ELEC-C1110 Automaatio- ja systeemitekniikan perusteet Luento 11 Esimerkki automaation soveltamisesta
Tämän luennon aihe Esimerkki automaation soveltamisesta käytännössä: WorkPartner-palvelurobotti
WorkPartner Alias WoPa
Yleistä WorkPartner-robotista Ihmisen kanssa yhteistyössä toimiva palvelurobotti kevyisiin ulkotöihin = talonmiehen apulainen Kehitetty tutkimusryhmässä, joka on nykyisin osa Sähkötekniikan ja automaation laitosta myös Rover Company Pietarista VTT Lapin yliopisto Tutkimusprojekti Kokonaisuus Osa-alueet
Yleistä WorkPartner-robotista Sulautettu automaatiojärjestelmä Sähkökäyttöinen Hybridienergiajärjestelmä Olemukseltaan tarkoitus olla helposti lähestyttävä (ihmismäinen) Työkaveri
Sovelluksia Lakaisu Lumen kolaus Roskien poiminta Tavaroiden kantaminen Ruohon leikkaus Astronautin apuri
Tavaroiden kantaminen
Tuttu TV:stä Prisma-dokumentteja Aamu-TV, yms. Beyond Tomorrow -dokumentti (Discovery) Puutarhanhoitorobotti jne.
Emma-gaala 2005 (YLE) Kuva: Adolfo Vera
Konseptisuunnitelma ja CAD
Liikkuminen Renkaat + jalat Liikkuminen renkailla tasaisella Kääntyminen keskinivelellä Rolking Kävely+rullaus, 1 tai 2 jalkaa kerrallaan Liukkaalla Hankalassa maastossa Adaptoituminen maastoon Portaiden kiipeäminen Keskinivel
Rolking
Adaptoituminen maastoon
Manipulaattori Ihmisen kaltainen Työkalujen käyttö Vaihdettava tarttuja
Energiajärjestelmä Sähkömoottorit Akut/johto Akkujännite 48V muunnetaan muiksi jännitteiksi 5V, 12V, 24V Bensiinikäyttöinen generaattori Käynnistetään tarvittaessa Myös polttokennoa kokeiltu generaattorin tilalla
Ympäristön havainnointi Kääntyvä pää (PTU=Pan-Tilt-Unit) Laseretäisyysmittari (pistemäinen) Kamera Laserskanneri (lasertutka) Ultraäänianturit (= peruutustutkat ) Stereokuulo
Käyttöliittymä Alustan suora ohjaus esim. joystickillä tai näppäimistöllä Manipulaattorin suora ohjaus teleoperointilaitteella Ohjaus puheella Ihmisen värin seuranta (https://www.youtube.com/watch?v=obnay-joy0q)
Käyttöliittymä Kohteiden osoittaminen Sauvalla Valolla Osoittamalla kamerakuvasta Kääntämällä päätä joystickillä & osoittamalla laserilla kohteeseen Palaute: Puhe, ilmeet, ledit, eleet
WorkPartnerin osat Pää RS-232 x 3 Manipulaattori RS-232 PC PC PC CAN CAN Ethernet Alusta
Ohjaustietokoneet Alustan ja kääntöpään ohjaus PC104-teollisuustietokone QNX-käyttöjärjestelmä Reaaliaikakäyttöjärjestelmä Liitynnät CAN-väylä, sarjaväylät, Ethernet Navigaatio PC104-teollisuustietokone QNX-käyttöjärjestelmä Liitynnät CAN, sarjaväylät, digitaaliset ja analogiset signaalit Manipulaattorin ohjaus, anturidatan käsittely ja korkean tason ohjaus Kannettava tietokone Linux Liitynnät CAN, Ethernet Ulospäin WLAN: Käyttöliittymä, muut robotit, korkean tason ohjaus
