mgr in. Dominik Belter, mgr in. Krzysztof Walas, dr hab. in. Piotr Skrzypczyski Politechnika Poznaska, Instytut Automatyki i Inynierii Informatycznej
AUTONOMICZNY ROBOT SZECIONONY
– ROZWÓJ KONSTRUKCJI I SYSTEMU STEROWANIA
Roboty kroczce s interesujce tak ze wzgldów poznawczych jak i praktycznych, z powodu ich unikalnych moliwoci lokomocyjnych oraz potencjalnych zastosowa w misjach ratowniczych, poszukiwawczych i rozpoznawczych odbywajcych si w terenie niedostpnym dla robotów koowych. W niniejszej pracy poruszono zagadnienia zwizane z projektowaniem maszyny kroczcej w kontekcie rozwoju istniejcej konstrukcji robota Ragno. Przedstawiono spostrzeenia zwizane z dziaaniem ukadu mechanicznego oraz systemu sterowania. Wskazano niedostatki poprzednich rozwiza oraz zaprezentowano sposoby, które pozwoliy na ich wyeliminowanie w nowym robocie.
AUTONOMOUS HEXAPOD ROBOT – DEVELOPMENT OF AN IMPROVED MECHANICAL DESIGN AND CONTROL SYSTEM
Walking machines are a very interesting class of mobile robots because of their unique locomotion capabilities in rough terrain. This high mobility makes a walking robot an attractive choice for search and rescue missions, in the areas unreachable for wheeled robots. This work describes a development of a new hexapod robot, based on the experiences from the development and use of the robot Ragno. The mechanical design and control architecture issues are characterised. The article shows also solutions to some problems encountered during the use of the earlier robot design.
1. WSTP
Konstruowanie urzdze mechatronicznych jest procesem wieloetapowym. Prace badawczo-rozwojowe wymagaj zbudowania kilku prototypów i testowania uytych rozwiza. Kada iteracja pozwala na wprowadzenie nowych koncepcji technologicznych oraz udoskonalenie poprzednich projektów. Tak okrelony, wieloetapowy proces konstruowania zapewnia powstanie urzdzenia w peni speniajcego kryteria projektowe i zdolnego do wykonywania zdefiniowanych zada [6].
Budowa robotów kroczcych wymaga integracji wiedzy z zakresu wielu dziedzin techniki, w szczególnoci mechaniki, elektroniki i programowania. Ponadto przydatna jest znajomo zagadnie zwizanych z anatomi i fizjologi zwierzt poruszajcych si w zrónicowanym rodowisku. Stanowi one dobry wzór do naladowania w projektach maszyn kroczcych. Implementacj rozwiza opartych na wzorcach biologicznych jest robot Ragno, którego konstrukcja oraz sposób poruszania si naladuj owady szecionone. Badania nad chodem prowadzone przy wykorzystaniu robota Ragno [4] potwierdziy suszno wikszoci zaoe projektowych, lecz take wskazay moliwoci udoskonalenia niektórych rozwiza. Do-wiadczenia te, a take potrzeba uzyskania nowych, rozszerzonych moliwoci lokomocyj-nych wynikajca z koncepcji zastosowania robota kroczcego w misjach patrolowych i po-szukiwawczych [8], doprowadziy do powstania robota Messor, przedstawionego na rys. 1. W pierwszej czci artykuu zostay omówione zagadnienia dotyczce konstrukcji mecha-nicznej robota Messor, nastpnie przedstawiona zostaa elektronika sterujca wraz z
architek-tur systemu sterowania. Dwa ostatnie punkty omawiaj system sensoryczny robota, kanay transmisji danych i zadania komputera nadrzdnego.
Rys. 1. Roboty Messor (z prawej) i Ragno - konstrukcja mechaniczna
2. KONSTRUKCJA MECHANICZNA ROBOTA MESSOR
2.1. Dowiadczenia z projektu robota Ragno wykorzystane w nowej konstrukcji
Robot Messor w peni korzysta z rozwiza, które sprawdziy si w poprzednim urzdzeniu, którego struktur kinematyczn i architektur systemu sterowania przedstawiono w [10], a. system rozproszonego sterowania serwonapdami opisano w [2]. Kilka szczegóów konstrukcyjnych robota wymagao jednak zmiany lub udoskonalenia.
