UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

S E M I N A R S K I R A D

Tema: Upravljanje u roboticiPredmet: INDUSTRIJSKI I MOBILNI ROBOTI

Ime i prezime: Šiljić Zaim Broj indeksa: III-218/09Odsjek: MehatronikaDatum: 24.02.2013

1

Sadržaj:

1 Uvod.............................................................................................................................................32 Sistemi upravljanja mobilnim robotima ..........................................................................................4

2.1 Hijerarhiska paradigma........................................................................................................4 2.2 Reaktivna paradigma...........................................................................................................6 2.3 Hibridna paradigma.............................................................................................................7

3 Tipovi upravljanja..........................................................................................................................9 3.1 Upravljanje "tačkapo tačka" (PTP).......................................................................................9

3.2 Upravljanje sa kontinuiranom putanjom (CP)…………………………………………………………………..….…10

4 Popis slika……………………………………………………………………………………………………………………………………..……12

5 Literatura…………………………………………………………………………………………………………………………………….…....13

2

1. UVOD

Da bi robotski sistem, opremljen senzorima i pokretačkim jedinicama, mogao ostvariti željeno kretanje sa krajnjim ciljem izvršenja postavljenog zadatka, potrebno je upravljačko djelovanje. Jedno od temeljnih svojstava robota, s obzirom da savremeno tržište zahtjeva brze odzive proizvođača i raznolikost proizvoda, jeste fleksibilnost, odnosno mogućnost brze prilagodbe novim zadacima. Ovo svojstvo robota je omogućeno, u prvom redu, zahvaljujući upravljanju kompjuterom čiji se program relativno lako mijenja. Jedna od funkcija upravljačkog sistema jeste da omogući uspješnu primjenu robota na različitim zadacima.

3

2. SISTEMI UPRAVLJANJA MOBILNIM ROBOTIMA

Ovo posebno dolazi do izražaja pri radu u neorganiziranim sredinama, kada robot na osnovu informacija prikupljenih sa senzora ima mogućnost donošenja logičkih odluka. Na primjer postoje problemi koji se mogu riješiti pomoću diferencijalnih jednačina u Cartesian-ovom (x,y,z) prostoru, isti problem je možda moguće riješiti jednostavnije pomoću polarnih koordinata (r,θ). Rješenja u oba prostora će biti ista i dati će tačano rješenje ali za neke probleme potrebno je manje rada u polarnom a za neke manje u Cartesian-ovom prostoru. Odabir pravog metoda rješavanja nekog problema čini sam proces rješavanja problema jednostavnijim. Sistemi upravljanja mobilnim robotima nazivaju se još robotičke paradigme (Paradigma je obrazac za model po kojem se nešto gradi, stvara ili rješava Trenutno postoje tri paradigme organizacije upravljanja u robotici: - hijerarhijska, - reaktivna i - hibridna.

2.1 Hijerarhiska paradigma

Hijerarhijska paradigma je najstarija od svih načina upravljanja mobilnim robotima i bila je glavni sistem upravljanja od 1967. do 1990. godine. Ovaj način upravljanja je zasnovan na sličnom principu kako i ljudi razmišljaju „Ja vidim vrata, ja sam odlučio da idem prema vratima i napravio sam skretanje zbog stolice“. Pod hijerarhijskim konceptom robot osjeća svoju okolinu, planira iduće korake i djeluje u skladu sa tim planom. Na slici 1. je prikazan blok dijagram hijerarhijske paradigme. Jedna od dobrih osobina hijerarhijskog načina upravljana jeste što se svi podaci senzora skupljaju na jedno mjesto čime se stvara globalni model okoline mobilnog robota.

Slika 1. Hijerarhijski sistem upravljanja

Hijerarhijski sistem upravljanja se izvodi u slijedećim koracima:

• prvo mobilni robot putem svojih senzora prima informacije o svojoj okolini i konstruiše globalnu mapu okoline,

• onda „zatvorenih očiju“ (bez daljnjeg uzimanja informacija sa senzora) kreira direktive potrebne za dostizanje nekog cilja i

• u zadnjem koraku robot izvršava prvu direktivu.

