ZASTOSOWANIE METOD PRZETWARZANIA I ANALIZY OBRAZU W OPTYMALIZACJI RÓWNAŃ RUCHU CZTERONOŻNEGO ROBOTA KROCZĄCEGO

Podobne dokumenty
ZASTOSOWANIE METOD PRZETWARZANIA I ANALIZY OBRAZU W PROCESIE KALIBRACJI OPROGRAMOWANIA STERUJĄCEGO PRZEGUBAMI ROBOTA KROCZĄCEGO

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

Roboty przemysłowe. Wprowadzenie

Podstawy robotyki wykład III. Kinematyka manipulatora

Rozszerzony konspekt przedmiotu Inteligentne maszyny i systemy

2.9. Kinematyka typowych struktur manipulatorów

Egzamin 1 Strona 1. Egzamin - AR egz Zad 1. Rozwiązanie: Zad. 2. Rozwiązanie: Koła są takie same, więc prędkości kątowe też są takie same

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Podstawy robotyki - opis przedmiotu

Kinematyka manipulatora równoległego typu DELTA 106 Kinematyka manipulatora równoległego hexapod 110 Kinematyka robotów mobilnych 113

Efekty kształcenia na kierunku AiR drugiego stopnia - Wiedza Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej

Mechanika Robotów. Wojciech Lisowski. 5 Planowanie trajektorii ruchu efektora w przestrzeni roboczej

Ogłoszenie. Egzaminy z TEORII MASZYN I MECHANIZMÓW dla grup 12A1, 12A2, 12A3 odbędą się w sali A3: I termin 1 lutego 2017 r. godz

MODEL MANIPULATORA O STRUKTURZE SZEREGOWEJ W PROGRAMACH CATIA I MATLAB MODEL OF SERIAL MANIPULATOR IN CATIA AND MATLAB

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Podstawy Robotyki Określenie kinematyki oraz dynamiki manipulatora

Rozwiązanie: I sposób Dla prostego manipulatora płaskiego można w sposób klasyczny wyznaczyćpołożenie punktu C.

Wykład Ćwiczenia Laborat orium. Zaliczenie na ocenę

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

Laboratorium z Napęd Robotów

Manipulator OOO z systemem wizyjnym

Proste układy wykonawcze

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Wprowadzenie do robotyki

Silnik prądu stałego. Sterowanie silnika prądu stałego

PL B1. Sposób regulacji prądu silnika asynchronicznego w układzie bez czujnika prędkości obrotowej. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Rok akademicki: 2015/2016 Kod: RME s Punkty ECTS: 12. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Kinematyka manipulatorów robotów

- WALKER Czteronożny robot kroczący

PRACA PRZEJŚCIOWA SYMULACYJNA. Zadania projektowe

Jakobiany. Kinematykę we współrzędnych możemy potraktować jako operator przekształcający funkcje czasu

MCAR Robot mobilny z procesorem AVR Atmega32

MODEL MANIPULATORA O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wprowadzenie do robotyki

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

ANALIZA KINEMATYKI MANIPULATORÓW NA PRZYKŁADZIE ROBOTA LINIOWEGO O CZTERECH STOPNIACH SWOBODY

Lista zagadnień kierunkowych pomocniczych w przygotowaniu do egzaminu dyplomowego magisterskiego Kierunek: Mechatronika

ROBOT MOBILNY ZBIERAJĄCY INFORMACJE O POMIESZCZENIU

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Paweł Pełczyński ppelczynski@swspiz.pl

UKŁADY WIELOCZŁONOWE Z WIĘZAMI JEDNOSTRONNYMI W ZASTOSOWANIU DO MODELOWANIA ZŁOŻONYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

Zagadnienia egzaminacyjne AUTOMATYKA I ROBOTYKA. Stacjonarne I-go stopnia TYP STUDIÓW STOPIEŃ STUDIÓW SPECJALNOŚĆ

WIZUALIZACJA I STEROWANIE ROBOTEM

TEORIA MECHANIZMÓW I MANIPULATORÓW

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Teoria Maszyn i Mechanizmów

Spis treści. Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wyznaczanie sił w przegubach maszyny o kinematyce równoległej w trakcie pracy, z wykorzystaniem metod numerycznych

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

ROBOTYKA. Odwrotne zadanie kinematyki - projekt.

