ΠΡΟΥΠΗΡΕΣΙΑΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ. Έλεγχος και Ροµποτική

Transcript

1 ΠΡΟΥΠΗΡΕΣΙΑΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ Έλεγχος και Ροµποτική ρ. Κωνσταντίνος Πίτρης ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

2 Η φύση χρησιµοποιεί συστήµατα ελέγχου εδώ και εκατοµµύρια χρόνια Π.χ. αισθητήρες και το νευρικό σύστηµα καθορίζουν το αίσθηµα της δίψας ώστε να υπάρχει πάντοτε αρκετό αίµα Πρώτες χρήσεις ελέγχου και ανάδρασης Προ 1700 Ρολόι µε νερό (~300 πχ, Αλεξάνδρεια), επιπλέουσες βαλβίδες Εκκολαπτήριο αυγών (Drebbel, 1620) έλεγχος θερµοκρασίας Ιστορικά Στοιχεία

3 Ιστορικά Στοιχεία Πρώτες χρήσεις ελέγχου και ανάδρασης Κυβερνήτης (Governor) του Watt (1788) Έλεγχε την ταχύτητα της ατµοµηχανής Μείωνε τα αποτελέσµατα διαφοροποιήσεων στο φορτίο (απόρριψη αναταραχών)

4 Ιστορικά Στοιχεία Πώς να φτιάξετε ένα αεροπλάνο ( ιάλεξη του Wilbur Wright 1901): Οι άνθρωποι ξέρουν να φτιάχνουν αεροπλάνα. Ξέρουν να φτιάχνουν και µηχανές. Το πρόβληµα της ισορροπίας και της κατεύθυνσης ταλανίζουν τους µελετητές της πτήσης. Όταν αυτό το πρόβληµα λυθεί τότε θα αρχίσει και η εποχή της πτήσης µια και όλα τα άλλα προβλήµατα είναι µηδαµηνά. Οι αδελφοί Wright έλεισαν αυτό το πρόβληµα και πέταξαν µε το Kitty Hawk στις 17 εκεµβρίου 1903! Ενισχυτές Ανάδρασης (Feedback Amplifiers) s Ο Blackχρησιµοποίησε την αρνητική ανάδραση (negative feedback) για να µειώσει την αβεβαιότητα (ευρωστία) Έθεσε τις µαθηµατικές βάσεις του κλασσικού ελέγχου

5 Τι θα χρησίµευε ένα αεροπλάνο αν ο πιλότος δεν µπορούσε να το κατευθύνει εκεί που πρέπει; Σε τι θα χρησίµευε µια χηµική επεξεργασία αν δεν µπορούσαµε να ελέγξουµε Τ, P, phκλπ και καταλήγαµε µε άχρηστα παράγωγα; Σε τι θα χρησίµευε ένας φούρνος αν δεν µπορούσαµε να καθορίσουµε τη θερµοκρασία του; Σε τι θα χρησίµευε µια αντλία αν δεν µπορούσαµε να ελέγξουµε τη ροή και την πίεση; Γιατί Έλεγχος;

6 Γιατί Έλεγχος; Η λειτουργία της κοινωνίας σήµερα βασίζεται σε πολύπλοκα συστήµατα Κοινό χαρακτηριστικό: µια φυσική παράµετρος πρέπει Να ελέγχεται µε κάποιο τρόπο Να διατηρεί την επιθυµητή τιµή Απώλεια του ελέγχου µπορεί να είναι καταστροφική Οµαλή λειτουργία βασίζεται σε αξιόπιστα συστήµατα ελέγχου Παραδείγµατα Παραγωγή και διανοµή ενέργειας Έλεγχος και διανοµή πόσιµου νερού Αυτόµατα συστήµατα απενεργοποίησης εκρηκτικών Μηχανήµατα ιατρικής φροντίδας (π.χ. αναπνευστήρας) Συστήµατα συγκοινωνιών (αεροπλάνα, τραίνα, φανάρια τροχαίας) κλπ KIOS Research Center for Intelligent Systems and Networks

7 Βασικές Αρχές Για να φτιάξεις ένα Σύστηµα Ελέγχου (ΣΕ) πρέπει Να έχεις ένα στόχο και να γνωρίζεις πως µπορείς να τον πετύχεις Για παράδειγµα, όταν ένα αεροπλάνο προσγειώνεται, ένα ραντάρ το καθοδηγεί προς τον δίαυλο Να γνωρίζεις πόσο καλά οδεύεις προς τον στόχο σου Το ραντάρ εκτός από οδηγίες στέλνει προς το αεροπλάνο και τη θέση του Να µπορείς να χρησιµοποιήσεις τις πληροφορίες που παίρνεις Ο πιλότος κάνει τις αναγκαίες τροποποιήσεις