W nowym robocie wykorzystano dotychczasowy ksztat korpusu, który pozwala na równomierne rozoenie obcienia na wszystkie nogi podczas chodu trójpodporowego. Natomiast sposób zamocowania napdów nóg robota zosta przeprojektowany zgodnie ze spostrzeeniami uzyskanymi podczas prac badawczych. Wymiary robota „Ragno” uniemoliwiaj mu prac w otoczeniu czowieka, np. nie jest on w stanie pokonywa schodów. W zwizku z tym nowsza wersja urzdzenia wymagaa zwikszenia wymiarów geometrycznych nóg jak i korpusu. Wyduenie koczyn wie si z potrzeb zastosowania napdów o wikszym momencie obrotowym. Sposób mocowania pytek drukowanych systemu sterowania jest kolejnym elementem konstrukcji, który naleao udoskonali. Wymogiem projektowym jest dostpno do obwodów drukowanych bez potrzeby rozkrcania konstrukcji nonej robota. Wan czci skadow systemu, któr naley udoskonali jest czujnik kontaktu z podoem.
Rozwizania, które zostay przeniesione bez zmian nie bd omawiane w dalszej czci rozdziaach. Uwaga zostanie skupiona na zmianach, które zostay wprowadzone do konstrukcji robota „Messor”.
2.2. Koncepcja budowy nogi robota
Wygld nogi nowego robota zosta przedstawiona na rys. 2b. W stosunku do poprzedniej konstrukcji budowa pierwszej osi (liczc od korpusu) zostaa zmieniona. W obecnej wersji urzdzenia napd zosta zamocowany do korpusu, a ruch obrotowy wykonuje wa napdowy, w przeciwiestwie do poprzedniej konstrukcji, gdzie porusza si korpus silnika. Pozwolio to na wyeliminowanie przemieszcze elementów o duej bezwadnoci i duych wymiarach
geometrycznych. Dodatkowo wszystkie napdu zostay umieszczone w dolnej czci korpusu robota co pozwala na obnienie rodka cikoci caej konstrukcji. Wielko segmentu 1 zo-staa przebadana ze wzgldu na naprenia i odksztacenia. Symulacja napre zozo-staa przedstawiona na rys. 3b. Znaczc zmian jest wyeliminowanie wszelkich moliwych prze-suni pomidzy osiami obrotu nogi. Jest ona symetryczna. Wymiary geometryczne koczy-ny zostay zmienione i dostosowane do zaoe projektowych zgodnie, z którymi robot powi-nien mie moliwo wspinania si po schodach o wymiarach znormalizowanych. Graniczne wymiary schodów dla budynków budowanych w Polsce zostay opisane w Rozporzdzeniu Ministra Infrastruktury [9]. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w tym dokumencie maksymal-na wysoko stopnia wynosi 0,2 m. W zwizku z tym dugo trzeciego segmentu nogi (liczc od korpusu) wynosi 0,2 m. Dugo kolejnych segmentów drugiego i pierwszego wynika z proporcji nóg owadów, które przedstawiaj si nastpujco 1:4:5 (segment 1: segment 2: segment 3) [11]. Wyduona koczyna ma wymiary odpowiednio: segment 1 = 0,055 [m]; segment 2 = 0,16 m; segment 3 = 0,20 m. Tak skonstruowana noga wymaga zastosowania nowych napdów o wikszym momencie obrotowym. Zastosowane napdy to cyfrowe ser-womotory firmy Hitec dedykowane do zastosowa robotycznych [7]. Ich moment obrotowy wynosi 2,94 Nm. Sposób sterowania tymi napdami zosta omówiony w kolejnym rozdziale.
