SYSTEMY STEROWANIA ROBOTÓW – INTERFEJSY,
PLANOWANIE ZADAŃ Z ZASTOSOWANIEM INFORMACJI WIZYJNEJ, BADANIE STEROWAŃ

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

W ramach tematu przedstawiono wyniki badań obejmujące podstawowe problemy robotyki. Badania te zawierają zagadnienia modelowania kinematyki, dynamiki, planowania ruchu, programowania i sterowania robotów przemysłowych.
Opracowanie to zawiera książkę “Podstawy robotyki” oraz kserokopie artykułów opisujących strukturę kinematyczną manipulatora AX-12 Robotic Arm oraz bezzałogowy pojazd podwodny.
Książka “Podstawy robotyki” poświęcona jest podstawowym problemom robotyki obejmującym kinematykę dynamikę, planowanie ruchu, programowanie i sterowanie robotów przemysłowych.
W artykułach poświęconych manipulatorowi AX-12 Robotic Arm, wyprowadzono formuły stanowiące rozwiązanie zadania odwrotnego kinematyki. Artykuły poświęcone bezzałogowemu pojazdowi podwodnemu przedstawiają konstrukcję, panel sterowania oraz układ stabilizacji i utrzymania zadanego kursu.

    słowa kluczowe: robotyka stacjonarna, kinematyka manipulatorów, bezzałogowy pojazd podwodny, algorytm sterowania.

2.    Dyscyplina naukowa:

Automatyka i robotyka

3.    Symbol pracy:    

BK/219/RAU1/2012, zadanie nr 2

4.    Jednostka Uczelni realizująca temat:

Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej, Zakład Sterownia i Robotyki

5.    Termin realizacji:  

02.01.2012-31.12.2013

6.    Zespół wykonujący:

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

Streszczenie projektu    

Wynikiem realizacji tego projektu są między innymi publikacje książki i 5 artykułów. W niniejszej pracy przedstawiono książkę i kserokopie tych artykułów.

Rozdział 1. stanowi książka „Podstawy robotyki”. Ksiązka stanowi ilustrację wykładów z podstaw robotyki prowadzonych przez autora na kierunku automatyka i robotyka na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Pozwala czytelnikowi na zapoznanie się z podstawowymi problemami związanymi z opisem robotów stacjonarnych dla potrzeb ich programowania i projektowania układów sterowania. Zawiera oryginalne ujęcie geometrycznych warunków realizowalności zadanego położenia i orientacji obiektu manipulacji przez manipulatory. Algorytmy obliczeń współrzędnych naturalnych, opisujących wzajemne położenie i orientację członów manipulatora, umożliwiających osiąganie przez manipulator zadanych położeń i orientacji obiektu manipulacji, przedstawiono w postaci schematów blokowych. W prosty sposób ilustruje ideę dynamicznego odprzężenia manipulatorów dla potrzeb sterowania oraz metody obliczania nastaw regulatorów układów sterowania pozycyjnych i siłowych. Omawia podstawowe charakterystyki robotów przemysłowych. Charakteryzuje języki programowania współczesnych robotów przemysłowych za pomocą przykładów. Ponadto charakteryzuje problematykę związaną z tworzeniem systemów programowania off-line współczesnych robotów przemysłowych.