8 Βασικές Αρχές Παθητικός Έλεγχος (Passive Control) Κάνεις τις αναγκαίες τροποποιήσεις στο σύστηµα έτσι ώστε να έχει το επιθυµητό αποτέλεσµα. Όταν είναι εφαρµόσιµη αυτή είναι και η πιο φθηνή λύση Καµία αλλαγή λόγω διαφοροποιήσεων

9 Βασικές Αρχές Παράδειγµα: Έλεγχος θερµοκρασίας µπύρας Επιθυµητό αποτέλεσµα Να διατηρείται η µπύρα παγωµένη Είσοδος Αλλαγές στο σχήµα, υλικό και µόνωση της παγωνιέρας καθώς και στη ποσότητα του πάγου ώστε να διατηρείται παγωµένο το περιεχόµενο Απόφαση µε βάση καλή γνώση µοντέλου του συστήµατος και των απωλειών προς τα έξω

10 Βασικές Αρχές Έλεγχος Ανοικτού Βρόγχου (Open Loop Control) Όταν τα δυναµικά χαρακτηριστικά του συστήµατος είναι γνωστά Εφαρµόζονται αλλαγές στο σύστηµα έτσι ώστε να ανταποκρίνεται σε κυµαινόµενες παραµέτρους. Χρειάζεται πολύ καλή γνώση του συστήµατος και των παραµέτρων που πιθανόν να αλλάξουν

11 Παράδειγµα: Ψήσιµο Σούβλας Επιθυµητό αποτέλεσµα Να ψηθεί καλά η σούβλα Είσοδος Είδος κρέατος, ποιότητα κάρβουνων, θερµοκρασία Έξοδος Χρόνος ψησίµατος, ύψος σούβλας Απόφαση µε βάση Καλή γνώση µοντέλου του συστήµατος το οποίο περιλαµβάνει τη φουκού, το σύστηµα γυρίσµατος και τον χρόνο ψησίµατος διαφόρων κρεάτων Αποφασίζω ότι θα ψήσω π.χ. για 1.5 ώρα, 15 cmπάνω από τα κάρβουνα Βασικές Αρχές

12 Βασικές Αρχές Έλεγχος Ανοιχτού Βρόγχουµε Πρόδραση (feedforward) Προσπάθεια να εκτιµηθεί η επιρροή µιας αναταραχής Εκ των προτέρων διόρθωση έτσι ώστε να διατηρηθεί η έξοδος σταθερή ιαδεδοµένο στη φύση

13 Βασικές Αρχές Παράδειγµα: Βρώση και Χώνευση Αναταραχή: Οσµή και εικόνα του φαγητού Αναµένεται η άφιξη φαγητού Πρόδραση: έκκριση ενζύµων στο στόµα και στο στοµάχι Αναταραχή: Φαγητό στο στοµάχι αναµένεται απορρόφηση γλυκόζης Πρόδραση: Έκκριση ινσουλίνης από το πάνγκρεας

14 Βασικές Αρχές Παράδειγµα: Ψήσιµο Σούβλας Επιθυµητό αποτέλεσµα Να ψηθεί καλά η σούβλα Είσοδος Είδος κρέατος, ποιότητα κάρβουνων, θερµοκρασία Αναταραχή Αναµένεται αλλαγή στον αέρα Έξοδος Ύψος σούβλας Απόφαση µε βάση Καλή γνώση µοντέλου του συστήµατος το οποίο περιλαµβάνει την φουκού, το σύστηµα γυρίσµατος και τον χρόνο ψησίµατος διαφόρων κρεάτων Αποφασίζω ότι θα κατεβάσω τη σούβλα π.χ. 5 cmκάτω γιατί δεν θα ψηθεί καλά µε τον αέρα που θα φυσήξει

15 Βασικές Αρχές Ενεργητικός Έλεγχος ή Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου Χρήση αισθητήρων και ενεργοποιητών (actuators) Το αποτέλεσµα στην έξοδο, µέσω συστήµατος ελέγχου, αλλάζει τις παραµέτρους του συστήµατος ώστε να πετύχει συγκεκριµένη τιµή εξόδου = Ανάδραση (Feedback) Μειώνει την επίδραση της αβεβαιότητας και του θορύβου

16 Παράδειγµα: Cruise Control Επιθυµητό αποτέλεσµα: σταθερή ταχύτητα Αναταραχή: αλλαγή στη κλίση του δρόµου µείωση ταχύτητας Αισθητήρας ταχύτητας Ανάδραση Αύξηση στροφών Επαναφορά ταχύτητας Βασικές Αρχές

