CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI SAMO - REKONFIGUROVATEĽNÝCH ROBOTOV

Size: px

Start display at page:

Download "CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI SAMO - REKONFIGUROVATEĽNÝCH ROBOTOV"

Bethany Lang
5 years ago
Views:

1 CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI SAMO - REKONFIGUROVATEĽNÝCH ROBOTOV Ing. Marek Vagaš, PhD. Technická univerzita v Košiciach Strojnícka fakulta Katedra výrobnej techniky a robotiky Nemcovej 32, Košice marek.vagas@tuke.sk Abstract In this paper we have shown and discuss the problematic of self-reconfigurable robots. Selfreconfigurable robots are modular robots that can dynamically and intelligently reconfigure their shape and size to accomplish difficult missions. This paper gives chosen aspects of selfreconfigurable robotics with regards to individual aspects (technical, control, morphology) and basic consideration to the description of some individuality at this area. Key words: Self-reconfigurable robot, module, morphology, movability ÚVOD Termín samo rekonfigurovateľné roboty bol predstavený dvoma vedcami z Japonska (Fukuda a Nakagawa) v roku Definíciu samo rekonfigurovateľných robotov možno s ohľadom na uvedených vedcov definovať ako: Niekoľko buniek (resp. modulov), kde má každá z nich určitý stupeň inteligencie a môže byť automaticky spojená alebo rozpojená s ďalšou bunkou (modulom). Títo vedci vyvinuli prvý samo rekonfigurovateľný robot, ktorý bol nazvaný CEBOT, pričom rozmery jedného modulu boli 18 x 9 x 5cm s hmotnosťou približne 1,1kg. Zvyčajne sa samo rekonfigurovateľný robot skladá z niekoľkých pripojených modulov. Každý modul má vlastné napájanie a je schopný komunikovať s okolím. Modul je tiež vybavený prípojnými bodmi pre pripojenie (a odpojenie) do iného modulu za účelom zmeny ich konfigurácie [4]. Kde môžu byť samo rekonfigurovateľné roboty použité? Najužitočnejší môže byť tento robot pri nasadení v neznámom či zložitom prostredí. Napríklad, v budove, ktorá je poškodená zemetrasením a obsahuje rôzne prekážky, ktoré nemusia byť vhodné pre konkrétne riešenie štandardným servisným robotom. Samo - rekonfigurovateľné roboty sú charakteristické možnosťou pohybu po rôznych terénoch, cez malé medzery a prekážky, pričom môžu vykonávať aj monitorovacie úkony v danej situácii [1]. Vďaka prispôsobivosti samo - rekonfigurovateľného robota môže prejsť napríklad úzkymi chodbami (v konfigurácii hada napr.), následne sa dokáže prekonfigurovať na štvornohého robota a chodiť cez sutiny či po schodoch, obr. 1. Obr. 1 Príklad samo rekonfigurovateľného robota POPIS PROBLÉMOV PRI NÁVRHU Pri podrobnejšom skúmaní problémov navrhovania samo rekonfigurovateľného robota dospejeme k názoru, že návrh takéhoto robota nie je tak jednoduchý ako by sa mohlo na prvý pohľad zdať. Podmienky pre návrh samo - rekonfigurovateľného robota sa líšia tak pre oblasť jeho rozmerov, kvality, rýchlosti či schopnosti samo rekonfigurovania [2]. Samo rekonfigurácia si nevyhnutne vyžaduje materiálové a energetické zdroje, ktoré sú čerpané buď priamo zo životného prostredia, alebo z vlastných energetických zdrojov, pričom miera ich závislosti sa líši naprieč týmito robotmi [13]. Ak pri návrhu robota vezmeme tieto podmienky do úvahy, tak potom vieme matematicky popísať mieru nezávislej samo-rekonfigurácie robota nasledovne: T T 1 t P ES, t S dt 0 RT S, ES,, E0,, 0, 1 log 1 t P E0, t Sdt 0 (1) Kde, RT je relatívna nahraditeľnosť modulu S počas t. Rovnica porovnáva 0, 1 periódy času pravdepodobnosť vzniku spojenia P modulu S v prostredí E S, kde v čase 0 už obsahuje jeden modul robota s pravdepodobnosťou, že samo rekonfigurovateľný robot môže vzniknúť v prostredí E 0. Prítomnosť resp. pravdepodobnosť vzniku úspešnej samo rekonfigurácie je porovnávaný s konečnou toleranciou. Podrobnosti a príklady použitia tejto rovnice sú uvedené v ďalšej odbornej literatúre [6]. Táto rovnica v princípe slúži ako porovnanie inteligencie (samo rekonfigurovateľnosti, rýchlosti, počtu modulov a ďalších parametrov) robota. Pre výpočet efektívnosti samo rekonfiguračného pohybu je potrebné uvažovať hmotnosť robota M t a objem robota V t ako nevyhnutý parameter pre zdvih ďalších modulov (robota) s ohľadom na potrebný krútiaci moment,, 124