Rozdział 2. zawiera kserokopie 5 artykułów.
W artykułach “Kinematyka manipulatora AX-12 Robotic Arm.”, „The basic component of computational intelligence for AX-12 robotic arm manipulator”, “The inverse kinematics problems of the AX-12 robotic arm manipulator” przedstawiono algorytm rozwiązania zadania odwrotnego kinematyki robotów AX-12 Robotic Arm. Roboty te wyposażone są w manipulatory będące łańcuchami kinematycznymi szeregowymi otwartymi, o czterech stopniach swobody. Wyprowadzono formuły opisujące położenie i orientację członu roboczego względem podstawy manipulatora. Przedstawiono opis analityczny przestrzeni roboczej położeń wynikający z wymiarów geometrycznych członów i zakresów zmian współrzędnych wewnętrznych robota. Następnie wyprowadzono równanie kluczowe, opisujące podprzestrzeń położeń i orientacji manipulatorów AX-12 Robotic Arm. Wyprowadzono także 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. Na podstawie tego opisu kinematyki opracowano program komputerowy KinodwrAX12 obliczeń współrzędnych naturalnych członów. Program ten stanowi podstawowy składnik przyszłej inteligencji komputerowej tych robotów. Może być dołączony do algorytmów sterowania, zaimplementowanych do sterowników tych robotów. Pozwoli sterować tymi robotami z zastosowaniem systemu wizyjnego. System będzie wyznaczał współrzędne zewnętrzne zauważonego obiektu manipulacji. Po wyznaczeniu przez system współrzędnych zewnętrznych obiektu manipulacji program KinodwrAX12 umożliwi zbadanie, czy jest on możliwy do osiągnięcia. Jeśli obiekt będzie zanurzony w przestrzeni roboczej to  robot automatycznie osiągnie 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.
W artykułach „Prototyp bezzałogowego pojazdu podwodnego - panel operatora” oraz “Prototyp bezzałogowego pojazdu podwodnego – układ stabilizacji i utrzymania zadanego kursu” przedstawino konstrukcję mechaniczną bezzałogowego prototypu zdalnie sterowanego pojazdu podwodnego. W stanie obecnym, operator posiada możliwość płynnego poruszania i manewrowania zarówno w płaszczyźnie poziomej (zmiana kierunku geograficznego, przemieszczanie się z punktu do punktu) jak i pionowej (zmiana głębokości zanurzenia). Solidna konstrukcja gwarantuje odporność na uszkodzenia mechaniczne, a ergonomicznie zaprojektowany panel operatora, zapewnia wygodną i intuicyjną obsługę wszystkich modułów. Przedstawiają także moduły układu sterowania bezzałogowego zdalnie sterowanego pojazdu podwodnego służące do stabilizacji kursu oraz utrzymywania danego kierunku ruchu. Opisują proste algorytmy sterowania oraz prezentują weryfikację założonych warunków na rzeczywistym obiekcie. W algorytmach sterowania wykorzystano informację pochodzącą od akcelerometrów, czujników ciśnienia oraz elektronicznego kompasu.

W rozdziale trzecim przedstawiono podsumowanie.

Wykaz publikacji będących wynikiem realizacji projektu badawczego:

1. Szkodny T.: Podstawy robotyki. Wydawnictwo Pol. Śl. ISBN 978-83-7335-  945-1, Gliwice 2012.
2. Szkodny T.: Kinematyka manipulatora AX-12 Robotic Arm. Postępy Robotyki, t2, s. 357-370. Warszawa: Oficyna Wydaw. Politechniki Warszawskiej, 2012.
3. Szkodny T.: The Basic Component of Computational Intelligence for AX-12 Robotic Arm Manipulator. Lecture Notes in Computer Science; vol. 7508,s. 277-288, Berlin: Springer, 2012.
4. Szkodny T.: The Inverse Kinematics Problem of AX-12 Robotic Arm Manipulator. Int. J. Appl. Mech. Eng. vol. 17 no. 3, s. 991-1002, 2012.
5. Sroka M., Ściegienka P., Babiarz A., Jaskot K.: Prototyp bezzałogowego pojazdu podwodnego - panel operatora. Przegl. Elektrotechn. ISSN, 0033-2097, R.89,. Nr. 8/2013, str.52-67.
6. Sroka M., Ściegienka P., Babiarz A., Jaskot K.: Prototyp bezzałogowego pojazdu podwodnego – układ stabilizacji i utrzymania zadanego kursu. Przegl. Elektrotechn. ISSN, 0033-2097, R.89,. Nr. 9/2013, str.205-217.