17 Παράδειγµα: Ψήσιµο Σούβλας Επιθυµητό αποτέλεσµα Να ψηθεί καλά η σούβλα Είσοδος Αλλαγή χρώµατος Βασικές Αρχές Έξοδος Ύψος σούβλας Απόφαση µε βάση Καλή γνώση µοντέλου του συστήµατος το οποίο περιλαµβάνει την φουκού, το σύστηµα γυρίσµατος και τον χρόνο ψησίµατος διαφόρων κρεάτων Αποφασίζω ότι θα κατεβάσω τη σούβλα π.χ. 5 cmκάτω γιατί µε βάση το χρώµα που βλέπω κρίνω ότι δεν ψήνεται γρήγορα, ή 5 cm πάνω γιατί θα καεί

18 Βασικές Αρχές Έλεγχος µε Αρνητική Ανάδραση Πλεονεκτήµατα Η έξοδος ακολουθεί τη επιθυµητή τιµή µε διορθώσεις µόλις υπάρξει αναταραχή ιορθώνει για όλες τις αναταραχές στο σύστηµα (εκτός από αυτές που έχουν να κάνουν µε το σκέλος της ανάδραση) εν επηρεάζεται από αλλοιώσεις στο σύστηµα, π.χ. λόγω φθοράς, ηλικίας, περιβάλλοντος κλπ (εκτός από αυτές που έχουν να κάνουν µε το σκέλος της ανάδραση) Μπορεί να ανταποκριθεί σε αλλαγές ταχύτερα από ότι το ίδιο σύστηµα χωρίς ανάδραση Μειονεκτήµατα ιορθώσεις γίνονται µόνο µετά την παρουσία µια αναταραχής. εν µπορεί να υπάρξει τέλειος έλεγχος εν παρέχει τη δυνατότητα πρόβλεψης αλλαγών ακόµα και αν προέρχονται από γνωστές αναταραχές εν µπορεί να λειτουργήσει για διαδικασίες µε µεγάλες σταθερές χρόνου (time constants) ή µεγάλες καθυστερήσεις (time delays). Τέτοια συστήµατα µπορεί να µην διορθωθούν ποτέ και να λειτουργούν πάντοτε σε µεταβατική (transient) κατάσταση Σε κάποιες περιπτώσεις δεν είναι δυνατή η µέτρηση της τιµής της εξόδου σε πραγµατικό χρόνο και έτσι δεν µπορεί να υπάρξει ανάδραση

19 Βασικές Αρχές + Θετική Ανάδραση (Positive feedback) Αλλαγή σε µια παράµετρο ενεργοποιεί µια διαδικασία η οποία ενισχύει ακόµα περισσότερο την αλλαγή Ενισχύει την επίδραση της αναταραχής εν είναι τόσο συνηθισµένη όσο η αρνητική ανάδραση µια και µπορεί να γίνει το σύστηµα ασταθές Πρέπει να υπάρχει πάντοτε ένας µηχανισµός διακοπής (stop mechanism)

20 Βασικές Αρχές Παράδειγµα: Τοκετός Επιθυµητό αποτέλεσµα: γρήγορη γέννηση του βρέφους Αναταραχή: πίεση στον τράχηλο της µήτρας Αύξηση οκυτοκίνης αύξηση συσπάσεων αύξηση πίεσης στο τράχηλο ιακόπτεται όταν γεννηθεί το βρέφος (+) oxytocin Uterine cells Uterine muscle (-) Contractions pressure on cervix Birth

21 Σύστηµα Ελέγχου (ΣΕ) ιεργασία (Plant) Φυσικό σύστηµα, ενεργοποιητές, αισθητήρες Ανάδραση (Feedback) Επικοινωνία µεταξύ Εξόδου- Εισόδου Ελεγκτής (Controller) Μικροεπεξεργαστές ή Υπολογιστές και µετατροπείς (conversion hardware)

