Roboty Robot: aktywny, sztuczny agent dzia lajacy w świecie fizycznym (nie wirutalnym, a wi ec nie symulator software owy). Rodzaje robotów: manipulatory inaczej robotyczne ramiona, przytwierdzone do miejsca pracy i posiadajace pewna liczb e przegubów, które moga wykonywać niezależne (cz eściowo) ruchy; manipulatory sa najcz estsz a konstrukcja robotów przemys lowych, ale stosuje si e je również w innych zastosowaniach, takich jak wspomaganie chirurga w czasie operacji, albo wykonywanie prac w przestrzeni kosmicznej, roboty mobilne poruszaja si e za pomoca kó l, nóg, gasienic, śmigie l, śrub nap edowych, lub innych mechanizmów; bywaja używane do transportu (np. w halach fabrycznych, szpitalach, itp.), inspekcji (np. w ciasnych pomieszczeniach lub niebezpiecznych środowiskach), i innych zastosowań, jak np. opylania upraw, rozminowywania, i in. Istnieja również roboty mobilne z manipulatorami, a także roboty humanoidalne, robotyczne protezy, i jeszcze inne rodzaje robotów. Wst ep do robotyki podstawy 1
Roboty autonomiczne Robot autonomiczny: samodzielnie funkcjonuje i podejmuje decyzje w oparciu o jakieś zaprogramowane zadanie, z wykorzystaniem sensorów dostarczajacych mu informacji o otoczeniu. Trudności z budowaniem robotów autonomicznych: wyścig robotów DARPA 13 marca 2004 mia l polegać na pokonaniu 142-milowej trasy przez pustyni e Mojave w Californii w czasie poniżej 10 godzin (poczatkowo planowano 250 mil). Tylko na przejechaniu si e po bezdrożach! Najlepszy pojazd w wyścigu przejecha l 7 mil!! Ale w październiku 2005 drugi wyścig robotów DARPA ukończy lo już pi eć pojazdów. Wygra l pojazd zbudowany w uniwersytecie Stanforda przejecha l tras e d lugości 131.6 mil w 6 godzin, 53 minut, i 58 sekund, ze średnia pr edkości a 30 km/h. Wst ep do robotyki podstawy 2
Efektory robotów Efektor: element robota, którym może on sterować by dzia lać. Efektory moga być używane do przemieszczania robota, czyli lokomocji, albo do przemieszczania obiektów w środowisku robota, czyli manipulacji. Aktuator: element wykonawczy efektora, który zamienia podejmowane decyzje, polecenia programowe, i ostatecznie sygna ly elektryczne albo inne, na rzeczywisty ruch. Poza aktuatorami efektory posiadaja zwykle enkodery, czyli mierniki ruchu. Po laczenie enkoderów z aktuatorami w p etli sprz eżenia zwrotnego pozwala osiagać duże dok ladności ruchu, typu setnych cz eści milimetra, nieosiagalne dla cz lowieka. Wst ep do robotyki efektory 3
Efektory robotów (cd.) Zwykle jeden efektor realizuje jeden rodzaj ruchu robota, lub jego cz eści, i nazywamy to pojedynczym stopniem swobody. Tak zwany manipulator stanfordzki posiada sześć stopni swobody pi eć obrotowych i jeden liniowy: P R R R R R Po lożenie każdego ze stopni swobody robota wyznacza jego stan kinematyczny. Uwzgl ednienie dodatkowo aktualnej pr edkości ruchu każdego stopnia swobody wyznacza stan dynamiczny robota. Wst ep do robotyki efektory 4
Wst ep do robotyki efektory 5
Roboty nieholonomiczne Liczba stopni swobody sterowanych przez robot może nie być równa rzeczywistej liczbie stopni swobody jego ruchu. Na przyk lad samochód porusza si e z trzema stopniami swobody: po lożenie w dwuwymiarowej przestrzeni, plus orientacja katowa. Jednak sterować można tylko dwoma stopniami swobody: obroty kó l przek ladaj ace si e na ruch do przodu (z grubsza), oraz obroty kierownicy. Roboty, których liczba sterowanych stopni swobody jest mniejsza niż liczba rzeczywistych stopni swobody ich ruchu nazywane sa nieholonomicznymi. Sterowanie robotami nieholonomicznymi jest trudniejsze niż robotami holonomicznymi. Z kolei konstrukcja robota w pe lni holonomicznego jest na ogó l bardziej skomplikowana (i droższa) niż podobnego robota nieholonomicznego. Typowo manipulatory sa holonomiczne a roboty mobilne nieholonomiczne. Wst ep do robotyki efektory 6
