Robotika. Alapok. Helfenbein Tamás

Robotika Alapok

Helfenbein Tamás [email protected]

Tartalom • Bevezető ▫ ▫ ▫ ▫

Robotok felépítése Alkalmazási területek Szabadságfok Robotok típusai

• Robotok modelljei

▫ Robotok kinematikai modellje ▫ Robotok dinamikai modellje

• Robotok irányítása

• • • •

▫ Csuklók szabályozása ▫ Szabályozás típusai ▫ Erőirányítási módszerek

Pályatervezés Útvonaltervezés és navigáció Robot szoftverarchitektúrák és -platformok Szimulációs platformok

Bevezető • Robot – „Robota” ▫ Szláv eredetű szó ▫ Jelentése: szolgamunka, munka

• Irányított mechanizmus ▫ Képes feladatok végrehajtására

• Irányítás ▫ Emberi irányítás ▫ Autonóm robot

Bevezető • Alkalmazási területek ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫

Ipari környezetben – festés, rakodás, hegesztés… Mezőgazdaság – betakarítást végző autonóm robotok Bányászat - bányászrobotok Szállítás – mobilrobotok Veszélyes környezet – kockázatcsökkentés Felfedezés és felkutatás - kutatórobotok Egészségügy, ápolás, személyi kiszolgálás – műtőrobotok ▫ Hadászat - drónok ▫ Szórakozás - robotfoci ▫ Életminőség javítás - exoszkeleton

Miből áll a robot? • Irányított mechanizmus ▫ Előírható pályán mozog ▫ Előírható pálya mentén vagy annak pontjaiban meghatározott feladatokat lát el

• Elvi felépítés ▫ Szegmensek ▫ Csuklók kapcsolják össze ezeket (joint) ▫ Végberendezés (end effector)

• Csuklók típusai ▫ Rotációs ▫ Transzlációs

Miből áll a robot? /2 • Mechanikai szerkezet

▫ Váz, összekapcsoló mechanika ▫ Tengelyek, szíjak, meghajtó motorok, stb.

• Érzékelők

▫ Belső és külső

 Belső: saját helyzet, állapot és annak változásának mérése  Külső: környezet paraméterének mérése: tapintás, látás, stb.

▫ Aktivitás szerint

 Aktív: ultrahang, lézerscanner …  Passzív: kamera, enkóder…

• Beavatkozók

▫ Pozícióváltozáshoz

 Elektromos, hidraulikus, pneumatikus motor

▫ Környezet megváltoztatása

 Végberendezés: Megfogó szerkezet, festékszóró, stb..

Szabadságfok • Szabadságfok minden olyan irány, melyben a robot mozogni képes (DoF, Degree of Freedom) • Merev, szabadon mozgó robot: 6 DoF = 3 pozíció + 3 orientáció • (a) 6 DoF Stanford kar • (b) 3 DoF mobil robot

Szabadságfok /2 • Szabadságfokok lehetnek redundánsak • Effektív szabadságfok: ▫ leírható vele az állapot

• Irányítható szabadságfok • Az irányítható szabadságfok lehet kisebb, mint az effektív szabadságfok • Holonomikus robot: a két érték megegyezik

Robotok típusai • Helyváltoztatás ▫ Fix: helyváltoztatásra nem képes ▫ Mobil: helyváltoztatásra képes

• Elágazás ▫ Elágazás nélküli  Pl. egyszerű robotkar

▫ Elágazással rendelkező

• Lánc zártsága ▫ Nyílt láncú ▫ Zárt láncú

• Merevség

Robotok modelljei • Kinematikai modell ▫ Geometria  A robot geometriai helyzetét, állapotát írja le  Pozíció és orientáció

▫ Differenciális mozgás  Sebességek, statikus erők

• Dinamikai modell ▫ Összefüggések:  Tömeg és inercia paraméterek  Erők és nyomatékok  Mozgás

Robotkar kinematikája • Nyílt láncú robotok esetén a szegmensek és csuklók számozhatók ▫ Kar (arm): 0,1,2,3 ▫ Csukló (wrist): 4, 5, 6 ▫ Kézfej (hand): végberendezés

Pozíció és orientáció • Merev esetben ▫ Geometriai kényszerek adódnak ▫ Tekintsük minden helyzetet egy-egy keretnek (Descartes-féle derékszögű koordinátarendszernek) ▫ Geometriai transzformációkkal jellemezhető az iedikből (i+1)-edik

Pozíció és orientáció /2 • Pozíció

▫ Descartes-féle koordináták

• Orientáció megadása ▫ Euler-szögek

 forgatás: z, y’, z’’