Rys. 2. Konstrukcja mechaniczna a) caego robota b) nogi robota
2.3. Koncepcja budowy korpusu robota
Korpus nowego robota przypomina poprzednie rozwizanie jeli chodzi o usytuowanie mo-cowa koczyn. Zostao to przedstawione na rys. 2a Wspomnianym w poprzednim podroz-dziale zaoeniem projektowym jest zdolno robota do pokonywania schodów. Z wyej wy-mienionego rozporzdzenia Ministra Infrastruktury wynika nie tylko wysokoci stopnia h, ale take jego gboko s. Jest ona obliczana ze wzoru 2*h+s = od 0,60 m do 0,65 m. Wybiera-jc najgorszy przypadek, czyli stopie o wysokoci h = 0,20 m i doln warto przedziau rozwizania 0,60 m otrzymujemy gboko stopnia s = 0,20 m. Znajomo gbokoci stop-nia wykorzystana w badastop-niach nad wspinaniem si robota po schodach pozwolia na okrele-nie wymiarów jego korpusu. Wymagane jest, aby jednoczeokrele-nie na jednym stopniu mogy znajdowa si dwie pary koczyn. Dodatkowo wymagany jest zapas przestrzeni roboczej okoo 0,01 m pozwalajcy na przesunicie rodkowej pary koczyn poza rodek cikoci, co pozwala na uniesienie pary tylnej i wstawienie na kolejny stopie. Wymogi te pozwoliy na okrelenie odlegoci czoa robota od jego geometrycznego rodka. Odlego ta wynosi 0,19 m. Podczas budowy korpusu wykorzystano narzdzie do badania napre. Pozwolio to
na nadanie kadubowi odpowiedniego ksztatu minimalizujcego naprenia. Wyniki symula-cji zostay zamieszczone na rys. 3a.
Kolejnym nowym rozwizaniem byo wykonanie specjalnego przedziau na elektronik steru-jc robotem. Gównym zaoeniem projektowym bya atwo dostpu do ukadu elektro-nicznego. W celu jego spenienia, zostay zaprojektowane specjalne prostopadociany w któ-rych zostaa umieszczona elektronika. Po odkrceniu kilku wkrtów moliwe jest wysunicie caego takiego przedziau poza korpus robota i swobodny dostp do komponentów elektro-nicznych.
W porównaniu z poprzedni konstrukcj nowy robot charakteryzuje si rozbudowanym ze-stawem sensorów zewntrznych. Jednym z nich jest miniaturowy skaner laserowy. Jego umieszczenie wymagao zaprojektowania podstawy, zapewniajcej odpowiednie nachylenie paszczyzny skanowania wzgldem korpusu robota. Podstawa ta jest elementem atwo wy-miennym, co umoliwi badanie rónych konfiguracji geometrycznych ukadu pomiarowego.
Rys. 3. Symulacja a) napre korpusu b) odksztace segmentu 1 nogi robota
3. ELEKTRONIKA STERUJCA ROBOTEM – SYSTEM STEROWANIA
Znaczcym usprawnieniom uleg system sterowania nowego robota. W pracach projektowych kierowano si dowiadczeniem zdobytym podczas budowy elektroniki pokadowej robota Ragno.
3.1. Architektura logiczna systemu sterowania
W przypadku robota Ragno system sterowania jest oparty o struktur hierarchiczn. Najni-sze warstwy wykonuj rozkazy przesyane z warstw umieszczonych wyej w systemie. W nowym robocie zachowano t architektur jednoczenie kadc wikszy nacisk na modu-owo systemu. Architektura systemu sterowania zostaa przedstawiona na rys. 4a.
Warstwa 1
Zadaniem pierwszej, najwyszej w hierarchii warstwy jest budowanie mapy i planowanie ru-chu robota. Ze wzgldu na moliwoci obliczeniowe w tej warstwie powinny zosta umiesz-czone algorytmy przetwarzania obrazu oraz danych z takich sensorów jak skaner laserowy. Wynikiem dziaania algorytmów w tej warstwie s rozkazy sterujce ruchem robota. Mog one dotyczy zadanego ruchu koczyn, platformy robota lub wykonania ruchu przy uyciu odpowiedniego trybu kroczenia. W kadej chwili jednostka nadrzdna moe wysa zapytania do warstwy niszej w celu uzyskania informacji o aktualnym stanie robota.