Modelowanie i symulacja II Modelling and Simulation II. Automatyka i Robotyka II stopień ogólno akademicki studia stacjonarne

ANALIZA OBCIĄŻEŃ JEDNOSTEK NAPĘDOWYCH DLA PRZESTRZENNYCH RUCHÓW AGROROBOTA

Notacja Denavita-Hartenberga

Funkcjonowanie i budowa modelu układu regulacji temperatury. Jakub Rotkiewicz AIR 2018

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Tematy prac dyplomowych inżynierskich realizacja semestr zimowy 2016 kierunek AiR

Zastosowanie procesorów AVR firmy ATMEL w cyfrowych pomiarach częstotliwości

Zygmunt Wróbel i Robert Koprowski. Praktyka przetwarzania obrazów w programie Matlab

Podstawy robotyki wykład I. Wprowadzenie Robot i jego historia

Roboty przemysłowe. Cz. II

Struktura manipulatorów

Wizja maszynowa w robotyce i automatyzacji Kod przedmiotu

MATEMATYKA KLASA II LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCEGO

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Definiowanie układów kinematycznych manipulatorów

Zastosowanie silników krokowych jako napęd robota mobilnego

MODEL STANOWISKA DO BADANIA OPTYCZNEJ GŁOWICY ŚLEDZĄCEJ

Kalibracja robotów przemysłowych

Manipulatory i roboty mobilne AR S1 semestr 5

Bezczujnikowe sterowanie SPMSM

Laboratorium Podstaw Robotyki ĆWICZENIE 5


Podstawy Automatyki. Wykład 7 - obiekty regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Zapytanie ofertowe nr 1/06/2016

System automatycznego odwzorowania kształtu obiektów przestrzennych 3DMADMAC

Zajęcia fakultatywne z matematyki (Wyspa inżynierów) Dodatkowe w ramach projektu UE

PL B BUP 13/ WUP 01/17

2. Wprowadzenie do zagadnień obliczania zmian położenia środka ciężkości ciała oraz odzyskiwania energii podczas chodu fizjologicznego

Automatyka i Robotyka II stopień ogólno akademicki

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA AUTOMATYKI. Robot do pokrycia powierzchni terenu

Karta (sylabus) modułu/przedmiotu Mechatronika Studia pierwszego stopnia. Podstawy robotyki Rodzaj przedmiotu: Zaliczenie Język wykładowy:

Modelowanie biomechaniczne. Dr inż. Sylwia Sobieszczyk Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny KMiWM 2005/2006

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY III

Modelowanie i Wizualizowanie 3W grafiki. Łańcuchy kinematyczne

Symulacja pracy silnika prądu stałego

ANALIZA KINEMATYCZNA PALCÓW RĘKI

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Sterowanie układem zawieszenia magnetycznego

Technologie informacyjne - wykład 12 -

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Aktory

Problemy optymalizacji układów napędowych w automatyce i robotyce

Planowanie wirtualnych ścieżek ruchu systemu motion control

Systemy wbudowane. Paweł Pełczyński

Projekt i wykonanie robota klasy Micromouse

Kinematyka robotów mobilnych

Laboratorium Podstaw Robotyki ĆWICZENIE 4

Transkrypt:

ZASTOSOWANIE METOD PRZETWARZANIA I ANALIZY OBRAZU W OPTYMALIZACJI RÓWNAŃ RUCHU CZTERONOŻNEGO ROBOTA KROCZĄCEGO Katarzyna Gospodarek Instytut Informatyki Teoretycznej i stosowanej, Politechnika Częstochowska 1

PLAN PREZENTACJI Opis konstrukcji wykorzystywanego stanowiska badawczego. Związek pomiędzy generowaniem ruchu maszyny kroczącej i zagadnieniami związanymi z kinematyką układu. Metody analizy i przetwarzania obrazów wykorzystane do identyfikacji położenia kluczowych punktów konstrukcji. Struktura zaimplementowanego oprogramowania. Prezentacja wyników przeprowadzonych analiz. 2