modulu. Ukážeme si to na príklade, kedy sa robot skladá z troch modulov (n=3), viď. obr.2. Obr.

M M M M (2) t t rot rot con con rem, rem, V V V V (3) Jeden modul robota je charakterizovaný ako rotačný, druhá časť robota ako spojovací modul a tretia časť robota ako zostatkový modul.

Obyčajne je možné v procese samo rekonfigurácie u týchto typov robotov meniť smer pohybu iba v jednej osi.

2 modulu. Ukážeme si to na príklade, kedy sa robot skladá z troch modulov (n=3), viď. obr.2. Obr. 2 Príklad troj-modulovej štruktúry samo rekonfigurovateľného robota Indexy (rot, con, rem) označujú rotáciu, spojenie a zvyšnú časť modulu. M M M M (2) t t rot rot con con rem, rem, V V V V (3) Jeden modul robota je charakterizovaný ako rotačný, druhá časť robota ako spojovací modul a tretia časť robota ako zostatkový modul. Na základe týchto rovníc je možné determinovať celkovú hmotnosť a objem rekonfigurovateľného robota a mieru efektívnosti rekonfigurácie [3]. Obyčajne je možné v procese samo rekonfigurácie u týchto typov robotov meniť smer pohybu iba v jednej osi. Z dôvodu lepšej efektívnosti používajú moduly pre pohyb iba svoj vlastný modul, alebo najbližší susediaci modul. Pre zvýšenie kvality samo rekonfigurácie robota je vhodné vybaviť robot viacerými modulmi, ktorých úlohou je zabezpečovať pohyb robota. Tento princíp pridávania ďalších modulov sa nazýva pohyblivosť. Je ju možné vypočítať ako pomer počtu pohybových modulov a všetkých modulov robota v štruktúre. # MoveableModules SystemMoveability (4) # Modules CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOTI Charakteristické vlastnosti samo rekonfigurovateľných robotov môžeme porovnávať z viacerých uhlov pohľadu, či už závisia na zásadách navrhovania, alebo nákladoch na cenu či jeho morfológii. Vývoj samo - rekonfigurovateľných robotov si vyžaduje veľké interdisciplinárne a samostatné riešenie [5]. Veľký dôraz je kladený na biologické predlohy, ktoré otvárajú nové možnosti pre riešenia a ich aplikácie. a) M-TRAN b) Molecube c) ATRON Obr. 3 Moduly pre stavbu samo rekonfigurovateľných robotov Preto považujeme za potrebné uviesť niektoré charakteristické vlastnosti na troch reprezentatívnych vzorkách samo - rekonfigurovateľných robotov (M-Tran, Molecube a ATRON), obr. 3. Následne tieto roboty posúdime s ohľadom na ich niektoré základné vlastnosti. 1. VLASTNOSTI TECHNICKÉHO CHARAKTERU V prvom rade je potrebné povedať, že je rovnako dôležité popísať a porovnať samo rekonfigurovateľné roboty tak ako ich systémové poňatie prípadne určenie, pre ktoré boli postavené. V tejto časti budú popísané technické vlastnosti modulov robotov a typy ich konfigurácie [11]. Tento bod tiež obsahuje návrh, implementáciu a ladenie prototypu modulu s ohľadom na integráciu a rozmiestnenie elektronických prvkov v module robota, obr. 4. M-TRAN (modulárny transformer) - každý modul sa skladá z dvoch paralelných rotačných stupňov voľnosti. Moduly M-TRAN sú schopné fungovať tak v lattice (mriežková) konfigurácii ako aj v chain (reťazová) konfigurácii, čo sa v tejto terminológii definuje ako hybridný typ konfigurácie modulu robota. Modul M-TRAN sa skladá z dvoch spojených blokov (polovica je kubického charakteru a polovica cylindrického charakteru). Každý zo šiestich plochých povrchov modulu môže byť mechanicky spojený a vytvoriť tak pár s povrchom ďalšieho modulu. Všetky pripojovacie plochy obsahujú pripojovacie konektory typu male a female, pričom časť z nich tvorí aktívne spojenie a časť pasívne. Molecube robot má jeden rotačný stupeň voľnosti. Geometrickým základom tohto modulu je kocka, na ktorej je možné ďalší modul pripojiť vo všetkých šiestich smeroch, ako je to u chemických molekúl. Dve polovice Molecube modulu sa otáčajú okolo osi definovanej dvoma diagonálne protiľahlými rohmi. Koncové moduly robota plnia funkciu uchopovacieho efektora, kamier či hriadeľov pre pripojenie ďalších externých zariadení. Rozmery modulu robota Molecube sú 66mm, pričom hmotnosť je 200g a krútiaci moment 4,85 Nm. Modul robota ATRON má jednoduchú konštrukciu, jeden stupeň voľnosti a lattice (mriežková) štruktúru schopnú 3D rekonfigurácie. Modul je guľového charakteru, zložený z dvoch hemisfér, ktorými môže modul navzájom aktívne otáčať. Na každej pologuli modulu je poháňaný a ovládaný samec (male) konektor pre pripájanie a dve pasívne samice (female). Modul váži 0,850kg a má priemer 110 mm. a) M-TRAN b) Molecube c) ATRON Obr. 4 Technické riešenie modulov samo rekonfigurovateľných robotov 125