Warstwa 2
Zadaniem kolejnej warstwy jest sterowanie ruchem robota. Obliczanie wartoci zadanych dla serwomechanizmów, a w efekcie generowanie zadanej trajektorii stopy, wymaga wielu ope-racji matematycznych. Zadaniem algorytmów w tej warstwie jest obliczanie wartoci zada-nych dla serwomechanizmów umieszczozada-nych w wzach kinematyczzada-nych koczyn robota w oparciu o jego model kinematyczny i wartoci zadane przychodzce z warstwy wyszej. W kadej chwili algorytmy umieszczone w tej warstwie mog posikowa si danymi senso-rycznymi, dotyczcymi gównie stanu wewntrznego robota, w celu waciwego i bezpiecz-nego wykonania zadania.
Warstwa 3
Ostatnia warstwa skada si z dwóch równowanych sobie moduów. W jej skad wchodz sterowniki koczyn oraz modu obsugi czujników. Oba moduy pracuj niezalenie i wyko-nuj rozkazy warstwy wyszej. Zadaniem pierwszego z nich - moduu obsugi czujników jest zbieranie danych z sensorów wewntrznych, w tym z inercyjnej jednostki do pomiaru pozycji (ang. Inertial Measurement Unit) oraz z sensorów zewntrznych do pomiaru stenia sub-stancji niebezpiecznych. Zadaniem drugiego moduu, w skad którego wchodz sterowniki koczyn jest dystrybucja wartoci zadanych dla zintegrowanych serwomechanizmów. W tym module odbywa si równie obsuga czujników zwizanych ze stanem koczyny takich jak czujniki kta w wzach kinematycznych, czujniki prdu oraz siy nacisku stopy na podoe.
Rys. 4. Architektura systemu sterowania (a) i pokadowy system sterowania robotem (b)
3.2. Pokadowy system sterowania robotem
W przypadku nowego robota warstwy systemu sterowania s fizycznie rozdzielone. Kadej z nich odpowiada jeden zintegrowany i samodzielny ukad elektroniczny. Rozwój w dziedzi-nie miniaturyzacji jednostek obliczeniowych pozwoli na umieszczedziedzi-nie wszystkich moduów na pokadzie robota. Poprzedni robot posiada podobn architektur sterowania jednak sprz-towo kilka warstw znajdowao si na tej samej fizycznej jednostce. Warstwy pierwsza i w znacznej czci warstwa druga byy umieszczone na komputerze stacjonarnym [10]. W nowym robocie poszczególne elementy danych warstw sterowania zostay podzielone na mniejsze moduy. Dziki temu atwiejsza staje si wymiana poszczególnych z nich, w
przy-padku uszkodzenia lub pojawienia si nowszych, sprawniejszych rozwiza. Nie wymaga to konstruowania nowego ukadu elektronicznego, konieczna jest jedynie wymiana poszczegól-nych komponentów. Nacisk postawiono równie na elastyczno rozbudowy o nowe moduy. W kadej chwili moliwe jest poszerzenie funkcjonalnoci robota i podczenie nowych jed-nostek speniajcych odpowiednie zadania. Przy budowaniu nowych moduów konieczne jest zachowanie pewnych ustalonych interfejsów wymiany danych. Niestety kosztem moduowej architektury jest wiksze zuycie przestrzeni na pokadzie robota oraz wiksza masa caego robota, co z kolei skutkuje wikszym zuyciem prdu.
W przypadku nowego robota logiczna architektura sterowania ma bezporednie odzwiercie-dlenie w strukturze sprztowej pokadowego systemu sterowania. Warstwie pierwszej odpo-wiada komputer pokadowy klasy PC. Rol t peni bdzie komputer PICO 820 z procesorem Intel Atom. Za zadania zwizane z warstw drug odpowiada mikrokontroler z procesorem EP9302 [5]. Jest to ukad z rdzeniem ARM9 pracujcy pod kontrol systemu operacyjnego Linux. W skad trzeciej warstwy wchodzi siedem ukadów – sze sterowników koczyn i modu obsugi czujników. Wszystkie wykorzystuj procesory oparte na architekturze ARM7 – AT91SAM7S256 [1]. Schemat pokadowego systemu sterowania zosta przedstawiony na rys. 4a.