WYKORZYSTYWANY UKŁAD ROBOTYCZNY Jest to rzeczywisty prototyp prostego robota czteronożnego (ang. quadruped robot). Zastosowane pary kinematyczne należą do V klasy co oznacza, że charakteryzuje je jeden stopień swobody. W stawach biodrowym i kolanowym zastosowano przeguby obrotowe. 3

PODSTAWOWE ELEMENTY KONSTRUKCJI ARDUINO MEGA 2560, ŹRÓDŁO [W1] Jako układ sterujący wykorzystywana jest płytka developerska oparta o mikrokontroler ATmega2560. Posiada ona w sumie 54 wejść/wyjść cyfrowych, z czego 14 może pracować w trybie PWM oraz 16 wejść analogowych. Dostępna pamięć to 256 KB pamięci Flash, która może zostać wykorzystywana przez programy i 8 KB pamięci RAM. Procesor pracuje z prędkością 16 MHzczyli cykl wykonywany jest co 62.5 ns. 4

PODSTAWOWE ELEMENTY KONSTRUKCJI Podstawowe parametry: Prędkość 0,15s/60. Moment: 1,8 kg*cm(4,8v), 2,2 kg*cm(6,6v). Wymiary: 22,8 x 12,2 x 28,5 mm. Masa: 13,4g. Napięcie zasilania: 4,8V~6,6V. SERWO TOWERPRO MG90S, ŹRÓDŁO [W2] Budowa serwomechanizmu opiera się o zwykły silnik prądu stałego z dodatkowymi przekładniami oraz układem sterującym. Układ sterujący ustawia wał w zależności od długości impulsu na linii serującej próbkowanego co 20 ms. W większości przypadków wał serwomechanizmu może przyjmować pozycje kątowe z zakresu 0-180 stopni. 5

KINEMATYKA Podczas pracy nad algorytmem odpowiadającym za ruch jakiegokolwiek układu robotycznego, podstawowym elementem pracy są zagadnienia związane z kinematyką danego układu. W przypadku generowania ruchu wykorzystywane jest zarówno proste jak i odwrotne zadanie kinematyki. DIAGRAM ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY PROSTYM I ODWROTNYM ZADANIEM KINEMATYKI [W4]. 6

KINEMATYKA SCHEMAT MANIPULATORA PODWÓJNE WACHADŁO Kinematyka analizowanej konstrukcji, ze względu na podobieństwo budowy, może być rozpatrywana w podstawowym zakresie w sposób charakterystyczny dla manipulatorów. Schemat konstrukcji nogi wykorzystywanego układu robotycznegojest zgodny ze schematem konstrukcji bardzo prostego manipulatora typu podwójne wahadło, zbudowanego z dwóch ramion i dwóch przegubów obrotowych. 7

KINEMATYKA Prostym (bezpośrednim) zadaniem kinematyki nazywane jest zadanie polegające na odnalezieniu zależności położenia i orientacji efektora manipulatora od konfiguracji jego przegubów. Powszechnym w robotyce sposobem reprezentacji kinematyki manipulatorów jest notacja DH (notacja Denavita i Hartenberga). DIAGRAM ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY PROSTYM I ODWROTNYM ZADANIEM KINEMATYKI [W3]. 8

PROSTE ZADANIE KINEMATYKI Transformacja układu nr i-1 w układ o nr i opisywana jest przy pomocy złożenia elementarnych obrotów i przesunięć [2]. Zaproponowany przez Denavitai Hartenbergaalgorytm wyznaczania kinematyki polega na związaniu z każdym przegubem lokalnego układu współrzędnych i prowadzi do wyliczenia kinematyki manipulatora jako złożenia tych transformacji. 9

DEFINICJA KINEMATYKI MANIPULATORA Definicja kinematyki manipulatora typu podwójne wahadło według notacji DH, przy oznaczeniach s12 = sin(q1+q2) i c12 = cos(q1+q2) [2]. 10

ODWROTNE ZADANIE KINEMATYKI Schemat manipulatora dwuczłonowego, Źródło [W3]. Z punktu widzenia sterowania manipulatora ważniejszym zagadnieniem jest zadanie polegające na odnalezieniu zależności odwrotnej do tej wyznaczanej w prostym zadaniu kinematyki. Czyli wyznaczenie takiej konfiguracji przegubów, która zapewni osiągnięcie przez efektor zadanego położenia. 11