2. VLASTNOSTI Z POHĽADU RIADENIA V zásade existujú dva prístupy pre riadenie samo rekonfigurovateľných robotov. Prvým prístupom je diaľkové ovládanie vykonávané pomocou človeka.

Úroveň riadenia je dôležitá a často diskutovaná oblasť, pretože je možné riadiť rekonfigurovateľnosť robota priamo alebo len jeho manipulačné možnosti či lokomóciu [10].

M-TRAN modul robota pozostáva z onboard mikropočítačov, ktoré sú napájané generátorom impulzov. Každý modul robota má štyri mikropočítače, jeden je nadradený (master) a tri podradené (slave).

3 2. VLASTNOSTI Z POHĽADU RIADENIA V zásade existujú dva prístupy pre riadenie samo rekonfigurovateľných robotov. Prvým prístupom je diaľkové ovládanie vykonávané pomocou človeka. Druhý sa zakladá na autonómnej regulácii. Úroveň riadenia je dôležitá a často diskutovaná oblasť, pretože je možné riadiť rekonfigurovateľnosť robota priamo alebo len jeho manipulačné možnosti či lokomóciu [10]. Tiež je spomenúť schopnosť on-line adaptácie robota, ktorá umožňuje, že robot prispôsobí svoje správanie fyzických obmedzeniam svojho okolia. M-TRAN modul robota pozostáva z onboard mikropočítačov, ktoré sú napájané generátorom impulzov. Každý modul robota má štyri mikropočítače, jeden je nadradený (master) a tri podradené (slave). Všetky nadradené mikropočítače pripojených modulov robota komunikujú pomocou zbernice CAN, ktorá umožňuje odosielať a prijímať dáta a tak synchronizovať svoje pohyby, pričom navzájom tieto moduly robota spolupracujú, obr.5. Modul robota M-TRAN používa real-time lokomočné riadenie (Central Pattern Generator) a optimalizátor na základe GA (genetický algoritmus). Princíp distribuovaného riadenia lokomócie, ktorý je u tohto robota použitý ukázal lepší výkon než ovládanie pomocou technológie play-back [9]. Kamerový modul je možné pripojiť na modul robota tak, aby sa zmestila na jednu zo šiestich plôch modulu M-TRAN. Spoľahlivú komunikáciu zabezpečuje rozhranie Bluetooth. Prostredníctvom rozhrania modulu môžeme vykonávať numerické výpočty podobné programu MATLAB, vykonávať priame programovanie pohonov a senzorov či nastavovať vnútorné premenné [9]. Na tejto úrovni riadenia sú základné skúsenosti s programovaním obohatené o priamu spätnú väzbu. Pre študentov je k dispozícii zdrojový kód, ktorí je možné pomocou kompilátora