Gównym problemem przed jakim stoj projektanci ukadów sterowania robotów wielono-nych jest zapewnienie minimalwielono-nych opónie pomidzy wysterowaniem poszczególwielono-nych na-pdów. W przypadku robota Ragno, mimo stosunkowo niewielkich nakadów finansowych i zastosowaniu prostych procesorów omiobitowych uzyskano du szybko dziaania sys-temu sterowania. Efekt ten udao si osign dziki zastosowaniu kilku prostych procesorów poczonych w gwiazd. W ten sposób wikszo operacji wymaganych do sterowania sprz-tem jest wykonywana w tym samym czasie i napdy sterowane s z minimalnym opónie-niem. Do tak sprawnego dziaania systemu konieczny jest bardzo szybki i niezawodny system komunikacji pomidzy procesorami. W tym celu wykorzystano interfejs SPI (ang. Serial Pe-ripheral Interface). Podobna struktura zostaa uyta w nowym systemie, co pozwolio zacho-wa korzystn szybko dziaania.
Mikroprocesory AVR znajdujce si na pokadzie robota Ragno s wyposaone w odpowied-nie peryferia - liczniki, przetworniki analogowo cyfrowe, co zapewnia dobr wspóprac z pozostaymi ukadami elektronicznymi. Zdolno obliczeniowa tych procesorów pozwala jednak na wykonywanie tylko prostych operacji. Bardziej skomplikowane obliczenia mog spowodowa opónienia w wykonywaniu rozkazów przychodzcych z wyszej warstwy, co jest niedopuszczalne z punktu widzenia kryterium pracy w czasie rzeczywistym. Aby umo-liwi dokonywanie oblicze ju na poziomie warstw sterujcych sprztem w nowej konstruk-cji zastosowano szybsze procesory AT91SAM7S256. Umoliwiaj one dokonywanie stosun-kowo szybkich operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych, a jednoczenie doskonale wspópracuj ze sprztem dziki rozbudowanym peryferiom.
3.3. Modu obsugi czujników
W przypadku nowego robota wydzielono osobn jednostk do obsugi czujników. Pozwolio to na odcienie procesora speniajcego zadania sterowania ruchem robota. Jednostka obsu-gi sensorów pracuje niezalenie od pozostaych moduów. Cyklicznie gromadzi dane pomia-rowe i jest gotowa w kadej chwili odpowiedzie na pytanie o stan czujników, które zostanie wysane przez jednostk sterowania ruchem.
Tymczasem w robocie Ragno obsug czujników zajmuje si gówny procesorem umieszczo-nym na pokadzie - ukad ATmega128. Dodatkowo wykonuje on takie zadania jak
koordyna-cja pracy sterowników koczyn i poredniczenie w wymianie danych pomidzy komputerem nadrzdnym. Tak due obcienie tego procesora nie gwarantuje jego wydajnej pracy w ka-dych warunkach.
3.4. Sterowniki ruchu koczyn
Sterowniki ruchu koczyn nowego robota pracuj analogicznie jak w robocie Ragno. Zmianie ulegy serwomechanizmy generujce ruch koczyn. W wyniku tego zmodyfikowany zosta równie system sterowania tymi napdami. W systemie sterowania robotem Ragno przesanie wartoci zadanej do seromechanizmów polega na wysaniu impulsów o odpowiednim czasie trwania, powtarzanych 50 razy na sekund. W nowym robocie wykorzystano serwomechani-zmy z interfejsem cyfrowym. Dane do serwomechanizmu przesyane s przy uyciu protoko-u Hitec HMI. Wysyanie rozkazów sprowadza si do odpowiedniego wykorzystania standar-dowego portu RS-232. Dodatkowo moliwe jest modyfikowanie parametrów regulatorów znajdujcych si w serwomechanizmie, zmiana prdkoci ruchu oraz odczytanie aktualnego kta w stawie. W praktyce moliwe jest wysyanie ponad 300 rozkazów w czasie jednej se-kundy, co jest znaczc popraw w stosunku do poprzedniej konstrukcji, która pozwala na zmian wartoci zadanej 50 razy na sekund i umoliwia jedynie odczytanie stanu serwome-chanizmu przy uyciu dodatkowego sprzenia potencjometrycznego zwizanego z waem silnika.