▫ RPY szögek

 Csavarás (roll), billentés (pitch), forgatás (yaw)  forgatás: z, y’, x’’

▫ Kvaterniók

 adott tengely körüli elforgatás: egyértelmű (0.. π)  Forgatás 2α szöggel u tengely körül  sinα + cosα u

Pozíció és orientáció /3 • Transzformáció a szomszédos szegmensek közt

▫ Homogén koordináták ▫ Denavit-Hartenberg alak ▫ Csukló tengely iránya z irány ▫ E mentén  Eltolás: d  Forgatás: 

• Végberendezés helyzete

▫ Transzformációk sorozata ▫ Transzformációs gráf

Kinematikai feladatok • Direkt geometriai feladat ▫ Adott: csuklók állapota, robot kinematikai modellje ▫ Keresett: végberendezés helyzete (pozíció és orientáció) ▫ Megoldás  Transzformációk alkalmazása

Kinematikai feladatok /2 • Inverz geometriai feladat: a pályatervezés alapja ▫ Adott: végberendezés pozíciója és a robot kinematikai modellje ▫ Keresett: csuklókoordináták, azaz a csuklók pozíció alapjelei ▫ Megoldás  Dekompozíció: speciális esetben  Független egyenletek keresése

▫ Problémák

 Redundáns szabadságfokok  Végtelen megoldás  Reprezentáció miatt nincs jó megoldás bizonyos pozíciókban (kvaterniók jobbak)

Differenciális mozgás leírása • Csuklókoordináták és világkoordináták lokális linearizálása • Ez csuklókoordináta (munkapont) függő • A dinamikai modellhez is elengedhetetlen • Leírja a kapcsolatot a ▫ Csuklókoordináták hatására ▫ Világkoordinátában történő elváltozás

Differenciális mozgás leírása • Jacobi mátrix ▫ A Jacobi mátrixszal leírható egy adott csuklópozícióban az adott csuklókoordináta változásának hatása a végberendezés helyzetére ▫ Munkapont függő! ▫ Számítható felhasználásával a TCP (tool center point):  Sebességek, gyorsulások  Külső erők hatása

Differenciális feladatok • Direkt (differenciális) feladat ▫ A csuklókoordináták változásának, csuklósebességek, csuklógyorsulások hatására  Elmozdulás, szögelfordulás számítása  Sebesség, szögsebesség számítása  Gyorsulás, szöggyorsulás számítása

▫ Megjegyzés: munkapont függő!

Differenciális feladatok /2 • Inverz (differenciális) feladat ▫ A TCP világkoordinátákban mért elmozdulás, sebesség, gyorsulás segítségével  Csuklókoordináták változásának számítása  Csuklósebességek számítása  Csuklógyorsulások számítása

▫ Megjegyzés: munkapont függő!

Külső erők hatása • Számítás a Jacobi mátrix segítségével lehetséges • Bemenet: munkapontban a Jacobi mátrix, külső erők eredője ▫ Erőmérés

• Kimenet: terhelés a csuklókon

Dinamikai modell • Mozgó robot teljes leírása (nemlineáris rendszer) • Csuklókra ható összes erő figyelembevétele ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫

Csukló meghajtó nyomaték Tehetetlenségi nyomaték Centrifugális erő Coriolis erő Gravitációs erő Meghajtás tehetetlensége, súrlódás Egyéb erők: rugók, stb.

▫ ▫ ▫ ▫

Newton-Euler (Newton axiómák és perdület-tétel) Euler-Lagrange (kinetikus és potenciális energia) Appel egyenletek (gyorsulás-energia) Renaud módszer (fiktív test helyettesítés, momentumok, NewtonEuler módszer)

• Módszerek

Dinamikai modell /2 • Elemei ▫ Gyorsító nyomaték  Rendszer inerciamátrix (H)  i=j esetén motor gyorsító nyomatéka  i<>j esetén a többi csukló gyorsításának hatása

▫ Centrifugális és Coriolis erők (h)  j=k
▫ Gravitációs erő (G) ▫ Külső erők

Robotok irányítása • Mozgás irányítása ▫ Betanítás  Pontok

▫ Folytonos pálya  Fontos: pálya követése

▫ Pont-pont irányítás  Fontos: pálya megtervezése, pálya követése

• Hogyan jutunk el A helyzetből B helyzetbe? • Mit tudunk irányítani/vezérelni?