4

Osjeti Planiraj Djeluj

Nakon što robot izvrši prvu direktivu ili osjeti-planiraj-djeluj sekvencu cijeli postupak se ponavlja iz početka, robot ponovo prima informacije sa senzora, vrši ponovno planiranje direktiva i izvršava prvu direktivu iz novog plana odnosno djeluje.

Kako se vidi sa slike 2 sve senzorske informacije su spojene u „jedan“ podatak na osnovu kojeg se vrši korak planiranja. Ova fuzija podataka se naziva model svijeta (eng. World model).

Slika 2. Drukčiji pogled na hijerarhijsku paradigmu

U hijerarhijskoj paradigmi world model obično sadrži:

• prijašnju sliku okoline mobilnog robota

• informacije sa senzora

• i dodatne informacije koje se dobijaju proračunima informacija sa senzora ili informacije o zadatcima koje robot mora da izvrši.

Roboti izgrađeni prije 1990. godine imali su hijerarhijski stil organizacije upravljanja. Oni su generalno bili razvijeni za specifične aplikacije tako da su bili ne upotrebljivi za bilo koju drugu aplikaciju sem prvobitne. Ova vrsta upravljanja i roboti upravljani pomoću nje su interesantni zato što prikazuju kako su mobilni roboti radili u zadnjih 15-20 godina. Primarna prednost ovog principa upravljanja jeste što je on uspostavljao vezu između senzora, planiranja i djelovanja, logičku vezu sa povratnom spregom. Glavni nedostatak ove metode jeste planiranje, nakon svake sekvence potrebno je osvježiti model okoline što je znatno usporavalo rad mobilnog robota zbog obimnih kalkulacija koje su potrebne. Također, jedna od mana ove vrste upravljanja je što senzori nisu uvijek aktivni nego samo u akciji „osjeti“ senzori daju informacije, što robot isključuje iz upotrebe u veoma dinamičnim okolinama. Reaktivna paradigma je bila reakcija na hijerarhijsku paradigmu i rezultirala je napretkom u robotici. Počela se koristiti 1988. godine i nastavila do 1992. godine i danas se još koristi ali u manjem broju pošto se danas najviše primjenjuje hibridna arhitektura upravljanja.

5

Osjeti DjelujUlaziIzlazi

2.2 Reaktivna paradigma

Razvoj reaktivnog upravljanja je omogućen zahvaljujući dva trenda:

• Jedan od njih je popularni pokret među istraživačima vještačke inteligencije koji istražuju biološke organizme i psihologiju ponašanja.

• Drugi trend koji je omogućio razvoj reaktivnog upravljanje jeste nagli pad cijena hardverskih komponenti i povećanje snage računara, tako simuliranje rada insekata ili žaba je koštalo oko 500 $ a cijena projektovanja već spomenutog mobilnog robota Shakey je 100 000 $.

Reaktivni pristup upravljanu izbacuje proces planiranja u cijelosti i kaže se da je OSJETI - DJELUJ tip organizacije. Kod hijerarhijske paradigme ulazu djeluj je uvijek rezultat planiranja, dok kod reaktivne paradigme ulaz u djeluj će uvijek biti izlaz iz senzora.

