TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Rozdělení sub-oborů robotiky Učební text jméno a příjmení autora Doc. Ing. Mgr. Václav Záda, CSc. Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Robotika a její Účelem tohoto textu je vytvořit určitý přehled o jednotlivých sub-oborech robotiky ve formě celkového přehledu, bez nadbytečného teoretizování. Roboty lze kategorizovat z nejrůznějších hledisek. Budeme používat rozdělení do tří hlavních kategorií, které vycházejí z kybernetického náhledu: roboty lze posuzovat z hlediska mechanického, z hlediska řídícího systému a z hlediska použitých senzorů, jejichž úkolem je zprostředkovávat komunikaci s vnějším prostředím. Dále se zaměříme na klasifikaci z hlediska praktického použití robotů. Jiná klasifikace dělí roboty na robotická ramena (vhodné pro průmyslové ), mobilní roboty (experimentální vozíky, samochody, létající roboty apod.) a humanoidní roboty (podobné člověku) Robot jako kybernetický systém obsahuje tři hlavní podsystémy: - Motorický subsystém - Senzorický subsystém - Kognitivní subsystém. Motorický subsystém zahrnuje veškeré mechanické části robota, včetně převodů a použitých pohonů. Kognitivní subsystém zahrnuje celý řídící systém robota (hardware) plus veškerý software, včetně softwarově realizovaných funkcí umělé inteligence. Některé funkce, zejména předzpracování informace ze senzorů, jsou někdy realizovány kognitivním systémem, jindy přímo v senzorech (tzv. inteligentní senzory). Tato věc se běžně vyskytuje v přírodě. Např. oko zvířete 2
předzpracovává vizuální informace a teprve pak je posílá do mozku k dalšímu zpracování. 1. Motorický subsystém: 1.1 Konstrukce robotických ramen a mobilních robotů 1.1.1 Kartézská struktura 1.1.2 Cylindrická struktura 1.1.3 Sférická struktura 1.1.4 Angulární struktura 1.1.5 Scara struktura 1.1.6 Netradiční kinematické struktury 1.1.7 Tuhost a přesnost manipulačního a orientačního systému 1.1.8 Roboty s pružnými členy 1.2 Převody 1.2.1 Harmonické převodovky 1.2.2 Cyklické převodovky 1.2.3 Využití řetězů a ozubených řemenů 1.3 Chapadla 1.3.1 Dvouprstá a víceprstá chapadla 1.3.2 Chapadla s lineárním či rotačním pohonem 1.3.3 Chapadla se senzory 1.3.4 Konstrukce a volba chapadla s ohledem na cíl 1.4 Pohony 1.4.1 Elektrické pohony (stejnosměrné, synchronní a asynchronní) 1.4.2 Hydraulické pohony 1.4.3 Pneumatické pohony 1.4.4 Kombinované pohony 1.5 Servomechanismy 1.5.1 Rotační servopohony 1.5.2 Lineární servopohony 1.6 Kinematika robotů (vektorové metody, maticové, kvaterniony, tenzory) 1.6.1 Přímá úloha kinematiky 1.6.2 Inverzní úloha kinematiky 1.6.3 Transformace souřadných systémů 1.7 Dynamika robotů (diferenciální rovnice klasické, maticové, tenzorové) 1.7.1 Matematicko-fyzikální metody popisu dynamiky 1.7.1.1 Vektorové metody 1.7.1.2 Analytické metody (Lagrangeovy, Hamiltonovy rovnice) 1.7.1.3 Transformace souřadných systémů z hlediska dynamiky 1.7.2 Základní úlohy dynamiky 3