Alustan ohjaus (jalat+renkaat+keskinivel) Kytketty QNXohjaustietokoneeseen CAN-väylällä Mikrokontrollerit ohjaavat moottoriohjaimia Yksi kontrolleri kullekin jalalle ja keskinivelelle Yksi moottoriohjain kullekin moottorille Mittaukset: Kulmamittaukset optisilla enkoodereilla Voimamittaukset moottorien virroista Koko robotin asento mitataan kiihtyvyysantureilla Mikrokontrolleri Moottoriohjain Moottoriohjain Moottoriohjain CAN Sähkömoottorit + lineaaritoimilaitteet + potentiometrit + optiset enkooderit
Alustan ohjaus (jalat+renkaat+keskinivel) Käänteisellä kinematiikalla lasketaan tavoitepaikat nivelkulmille Jalkojen liiketrajektorit suunnitellaan reittipisteestä toiseen Määritetyt trajektorit tietyille liikkumistyypeille Rolking: tilakone Jalkojen nivelkulmia ja keskiniveltä säädetään PID-säätimillä Mukautuminen maastoon Kulmittaiset voimat balansoidaan (P-säädin) Asennon tasaaminen perustuen kiihtyvyysantureihin Mikrokontrolleri Moottoriohjain Moottoriohjain Moottoriohjain CAN Sähkömoottorit + lineaaritoimilaitteet + potentiometrit + optiset enkooderit
Manipulaattorin ohjaus Kytketty Linuxohjaustietokoneeseen CANväylällä Erilliset älykkäät moottoriohjaimet kullekin moottorille Käänteisellä kinematiikalla tavoitepaikat nivelkulmille Perustuu anturihavaintoihin ympäristöstä Törmäystarkastelu perustuen palloista muodostettuun manipulaattorin geometriseen malliin Suora kulmien ohjaus teleoperointilaitteella Sähkömoottorit + potentiometrit + optiset enkooderit PC Moottoriohjain Moottoriohjain Moottoriohjain CAN
Manipulaattorin ohjaus Ei trajektorin suunnittelua, pelkkä kulmien säätö Mittaukset Kulmamittaukset potentiometreillä (summittainen, nopea) ja optisilla enkoodereilla (tarkka) Voimamittaukset moottorien virroista Sähkömoottorit + potentiometrit + optiset enkooderit PC Nivelkulmien säätö PIDsäätimillä Moottoriohjain Moottoriohjain Moottoriohjain CAN
Pää Ympäristön havainnointi Asennon ohjaus P- säädöllä (trapetsoidi) Kamera+ laserpointteri kohteiden tunnistamiseen+ paikantamiseen Kinematiikka Webkamerapalvelin Laseretäisyysmittari Kamera Pään kääntö Stereokuulo Analoginen kuvasignaali RS-232 RS-232 Analoginen äänisignaali QNX PC Lasertutka Ympäristön kartan muodostaminen Ethernet Ihmisten havaitseminen Lasertutka RS-232 Linux PC
Muiden oheislaitteiden ohjaus Suun ohjauselektroniikka sarjaväylällä QNXtietokoneeseen Kaiuttimet (puhe) Linux-tietokoneen äänilähdösä Generaattorin käynnistys elektroniikkaohjaimella Kytketty navigaatiokoneesta lähtevällä digitaalisella signaalilla Analoginen mittaus kierrosluvusta: onko moottori käynnissä? Logiikkaohjelma moottorin käynnistämiseen
Ohjausohjelmisto Alimman tason reaaliaikainen säätö ja ohjaus Itse tehtyjä Tiedonsiirto Ethernetin yli TCP-kommunikoinnilla Linux-koneessa ei-reaaliaikainen ohjausohjelmisto Korkeamman tason ohjausta Osittain itse tehty
Yhteenveto WorkPartner on laaja sulautettu automaatiojärjestelmä Jalkojen ja käsien säätö perustuen käänteiseen kinematiikkaan ja kulmien mittauksiin Korkeamman tason ohjaus esim. rolk-liikkumisen ohjaukseen Laitteiden välinen kommunikointi Ethernet-, CAN- ja RS- 232-väylillä sekä analogia- ja digitaalisignaaleilla