3.5. Sterownik ruchu
Niezwykle wanym zadaniem w sterowaniu robotem kroczcym jest wyznaczanie wartoci zadanych dla serwomechanizmów i koordynowanie prac wszystkich koczyn, tak aby za-pewni realizacj odpowiednich zada. W nowej konstrukcji wyznaczono osobn jednostk do wypenienia tego zadania. Do tego celu przeznaczony zosta ukad z procesorem ARM9. Procesor ten jest dodatkowo wyposaony w koprocesor matematyczny przyspieszajcy ope-racje na liczbach zmiennoprzecinkowych. Ma to ogromny wpyw na szybko dziaania po-niewa modu ten spenia swoje zadanie wykonujc operacje matematyczne na macierzach jednorodnych [3]. Dodatkowo procesor ten jest wyposaony w dwa porty RS-232, USB i ob-sug SPI, co uatwia prac ze sprztem i komunikacj z innymi warstwami systemu sterowa-nia. Z jednoukadowym komputerem nadrzdnym (ang. Single Board Computer) modu ten komunikuje si przy uyciu sieci lokalnej i protokou TCP/IP.
4. SYSTEM SENSORYCZNY ROBOTA
W stosunku do robota Ragno system sensoryczny robota Messor zosta w znacznym stopniu rozbudowany. Istniejce czujniki zostay wymienione na czujniki wyszej klasy, ponadto do-dano nowe zwikszajce funkcjonalno robota.
Robot Ragno zosta wyposaony w styczniki umieszczone w stopach. Dziki nim moliwe jest wykrycie kontaktu stopy z podoem. Niestety takie rozwizanie nie sprawdza si na pod-ou sypkim jak piasek lub przy zbyt duym kcie natarcia stopy. Ponadto trzpie stycznika wystaje nieznacznie poza obrys stopy co przy poruszaniu np. po wykadzinach moe skutko-wa zaczepieniem stycznika o struktur podoa. Korzystajc z tych spostrzee w nowym robocie zamontowano stop z rezystancyjnym czujnikiem nacisku. Takie rozwizanie nie tyl-ko umoliwia wykrywanie tyl-kontaktu stopy z podoem ale równie pozwala zmierzy jej si nacisku.
Dodatkowo, aby estymowa si wywieran przez koczyn na podoe, w kadym wle ki-nematycznym mierzona jest warto prdu. Pozwala to na oszacowanie momentu wytwarza-nego przez kady napd oraz estymacj siy wywieranej na podoe.
W nowej konstrukcji, podobnie jak w przypadku robota Ragno, moliwy jest pomiar wartoci kta w stawie. W poprzedniej konstrukcji informacja pomiarowa w postaci sygnau analogo-wego jest przesyana od zcza do platformy, a przez to naraona jest na due zakócenia. W nowym robocie pomiar dokonywany jest wewntrz serwonapdu, a informacja pomiarowa przesyana jest cyfrowo.
Nowy robot wyposaony zosta w zintegrowan jednostk IMU do pomiaru orientacji plat-formy robota w przestrzeni. W jej skad wchodz trzy yroskopy i trzy akcelerometry wyko-nane w technologii iMEMS. Do obsugi tej jednostki zosta przeznaczony osobny mikrokon-troler co zapewnia wiksz szybko dziaania i dokadniejszy pomiar ze wzgldu na moli-wo cakowania wyników pomiarowych z wiksz czstotliwoci.
