SYSTEMY STEROWANIA ROBOTÓW – INTERFEJSY,
PLANOWANIE ZADAŃ, BADANIE STEROWAŃ

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

W ramach tematu przedstawiono wyniki badań obejmujące: a) modelowanie kinematyki współczesnych robotów przemysłowych i projektowanie programów sterujących ich ruchem, b) sterowanie pojazdem autonomicznym poruszającym się w terenie przy pomocy odbiornika GPS oraz innych sensorów.
Badania te zawierają zagadnienia modelowania kinematyki manipulatorów na potrzeby sterowania robotów z zastosowaniem informacji wizyjnej o stanie otoczenia robota, z uwzględnieniem opisu przestrzeni roboczej i konfiguracji osobliwych. Do modelowania zastosowano macierze jednorodne. Szczegółowy opis kinematyki z uwzględnieniem przestrzeni roboczej przedstawiono dla manipulatora KUKA KRC3. Przedstawiono również charakterystykę projektu pojazdu zdolnego do autonomicznego poruszania się w terenie tylko przy pomocy odbiornika GPS oraz innych sensorów, którego zadaniem jest osiąganie kolejnych punktów przelotowych zadanych przez operatora.

    słowa kluczowe: modelowanie kinematyki robotów, algorytmy kinematyki odwrotnej robotów, platformy mobilne, mikrokontrolery, komunikacja bezprzewodowa, czujniki.

2. Dyscyplina naukowa:

    Automatyka i robotyka

3. Symbol pracy:

    BK-221/RAu1/2010, zadanie nr  2

4. Jednostka Uczelni realizująca temat:

    Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej

5. Termin realizacji:

    02.01.2010-31.12.2010

6. Zespół wykonujący:

Dr hab. inż. Tadeusz Szkodny
Dr inż. Artur Babiarz
Dr inż. Krzysztof Jaskot

Opis projektu badawczego

Wynikiem realizacji projektu są opublikowane 3 artykuły. Kserokopie tych artykułów zamieszczono w tej pracy.