Robotok irányítása /2 • Mit tudunk vezérelni? ▫ Motor, motorvezérlő adottságaitól is függ ▫ A motor képességeinek megfelelő vezérlési/szabályozási struktúra keresése ▫ Szabályozás

• Hogyan tudjuk eljuttatni A helyzetből B helyzetbe? ▫ Meg kell tervezni a pályát -> Pályatervezés

Csuklók szabályozása • Tipikus szervóhajtás egy csuklón ▫ Elektromotor tengely hajtását végzi ▫ Szabályozási szintek  Nyomaték szabályozás  Sebesség szabályozás (fordulatszám)  Pozíció szabályozás (szögelfordulás/helyzet)

▫ Lehetséges alapjelek  Előírt nyomaték  Előírt csuklósebesség  Előírt csuklókoordináta

Csuklók szabályozása /2

Irányítási módszerek • Végberendezés vagy csuklók? ▫ Irányítás előírt pálya mentén csuklókoordinátákban  Csuklók paraméterei alapján ( nyomaték, sebesség, pozíció) nem elégítik ki az igényeket

▫ Irányítás végberendezés pozíciója alapján, világkoordinátákban  Mérés  Alapjel azonban azonos  Ezért inverz feladatot kell megoldani

Irányítási módszerek /2 • Minél magasabb szintű feladatokat lehet a motorvezérlők • Decentralizáltság foka a motorvezérlő egységekben ▫ Pozíció szabályozás ▫ Fordulatszám szabályozás ▫ Nyomaték szabályozás

• Centralizált szabályozó ▫ A modellek további részeit futtatja ▫ Erő irányítás ▫ Adaptív irányítási módszerek

Decentralizált pozíciószabályozás • A központi vezérlő pozíció alapjeleket küld • Pozíció szabályozás a szervomotorokban • Követelmények ▫ Jó követési tulajdonságok ▫ Külső erők kompenzálása (zavarjel)

Decentralizált pozíciószabályozás /2 • Betanítás ▫ Pontok felvétele ▫ Interpoláció ún. pályatervezéssel  Csuklókoordináták szerint  Világkoordináták szerint

Decentralizált fordulatszám szabályozás • Pozíció szabályozást a központi vezérlő végzi ▫ Világ vagy csuklókoordináták szerinti

• Fordulatszám alapjelet küld • RMC: Resolved Motion Control ▫ ▫ ▫ ▫

Direkt geometriai feladat Munkapontfüggő Jacobi mátrix! Számolás világkoordinátákban Maximális áram korlátra figyelni kell

Decentralizált nyomaték szabályozás • Hajtások nyomatékszabályozást végeznek • Központi vezérlő közvetlen nyomaték alapjeleket adhat • Típusok ▫ Csuklónként PID szabályozás ▫ Előre számolt nyomatékok módszere (CTC)

Decentralizált nyomaték szabályozás /2 • Csuklónként PID szabályozás • Nem veszi figyelembe a kölcsönhatásokat • A szabályozó más munkapontban másképp viselkedhet

Decentralizált nyomaték szabályozás /3 • Előreszámított nyomatékok módszere ▫ ▫ ▫ ▫

CTC: Computed Torque Control Dinamikai modellt használja, hibával kiegészítve Cél a teljes dinamikai hiba minimalizálása Alapjel képzése csuklókoordinátákban  Pozíció  Sebesség  Gyorsulás

Decentralizált nyomaték szabályozás /4 • (Előre)számított nyomatékok ▫ RMAC: resolved motion acceleration control  Világkoordinátákban mért hibajelekkel dolgozik

• Gravitáció kompenzálás ▫ Csak a gravitációs komponensek kellenek a CTC-be

Erőirányítási módszerek • Alapelvek

▫ Kontaktus erő hatására ellenerő keletkezik ▫ Továbbterjed a csuklókra ▫ Engedékenységi centrum számítása: kontaktus síkja, pozícióeltéréshez

• Osztályozás hibajel alapján ▫ ▫ ▫ ▫

Merevség irányítás Csillapítás irányítás Impedancia irányítás Implicit irányítások: merevség és impedancia ▫ Erőirányítás ▫ Hibrid pozíció és erőirányítás  Operációs tér módszer

Erőirányítási módszerek /2 • Merevség irányítás

▫ pozíció eltérés a hibajel

• Csillapítás irányítás ▫ sebesség eltérés a hibajel

• Impedancia irányítás ▫ sebesség és pozíció eltérés a hibajel

• Implicit irányítások: merevség és impedancia ▫ Nincs direkt erőmérés ▫ Pozíció szabályozással dolgozunk