Percepcja robotów odczyty enkoderów efektorów robota stanowia podstawowe źród lo informacji dla robota; na przyk lad, zliczajac sumaryczne obroty kó l ma on pewne poj ecie o przebytej drodze, choć niestety, niezbyt dok ladne ze wzgl edu na poślig i dryf czujniki nacisku: si ly i momentu si ly (np. robot o udźwigu 1 tony wkr ecaj acy żarówk e) czujniki dotykowe sonary: mierza odleg lości od obiektów na podstawie odbicia impulsu ultradźwi ekowego czujniki laserowe - mierza dok ladne odleg lości punktowe pozwalajac konstruować mapy g l ebokości inne urzadzenia pozycjonujace jak np. GPS kamery wideo Wst ep do robotyki percepcja 7
Wizja Podstawowe transformacje obrazów wizyjnych: wykrywanie kraw edzi segmentacja trójwymiarowa analiza sceny: określanie punktów krytycznych, gradientów tekstury, map odbić i cieniowania, etykietowanie linii analiza obrazów w ruchu Problemy z analiza informacji wizyjnej: kosztowna obliczeniowo niezb edne przetwarzanie w czasie rzeczywistym duża niepewność Informacja wizyjna w świecie robotów jest k lopotliwym i zawodnym środkiem percepcji. Jednak dla ludzi jest to jeden z najważniejszych i najbardziej niezawodnych zmys lów (poza dotykiem). Wynika to z zastosowania przez nich wyrafinowanych algorytmów, lacz acych przetwarzanie zst epuj ace z wst epuj acym. Wst ep do robotyki percepcja 8
Planowanie ruchu przestrzeń konfiguracyjna Manipulator o dwóch stopniach swobody porusza si e w przestrzeni 2-D, tzw. przestrzeni roboczej (po lewej). Przejście z po lożenia c 1 do c 2 wymaga zaplanowania z lożonego ruchu, który trudno przedstawić ze wzgl edu na przeszkody. Przestrzeń konfiguracyjna tego manipulatora (rysunek prawy) wyznaczona przez jego stopnie swobody pozwala na znalezienie trajektorii. Wst ep do robotyki planowanie ruchu 9
Zwykle zadanie dla robota jest sformu lowane w przestrzeni roboczej, podczas gdy parametry ruchu musza być określane w przestrzeni konfiguracyjnej. Transformacja z przestrzeni konfiguracyjnej do roboczej zwykle latwiejsza nazywa si e zadaniem kinematyki, podczas gdy transformacja odwrotna na ogó l trudniejsza z przestrzeni roboczej do konfiguracyjnej nazywa si e odwrotnym zadaniem kinematyki. Dla przyk ladowego manipulatora 2-D istnieja na ogó l dwa stany w przestrzeni konfiguracyjnej odpowiadajace jednemu po lożeniu chwytaka w przestrzeni roboczej. Dla typowego manipulatora z wieloma stopniami swobody na ogó l istnieje nieskończenie wiele takich po lożeń, zatem rozwiazanie zadania odwrotnej kinematyki jest na ogó l niejednoznaczne. Wst ep do robotyki planowanie ruchu 10
Nawigacja i planowanie ruchu dekompozycja komórkowa modele szkieletowe metody ograniczania b l edów wykorzystanie landmarków metody on-line Wst ep do robotyki planowanie ruchu 11
Planowanie ruchu dekompozycja komórkowa Dekompozycja przestrzeni konfiguracyjnej robota z dwoma stopniami swobody na pionowe pasy trajektoria musi mieścić si e w szarych obszarach: Wst ep do robotyki planowanie ruchu 12
Planowanie ruchu modele szkieletowe Grafy widoczności: Wst ep do robotyki planowanie ruchu 13