22 Μέθοδοι Ενεργού Ελέγχου Μέθοδοι Μαύρου Κουτιού Το σύστηµα µαθαίνει από παρατηρήσεις ή εκπαίδευση Παραδείγµατα: Αυτό-συντονιζόµενοι ρυθµιστές (regulators) Προσαρµοζόµενα νευρωνικά δίκτυα Συγκεχυµένη Λογική (Fuzzy logic) Προτερήµατα: εν χρειάζονται πολύπλοκα µοντέλα ή λεπτοµερής κατανόηση του φυσικού συστήµατος Κατάλληλα για αντικατάσταση ειδικών (human experts) Μειονεκτήµατα: εν είναι δυνατός ο έλεγχος ευρωστίας και απόδοσης εν είναι αποτελεσµατικά για συστήµατα µε πολύπλοκες δυναµικές ή ψηλής απόδοσης Μέθοδοι µε µοντέλα Χρήση λεπτοµερών µοντέλων (PDEs, ODEs) για ανάλυση και σχεδιασµό Παραδείγµατα: Βέλτιστοι ρυθµιστές (Optimal regulators) Γραµµοποίηση ανάδρασης Προτερήµατα: Ιδανικά για διεργασίες µε πολλαπλές και αλληλεπιδρόµενες µεταβλητές Υπάρχουν τα κατάλληλα εργαλεία για έλεγχο ευρωστίας και απόδοσης Μειονεκτήµατα: Μόνο για περιορισµένα είδη συστηµάτων (π.χ. γραµµικά, χρονικά αµετάβλητα) Χρειάζονται φυσικά µοντέλα τα οποία, επίσης, να µπορούν να εφαρµοστούν σε συστήµατα ελέγχου, που δεν είναι πάντοτε εύκολα να βρεθούν

23 Μοντελοποίηση ΣΕ Τα µοντέλα είναι µαθηµατικές αναπαραστάσεις της δυναµικής του συστήµατος. Η δυναµική προσοµοιώνεται και αναλύεται χωρίς το φυσικό σύστηµα Τα µοντέλα δεν είναι ποτέ ακριβή αλλά µπορούν να κάνουν προβλέψεις Τα µοντέλα είναι πιο ευέλικτα από το ίδιο το σύστηµα Μπορεί να γίνει πιο εύκολα κάποια ανάλυση (π.χ. παραµετρικές διακυµάνσεις) Στις πιο πολλές περιπτώσεις τρέχουν πιο γρήγορα από ότι το ίδιο το φυσικό σύστηµα Το µοντέλο εξαρτάται από το ερώτηµα που καλείται να απαντήσει Ένα σύστηµα µπορεί να έχει πολλά µοντέλα Οι κλίµακες του χρόνου και χώρου πρέπει να είναι τέτοιες που να ανταποκρίνονται στο ερώτηµα Πρέπει πάντοτε να καθορίζονται τα ερωτήµατα πριν καθοριστούν τα µοντέλα Παράδειγµα: Πρόβλεψη του Καιρού Ερώτηµα 1: Πόσο θα βρέξει αύριο; Ερώτηµα 2: Θα βρέξει τις επόµενες 5-10 µέρες; Ερώτηµα 3: Θα έχουµε ξηρασία το επόµενο καλοκαίρι; ιαφορετικά ερωτήµατα διαφορετικά µοντέλα

24 Πόσο καλά δουλεύει ένα ΣΕ; Σταθερότητα (Stability): Κάθε φραγµένο (bounded)σήµα εισόδου δείνει φραγµένο σήµα εξόδου Αναγκαία και επαρκής συνθήκη: Να µην υπάρχουν λύσης του βρόγχου που να τείνουν στο Πρόβληµα αποτελεί η θετική ανάδραση (εσωτερική ή εξωτερική) Ευρωστία (Robustness): Σταθερότητα στη παρουσία άγνωστης δυναµικής Έλεγχος σταθερότητας στη παρουσία αβεβαιότητας Πρέπει να ελεγχθούν µια σειρά από συστήµατα Η αβεβαιότητα προκαλεί προβλήµατα Θόρυβος και Αναταραχές ( ) Ο θόρυβος µοντελοποιείται µε βάση το πλάτος, ή τη µέση ενέργεια, του στις διάφορες ζώνες συχνοτήτων ιάφορες µορφές ανάλογα µε το που επιδρούν

25 Πόσο καλά δουλεύει ένα ΣΕ; Σταθερότητα Συστηµάτων Ελέγχου µε Ανάδραση Απόλυτα Σταθερό (absolutely stable) Όταν το σύστηµα βρίσκεται σε ισορροπία (equilibrium) και διεγερθεί στιγµιαία από είσοδο ή αναταραχή, επιστρέφει πάντοτε στη κατάσταση της ισορροπίας Απόλυτα Ασταθές (absolutely unstable) Όταν στην προηγούµενη περίπτωση η αστάθεια συνεχίζεται επ άπειρον είκτες Σχετικής Σταθερότητας (Relative stability indicators) είχνουν πόσο κοντά βρίσκεται ένα σύστηµα που είναι επί του παρόντος σταθερό στο να γίνει ασταθές Για να γίνουν προβλέψεις σταθερότητας Το µοντέλο πρέπει να περιέχει αρκετά στοιχεία της δυναµικής του συστήµατος Συνήθως οι διαφορικές εξισώσεις γίνονται τουλάχιστον 3 ου βαθµού