Slika 3. Reaktivni princip upravljanja

Postavlja se pitanje, ako su senzori direktno spojeni na aktuatore, da li će robot biti u mogućnosti da radi više od jedne radnje. Roboti zasnovani na ovom principu imaju više veza osjeti-djeluj. Ove veze se nazivaju ponašanje mobilnog robota jer oni u suštini i determiniraju ponašanje mobilnog robota. Na primjer jedno ponašanje može usmjeriti kretanja mobilnog robota naredbom „idi naprijed 5 metara“ da bi došao do cilja, dok drugo ponašanje može izdati naredbu „zaokreni se za 90o“. Da bi izbjegao koliziju, mobilni robot će kombinacijom ovih dvaju naredbi zaokrenuti se za 45o da bi izbjegao koliziju i da bi se nastavio kretati prema cilju mada ni jedna od naredbi nije dala naređenje o zakretanju za 45o. Matematički gledano tako zvana „ponašanja“ ne predstavljaju ništa više od transfer funkcije transformirajući izlaze senzora u ulaz aktuatora. Reaktivni princip upravljanja daje odlične rezultate pri simuliranju rada insekata ali ubrzo postaje jasno da se odbacivanjem planiranja umanjuje primjenjivost ovih robota u društvu. Prema radovima mnogih istraživača vještačke inteligencije, reaktivna paradigma savršeno opisuje ponašanje insekata i nekih životinja ali je slijepa ulica pri pokušaju da se njome opisuje i oponaša ljudska inteligencija. Reaktivna paradigma ima dosta dobrih osobina to se posebno odnosi na brzinu reagovanja robota sa ovim principom upravljanja, koja je

6

Akcije robota

Osjeti

Planiraj

Djeluj

Ulazi

Senzorski podaci

Izmjerena vrijednost

Izlazi

Izmjerene vrijednosti

Naredbe aktuatorima

gotova trenutna. Razvojem reaktivne paradigme razvila se i jedna nova tehnika upravljanja koje se naziva hibridno upravljanje.

2.3 Hibridna paradigma

Hibridna paradigma se pojavljuje prvi puta 1990. godine i danas je u fazi istraživanja. Robot upravljan pomoću hibridne paradigme prvo planira kako da zadatak raščlani na pod zadatke i onda planira ponašanje za izvršavanja svakog pod zadaka.

Slika 4. Hibridni princip upravljanja

Nakon ovog koraka slijedi izvršenje zadataka ali po principu reaktivne paradigme. Ovaj tip upravljanja se naziva P.S-A (eng. Plan, Sense-Act) Planiraj, Osjeti - Djeluj, tačka u nazivu ovog principa upravljanja naglašava da se planiranje odvija na početku procesa a dok se mjerenje i djelovanje odvija istodobno. Proces osjećanja okoline robota pomoću senzora je također hibridan jer se senzorske informacije koriste za akciju osjeti-djeluj ali i za proces planiranja i konstrukciju modela okoline u kojoj radi mobilni robot.

Hibridna struktura upravljanja u sebi sadrži slijedeće objekte ili module:

• Sekventni agent koji generira setove ponašanja koja se koriste po redu u cilju izvršavanja nekog pod zadatka.

• Menadžer resursa koji određuje resurse (informacije) potrebne za određeno ponašanje. Na primjer ako mobilni robot ima sonar, IR senzor i CCD kameru, a svi su sposobni da odrede udaljenost nekog objekta, menadžer resursa određuje kada će se koristi koji od senzora.

• Menadžer resursa koji određuje resurse (informacije) potrebne za određeno ponašanje. Na primjer ako mobilni robot ima sonar, IR senzor i CCD kameru, a svi su sposobni da odrede udaljenost nekog objekta, menadžer resursa određuje kada će se koristi koji od senzora.

• Planer misija, agent koji ima interakciju sa ljudima, pretvara komande operatora u robotu čitljive naredbe i konstruiše plan za izvršavanje istih. Na primjer ako bi operator dao naredbu

7

Akcije robota

Planiraj

Osjeti - Djeluj

Ulazi

Izmjerene vrijednosti i proračunati

podaci

Senzorsi podaci

Izlazi

Direktive

Naredbe aktuatorima

robotu „ Idi do policije“ planer misija bi prvo nastajo da potraži osobu, identifikuje je iz baze podataka bi povukao informacije o tome kako policajac izgleda, ili bi u bazi mogla biti spremljena lokacija mjesta na kojem se nalaze policijski službenici te bi planer misli prvo navigirao mobilnog robota do te lokacije.

• Agent za monitoring performansi i rješavanje problema, ovaj agent omogućava robotu da vidi da li pravi napredak ka ostvarenju nekog zadanog cilja ili ne.

Hibridna arhitektura upravljana se sastoji od:

- reaktivnog i

- savjetodavnog (deliberative) upravljanja.

