Projekty
(Sterowanie Mechanizmów Wieloczłonowych)
Jakub Możaryn, Jan Klimaszewski
24 października 2018
0.1 Tematy projektów
0.1.1 Temat 1: ROBOT WĄŻ - modelowanie i sterowanie robota o strukturze redundantnej (JM)
Opis
Robot wąż (ang. Snakebot ), jest biomorficznym robotem przypominającym biologicznego węża. Roboty takie występują w wielu kształtach i rozmiarach, znajdując zastosowanie w służbach przeciwpożarowych, wojsku lub w sektorze medycznym. Posiadają dwie podstawowe zalety. Po pierwsze, niewielki stosu- nek ich przekroju do długości pozwala im poruszać się i manewrować w ciasnych przestrzeniach. Po drugie, ich zdolność do zmiany kształtu pozwala na realizację szerokiego zakresu zadań, takich jak wchodzenie po schodach lub pniach drzew.
Dodatkowo wiele robotów o redundantnej strukurze szeregowej jest konstruowa- nych przez połączenie ze sobą wielu niezależnych łączy, co czyni je odpornymi na awarie, ponieważ mogą one nadal działać, nawet jeśli niektóre człony zostaną unieruchomione. Właściwości takie jak manewrowalność, redundancja i możli- wość całkowitego uszczelnienia korpusu robota sprawiają, że roboty o strukturze redundantnej są bardzo interesujące z punktu widzenia praktycznych zastoso- wań, a zarazem stanowią interesujacy temat badań.
Zakres
W ramach podstawowego zakresu projektu należy
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki robota o strukturze redundatnej,
• określić standardowe zadania realizowane przez robota o strukturze re- dundantnej (np. ruch po prostej, ruch po okręgu), oraz sposoby ich roz- wiązania,
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań, w przypadku pełnej znajomości modelu, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regula- cji.
Dodatkowo można
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań w przypadku nie- pełnej znajomości modelu, uszkodzenia członów robota lub pojawiających się zakłóceń, oraz symulacyjnie sprawdzić działanie układu regulacji.
Założenia
Należy przyjąć następujące założenia
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink,
• do opracowania układu regulacji robota wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink.
Dodatkowo można
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowisko V-Rep,
• układ regulacji robota zaimplementować w środowisku ROS.
0.1.2 Temat 2: UR5 - modelowanie i sterowanie przemy- słowego manipulatora współpracującego (JM)
Opis
UR5 to przemysłowy robot o 6 stopniach swobody produkowany przez firmę Universal Robots. Jest lekkim manipulatorem o masie ok. 18,5 kg, zasiegu 85 cm i maksymalnej ładowności 5 kg. Umożliwia automatyzację powtarzalnych i niebezpiecznych zadań. UR5 należy do klasy robotów współpracujących (ang.
Cobot ) przeznaczonych do fizycznej interakcji z ludźmi we wspólnej przestrze- ni roboczej. Wymagania bezpieczeństwa dla robotów współpracujących określa norma EN ISO 10218, oraz specyfikacja ISO / TS 15066. W tym kontekście pro- jekt robota współpracującego obejmuje również dobór i projektowanie narzędzi dostosowanych do ramienia robota w celu wykonywania powierzonych mu za- dań, jak również opis obiektów przez niego obsługiwanych. Bliska współpraca i bezpośredni kontakt między operatorem a robotem zwiazane są z ryzykiem ko- lizji. W związku z tym ocena ryzyka, wykonana przez producenta robota, musi obejmować również miejsce pracy. Podstawę oceny ryzyka określa norma EN ISO 10218.
Zakres
W ramach podstawowego zakresu projektu należy
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki robota UR5,
• określić standardowe zadania realizowane przez współpracujące roboty przemysłowe, oraz sposoby ich rozwiązania,
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań, w przypadku pełnej znajomości modelu, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regula- cji.
Dodatkowo można
• uwzględnić elastyczność przegubów,
• określić dodatkowe zadania realizowane przez przemysłowe roboty współ- pracujące, oraz sposoby ich rozwiązania,
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań w przypadku niepeł- nej znajomości modelu, lub pojawiających się zakłóceń, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regulacji.
Założenia
Należy przyjąć następujace założenia
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink,
• do opracowania układu regulacji robota wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink.
Dodatkowo można
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowisko V-Rep,
• układ regulacji robota zaimplementować w środowisku ROS.
0.1.3 Temat 3: PENDULUM - modelowanie i sterowa- nie niedosterowanego mechanizmu wieloczłonowego (JM)
Opis
Układ wieloczłonowego wahadła odwróconego to układ swobodnie zwisa- jących, połączonych przegubami obrotowymi prętów, przymocowany do wózka.