Umieszczony na pokadzie robota modu obsugi sensorów umoliwia zamontowanie czujni-ków substancji niebezpiecznych i wykorzystanie robota w misjach monitorujcych poziom skaenia. Czujniki mog by wymieniane w zalenoci od zadania jakie ma spenia robot. Istnieje moliwo podczenia czujników rezystancyjnych lub z wyjciem napiciowym. Robot Ragno jest wyposaony w kamer z zaimplementowanym protokoem IP, przesyajc obraz do komputera nadrzdnego przy uyciu kanau bezprzewodowego. Wad tego rozwi-zania jest opónienie powstajce podczas przesyania obrazu. Poniewa w nowym robocie komputer nadrzdny znajduje si na pokadzie, nie ma potrzeby przesyania obrazu na due odlegoci, a jego przetwarzanie moe odbywa si bez opónie. Z tego powodu na poka-dzie zostanie umieszczona kamer z interfejsem USB. Dodatkowo przewidziano wyposaenie nowego robota w miniaturowy skaner laserowy Hokuyo URG-04LX.
5. KANAY TRANSMISJI DANYCH
W nowym robocie wystpuj trzy gówne kanay transmisji danych:
x Ethernet – przesyanie danych pomidzy komputerem nadrzdnym i sterownikiem ruchu x SPI – wymiana danych pomidzy sterownikiem ruchu, a sterownikami koczyn i
modu-em obsugi czujników
x Hitec HMI – protokó obsugi serwomechanizmów
Dodatkowymi, opcjonalnymi kanaami transmisji s IEEE 802.11 do przesyania obrazu z pokadu robota do stanowiska teleoperatora oraz Bluetooth przeznaczony do wysyania roz-kazów do sterownika ruchu z pominiciem najwyszej warstwy sterowania.
Ramki danych przesyane w poszczególnych kanaach transmisji i przykadowe rozkazy zo-stay przedstawione na rys. 5.
Sterownik ruchu oraz komputer nadrzdny robota Messor pracuj w architekturze klient-serwer. Sterownik ruchu pracuje jako serwer i oczekuje na rozkazy z komputera nadrzdnego. Ramka skada si z flagi i szeciu pól typu float zawierajcych odpowiednie dane w zalenoci od rozkazu. Rozkazy wysyane tym kanaem dotycz caego robota, sensorów wewntrznych i zewntrznych, jego ruchu w ukadzie globalnym i interakcji z otoczeniem. Interfejs SPI jest wykorzystywany w komunikacji pomidzy jednostk sterujc ruchem, a sterownikami koczyn i moduem obsugi czujników. Komunikacja odbywa si jednocze-nie w obu kierunkach i jest nadzorowana przez sterownik ruchu. Do ramki dodano dwa do-datkowe bajty – sum kontroln i bajt potwierdzajcy poprawno otrzymanych danych. W przypadku bdu transmisji ramka jest wysyana ponownie. Rozkazy przesyane przy uy-ciu tego kanau dotycz sterowania pojedyncz koczyn i czujników wewntrznych.
Trzeci kana transmisji danych zosta zdefiniowany przez producenta serwomechanizmów. Umoliwia przesyanie rozkazów zwizanych z zadan pozycj i nastaw regulatorów. Moli-we jest równie odczytywanie aktualnego stanu systemu sterowania i napdu. Dane wysyane tym kanaem dotycz pojedynczego serwomechanizmu.
6. PODSUMOWANIE
W projekcie mechaniki robota Messor w stosunku do poprzedniej konstrukcji znacznie zosta-y zwikszone wymiary geometryczne korpusu jak i nóg robota. Przeskalowanie byo moli-we dziki zastosowaniu napdów o duym momencie obrotowym. Polepszeniu ulega take sztywno robota, która znaczco wpywa na powtarzalno ruchów. Cech t osignito po-przez zbudowanie poszczególnych segmentów z dwóch analogicznych elementów syme-trycznie oddalonych od osi podunej danego komponentu.
Zastosowanie opisanych rozwiza dotyczcych systemu sterowania pozwolio znaczco zwikszy jego szybko. Na rys. 3 zestawiono porównanie szybkoci dziaania obu kon-strukcji. Pierwsze dwa przykady dotycz szybkoci sterowania pojedynczym serwomechani-zmem i ca koczyn. Gdy rozwaane jest sterowanie pojedynczym serwomechaniserwomechani-zmem nowy robot jest ponad 6 razy szybszy. W sytuacji wymagajcej przesania wartoci zadanych do wszystkich napdów szybko systemu sterowania nowego robota spada trzykrotnie, tym-czasem robot Ragno zachowuje swoj szybko. Mimo gorszej skalowalnoci rozwizania zastosowane w nowym robocie s ponad dwukrotnie szybsze.