26 Πόσο καλά δουλεύει ένα ΣΕ; Πόσο καλά το σύστηµα ακολουθεί την είσοδο; Πόσο καλά το σύστηµα διορθώνει για τις αναταραχές; Σχέσεις Εισόδου/Εξόδου Βηµατική (Step)Απόκριση Πόσο καλά η έξοδος ακολουθεί µια βηµατική αλλαγή στην είσοδο; Απόκριση Συχνότητας (Frequency response) Πόσο καλά το σύστηµα ακολουθεί/διορθώνει ταλαντώσεις σε διάφορες συχνότητες;

27 Πόσο καλά δουλεύει ένα ΣΕ; Μετά από µια αλλαγή στην είσοδο Επιστροφή στη σταθερή κατάσταση µε λιγότερη ανατάραξη Χαρακτηριστικά Βηµατικής Απόκρισης Χρόνος Ανόδου (Rise time): Ο χρόνος για να πάει από το 10% στο 90% της τελικής τιµής Υπέρβαση (Overshoot): Ο λόγος µεταξύ του πλάτους της πρώτης κορυφής και της τελικής τιµής Χρόνος Επαναφοράς (Settling time): Ο χρόνος που χρειάζεται για να µένει η έξοδος µέσα σε p% (συνήθως 2%) της τελικής τιµής Σφάλµα Σταθερής Κατάστασης (Steady state error): Το σφάλµα σε t =

28 Πόσο καλά δουλεύει ένα ΣΕ; Μετά από µια βηµατική αλλαγή στην είσοδο Ελαχιστοποίηση του απόλυτου σφάλµατος (επιφάνεια κάτω από την καµπύλη - area under the curve) Απόσβεση Περιγράφει τον τρόπο µε τον οποίο το κύκλωµα θα φτάσει στη σταθερή του κατάσταση Υπεραπόσβεση (Over damping) Κρίσιµη απόσβεση (Critical damping) καθόλου υπέρβαση (overshoot) Υποαπόσβεση (Underdamping)

29 Πόσο καλά δουλεύει ένα ΣΕ; Χαρακτηριστικά Απόκρισης Συχνότητας ιάφορες εφαρµογές απαιτούν καλή απόκριση σε ηµιτονοειδή διαφόρων συχνοτήτων Παράδειγµα: stereo amplifier οµοιόµορφη απόκριση µεταξύ 20 Hz & 20,000 Hz Αν η είσοδος δεν είναι ηµιτονοειδής µπορεί να αναλυθεί µε τη βοήθεια του µετασχηµατισµού Fourier και της επαλληλία (superposition) Απόδοση στη συχνότητα Συνήθως οµοιόµορφο κέρδος Gain= Output Ampl. / Input Ampl. Επίσης, το κέρδος µειώνεται για ψηλές συχνότητες όπου έχουµε κυρίως θόρυβο Προσοχή: Τα πιο πάνω ισχύουν µόνο για γραµµικά συστήµατα!

30 Μια περιοχή όπου ο έλεγχος είναι ζωτικής σηµασίας Για σχεδίαση και λειτουργία συστηµάτων ροµποτικής απαιτείται καλή γνώση Μοντελοποίησης και ανάλυσης δυναµικών συστηµάτων Ελέγχου µε ανάδραση Αισθητήρων και ρύθµισης σηµάτων Ενεργοποιητών και συστηµάτων ενέργειας Υλικού, λογισµικού και διασυνδετικών διατάξεων υπολογιστών Ειδικότητες: Μαθηµατικά, φυσική, βιολογία, µηχανολογία, ηλεκτρολογία, µηχανική υπολογιστών και πληροφορική Ροµποτική

31 Ροµποτική Η ρίζες της λέξης robot Τσεχική λέξη robota = εργασία, robotnik = εργάτης Εµφανίστηκε το 1923 σε θεατρικό έργο του Karel Capek: Rossum s Universal Robots Προσδιορίζεται ως: (δεν είναι ακόµα επίσηµος) Λεξικό Webster s An automatic device that performs functions ordinarily ascribed to human beings ηλαδή πλυντήριο = robot? Robotics Institute of America A robot (industrial robot) is a reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices, through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks

32 Τα ροµπότ του Holywood Τι είναι ένα Ροµπότ; 3PO Star Wars R2-D2

33 Τι είναι ένα Ροµπότ; Γενικά, ένα ροµπότ είναι: Μια προγραµµατιζόµενη µηχανή η οποία µιµείται τη δραστηριότητα ή την εµφάνιση ενός νοήµονος όντος (συνήθως ανθρώπου αλλά όχι µόνο) Για να θεωρείται ροµπότ µια µηχανή πρέπει: 1. Να µπορεί να αντιλαµβάνεται το περιβάλλον του (να παίρνει πληροφορίες από το περιβάλλον του.) 2. Να µπορεί να εκτελεί διάφορες αποστολές: Κίνηση ή χειρισµό π.χ. αντικειµένων 3. Να είναι επανα-προγραµµατιζόµενο (να µπορεί δηλαδή να εκτελεί διαφορετικές αποστολές) 4. Να είναι αυτόνοµο ή/και να αλληλεπιδρά µε τους ανθρώπους

34 Τι είναι ένα Ροµπότ; Οι Νόµοι της Ροµποτικής Ο Asimov πρότεινε τους τρεις Νόµους της Ροµποτικής Νόµος 1: Ένα ροµπότ δεν πρέπει ποτέ να βλάψει ένα άνθρωπο ή λόγω αδράνειας του να αφήσει ένα άνθρωπο να πάθει κακό Νόµος 2: Ένα ροµπότ πρέπει πάντοτε να υπακούει τις εντολές των ανθρώπων εκτός και αν συγκρούονται µε ανώτερο νόµο Νόµος 3: Ένα ροµπότ πρέπει να προστατέψει την ύπαρξη του εκτός και αν αυτό συγκρούεται µε ένα ανώτερο νόµο

35 Ιστορία των Ροµπότ 17 ος και 18 ος αιώνας Αυτόµατα (Automata) Μια µηχανή ή µηχανισµός ελέγχου σχεδιασµένος να ακολουθεί αυτόµατα µια προδιαγραµµένη σειρά από δράσεις ή να αντιδρά σε µια σειρά από κωδικοποιηµένες εντολές

36 Ιστορία των Ροµπότ 1962 Το πρώτο βιοµηχανικό ροµπότ: UNIMATE Προγραµµατιζόµενο ροµπότ που σχεδιάστηκε από τον George Devol Ο ίδιος σκαρφίστηκε και το Universal Automation (1954) το οποίο αργότερα έγινε Unimation το όνοµα του πρώτου ροµπότ (1962). Το UNIMATE αρχικά χρησιµοποιήθηκε για αυτοµατοποίηση κατασκευής οθόνων τηλεόρασης

37 Ιστορία των Ροµπότ 1966 Shakey (Stanford Research Institute) Το πρώτο κινούµενο ροµπότ µε δυνατότητες Τεχνητής Ευφυΐας (Artificial Intelligence AI) Απλές αποστολές : Να βρει οπτικά ένα αντικείµενο Να µεταβεί προς το αντικείµενο Να κάνει κάτι µε το αντικείµενο (π.χ. να το σπρώξει)

38 Ιστορία των Ροµπότ 1978 Το ροµπότ Puma (Programmable Universal Machine for Assembly) της Unimation µε υποστήριξη από την General Motors PUMA 560 Manipulator

39 Ιστορία των Ροµπότ 1980s Η βιοµηχανία ροµπότ µπαίνει σε µια φάση συνεχούς ανάπτυξης. Εµφανίζονται τα πρώτα µαθήµατα ροµποτικής σε πανεπιστήµια. Συµπεριλαµβάνουν τα Τµήµατα mechanical engineering, electrical engineering, και computer science. Adept's SCARA robots Cognex In-Sight Robot Barrett Technology Manipulator

40 Ιστορία των Ροµπότ 1995-σήµερα Νέες εφαρµογές µικρών και κινητών ροµπότ οδηγούν στην ανάπτυξη πολλών καινούργιων εταιριών και έρευνας 2003 NASA s Mars Exploration Rover

41 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Εφαρµογές σε περιβάλλοντα 4D Επικίνδυνα - Dangerous Βρώµικα - Dirty Ανιαρά - Dull ύσκολα - Difficult ραστηριότητες 4A Αυτοµατισµού - Automation Επαύξησης - Augmentation Βοήθειας - Assistance Αυτονοµίας - Autonomous Εργασίες επικίνδυνες για τους ανθρώπους Ροµπότ Απολύµανσης Decontaminating Robot Καθαρίζει την κύρια αντλία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα

42 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Εφαρµογές σε περιβάλλοντα 4D Επικίνδυνα - Dangerous Βρώµικα - Dirty Ανιαρά - Dull ύσκολα - Difficult ραστηριότητες 4A Αυτοµατισµού - Automation Επαύξησης - Augmentation Βοήθειας - Assistance Αυτονοµίας - Autonomous Επαναλαµβανόµενες δραστηριότητες οι οποίες είναι ανιαρές, προκαλούν άγχος ή είναι δύσκολες για ανθρώπους Ροµπότ Συγκόλλησης

43 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Εφαρµογές σε περιβάλλοντα 4D Επικίνδυνα - Dangerous Βρώµικα - Dirty Ανιαρά - Dull ύσκολα - Difficult ραστηριότητες 4A Αυτοµατισµού - Automation Επαύξησης - Augmentation Βοήθειας - Assistance Αυτονοµίας - Autonomous Υποτιµητικές δραστηριότητες τις οποίες οι άνθρωποι δεν θέλουν να κάνουν The SCRUBMATE Robot

44 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Βελτιωµένη ποιότητα προϊόντων Μεγαλύτερη ακρίβεια Επαναλαµβανόµενη ακρίβεια Repeatable precision αµετάβλητη ποιότητα προϊόντος Αυξηµένη Αποδοτικότητα Συνεχής εργασία χωρίς κούραση εν χρειάζονται διακοπές Μεγαλύτερη Ασφάλεια Μπορούν να ενεργούν σε επικίνδυνα περιβάλλοντα εν χρειάζονται περιβαλλοντική προστασία (π.χ. air conditioning, κλπ) Μειωµένο κόστος Χαµηλότερα κόστος προσωπικού Λιγότερες απώλειες Γρηγορότερη αποπεράτωση Γρηγορότερη ανταπόκριση σε αλλαγές στο σχεδιασµό Αυξηµένη Παραγωγικότητα Η παραγωγή ανά υπάλληλο ανά ώρα θα είναι αυξηµένη

45 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Η Ιαπωνία είναι πρώτη. Γιατί; εν υπάρχει αρκετό ανθρώπινο δυναµικό και είναι και πολύ ακριβό

46 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Βιοµηχανικά Ροµπότ 70% συγκολλήσεις και µπογιάτισµα 20% παίρνουν και τοποθετούν 10% άλλα Βιοµηχανίες που χρησιµοποιούν ροµπότ Γεωργία Αυτοκινητοβιοµηχανία Κατασκευές Οικοδοµές Ψυχαγωγία Υγεία (νοσοκοµεία, θεραπεία, χειρουργική, έρευνα, κλπ). Εργαστήρια (επιστηµονικά, µηχανικά, κλπ) Αστυνοµία Παραγωγή Στρατός Εξορύξεις (ορυχεία, µεταλλεία, κλπ) Μεταφορές (αεροπλάνα, επίγειες, τρένα, διάστηµα, κλπ) Εταιρίες νερού, ηλεκτρισµού, γκαζιού Αποθήκες

47 Σε τι Χρησιµεύουν τα Ροµπότ; Χρειάζονται ακόµα πολλές βελτιώσεις Σχεδιασµός και Έλεγχος βραχιόνων χειρισµού Οπτική και Μηχανική ανάδραση Ευέλικτος αυτοµατισµός

48 Τύποι Ροµπότ Σταθερά ή Κινητά Ροµποτικοί Χειριστές (manipulators) Χρησιµοποιούνται στη παραγωγή Σταθεροί στο σηµείο όπου γίνεται η εργασία Κινητές βάσεις (Mobile bases) Συνήθως βάσεις µε τροχούς Μπορεί όµως να έχουν και πόδια

49 Τύποι Ροµπότ Χρήση Ροµποτικοί Χειριστές (manipulators) Παραγωγή, αυτοµατισµός Ροµπότ Πεδίου (Field robots) Στρατιωτικές εφαρµογές Εξερεύνηση του διαστήµατος Ροµπότ παροχής υπηρεσιών (Service robots) Καθαριότητας Ιατρικά Ψυχαγωγικά (Entertainment) ροµπότ

50 Ανατοµία Ενός Ροµπότ Μηχανική οµή (Mechanical strucure) Κινηµατικό µοντέλο υναµικό µοντέλο Αισθητήρες (Sensors) Υπολογιστικά συστήµατα και έλεγχος (computation and control) Ενεργοποιητές (Actuators) Ηλεκτιρκοί, υδραυλικοί, πνευµατικοί, τεχνητοί µύες Επικοινωνία (Communication) ιεπαφή µε τον χρήστη (User interface) Μοναδα µετατροπής ενέργεια (Power conversion unit) Sensors User interface Power conversion unit Controller Mechanical Structure Base Actuators Communications