1.7.2.1 Přímá úloha dynamiky 1.7.2.2 Inverzní úloha dynamiky 2. Senzorický subsystém: 2.1 Snímače polohy 2.2 Snímače rychlosti 2.3 Snímače zrychlení 2.4 Snímače tepla 2.5 Snímače infračerveného záření 2.6 Akustické senzory 2.7 Taktilní senzory 2.8 Snímače pro odměřování vzdálenosti 2.9 Kamery a vizuální senzory 2.10 Klasifikace z hlediska fyzikálních principů 3. Kognitivní subsystémy a řízení robotů: 3.1 Architektury řídících systémů robotů 3.2 Mikropočítače a konečné automaty 3.3 Převodníky 3.4 Řízení s využitím kinematické rovnice robota 3.5 Řízení založené na dynamice robota 3.6 Plánování trajektorií (heuristické, optimální) 3.6.1 Volba úrovně úlohy 3.6.2 Neurčitost vágnost 3.6.3 Konfigurační prostor 3.6.4 Plánování křížení pohybu 3.6.5 Simulace plánovaného pohybu 3.6.6 Metody optimálního řízení 3.7 Řešení a plánování úloh 3.7.1 Prohledávání stavového prostoru 3.7.1.1 Informované metody - heuristické 3.7.1.2 Neinformované metody 3.7.1.3 Stochastické metody 3.7.1.4 Fuzzy metody 3.7.2 Reprezentace znalostí a logika 3.7.2.1 Formální systémy 3.7.2.2 Rezoluční metoda 3.7.2.3 Tablová metoda 4
3.8 Reprezentace znalostí 3.8.1 Produkční systémy 3.8.2 Sémantické sítě 3.8.3 Rámce 3.8.4 Nemonotónní odvozování 3.9 Jazyky pro programování robotů 3.10 Strojové učení 3.10.1 Tvorba rozhodovacích stromů 3.10.2 Učení z klasifikovaných příkladů 3.10.3 Učení z neklasifikovaných příkladů 3.11 Počítačové vidění robotů 3.11.1 Reprezentace obrazu 3.11.2 Polyedrické reprezentace 3.11.3 Tvarová analýza 3.11.4 Segmentace 3.11.5 Iterativní zpracování 3.11.6 Perspektivní transformace 3.11.7 Osvětlení 3.11.8 Kalibrace kamery Klasifikace z hlediska využití robotů 1. Kategorie průmyslových robotů a manipulátorů (PRaM) 1.1 Technologie svařování 1.2 Tváření 1.3 Slévárenství 1.4 Povrchová úprava materiálu 1.5 Kontrolní činnost 1.6 Operační a mezioperační manipulace 1.7 Využití PRaM v automatizovaných systémech pro obrábění 1.8 Využití v lesnictví a zemědělství 1.9 Záchranářství 1.10 Vojenství 2. Kategorie experimentálních a laboratorních robotů 2.1 Kosmický výzkum 2.2 Podmořský výzkum 2.3 Zdravotnictví 2.3.1 Protézy 2.3.2 Totální endoprotézy kyčelních a kolenních kloubů 2.3.3 Operace srdce 5
2.3.4 Operace mozku 2.3.5 Šití cév 2.4 Výzkum aplikací umělé inteligence v robotice 3. Kategorie školních robotů 3.1 Výuka mechanismů robotů 3.2 Výuka řízení robotů 3.3 Výuka programování robotů 3.4 Využití umělé inteligence 4. Biorobotika 4.1 Technické realizace neuronových sítí 4.2 Teorie bio-pohonů 4.2.1 Materiály s tvarovou pamětí 4.2.2 Pneumatické umělé svaly 4.2.3 Hydraulické svaly 4.2.4 Polymerické umělé svaly 4.3 Teorie bio-mechanismů 4.3.1 Teorie náhrady horní končetiny člověka bio-mechanismem 4.3.2 Popis kostry horní končetiny 4.3.3 Kinematika horní končetiny 4.3.4 Kinematická analýza ramene 4.3.5 Kinematická analýza ruchy 4.3.6 Dynamická analýza horní končetiny 4.3.7 Maticové vyjádření kinematiky a dynamiky 4.3.8 Kinematická analýza dolní končetiny 4.3.9 Dynamická analýza dolní končetiny 4.4 Bio-senzorika 4.5 Bio-řízení Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 s názvem Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. 6
Galerie obrázků Obr. 1. Humanoidní robot Obr. 2. Experimentální mobilní robot 7
Obr. 3. Šestinohý mobilní robot Obr. 4. Mobilní robot hráč Obr. 5. Realizace robotické ruky 8
Obr. 6. Robotické rameno v akci. Obr. 7. Aplikace v automobilovém průmyslu Obr. 8. Mobilní robot na Marsu 9
Obr. 9. A další Marťan Obr. 10. Učíme se chodit. Obr. 11. Umíme i létat. 10
Obr. 12. Umělá inteligence přichází. Obr. 13. Umím zpívat. Obr. 14. Osel pro armádu. 11