Zdecydowanej poprawie ulega szybko transmisji pomidzy komputerem nadrzdnym, a sterownikiem ruchu. W przypadku robota Ragno bya ona zrealizowana przy uyciu kanau Bluetooth. Mimo e szybko transmisji jest wystarczajca i pozwala na przesyanie okoo 10 pakietów zawierajcych rozkazy dla robota i informacje zwrotne o jego stanie, to prdko tej komunikacji maleje wraz ze wzrostem odlegoci pomidzy robotem, a komputerem nad-rzdnym. Poczenie przewodowe w nowym robocie nie tylko jest pewniejsze w dziaaniu ale take pozwala na przesyanie dwustukrotnie wikszej liczby informacji, a zatem otwiera no-we moliwoci w zakresie sterowania robotem w czasie rzeczywistym z uwzgldnieniem sta-nów dynamicznych.
W przypadku komunikacji SPI nowy robot jest dwukrotnie wolniejszy. Ograniczenie wpro-wadza procesor EP9302. Ze spadku prdkoci nie wynika wolniejsze dziaanie systemu ste-rowania. Maksymalna moliwa prdko nie jest wykorzystywana i w praktyce zostaa ona dodatkowo spowolniona tak aby uzyska wiksz pewno dziaania.
Porównano te maksymaln liczb operacji jak mog wykona procesory zastosowane w sterownikach koczyn. Widoczna jest znaczce poprawa szybkoci dziaania i wiksze moliwoci obliczeniowe zastosowanego sprztu i uytych rozwiza. Pewn niedogodnoci w dziaaniu nowego robota jest czas rozruchu. Na pokadzie znajduj si ukady pracujce pod kontrol systemu operacyjnego, dlatego wczeniu zasilania naley odczeka kilkanacie sekund na start systemu. Poprzednia konstrukcja bya gotowa do dziaania natychmiast po zaczeniu zasilania.
PODZIKOWANIA
Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2008 –2010 w ramach projektu badawczego N514 294635.
LITERATURA
[1] AT91SAM 32-bit ARM-based Microcontrollers, www.atmel.com
[2] D. Belter, K. Walas, A. Kasiski, Distributed control system of DC servomotors for six legged walking robot, Proceedings Power Electronics and Motion Control Conference, 2008. EPE-PEMC 2008, 2008, s. 1044 – 1049.
[3] D. Belter, System sterowania ruchem szeciononego robota kroczcego, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Elektronika z. 166 „Problemy robotyki” (red. K. Tcho, C. Zieliski), tom 2, 2008, s. 565 – 574.
[4] D. Belter, A. Kasiski, P. Skrzypczyski, Evolving Feasible Gaits for a Hexapod Robot by Reducing the Space of Possible Solutions, Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, Nice, 2008, s. 2673 – 2678.
[5] EP9302, High-Performance, Networked, ARM9, System-on-Chip Processor, www.cirrus.com
[6] B. Heimann, W. Gerth, K. Popp, Mechatronika. Komponenty, metody, przykady. Warszawa, PWN 2001. [7] HSR-5990TG – Robotics servo, www.hitecrcd.com
[8] D. Puchan, P. Skrzypczyski, Perspektywy wykorzystania robotów mobilnych w dziaaniach poszukiwaw-czych podczas katastrof budowlanych, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 2, 2008, s. 398 – 409.
[9] Rozporzdzenie Ministra Ifrastruktury, z dnia 12 kwietnia 2002 r., w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiada budynki i ich usytuowanie, Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690.
[10] K. Walas, D. Belter, A. Kasiski, Control and Environment Sensing System for a Six-Legged Robot, Jounal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems, vol 2, No 3 2008 s. 26 – 31.
[11] T. Zieliska, Maszyny kroczce. Podstawy, projektowanie, sterowanie i wzorce biologiczne. Warszawa, PWN 2003.
