SYSTEMY STEROWANIA ROBOTÓW – INTERFEJSY,
PLANOWANIE ZADAŃ, BADANIE STEROWAŃ

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

W ramach tematu przedstawiono wyniki badań obejmujące modelowanie kinematyki robotów przemysłowych, prototypową konstrukcję uniwersalnego chwytaka napędzanego przewodami Nitinolu, konstrukcję robota kroczącego oraz system mikroprocesorowy sterowania robotem mobilnym. Badania te zawierają zagadnienia modelowania kinematyki manipulatorów robotów przemysłowych na potrzeby sterowania robotów, z zastosowaniem informacji wizyjnej o stanie otoczenia robota. Do modelowania zastosowano macierze jednorodne. Metody opisu kinematyki przedstawiono, na przykładzie manipulatorów z czterema, pięcioma i sześcioma stopniami swobody, z napędami pośrednimi. Są to odpowiednio manipulatory PR-02, IRb-6, IRb-60 i IRB-1400. Przedstawiono również opis konstrukcji robota kroczącego i jego kinematykę prostą, stanowiący pierwszy etap badania zastosowań wzorców chodu. Ponadto opisano system mikroprocesorowy do sterowania robotem mobilnym, stanowiący istotny element stanowiska do badania różnych algorytmów sterowania grupą robotów mobilnych realizujących wspólny cel. Zaprezentowany został także projekt chwytaka wraz z analizą kinematyki i sił. Porównano teoretyczne parametry pracy z rzeczywistymi pochodzącymi z przeprowadzonych badań zbudowanego mechanizmu.

    słowa kluczowe: modelowanie kinematyki robotów, algorytmy kinematyki odwrotnej robotów, konstrukcja robotów kroczących, projektowanie mikrokomputerowych systemów sterowania robotami mobilnymi, konstrukcja chwytaków, sztuczna inteligencja robotów.

2. Dyscyplina naukowa:

    Automatyka i robotyka

3. Symbol pracy:

    BK-218/RAu1/2009, zadanie nr 2

4. Jednostka Uczelni realizująca temat:

    Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej

5. Termin realizacji:

    02.01.2009-31.12.2009

6. Zespół wykonujący:

Dr hab. inż. Tadeusz Szkodny
Dr inż. Artur Babiarz    
Dr inż. Krzysztof Jaskot
Mgr inż. Marcin Lubiński


Opis projektu:

W ramach tego projektu opublikowano podręcznik i 4 artykuły.
Rozdział 1 stanowi podręcznik „Kinematyka robotów przemysłowych” Podręcznik ten ilustruje zagadnienia modelowania kinematyki manipulatorów robotów przemysłowych na potrzeby sterowania robotów, z zastosowaniem informacji wizyjnej o stanie otoczenia robota. Do modelowania zastosowano macierze jednorodne. Metody opisu kinematyki przedstawiono, na przykładzie manipulatorów z czterema, pięcioma i sześcioma stopniami swobody, z napędami pośrednimi. Są to odpowiednio manipulatory PR-02, IRb-6 oraz IRb-60. Podręcznik ujęto na podstawie notatek opracowanych przez autora, do wykładu z przedmiotu układy manipulacyjne robotów przemysłowych, dla studentów na semestrze VII specjalności robotyka, na kierunku automatyka i robotyka, na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki, Politechniki Śląskiej w Gliwicach. W rozdziałach 2, 3, 4 tego podręcznika przedstawiono opis zadania prostego kinematyki manipulatorów z przykładami rozwiązań tych zadań. Na podstawie tego opisu w rozdziałach 5,6,7  podręcznika opracowane zostały rozwiązania zadań odwrotnych kinematyki. Dla manipulatorów PR-02 i IRb-6 opracowano opis ich podprzestrzeni za pomocą równań kluczowych, stanowiących warunki geometryczne konieczne istnienia rozwiązań zadania odwrotnego kinematyki. Przytoczono interpretacje geometryczne każdej formuły na współrzędne naturalne członów. Interpretacje te łącznie z zakresami dopuszczalnych zmian umożliwiły analizę wielokrotności rozwiązań dla współrzędnych naturalnych członów. Opracowano także opis analityczny przestrzeni roboczych położeń manipulatorów oraz schematy blokowe algorytmów rozwiązywania zadania odwrotnego kinematyki w postaci globalnej. Zastosowanie schematów blokowych ilustrują przykłady obliczeń współrzędnych naturalnych manipulatorów rozważanych w podręczniku, z badaniem zanurzenia punktów zadanych w przestrzeni roboczej. Podręcznik w rozdziale 8 przedstawia postać różniczkową opisu kinematyki manipulatorów. Do opisu zastosowano jednorodne macierze przekształceń różniczkowych. Przedstawiono metodę tworzenia macierzy jakobianów analitycznych. oraz opisu różniczkowego podprzestrzeni na przykładzie manipulatorów PR-02 i IRb-6. W rozdziale 9 podręcznika zilustrowano zespoły przenoszenia napędów i wyznaczono formuły wiążące współrzędne siłowników ze współrzędnymi członów manipulatorów. Rozdział 10 podręcznika poświęcony jest ilościowym kinematycznym charakterystykom manipulatorów.