prečítať. Obr. 6 Architektúra riadenia modulu robota Molecube ATRON modul robota je ovládaný pomocou dvoch ATmega128 mikroprocesorov, pričom jeden je na každej pologuli, viď obr. 7. Na komunikáciu medzi týmito dvoma mikroprocesormi je použitá linka RS485 vedená cez stredový kruhový otvor do druhej polovice modulu robota. Každý konektor modulu robota funguje na princípe infračerveného vysielača a prijímača. Tie umožňujú modulu s okolitými modulmi komunikovať a takisto zabezpečujú monitorovanie vzdialenosti od okolitých objektov. Každý modul robota ATRON je vybavený tromi snímačmi náklonu, ktoré umožňujú, aby modul poznal svoju orientáciu vzhľadom ku gravitácii zeme. Dva snímače sa používajú na riadenie otáčania stredovej osi, jeden pred prevodovým ústrojenstvom a druhý v strede osi na ozubení modulu. Každý z mikroregulátorov riadi komunikáciu štyroch IR kanálov na svojej pologuli pomocou multiplexovania jediným UART technológie [12]. Mikroregulátor počúva IR aktivitu na všetkých štyroch kanálov pologule modulu v rovnakom čase, ale vysielanie a prijímanie dát je možné iba na jednom kanáli. Obr. 5 Architektúra riadenia modulu robota M-TRAN Modul robota Molecube je vybavený dvoma ATmega16 mikrokontrolérmi a servo regulátormi AX-12 s ATmega8, obr. 6. Každý modul je napájaný prostredníctvom základnej dosky a pohyb je prenášaný prostredníctvom svojich šiestich strán. Na spoľahlivú internú komunikáciu postačuje jediný komunikačný kábel o rýchlosti max. 1 Mbps. Cez procesorové rozhranie ARM môžu skúsení užívatelia naprogramovať modul robota priamo v programovacom jazyku C ++. Knižnica umožňuje priamu komunikáciu so všetkými senzormi a pohonmi, ktoré sú súčasťou modulu robota. Obr. 7 Architektúra riadenia modulu robota ATRON Pre spoľahlivú kontrolu spojenia resp. odpojenia modulov je využívaná zmena pólovania napájania, ktorými sú napájané pripojovacie konektory. To umožňuje modulu rozpoznať kedy sa konektor vysúva na pripojenie alebo zasúva na spojenie. 3. VLASTNOSTI Z POHĽADU MORFOLÓFIE Morfologické vlastnosti zahrňujú tvar a štruktúru samo - rekonfigurovateľný robotov, ako aj ich spôsoby pripojenia k susedným modulom či úroveň 126

nezávislosti modulov. Moduly robotov sú často vybavené elektromagnetmi v dôsledku selektívnej kontroly morfológie pre zmenu tvaru robota [8].