Wózek, zamontowany na prowadnicy, umożliwia ruch liniowy w jednej osi. Cały układ napędzany jest za pomocą jednego silnika z przekładnią, który porusza wózkiem i dzięki odpowiedniej sekwencji ruchów umożliwia ustawienie waha- dła w górnej pozycji pionowej i utrzymanie wahadła w tej pozycji. Wahadło odwrócone jest najczęściej podawanym przykładem układu niedosterowanego (ang. underactuated ). Z układami takimi mamy do czynienia między innymi w robotach kroczących, mobilnych robotach kosmicznych i podwodnych. Poprzez układy niedosterowane rozumie się układy, których liczba stopni swobody jest większa od wejść tego układu. W przypadku wahadła odwróconego sterowany- mi wyjściami są położenie liniowe wózka oraz położenie kątowe w przegubach wahadła, natomiast sterowanie realizowane jest się poprzez jeden silnik napę- dzający poprzez przekładnię wózek. W ten sposób jedno sterowanie oddziałuje na kilka wyjść choć bezpośrednio wpływa ono tylko na położenie wózka, zaś po- łożenie kątowe w przegubach wahadła jest regulowane pośrednio. Jest to układ typu SIMO (ang. Single Input Multiple Output )
Zakres
W ramach podstawowego zakresu projektu należy
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki niedosterowanego wa- hadła n-przegubowego (przyjąć 2 niedosterowane przeguby),
• zaproponować rozwiązanie zadania wyprowadzenia wahadła z dolnego, startowego położenia w otoczenie położenia pionowego (algorytm ’swing–up’),
• zaproponować rozwiązanie zadania stabilizacji wahadła w położeniu pio- nowym,
• opracować układ sterowania do realizacji postawionych zadań, w przy- padku pełnej znajomości modelu, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regulacji.
Dodatkowo można
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki niedosterowanego wa- hadła n-przegubowego,
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań w przypadku niepeł- nej znajomości modelu, lub pojawiających się zakłóceń, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regulacji.
Założenia
Należy przyjąć następujace założenia
• do opracowania modelu układu wahadła n-przegubowego wykorzystać śro- dowisko MATLAB/Simulink,
• do opracowania układu regulacji układu wahadła n-przegubowego wyko- rzystać środowisko MATLAB/Simulink.
Dodatkowo można
• do opracowania modelu układu wahadła n-przegubowego wykorzystać śro- dowisko V-Rep,
• układ regulacji układu wahadła n-przegubowego zaimplementować w śro- dowisku ROS.
0.1.4 Temat 4: Planowanie trajektorii dla robota kroczą- cego (JK)
Opis
Maszyny kroczące znalazły zastosowanie zastępując człowieka w niebezpiecz- nym dla niego nierównym terenie. Obecnie roboty kroczące wykorzystywane są m.in. w wojsku i policji ale również np. przy wycince i transporcie dużych drzew.
Roboty kroczące mogą poruszać się po trudnym terenie, na którym nie poradzą sobie podwozia kołowe. Odpowiednie algorytmy sterowania, które umożliwią re- alizację takiego zadania są jednak trudne do opracowania. Maszyny krączące są układami niedosterowanymi. Pomimo tego, że posiadają zazwyczaj całkowitą kontrolę nad kończynami, liczba ich stopni swobody przewyższa liczbę aktuato- rów. Dzieje się tak dlatego, że liczba stopni swobody jest zwiększana o położenie (3 stopnie swobody) i orientację (3 stopnie swobody) robota w globalnym ukła- dzie współrzędnych. W celu realizacji zadania przemieszczania maszyny kroczą- cej zazwyczaj stosowana jest jakaś forma planowania jego ruchu.
Zakres
W ramach podstawowego zakresu projektu należy
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki 4-nożnej maszyny kro- czącej,
• zaproponować rozwiązanie zadania przemieszczania robota po płaskim podłożu z zachowaniem stabilności statycznej, w tym:
– zaproponować rozwiązanie zadania określenia sekwencji przestawia- nia nóg maszyny,
– zaproponować rozwiązanie zadania przestawienia nogi,
– zaproponować rozwiązanie zadania przemieszczania środka ciężkości maszyny,
• opracować algorytm planowania trajektorii oraz układ sterowania do re- alizacji postawionych zadań, w przypadku pełnej znajomości modelu, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regulacji,
Dodatkowo można
• rozważyć różne kryteria stabilności maszyny kroczącej,
• rozważyć sterowanie w oparciu o tzw. ”center of mass dynamics”.
Założenia
Należy przyjąć następujace założenia
• do opracowania modelu układu wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink,
• do opracowania układu regulacji wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink.
Dodatkowo można
• do opracowania modelu układu wahadła n-przegubowego wykorzystać śro- dowisko V-Rep,
• układ regulacji układu wahadła n-przegubowego zaimplementować w śro- dowisku ROS.