Reaktivna komponenata upravljanja je organizovana preko ponašanja ali definisanje ponašanja se vrši dosta dublje nego kod čistog reaktivnog upravljanja. Ponašanja se kod ovog tipa upravljanja nazivaju i vještinama te drugim imenima da bi se izbjegla konfuzija sa čisto reaktivnim upravljanima. Hibridno upravljanje također se koristi raznim alatima za kombinaciju upravljanja kao što su: glasanje, fuzzy logika, filtriranje, polja potencijala i dr.

Savjetodavne - Deliberativne komponente upravljanja su obično podijeljene u slojeve a u svakom sloju se nalazi agent koji upravlja nekim od podsistema, tako da se ovdje govori o multi agentnim sistemima. Ovi agenti mogu koristiti zajednički model okoline robota a mogu imati i zasebne modele. Također agenti su zaduženi za održavanje modela okoline gdje se koriste sa prošlim, trenutnim i budućim modelima.

Prošli modeli okoline služe kao baza podataka ili kao polazni element pri održavanja modela okoline.

Trenutni položaj je položaj očitan sa senzora mobilnog robota i na osnovu njega se vrši dalje planiranje akcija mobilnog robota.

Budući model okolne se koristi kao virtualni senzor. Naime, nakon završetka nekog plana ide se u njegovo sprovođene, mobilni robot proračunima ima ideju kako izgleda gotov plan odnosno ima model okoline budućnosti, upravo taj model okoline budućnosti se koristi kao mjerilo za određivanje da li je mobilni robot došao na cilj ili nešto slično CAD inspekciji.

8

3. TIPOVI UPRAVLJANJA

U ovisnosti o nivou sofisticiranosti upravljačke jedinice robotskog sistema, postoje dva tipa upravljanja i to:

• tačka po tačka - PTP (engl. point to point) i

• konturno ili upravljanje sa kontinuiranom putanjom - CP (engl. continuous path).

Navedeni načini upravljanja pojavljuju se i kod NC alatnih mašina.

3.1 Upravljanje "tačkapo tačka" (PTP)

Kod robota tipa "tačka po tačka" trajektorija prihvatnice se definira nizom tačaka koje se nalaze na trajektoriji preko kinematike upravljanih ili vanjskih koordinata. Ukoliko se trajektorija definira preko vanjskih koordinata, upravljačka će jedinica, primjenom inverzne kinematike, izračunati odgovarajuće upravljane koordinate. Što je veći broj tačaka kojima se definira željena trajektorija, to će kretanje prihvatnice biti tačnije. S druge strane, veći broj tačaka znači i veći broj potrebnih izračunavanja, a njihov maksimalan broj određen je raspoloživom memorijom upravljačke jedinice. Između definiranih tačaka, ovisno o tipu robota, kretanje prihvatnice može biti realizirano na različite načine, kao stoje prikazano na sl. 5.

Slika 5. Načini kretanja prihvatnice kod PTP programiranja

U prvom prikazanom slučaju postoji simulatano kretanje u svim osama do postizanja ordinate tačke B, a potom se ostvaruje kretanje samo po jednoj koordinati do dosezanja tačke B. Upravljačka struktura je relativno jednostavna, a kod ovakvog načina upravljanja po osama postoji opasnost dovođenja u koliziju sa kretanjima drugih komponenti, posebno ako je npr. robot sastavni dio fleksibilne proizvodne ćelije koju mogu činiti više NC alatnih mašina i robota.

Slika 6. Načini kretanja prihvatnice kod PTP programiranja

9

U slučaju PTP upravljanja, sl. 6.b, kretanje se ostvaruje najprije po jednoj, pa zatim po drugoj koordinati. Ovo je najduži oblik kretanja, ali je upravljačka jedinica vrlo jednostavna. Kod PTP upravljanja, prikazanom na sl. 6.c, prihvatnica će najbrže, jer se kreće po najkraćoj mogućoj putanji, iz tačke A doći u tačku B. Upravljačka jedinica je složenija nego u prethodna dva slučaja. Mora imati ugrađenu linearnu interpolaciju kojom se utvrđuje brzina kretanja po pojedinim osama tako da se prihvatnica uvijek kreće po pravoj liniji.