ODWROTNE ZADANIE KINEMATYKI Przykład gdy zadane współrzędne mieszczą się w zasięgu manipulatora, mogą istnieć dwa rozwiązania. OSOBLIWE ROZWIAZANIE ODWROTNEGO ZADANIA KINEMATYKI, Źródło [2]. Rozwiązanie odwrotnego zadania kinematyki można uzyskać na wiele różnych sposobów. Jednym z nich jest bezpośrednie podejście algebraiczne, polegające na formalnym przekształceniu równań kinematyki manipulatora. Ze względu na nieliniowość tych równań oraz zazwyczaj nieuniknioną niejednoznaczność rozwiązań jest to zadanie dość trudne [2]. 12

ODWROTNE ZADANIE KINEMATYKI Przykładem odmiennego podejścia jest podejście geometryczne. Cechę wyróżniającą ten sposób rozwiązania odwrotnego zadania kinematyki stanowi dekompozycja przestrzeni geometrii manipulatora na szereg figur geometrii płaskiej [2]. WYZNACZENIE PIERWSZEJ WSPÓŁRZĘDNEJ PRZEGUBOWEJ (KĄTA θ1) METODA GEOMETRYCZNA WYKORZYSTANIE PRAWA SINUSÓW, Źródło [2]. 13

PROCES GENERACJI CHODU MASZYNY KROCZĄCEJ WZORZEC RUCHU DLA CZTERONOŻNEGO PEŁZANIA Proces generacji chodu maszyny kroczącej jest zawsze ściśle powiązany z jej typem. W zależności od ilości kończyn i rodzaju chodu dobierane są parametry umożliwiające jej odpowiednie przemieszczanie. W przypadku prostych konstrukcji kroczących podstawowym analizowanym typem chodu jest pełzanie określane także jako chód mechatroniczny. 14

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PROCES GENERACJI CHODU PRZYKŁADOWA KONSTRUKCJA KOŃCZYNY ROBOTA, W ANALIZOWANYM PRZYPADKU JEDEN Z NAPĘDÓW URZĄDZENIA (S1) JEST BEZPOŚREDNIO POŁĄCZONY ZE STAWEM, NATOMIAST POŁĄCZENIE DRUGIEGO (S2) JEST BARDZIEJ SKOMPLIKOWNE. Podczas integracji oprogramowania odpowiadającego za generowanie chodu z rzeczywistym modelem robota często ujawnia się jak duży wpływ na ten proces mają czynniki takie jak : niedoskonałości układu czy też zastosowane rozwiązania konstrukcyjne. Bardzo istotnym elementem jest geometria zastosowanych kończyn, a w szczególności sposób powiązania napędów ze stopniami swobody [1]. 15

WYKORZYSTANIE METOD ANALIZY I PRZETWARZANIA OBRAZU W celu eliminacji wpływu tego rodzaju czynników na proces generowania chodu dla testowanej konstrukcji robota zdecydowano się na wprowadzenie dodatkowych elementów programowych. Do identyfikacji parametrów ruchu oraz pojawiających się podczas niego nieprawidłowości wykorzystano metody i algorytmy udostępnione przez bibliotekę wizyjną OpenCV. 16

WYKORZYSTANIE METOD ANALIZY I PRZETWARZANIA OBRAZU Zaimplementowane rozwiązanie pozwala m.in. na porównanie wartości kątów zadawanych przez oprogramowanie sterujące ruchem kończyny, z wartościami rzeczywistymi, osiąganymi przez testowane przeguby. Pomiary wartości rzeczywistych dokonywane są na podstawie analizy przechwyconej sekwencji wideo zawierającej określony ruch testowanej konstrukcji. 17

ANALIZA WIZYJNA Podczas analiz skupiono się przede wszystkim na śledzeniu położenia kluczowych punktów konstrukcji podczas zadawanego ruchu oraz wykorzystanie pozyskanych danych w celu wprowadzenia odpowiednich współczynników korekcyjnych. W celu uproszczenia procesu identyfikacji wybranych punktów konstrukcji, każdy z nich został opatrzony dodatkowym znacznikiem o unikalnym kolorze. 18

