Gliwice 2013; Szkodny T.: Kinematyka robotów przemysłowych. Wyd. Pol. Śl. ISBN 978-83-7880-134—4. Gliwice 2013; Szkodny T.: Zbiór zadań z podstaw robotyki. Wyd. Pol. Śl. ISBN 978-83-7880-162-7. Gliwice 2013. Przedstawiono w nich podstawowe problemy robotyki stacjonarnej obejmujące opis robotów stacjonarnych dla potrzeb ich programowania i projektowania układów sterowania.

W rozdziale 2 umieszczono kserokopie artykułów: Szkodny T.: Osobliwości kinematyczne współczesnych robotów przemysłowych. Postępy robotyki t.2, str.554-568. Oficyna Wyd. Pol. Warszawskiej. Warszawa 2014 oraz Szkodny T.: Differential kinematics of contemporary industrial robots. Int. Journ. Of Applied Mmechanics and Engineering. Vol. 19, No.3. ISSN 1425-1655, 2014. Artykuły te poświęcone są różniczkowemu opisowi kinematyki współczesnych robotów przemysłowych. Na podstawie tego opisu wyznaczono postać algebraiczną wyznacznika jakobianu, co umożliwiło wyprowadzenie ogólnych formuł na współrzędne naturalne członów w konfiguracjach osobliwych. Dzięki tym formułom możliwe jest bardzo proste omijanie konfiguracji osobliwych, po osiągnięciu których współczesne roboty przemysłowe zawieszają się.

Rozdział 3 zawiera 3 artykuły: Szkodny T.: Calculation of the Location Coordinates of an Object Observed by a Camera. Advances in Inteligent Systems and Computing. Vol. 242. pp.139-151. Springer Int. Publ. Switzerland 2014; Szkodny T.: The Algorithm Camera Computing the Object Location. Lecture Notes in Artificial Intelligence. Vol. 8102, pp.637-648. part.1. Springer. 2013 oraz Jaskot K. Furman Ł. Przetwarzanie wstępne obrazów z wykorzystaniem możliwości obliczeniowych kart graficznych. XVIII Krajowa Konferencja Automatyki, Materiały Konferencji. Artykuł no.5. str.1-10. Wrocław, 8-10 Wrzesień 2014. Problematyka tych artykułów obejmuje metodę obliczania współrzędnych położenia i orientacji układu współrzędnych kamery w układzie odniesienia. Za pomocą tej metody możliwe jest obliczanie współrzędnych położenia i orientacji obiektu manipulacji w układzie odniesienia, na podstawie współrzędnych trzech jego punktów w układzie kamery. Ponadto przedstawiono wyniki wykorzystania możliwości obliczeniowych kart graficznych w przetwarzaniu wstępnym obrazów. Porównano czasy realizacji przykładowych zadań przetwarzania wstępnego realizowanych z wykorzystaniem procesora głównego i karty graficznej wspierającej technologie CUDA.

Rozdział 4 stanowi kserokopia 2 artykułów Szkodny T., Korbela R., Babiarz A.: Zrobotyzowany skaner 3D. XVIII Krajowa Konferencja Automatyki, Materiały Konferencji. Artykuł no.91. str.1-14. Wrocław, 8-10 Wrzesień 2014 oraz Blokesz J., Fortuna T.,Jaskot K. Robot eksperymentalny typu odwrócone wahadło. XIX Krajowa Konferencja Automatyzacji Procesów Dyskretnych, str. 51-59. Zakopane, 17-20 Wrzesień 2014. Rozdział ten prezentuje zrobotyzowane stanowisko do skanowania 3D brył. Stanowisko składa się między innymi z robota KUKA KRC3, lasera liniowego, kamery internetowej USB Logitech C310 i serwonapędu Fastech Ezi-SERVO PR-56M-A. Na podstawie informacji otrzymanych podczas skanowania obiektu będącego wzorcem możliwe jest jego odtworzenie i wielokrotne powielanie. Innym rezultatem jest opis konstrukcji mobilnego robota eksperymentalnego typu odwrócone wahadło. Przedstawiono wykorzystanie czujników przyśpieszenia i prędkości kątowej do pomiaru odchylenia robota. Omówiono zaimplementowany filtr Kalmana. Przedstawiono wyniki działania robota eksperymentalnego w rzeczywistym środowisku.