    Rozdział 1 stanowi kserokopię artykułu Inverse Kinematics Problem of IRB, FANUC, Mitsubishi, Adept and KUKA Series Manipulators. International Journal of Applied Mechanics and Engineering. Vo. 15, No.3, pp. 847-853. University Press, Zielona Góra, Poland 2010. Przedstawiono w nim ogólne formuły stanowiące rozwiązania zadania prostego i odwrotnego kinematyki w postaci globalnej współczesnych robotów przemysłowych. 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 stanowi podstawowy składnik przyszłej inteligencji komputerowej tych robotów. Rozwiązywanie zadania odwrotnego kinematyki polega na obliczaniu współrzędnych naturalnych manipulatora 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.
    Ponadto algorytm ten umożliwia usunięcie wad oprogramowania sterowników takich współczesnych robotów jak Kawasaki, KUKA, czy Adept. Wady te polegają na zawieszaniu się programów sterujących w położeniach osobliwych manipulatorów, napisanych z zastosowaniem komend programowania w przestrzeni zewnętrznej, dostarczonych przez producentów tych robotów.
    Rozdział 2 to kserokopia artykułu Kinematyka robota KUKA KRC3. Prace Naukowe s. Elektronika z.175. s. 357-368. Politechnika Warszawska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2010. Artykuł przedstawia algorytm rozwiązywania zadania prostego i odwrotnego kinematyki robota KUKA KRC3. Sterowniki robota KUKA KRC3 umożliwiają programowanie ruchu za pomocą języka KRL(KUKA Robot Language). Do programowania w przestrzeni zewnętrznej możemy zastosować komendy PTP, LIN, i CIRC. W komendach tych należy zdefiniować punkty końcowe. Punkty te mogą zdefiniowane za pomocą współrzędnych naturalnych członów lub współrzędnych zewnętrznych w układzie bazowym robota (ROBROOT). Dla punktów końcowych zauważonych przez kamerę wygodnie jest definiować je za pomocą współrzędnych zewnętrznych. Przy realizacji tak zaprogramowanego ruchu zdarza się, że robot zatrzymuje się przed osiągnięciem zdefiniowanego punktu końcowego. Zatrzymanie to następuje gdy manipulator osiągnie konfigurację osobliwą lub gdy element wykonawczy osiągnie powierzchnię graniczną przestrzeni roboczej. Jest to wada oprogramowania robota uniemożliwiającą poprawną współpracę robotów KUKA KRC3 z kamerami.
Wadę tę usunięto dzięki algorytmowi rozwiązywania zadania odwrotnego kinematyki przedstawionemu w tym artykule. W algorytmie tym uwzględniono rozwiązania wielokrotne dla konfiguracji osobliwych manipulatora oraz ograniczenia przestrzeni roboczej. Na podstawie tego algorytmu studenci Politechniki Śląskiej, Wydziału Automatyki, Elektroniki i Informatyki w Instytucie Automatyki na specjalności Robotyka napisali program CKinematyka KRC3, który zaimplementowali do sterownika robota KUKA KRC3. Ponadto zintegrowali z tym sterownikiem inteligentną kamerę NI 1742. Dzięki tej kamerze robot może samodzielnie osiągać zauważone obiekty manipulacji, bez konieczności wcześniejszego doprowadzania manipulatora do tego obiektu.
Zaimplementowany program CKinematyka KRC3 wraz ze sprzężoną kamerą stanowi podstawę do projektowania w przyszłości własnego oprogramowania sterownika, niezależnie od producenta robotów. Rozwój tego oprogramowania umożliwi utworzenie komputerowej inteligencji robota.
W rozdziale trzecim umieszczono kserokopię artykułu Autonomus Mobile Platform. 11-th Int. Carpatian Control Conf. ICCC’2010, Eger, Hangary. Przedstawiono budowę autonomicznej platformy jezdnej z możliwością pracy w terenie otwartym. Jako element jezdny wykorzystano model samochodu RC z napędem spalinowym. W celu realizacji autonomiczności, platforma została zmodyfikowana w sposób pozwalający na montaż wyposażenia pokładowego. W skład wyposażenia pokładowego weszły układy elektroniczne takie jak: układ sterowania wykorzystujący mikrokontroler z rdzeniem ARM, układ pomiaru temperatury silnika oraz pomiaru drgań konstrukcji. Dodatkowo wykorzystano system GPS, który umożliwił realizację zadanej trasy przejazdu. W skład systemu pokładowego weszły także moduły radiowe realizujące komunikację pomiędzy platformą jezdną a stanowiskiem operatora (monitoring parametrów pracy układu). Prezentowana konstrukcja została przetestowana w rzeczywistym środowisku – model pojazdu kołowego z silnikiem spalinowym, na którym umieszczono system pomiarowy.
    Metodologia zaproponowana w projekcie badawczym może być zastosowana do zbierania oraz analizy sygnałów z różnego typu czujników zainstalowanych na platformie mobilnej. Tak zebrane dane mogą posłużyć do opracowania nowych algorytmów sterujących oraz weryfikacji już istniejących. Ponadto dane te mogą być wykorzystane do lokalizacji poruszających się obiektów.
Rozdział czwarty zawiera podsumowanie.

Publikacje będące wynikiem realizacji projektu:

1. Szkodny T.: Kinematyka robota KUKA KRC3. Prace Naukowe s. Elektronika z.175. s. 357-368. Politechnika Warszawska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2010.
2. Szkodny T.: Inverse Kinematics Problem of IRB, FANUC, Mitsubishi, Adept and KUKA Series Manipulators. International Journal of Applied Mechanics and Engineering. Vo. 15, No.3, pp. 847-853. University Press, Zielona Góra, Poland 2010.
3. Babiarz A., Jaskot K.: Autonomus Mobile Platform. 11-th Int. Carpatian Control Conf. ICCC’2010, Eger, Hangary.