0.1.5 Temat 5: Modelowanie, sterowanie i koordynacja pra- cy dwóch manipulatorów (JK)
Opis
Manipulatory przemysłowe znalazły szerokie zastosowanie w fabrykach samo- chodów, automatycznych liniach produkcyjnych oraz np. w miejscach gdzie ist- nieje zagrożenie dla zdrowia ludzi. Umieszczenie wielu manipulatorów we wspól- nej przestrzeni roboczej pozwala na realizację dodatkowych zadań niemożliwych do wykonania z jednym robotem. Koordynacja pracy takich maszyn jest zada- niem nietrywialnym. Na takim stanowisku trajektoria pracy każdego robota musi uwzględnić trajaktorię innych manipulatorów. Kolejną trudnością jest ma- nipulacja jednym obiektem przez wiele robotów.
Zakres
W ramach podstawowego zakresu projektu należy
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki dwóch manipulatorów o 6-ciu stopniach swobody,
• określić standardowe zadania realizowane przez współpracujące ze sobą manipulatory, oraz sposoby ich implemnetacji,
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań, w przypadku pełnej znajomości modelu, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regula- cji,
Dodatkowo można
• rozważyć sterowanie pozycyjno-siłowe,
• rozważyć współpracę manipulatora z człowiekiem,
• opracować regulator do realizacji dodatkowych zadań, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regulacji.
Założenia
Należy przyjąć następujace założenia
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowsiko MATLAB/Simulink,
• do opracowania układu regulacji robota wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink.
Dodatkowo można
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowisko V-Rep,
• układ regulacji robota zaimplementować w środowisku ROS.
0.1.6 Temat 6: Sterowanie pozycyjno siłowe dla manipu- latora (JK)
Opis
Standardowe sterowanie pozycyjne dla manipulatora pozwala na realizację ogra- niczonego zestawu zadań. Nawet proste czynności takie jak pisanie na tablicy wymagają sterowania siłą wywieraną przez narzędzie manipulatora na środo- wisko. Pomiar sił występujących w trakcie pracy maszyny pozwala rozszeżyć możliwości wykonywania zadań przez tradycyjne roboty. Sterowanie siłowe jest przydatne, gdy robot wchodzi w kontakt z otoczeniem.
Zakres
W ramach podstawowego zakresu projektu należy
• opracować model geometrii, kinematyki i dynamiki manipulatora o 6-ciu stopniach swobody,
• określić standardowe zadania realizowane przez manipulator wymagające sterowania siłą wywieraną na otoczenie,
• opracować regulator do realizacji postawionych zadań, w przypadku pełnej znajomości modelu, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regula- cji.
Dodatkowo można
• rozważyć różne miejsca lokalizacji czujników siły lub niepełną ilość czuj- ników,
• przeanalizować siły reakcji podłoża pojawiające się podczas realizacji za- dań sterowania,
• rozważyć możliwości zastosowania sterowania impedancyjnego,
• opracować regulator do realizacji dodatkowych zadań, oraz symulacyjne sprawdzić działanie układu regulacji.
Założenia
Należy przyjąć następujace założenia
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowsiko MATLAB/Simulink,
• do opracowania układu regulacji robota wykorzystać środowisko MATLAB/Simulink.
Dodatkowo można
• do opracowania modelu robota wykorzystać środowisko V-Rep,
• układ regulacji robota zaimplementować w środowisku ROS.
0.2 Realizacja projektów
Wymagania dotyczące projektów są nastepujące:
• jasny podział zadań uczestników projektu,
• przegląd literatury związanej z tematem projektu,
• opis metod / algorytmów / zagadnień,
• implementacja metod / algorytmów,
• dokumentacja oprogramowania (np. Doxygen),
• poster
• wymogi edycyjne:
– Przygotowanie raportu w formie 10 stronicowego arykułu sformato- wanwgo zgodnie z wymaganiami IEEE 1.
– Wykorzystanie systemu edycji tekstów Latex.
Projekty będą oceniane, biorąc pod uwagę:
• wartość merytoryczną pracy (identyfikacja problemu, sformułowanie celu, dobór i sposób wykorzystania narzędzi, rozwiązanie zadania badawcze- go/projektowego/technologicznego),
• analizę literaturowa (dobór i sposób wykorzystania źródeł),
• trafność i spójność wniosków,
• redakcję pracy (struktura formalna, przejrzystość, staranność edytorska, poprawność języka, wykorzystanie materiału ilustracyjnego),
• dokumentację kodu.
0.3 Terminy
1. Pierwsza wersja projektu: 12.12.2018 2. Ostateczna wersja projektu: 16.01.2018 3. Sesja posterowa: 23.01.2018
1https://ieeeauthorcenter.ieee.org/create-your-ieee-article/use-authoring-tools-and-ieee- article-templates/ieee-article-templates/templates-for-transactions/