W rozdziale 5 zamieszczono kserokopie 5 następujących artykułów: Babiarz, A; Klamka, J.; Zawiski, R.; Niezabitowski, M., "An approach to observability analysis and estimation of human arm model," 11th IEEE International Conference on Control & Automation (ICCA), pp.947,952, 18-20 June 2014; Klamka, J.; Czornik, A; Niezabitowski, M.; Babiarz, A, "Controllability and minimum energy control of linear fractional discrete-time infinite-dimensional systems," 11th IEEE International Conference on Control & Automation (ICCA), pp.1210,1214, 18-20 June 2014; Chwila S.; Babiarz  A. ,”Projekt systemu sterowania robotem kroczącym”, Automatyzacja Procesów Dyskretnych Teoria i Zastosowania Tom II, pod redakcją A. Świerniaka i J. Krystek, pp. 61-74, 2014, Gliwice; Babiarz A.; Czornik A.; Klamka J.; Niezabitowski M.; Zawiski R., „The Mathematical Model of The Human Arm as a Switched Linear System”, 19th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR 2014), pp. 508-513, 2014; Babiarz A.; Niezabitowski M.; Zawiski R., „Simulation-based analysis of a linear switched system based on human arm’s dynamics”, 2nd International Conference on Control, Mechatronics and Automation (ICCMA 2014), book series: Applied Mechanics and Materials,w przygotowaniu.
Artykuły te przedstawiają prace związane modelowaniem ramienia ludzkiego, jako układu hybrydowego. Model wspomnianego ramienia można prezentować, jako liniowy układ z przełączeniami, w którym funkcja przełączająca zależy tylko od stanu układu. W wyniku takiego podejścia należy przestrzeń stanów odpowiednio podzielić. W proponowanym modelu układ z przełączeniami składa się z czterech linowych podukładów. Pokazano również, że w niektórych konfiguracjach ramię ludzkie jest obiektem nieobserwowalnym. W ramach prac zaproponowano również algorytmy planowania wzorców chodu dla robota dwunożnego oraz zaprojektowano układ sterowania takiego robota. Dodatkowo powstało stanowisko laboratoryjne pozwalające na programowanie i sterowanie mobilnego robota dwukołowego.

Rozdział szósty zawiera podsumowanie.


Wykaz publikacji będących wynikiem realizacji tematu badawczego:

1.    Szkodny T.: Dynamika robotów przemysłowych. Wyd. Pol. Śl. ISBN. 978-83-7880-012-5, Gliwice 2013.
2.    Szkodny T.: Kinematyka robotów przemysłowych. Wyd. Pol. Śl. ISBN 978-83-7880-134—4. Gliwice 2013.
3.    Szkodny T.: Zbiór zadań z podstaw robotyki. Wyd. Pol. Śl. ISBN 978-83-7880-162-7. Gliwice 2013.
4.    Szkodny T.: Osobliwości kinematyczne współczesnych robotów przemysłowych. Postępy robotyki t.2, str.554-568. Oficyna Wyd. Pol. Warszawskiej. Warszawa 2014.
5.    Szkodny T.: Differential kinematics of contemporary industrial robots. Int. Journ. Of Applied Mmechanics and Engineering. Vol. 19, No.3. ISSN 1425-1655, 2014.
6.    Szkodny T.: Calculation of the Location Coordinates of an Object Observed by a Camera. Advances in Inteligent Systems and Computing. Vol. 242. pp.139-151. Springer Int. Publ. Switzerland 2014.
7.    Szkodny T.: The Algorithm Camera Computing the Object Location. Lecture Notes in Artificial Intelligence. Vol. 8102, pp.637-648. part.1. Springer. 2013.
8.    Szkodny T., Korbela R., Babiarz A.: Zrobotyzowany skaner 3D. XVIII Krajowa Konferencja Automatyki, Materiały Konferencji. Artykuł no.91. str.1-14. Wrocław, 8-10 Wrzesień 2014.
9.    Babiarz, A; Klamka, J.; Zawiski, R.; Niezabitowski, M., "An approach to observability analysis and estimation of human arm model," 11th IEEE International Conference on Control & Automation (ICCA), , pp.947,952, 18-20 June 2014.
10.    Klamka, J.; Czornik, A; Niezabitowski, M.; Babiarz, A, "Controllability and minimum energy control of linear fractional discrete-time infinite-dimensional systems," 11th IEEE International Conference on Control & Automation (ICCA), pp.1210,1214, 18-20 June 2014.
11.    Chwila S.; Babiarz  A. ,”Projekt systemu sterowania robotem kroczącym”, Automatyzacja Procesów Dyskretnych Teoria i Zastosowania Tom II, pod redakcją A. Świerniaka i J. Krystek, pp. 61-74, 2014, Gliwice.
12.    Babiarz A.; Czornik A.; Klamka J.; Niezabitowski M.; Zawiski R., „The Mathematical Model of The Human Arm as a Switched Linear System”, 19th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR 2014), pp. 508-513, 2014.
13.    Babiarz A.; Niezabitowski M.; Zawiski R., „Simulation-based analysis of a linear switched system based on human arm’s dynamics”, 2nd International Conference on Control, Mechatronics and Automation (ICCMA 2014), book series: Applied Mechanics and Materials, in progres.
14.    Jaskot K. Furman Ł. Przetwarzanie wstępne obrazów z wykorzystaniem możliwości obliczeniowych kart graficznych. XVIII Krajowa Konferencja Automatyki, Materiały Konferencji. Artykuł no.5. str.1-10. Wrocław, 8-10 Wrzesień 2014.
15.    Blokesz J., Fortuna T.,Jaskot K. Robot eksperymentalny typu odwrócone wahadło XIX Krajowa Konferencja Automatyzacji Procesów Dyskretnych, str. 51-59. Zakopane, 17-20 Wrzesień 2014.