4 nezávislosti modulov. Moduly robotov sú často vybavené elektromagnetmi v dôsledku selektívnej kontroly morfológie pre zmenu tvaru robota [8]. Cez dynamicky sa meniacu morfológiu modulov robota je možné výrazne ovplyvniť náklady a optimalizovať zmeny na požadovaný tvar či samo - rekonfiguráciu. V podstate sú tieto vlastnosti charakterizované do troch typov morfológie s ohľadom na ich vlastnú rekonfigurovateľnosť: Mriežkový typ (lattice) - predstavuje ktorého moduly sú organizované v štruktúre mriežky podobne ako je tomu tak u atómov. Reťazový typ (chain) predstavuje ktorý vie pred pripojením navyše vyhľadať vhodné susediace moduly vhodné pre pripojenie. Hybridný typ (hybrid) - predstavuje ktorý môže existovať v obidvoch formách morfológie. Samo rekonfigurovateľný robot M- TRAN bol vyvinutý ako hybridný typ. Je schopný zmeny štruktúry oboma spôsobmi. Zmena pre rekonfiguráciu modulov u tohto typu robota je pomerne jednoduchá a v štruktúre reťazového typu (chain) je vykonávanie lokomócie veľmi ľahké. Pri zmene konfigurácie modulov napríklad na kráčajúci typ robota je potrebné, aby zmena tvaru modulov prebiehala pomocou mriežkového typu (lattice) v špecifickej pozícii. Treba podotknúť, že tieto zmeny prebiehajú bez zásahu človeka do procesu, obr.8. Modul je vďaka tomu rýchlo prispôsobiteľný do požadovaného tvaru lokomócie a umožňuje plynulé pohyby. M-TRAN robot je schopný meniť svoju morfológiu z kráčajúceho tvaru (4 nohý robot) napríklad do plaziaceho sa tvaru (had). Obr. 8 Morfológia robota M-TRAN (zmena kráčania na plazenie) Samo rekonfigurovateľný robot Molecube pracuje na princípe reťazového (chain) typu. Skladá sa z modulov usporiadaných v skupinách, a tie sú prepojené sériovými reťazcami, ktoré tvoria výslednú morfológiu robota v požadovanom štruktúrovanom tvare. Vzhľadom k tomu sú tieto moduly obvykle usporiadané ľubovoľne po priestore a pomocou IR spätnej väzby sú schopné navádzať sa a následne spájať. Nevýhodou je dlhý čas pre zmenu rekonfigurácie, no dobre sa hodí pre rôzne štýly morfológie. Každý modul robota je závislý na pozícii v morfologickom strome a v závislosti od toho je mu priradená úloha. GA stratégia je zodpovedná za šírenie informácií medzi modulmi robota a monitoruje prípadné topologické zmeny, koordinuje a synchronizuje akcie pre pohyb alebo samo - rekonfiguráciu. To umožňuje robotu Molecube presúvať sa (rekonfigurovať) z jednej morfologickej štruktúry do druhej, obr.9. Obr. 9 Morfológia robota M-TRAN (zmena kráčania na plazenie) Samo rekonfigurovateľný robot ATRON bol vyvinutý ako hybridný (hybrid) typ a skladá sa z niekoľkých vzájomne prepojených modulov s možnosťou vlastnej 3D rekonfigurácie. Morfológia je založená na male a female konektoroch, ktoré do seba pri spájaní zapadajú, resp. uvoľňujú pri rozpájaní. Spoľahlivé spojenie konektorov je zabezpečené dostatočnou vôľou s toleranciami, ktoré dovoľujú určitý stupeň nesúladu v ľubovoľnom smere. Každý modul robota je vybavený tromi snímačmi náklonu, ktoré umožňujú modulu poznať jeho orientáciu vzhľadom ku smeru gravitácie. Štruktúra lokomócie môže byť zmenená napríklad z tvaru auta do tvaru hada, či tvaru kráčajúceho robota [7]. Pri riešení konkrétnej úlohy prebieha proces jeho morfologickej zmeny do požadovaného tvaru rýchlo a spoľahlivo. Zmena morfológie robota je automatická podľa požadovanej úlohy a prostredia okolo robota, obr.10. Pre ovládanie morfológie 12 až 20 modulov robota ATRON sa používajú genetické algoritmy (GA). Každý modul v požadovanej morfologickej štruktúre má svoje naprogramované predpisy správania [8]. Následne každý modul robota porovnáva svoj stav a konfiguráciu v štruktúre s predpismi pre správanie. Ak sú pravidlá v súlade so vstupnými podmienkami pre zmenu morfológie, príslušný modul vykoná nevyhnutné kroky pre zmenu tvaru. Obr. 10 Morfológia robota ATRON (zmena z auta na plazenie) CONCLUSION Problematika samo - rekonfigurovateľných robotov sa stala atraktívnou oblasťou výskumu týchto posledných rokov. V tomto príspevku sú popísané a rozobrané niektoré dôležité charakteristické vlastnosti z troch hľadísk 127