Erőirányítási módszerek /3 • Erőirányítás • Hibrid pozíció és erő szabályozás ▫ erőkifejtés, ▫ előírt erő korlátok, ▫ nyomaték korlátok

• Erőkifejtés specifikált irányokban, tárgy síkjának számítása • Általában

▫ Külön pozíció és erő szabályozási körök ▫ Egy irányban egy típusú szabályozás  Pozíció vagy (S)  Erő és nyomaték (I-S)

Erőirányítási módszerek /4 • Hibrid pozíció és erő szabályozás

Erőirányítási módszerek /5 • Operációs tér módszer

▫ Az operációs térben képzett jelek ▫ Operációs térbe transzformálás

Adaptív irányítás • Pontatlan ismeretek ▫ Robot paraméterei ▫ Megemelt tömeg

• Típusok ▫ Modellreferenciás adaptív irányítás (MRAC)  Referenciamodell szerinti szabály adaptáció

▫ Önhangoló adaptív irányítás  Irányítási törvények online adaptációja

Pályatervezés • A mozgás megtervezése ▫ Pont-pont munkavégzéshez  Időben optimális odajutás  Energia minimalizálás  Legrövidebb út

▫ Kötött pályán mozgásnál  Idő optimalizálása

Pályatervezés /2 • Technikák:

▫ Interpolációs technikák ▫ Sebességek előírása adott pontban (sebességprofil)

• Nehézségek

▫ Megvalósítható-e a pálya? ▫ Pozíció elérhető? ▫ Pontok, köztes pozíciók nem ütköznek végállásba? ▫ Sebességek elérhetők? ▫ Sebességek simasága? ▫ Motorok túlterhelése? ▫ Ütközés? ▫ Biztonsági tartalékok?

Pályatervezés /3 • Bemenet: cél koordináta (világ vagy csukló) • Kimenet: Mit írhat elő a pályaterv? ▫ Interpolált pontok halmaza ▫ Ezekben vett    

Sebesség Gyorsulás Szögsebesség Szöggyorsulás

Pályatervezés /4 • Egyváltozós eset ▫ Megállítással  Sebesség zérus a végpontban

▫ Megállítás nélkül  Nemfolytonos gyorsulás  Folytonos gyorsulás: simább futás

Pályatervezés /5 • Többváltozós eset ▫ Pályatervezés csuklókoordinátákban  Sarokpontok  Csuklókoordinátákban adottak vagy  Világkoordinátákban ▫ átszámoljuk őket (inverz geometriai feladat)

 Interpoláció kritériumok szerint  Maximális sebesség, gyorsulás figyelembevétele  Lehetőleg folytonos gyorsulás

 Csuklókoordinátákban közel lineáris mozgás  Világkoordinátákban nem feltétlen egyenes mozgás  Mindig adott T időn belül hajtható végre az adott mozgás

Pályatervezés /6 ▫ Pályatervezés világkoordinátákban    

Sarokpontok világkoordinátákban adottak Alkalmazás kritikus esetekben Egyenes mozgás megvalósítható Sebesség, gyorsulás, szögsebesség, szöggyorsulás mennyiségek számítandók

▫ Nehezítő körülmények mindkét esetre  Mozgó célpont (pl. futószalag, stb.)  Változik a cél/sarokpont helyzete

Útvonaltervezés és navigáció • Mobilrobotok esetén elengedhetetlen • Ipari robotok esetében általában a pálya adott, a feladat határozza meg • Azonban több esetben a pályatervezés bemenő sarokpontjait is meg kell határozni

Útvonaltervezés és navigáció /2 • Osztályozás

▫ Szabad tér ▫ Foglalt tér ▫ Biztonsági tér

• Ismert és lehetséges akadályok is szűkíthetik a szabad teret • Magasabb szintű réteg szükséges • Módszerek

▫ Celladekompozíciós módszerek ▫ Szkeletonizációs módszerek ▫ Potenciáltér alapú módszerek

Robot szoftverarchitektúrák ▫ Sok a hardverfüggő architektúra ▫ Eltérő absztrakciós szintek ▫ Driver/OS  Driverek (szenzor, aktuátor, kommunikáció, stb.)  Hardver absztrakció (HAL)  Operációs rendszer

▫ Platform  Adatfeldolgozó  Szenzorfúzió (pl. ütközés)  Paraméterbecslő (pl. helyzet, kinematika)

▫ Algoritmus  Pályatervező  Mozgástervező  Eseménykezelő (pl. ütközéselkerülés)

▫ Magas szint  Feladatkezelő és ütemező  Feladatértelmező és feldolgozó

▫ Felhasználói interfész

Robot szoftverarchitektúrák /2 • Átviteli rendszer ▫ Topológia

 Elágazásos  Hurkos

▫ Technológia

 Jelek, jelszintek

▫ Csatlakozási módok

• Átviteli módok ▫ ▫ ▫ ▫

Adatszerkezetek Jelentések Hibafelismerés Szinkronizáció

• Szemantika

▫ Ábrázolás és jelentés

Robot szoftverplatformok • Példák ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫

ROS Player, YARP, Orocos, CARMEN, Orca, MOOS, Microsoft Robotics Studio.