3.2 Upravljanje sa kontinuiranom putanjom (CP)

Upravljački sistemi CP tipa upravljaju simulatanim kretanjima pojedinih osa omogućujući da se prihvatnica kreće od jedne do druge tačke manipulacijskog prostora po utvrđenoj zakonitosti. Metod na temelju kojeg upravljački sistemi robota, upravljanjem kretanjima osa pomjera prihvatnicu od jedne do druge programirane tačke naziva se interpolacijom. Interpolator, na osnovu koordinata početne i krajnje tačke, računa određeni broj međutačaka kroz koje će se kretati prihvatnica.

U ovisnosti da li međutačke definiraju pravac, dio kruga ili parabole postoje tri tipa interpolacije i to:

• linearna,

• kružna i

• parabolična.

Najveći broj robota posjeduje linearnu i kružnu (sl. 7.a i b), dok je kod nekih prisutna i parabolična interpolacija.

Slika 7. Tipovi interpolacije, a) linearna, b) kružna, c) parabolična

Linearna interpolacija je najjednostavnija i ostvaruje se po linearnoj zakonitosti:

y = kx + n.

Na osnovu poznatih koordinata početne i krajnje tačke određenog segmenta trajektorije upravljačka jedinica računa koordinate međutačaka. Prolazeći kroz njih ostvaruje se pravolinijsko kretanje. Ukoliko je potrebno realizirati kretanje po krugu, kružnom luku ili nekoj krivolinijskom segmentu trajektorije, dijelovi trajektorije biće aproksimirani pravcima, tako da je krajnja tačka jednog pravolinijskog dijela ujedno prva tačka slijedećeg. Štoje veći broj međutačaka, to će aproksimacija krivolinijske trajektorije biti tačnija, sl. 8.

10

a) b) c)

Slika 8. Primjer linearne interpolacije: a) sa šest segmenata,

b) sa dvanaest segmenata, c) trajektorija koju treba realizirati

Međutim, nedostatak ove interpolacije je potreba za izuzetno velikim brojem međutačaka, što uzrokuje i veliki broj programskih sekvenci. Kod kružne interpolacije kretanje između dvije definirane tačke trajektorije ostvaruje se po kružnom luku, koji se aproksimira malim linearnim segmentima visoke rezolucije. Programom je potrebno definirati koordinate ciljne tačke i radijus kružnog luka. Za izračunavanje međutačaka koristi se jednadžba kruga:

x2+y2=r2.

Ovaj tip interpolacije primjenjuje se kod izvođenja kretanja i po pojedinim segmentima krivolinijske putanje, pri čemu se ti segmenti aproksimiraju kružnim lukovima.

Kod kretanja po slobodnoj krivulji najbolje je primijeniti parabolični interpolator, kod kojeg se pomjeranje odvija po paraboličnoj zakonitosti:

y=k·x2,

Primjenom ovog interpolatora kretanje između tri tačke koje ne leže na pravcu odvijaće se po cijeloj ili dijelu parabole. Odnos broja međutačaka kod linearne i parabolične interpolacije za istu trajektoriju je 50:1.

11

Popis slika

Slika 1. Hijerarhijski sistem upravljanja

Slika 2. Drukčiji pogled na hijerarhijsku paradigmu

Slika 3. Reaktivni princip upravljanja

Slika 4. Hibridni princip upravljanja

Slika 5. Načini kretanja prihvatnice kod PTP programiranja

Slika 6. Načini kretanja prihvatnice kod PTP programiranja

Slika 7. Tipovi interpolacije, a) linearna, b) kružna, c) parabolična

Slika 8. Primjer linearne interpolacije: a) sa šest segmenata, b) sa dvanaest segmenata, c) trajektorija koju treba realizirati

12

Literatura

1. Autorizovana predavanja Dr.sc . Bahrudin Šarić, docent

13