Rozdział 2 zawiera kserokopie 4 artykułów.
W artykule “Basic Component of Computational Intelligence for IRB-1400 Robots” przedstawiono algorytm rozwiązania zadania odwrotnego kinematyki. Roboty te wyposażone są w manipulatory będące łańcuchami kinematycznymi szeregowymi otwartymi, o sześciu stopniach swobody. Wyprowadzono formuły opisujące położenie i orientację członu roboczego względem podstawy manipulatora. Następnie wyprowadzono formuły analityczne na współrzędne naturalne członów, zależne od zadanych współrzędnych zewnętrznych członu roboczego. W formułach tych uwzględniono rozwiązania wielokrotne skończone. Przeanalizowano konfiguracje osobliwe i dla nich wyprowadzono formuły na współrzędne naturalne członów, dające nieskończoną liczbę rozwiązań. Algorytm rozwiązywania zadania odwrotnego kinematyki może stanowić podstawowy składnik przyszłej inteligencji komputerowej tych robotów. Rozwiązywanie zadania odwrotnego kinematyki polega na obliczaniu współrzędnych naturalnych siłowników dla zadanych współrzędnych zewnętrznych obiektu manipulacji. Algorytm ten może być dołączony do algorytmów sterowania, zaimplementowanych do sterowników tych robotów. Pozwoli to na sterowanie tych robotów z zastosowaniem systemu wizyjnego. System będzie wyznaczał współrzędne zewnętrzne zauważonego obiektu manipulacji. Wyznaczone przez system współrzędne zewnętrzne obiektu manipulacji umożliwią manipulatorowi osiąganie go, bez wcześniejszego fizycznego doprowadzenia go do tego obiektu, jak to jest przy programowaniu robotów uczeniem, bez systemu wizyjnego i bez algorytmu rozwiązywania zadania odwrotnego kinematyki.
Artykuł „ Chwytak napędzany materiałem z pamięcią kształtu (Ni-Ti)” przedstawia projekt chwytaka napędzanego Nitinolem wraz z analizą kinematyki i sił. W artykule zamieszczone zostały wzory umożliwiające wyliczenie położenia szczęk chwytnych oraz pochylenia poszczególnych platform. Zaprezentowany został schemat ramienia chwytaka z rozkładem wektorów oraz model 3D chwytaka w specjalistycznym oprogramowaniu. Porównano teoretyczne parametry pracy z rzeczywistymi pochodzącymi z przeprowadzonych badań zbudowanego mechanizmu. Realne skrócenie przewodu Nitinolowego ukształtowało się na poziomie tylko 2,4%. Wartość ta jest o 40% mniejsza od deklarowanej przez producenta. Przeprowadzono symulacje różnych sposobów zasilania.
W artykule „The Kinematics and Design Biped Robot” przedstawiono kinematykę robota kroczącego o 14-tu stopniach swobody. Dodatkowo praca zawiera główne założenia dotyczące konstrukcji mechanicznej robota. W celu realizacji wzorców chodu robot został wyposażony w czujniki siły nacisku, które mogą służyć do wykrywania przeszkód znajdujących się na podłożu, po którym robot się porusza. Praca zawiera również opis układu sterowania oraz układu pozwalającego na pozyskiwanie informacji z zastosowanych czujników.
W artykule „New Design of Multiagent System” przedstawiono problem sterowania grupą robotów mobilnych tzw. systemów wieloagentowych, z wykorzystaniem architektury sterowania RoBS – Robot Based System. W pracy porównano działanie nowego systemu z poprzednią wersją bazująca na architekturze RBS – Remote Brainless System. Roboty mobilne zbudowane są z wykorzystaniem dwóch silników prądu stałego oraz wyposażone w mikrokontroler z rdzeniem ARM7 i moduł komunikacji radiowej 2.4GHz. W pracy przedstawiono również system wizyjny do wyznaczania pozycji i orientacji robotów oraz opisano protokół komunikacji między robotami.

Rozdział trzeci zawiera podsumowanie.

 

Publikacje będące wynikiem realizacji projektu:

1.  Szkodny T.: Kinematyka robotów przemysłowych. Skrypt nr. 2436. Wydawnictwo Pol. Śl. Gliwice 2009.
2. Szkodny T.: Basic Component of Computational Intelligence for IRB-1400 Robots. Advances in Intelligent and Soft Computing 59, Man-Machine Interactions. Springer-Verlag p.637-646. Berlin 2009.
3. Lubiński M.: Chwytak napędzany materiałem z pamięcią kształtu (Ni-Ti). PAK. Nr. 9, s.737-739, 2009.
4. Babiarz A. , Jaskot K.: The Kinematics and Design Biped Robot. Int. Carpatian Control Conf. ICCC’2009, Zakopane, Poland.
5. Babiarz A. , Jaskot K.: New Design of Multiagent System. Int. Carpatian Control Conf. ICCC’2009, Zakopane, Poland.