Robot szoftverplatformok • Microsoft Robotics Studio (MRS)

▫ Windows alapú, .NET, REST (Representational State Transfer ) ▫ Távoli vezérlés megoldható  LAN, WiFi, BT

▫ Elemei

 CCR - Concurrency and Coordination Runtime  DSS - Decentralized Software Services  VPL - Visual Programming Language  VSE - Visual Simulation Environment

Robot szoftverplatformok • MOOS (Mission Oriented Operating Suite) ▫ Cross-platform, C++ ▫ PubSub (Publish-Subscribe model) ▫ Elemei     

Core: kommunikáció és vezérlés Essential: processz kontroll, loggolás, stb Graphical: vizuális kezelés Matlab NavigationAndControl

Robot szoftverplatformok • Ocra

▫ Open-source, komponens alapú ▫ Cross-platform, de alapvetőeen Linuxos ▫ PubSub alapok

• CARMEN (Carnegie Mellon Robot Navigation Toolkit) ▫ Mobilrobotokhoz ▫ Open-source ▫ Szenzorkezelés, lokalizáció, üzenetkezelés, logolás, IPC kommunikáció, processzkezelés ▫ C és Java támogatás

Robot szoftverplatformok • YARP (Yet Another Robot Platform) ▫ C++ alapú ▫ Nyelv portabilitás: SWIG ( Java, Perl, Python, C#) ▫ Algoritmus és kommunikáció szeparálása: Observer tervezési minta ▫ Különböző hálózati protokollok (TCP, UDP) ▫ Driver, kommunikációs interfészek

Robot szoftverplatformok • ORCOS (Open Robot Control Software) ▫ Orcos Toolchain

 Valósidőben konfigurálható komponensek  Multiplatform, más rendszerekhez kapcsolható (pl. ROS)  Szkriptelés

▫ Kinematics and Dynamics Library (KDL) ▫ iTaSC (instantaneous Task Specification using Constraints)  Irányítás formalizálása

▫ Bayesian Filtering Library

Robot szoftverplatformok • Player ▫ Cross-platform szerver robotvezérléshez, roboton fut ▫ Szenzorok, aktuátorok interfészei ▫ Nyelvek kliens oldalon: C++, Tcl, Java, Python ▫ ActivMedia Pioneer 2 ▫ Szimulátorok:  Stage: 2D, mobilrobotokhoz  Gazebo: önálló projekt lett

Robot szoftverplatformok • ROS (Robot Operating System) ▫ Nem operációs rendszer ▫ Szoftver eszközök a robotfejlesztéshez ▫ Kommunikáció    

PubSub Távoli eljáráshívás Visszajátszás Elosztott paraméterkezelés

▫ Robot

 Üzenetek  Leírás, geometria (URDF)  Könyvtárak vezérléshez, pozícióbecsléshez, diagnosztikához, logoláshoz

▫ Vizualizáció (rviz)

Szimulációs környezetek • Hasznosak az algoritmusok vizsgálatához, gyors prototípus fejlesztéshez • Fizikai motorokat használnak ▫ ODE (Open Dynamics Engine)  Gazebo, LpzRobots, Marilou, Webots

▫ PhysX  Microsoft Robotics Studio

• Valós 3D vizualizáció ▫ 3D modellezővel tervezhető környezet

• Szkriptelési lehetőségek eltérőek ▫ C, C++, Perl, Python, Java, URBI, MATLAB

Szimulációs környezetek • Gazebo

Szimulációs környezetek • Stage

Szimulációs környezetek • MS Robotics Studio

Szimulációs környezetek • Webots (cyberbotics) ▫ Linux, Win, Mac

Köszönöm a figyelmet!

Helfenbein Tamás [email protected]

Irodalom • Lantos Béla – Robotok irányítása • Scmidt István, Vincze Gyuláné, Veszprémi Károly - Villamos Szervo- és Robothajtások