Planowanie ruchu modele szkieletowe Diagramy Voronoi a: Wst ep do robotyki planowanie ruchu 14
Planowanie ruchu metody ograniczania b l edów W poniższym przyk ladzie robot ma w lożyć pr et do otworu. Ze wzgl edu na niepewność realizacji ruchu, może on zakończyć si e w jednym z po lożeń wewnatrz stożka niepewności: Wst ep do robotyki planowanie ruchu 15
Kombinacja dwóch ruchów eliminuje niepewność: Wst ep do robotyki planowanie ruchu 16
Nawigacja z wykorzystaniem landmarków W pobliżu landmarków robot może określić swoje po lożenie dok ladnie. Po wejściu w obszar landamrku D 1 robot może określić swoje po lożenie, i przez wsteczna propagacj e po lożenia punktu docelowego wyznaczyć wspó lrz edne nast epnego odcinka ruchu. Wst ep do robotyki planowanie ruchu 17
Planowanie on-line Zadaniem robota jest przejście od punktu S do G, i wyznaczy l on w tym celu prostoliniowa tras e l. Po napotkaniu przeszkody w punkcie Q robot objeżdża ja dooko la (w oboj etnym kierunku), i po powrocie do punktu Q może wyznaczyć punkt P 0, z którego powinien kontynuować przemieszczanie si e w kierunku celu (co wi ecej, wie również z której strony b edzie mu bliżej omijać przeszkod e). Wst ep do robotyki planowanie ruchu 18
Architektura oprogramowania robotów architektura klasyczna: poziom wysoki: analiza zadania, planowanie dzia lań poziom pośredni: planowanie prostych ruchów, znajdowanie ścieżek w środowisku poziom niski: sterowanie efektorami automaty sytuacyjne: automatyczna generacja automatu skończonego odwzorowujacego dane sensoryczne na akcje, brak jawnego wnioskowania, budowania modelu środowiska, itp. planowanie behawioralne wnioskowanie o zachowaniu si e obiektów planowanie akcji na środowisku identyfikacja obiektów monitorowanie zachodzacych zmian budowanie mapy otoczenia eksploracja środowiska w lóczenie si e omijanie przeszkód Wst ep do robotyki planowanie ruchu 19
Zastosowania robotów autonomicznych produkcja przemys lowa i rolnictwo transport i magazynowanie wspomaganie cz lowieka w ci eżkich pracach fizycznych, pracach wymagajacych dużej dok ladności, itp. trudno dost epne i niebezpieczne środowiska, np. czyszczenie rur kanalizacyjnych (od wewnatrz), rozbrajanie bomb, zadania zwiazane ze skażeniami środowiska, wykonywanie prac pod woda eksploracja, np. przestrzeni kosmicznej, w czasie dzia lań wojennych, itp. opieka zdrowotna: operacje chirurgiczne, teleoperacje, opieka nad ludźmi starszymi, inwalidami, pomoc w chodzeniu, opieka socjalna, itp. wspomaganie cz lowieka: prace domowe (odkurzanie, koszenie), sprzatanie miejsc publicznych protezy rozrywka Wst ep do robotyki planowanie ruchu 20
Ćwiczenie praktyczne Zbuduj model robota sk ladajacy si e z czterech osób: Mózg opracowuje plany dzia lania, steruje ruchami Rak, i otrzymuje informacje o otoczeniu od Oczu; Mózg jeden zna postawione robotowi zadanie, Oczy dostarczaja informacji Mózgowi w postaci opisów sceny, w dowolnie wybranej (ale s lownej) formie; Oczy nie wiedza jaki jest cel dzia lań robota ani jakie polecenie otrzymuja R ece, R ece wykonuja proste polecenia otrzymane od Mózgu, polecenia określaja tylko geometri e ruchu, czyli kierunki i odleg lości, lub katy obrotu; R ece nie wiedza nic co mówia oczy ani co usi luje osiagn ać Mózg; co wi ecej, musza wykonywać swoje czynności na ślepo, nie patrzac na swoje r ece. Za pomoca tego modelu wykonaj jakaś prosta czynność, na przyk lad przestaw przemiot z biurka na pó lk e, albo nalej soku z dzbanka do szklanki. Wst ep do robotyki planowanie ruchu 21