5 (technický charakter, charakter riadenia a morfológia). Všetky tieto moduly robotov sú charakteristické spojením dohromady v určitých spájacích bodoch (dokovanie) s cieľom vytvoriť z modulov robota požadovaný tvar. Moduly zvyčajne obsahujú batérie, snímače a kontrolné mechanizmy pre realizáciu požadovanej úlohy. Okrem toho by sa nemalo zabudnúť na požiadavky plynulej zmeny bez zásahu človeka tak, aby robot vedel dynamicky meniť svoju mechanickú konštrukciu.. REFERENCES [1] J. Maye: Control of locomotion in modular robotics, master thesis, [2] K. Stoy, D. Brandt, D. J. Christensen: Self- Reconfigurable robots, An introduction, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, [3] T. Mikolajczyk, J. Musial, L. Romanowski, A. Domagalski, L. Kamieniecki, M. Murawski, Multipurpose Mobile Robot, Applied Mechanics and Materials, vol. 282, (2013), [4] Dvinge, N., Schultz, U. P., & Christensen, D. J. (2007). Roles and Self-Reconfigurable Robots. In ROLES'07 - Proceedings of the 2nd Workshop on Roles and Relationships in Object Oriented Programming, Multiagent Systems and Ontologies. (pp ). (Forschungsberichte der Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik; [5] Piotrowski A.: The Spectacle of Architectural Discourses, at Architectural Theory Review, (13:2, Routledge, 2008): [6] K. Gilpin, K. Kotay, D. Rus, I. Vasilescu: Miche: Modular shape formation by self-disassebly. [7] P. Jantapremjit, D. Austin: Design of a modular self-reconfigurable robot, Proc Australian Conference on Robotics and Automation, Sydney, November [8] Świć A., Zubrzycki J., Taranenko V.: Modelling and systemic analysis of models of dynamic systems of shaft machining. Applied Mechanics and Materials Vol. 282 (2013) pp [9] M. Yim, P. White, M. Park, J. Sastra: Modular self-reconfigurable robots, Encyclopedia of Complexity and Systems Science, volume 11, 2009, ISBN [10] A. Piotrowski, T. Nieszporek, Setting up a work centre based on the Profibus network, In. Applied Mechanics and Materials, Vol. 282 (2013),pp [11] Christensen, D. J. (2008). Elements of Autonomous Self-Reconfigurable Robots.Odense: Syddansk Universitet. Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet. [12] Hricko, J., Havlík, Š: Small-size robotic tools with force sensing. In Modern Machinery Science Journal: 20th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region , special edition, p ISSN [13] Semjon J., hajduk M., Jánoš R., Vagaš M.: Modular Welding Fixtures for Robotic Cells. In: Applied Mechanics and Materials. Vol. 309 (2013), p ISSN "Paper is the result of the project implementation: VEGA-1/0810/11 Principles of profiling and cooperation multi-robotic systems. 128

making them (robots:) intelligent

Artificial Intelligence & Humanoid Robotics or getting robots closer to people making them (robots:) intelligent Maria VIRCIKOVA (maria.vircik@gmail.com) Peter SINCAK (peter.sincak@tuke.sk) Dept. of Cybernetics