ALGORYTM CAMSHIFT PROCEDURA ALGORYTMU MEANSHIFT W trakcie pracy nad implementacją zdecydowano się na zastosowanie algorytmu CAMShifit(ContinuoslyAdaptiveMeanshift) jako metody odpowiedzialnej za śledzenie przemieszczeń obiektów, co po części wstępnie zdeterminowało sposób ich detekcji. Zastosowany algorytm bazuje na odszukiwaniu lokalnego ekstremum w rozkładzie gęstości zbioru danych, z tego względu jako cechę umożliwiającą detekcję zastosowano kolor obiektu, a dokładniej jego histogram [3,4]. Dokładny teoretyczny opis algorytmu oraz zastosowanych w nim zależności matematycznych został wyczerpująco objaśniony w bardzo wielu publikacjach ([3, 4, 5, 6]). 19

ALGORYTM CAMSHIFT Aby zastosowanie omawianego algorytmu było możliwe, przetwarzany obraz wideo musiał zostać poddany odpowiedniej obróbce. Zastosowano m.in.: konwersje do przestrzeni HSV, binaryzację z podwójnym progiem, przekształcenia morfologiczne, przygotowanie histogramu dla każdego ze znaczników oraz wykonanie na jego podstawie wstecznej projekcji. PROCEDURA ALGRYTMU MEANSHIFT 20

WERYFIKACJA POPRAWNOŚCI KĄTÓW UZYSKANYCH PRZEZ STAWY ROBOTA Wykresy przedstawione powyżej powstały na podstawie danych uzyskanych podczas jednej z analiz specjalnie przygotowanych nagrań. Na każdym z nich zarejestrowano określony ruch testowanego przegubu kończyny. Rozbieżności pomiędzy kątami zadawanymi i odczytanymi pojawiły się w przypadku zmiennej przegubowej θ2. 21

SCHEMAT OPROGRAMOWANIA SCHEMAT ILUSTRUJĄCY ZASADĘ DZIAŁANIA OPROGRAMOWANIA KALIBRUJĄCEGO 22

WYNIKI PROCESU KALIBRACJI ZALEŻNOŚĆ MIĘDZY WARTOŚCIĄ ZADANĄ, A WARTOŚCIĄ ODCZYTANĄ DLA ZMIENNEJ PRZEGUBOWEJ Q2 (STAW KOLANOWY), a) PRZED WPROWANIENIEM KOREKTY, b) PO PRZEPROWADZENIU KOREKTY 23

LITERATURA [1] T. Zielińska, Maszyny kroczące., Wyd. Naukowe PWN, Warszawa, 2014. [2] K. Tchoń, A. mazur, R. Hossa, Manipulatory i roboty mobilne. Modele, planowanie ruchu, sterowanie, Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa, 2000. [3] BradskiG., KaehlerA.: Learning OpenCV. Computer VisionwiththeOpenCVLibrary. Sebastopol, CA: O'ReillyMedia, 2008. [4] Joshi S., Gujarathi S., Mirgemoving A.: Moving Object Tracking Method Using Improved CamshiftWithSurf Algorithm. International Journalof AdvancesinScience Engineering and Technology, 2014, 2, 2. [5] Allen J. G., XuR. Y. D., JesseS. J.: ObjectTrackingUsingCAMShiftAlgorithmand MultipleQuantizedFeatureSpaces. Proceedingsof thepan-sydney areaworkshopon Visual informationprocessing, 2004, 3-7. [6] ComaniciuD., RameshV., MeerP.: Kernel-BasedObjectTracking. IEEE Transactionson PatternAnalysisand MachineIntelligence, IEEE Transactionson, 2003, 564-577. ŹRÓDŁA INTERNETOWE [W1] https://www.arduino.cc/, Strona projektu Arduino, Dostęp 09.2017. [W2] https://botland.com.pl/, Strona sklepu internetowego Botland, Dostęp 09.2017. [W3] http://www.intechopen.com/books/robot-arms/kinematics-of-adeptthree-robotarm, A. B. Rehiara Kinematics of AdeptThree Robot Arm, Dostęp 09.2017. 24