51 Αισθήσεις του Ροµπότ Ανθρώπινες αισθήσεις Όραση, ακοή, αφή, γεύση και όσφρηση Ζωτικές πληροφορίες Αισθητήρες των ροµπότ Ποσοτικοποιούν την κατάσταση του ροµπότ και του περιβάλλοντος του Στέλνουν την πληροφορία στο ροµπότ σας ηλεκτρικά σήµατα Π.χ. θέση των χεριών, παρουσία τοξικών αερίων κλπ Σε κάποιες περιπτώσεις τα ροµπότ χρειάζονται πληροφορίες πέραν των 5 αισθήσεων Π.χ. δυνατότητα να βλέπουν στο σκοτάδι, να βρίσκουν µικρές ποσότητες ραδιενέργειας, να βλέπουν κίνηση γρηγορότερη από ότι επιτρέπει το µάτι, κλπ

52 Αισθήσεις του Ροµπότ Οπτικοί Αισθητήρες Π.χ. να βρίσκει και επιθεωρεί αντικείµενα Αισθητήρες αντίστασης (Resistive) Κάµψης, ποτενσιόµετρα, Αισθητήρες αφής (Tactile) ιακόπτες επαφής, Αισθητήρες ύναµης Π.χ. να µπορεί να πιέζει αντικείµενα ή να εκτελεί εγχειρήσεις µε ανάδραση δύναµης Υπέρυθροι (Infrared) Αισθητήρες Ανάκλασης, Εγγύτητας, Απόστασης Υπερηχητικοί Ηχοβολείς Υπερηχητικοί Αισθητήρες Απόστασης Π.χ. να µπορεί να εξερευνά ανοικτούς χώρους Αισθητήρες Απόστασης µε Λέιζερ Κωδικοποιητές Κινητήρων (Motor Encoder) Αισθητήρες Αδράνειας (Inertial) Μετρούν την δεύτερη παράγωγο της θέσης (επιτάχυνση) Μετρητές επιτάχυνσης, γυροσκόπια (Gyroscopes) Αισθητήρες Κλίσης (Tilt) Π.χ. να ισορροπεί το ροµπότ Αισθητήρες κατεύθυνσης (Orientation) Πυξίδες, Αισθητήρες κλήσης,... GPS,, κλπ

53 Ενεργοποιητές του Ροµπότ Συνήθως συνδιασµός διάφορων ηλεκτρο- µηχανολογικών συσκευών Synchronous motor Stepper motor AC servo motor Brushless DC servo motor Brushed DC servo motor Hydraulic motor Pneumatic motor Pneumatic cylinder Hydraulic Motor DC Motor Pneumatic Motor Stepper Motor Pneumatic Cylinder Servo Motor

54 Τροχαλίες Ένας τροχός µε εσοχή µεταξύ δύο φλαντζών Σχοινί, συρµατόσχοινο ή ιµάντας περνά από την εσοχή Χρησιµοποιούνται για να Αλλάξουν την κατεύθυνση της δύναµης Μεταδώσουν περιστροφική κίνηση Παρέχουν µηχανικό κέρδος Μηχανικό Κέρδος Ο λόγος του φορτίου/προσπάθειας ηλ. πόσες φορές το σύστηµα πολλαπλασιάζει τη δύναµη

55 Πάγια Τροχαλία (Fixed Pulley) Σταθερός άξονας Αλλάζει την κατεύθυνση της δύναµης εν υπάρχει µηχανικό κέρδος Χρειάζεται η ίδια δύναµη για να ανεβάσει το φορτίο

56 Ελεύθερη Τροχαλία (Movable Pulley) Ο άξονας κινείται και µετατοπίζεται µε το φορτίο Το φορτίο στηρίζεται στον άξονα Η δύναµη έχει την ίδια κατεύθυνση όπως και η κίνηση Μειώνεται η δύναµη που χρειάζεται το φορτίο για να κινηθεί Το φορτίο στηρίζεται από δύο σχοινιά αντί ένα Το βάρος µοιράζεται εξίσου και στα δύο

57 Συνδυασµός Τροχαλιών ύο ή και περισσότερες τροχαλίες Πιο πολύπλοκο σύστηµα λιγότερη δύναµη για να ανυψωθεί το φορτίο

58 Συστήµατα Τροχαλιών Όσο πιο πολλά στηρίγµατα (σχοινιά) διαθέτει το σύστηµα τόσο µεγαλύτερο το κέρδος!

59 Οδοντωτοί Τροχοί Οι οδοντωτοί τροχοί χρησιµοποιούνται για να Αντιστρέψουν την κατεύθυνση περιστροφής Αυξήσουν ή µειώσουν την ταχύτητα περιστροφής Μετατοπίσουν την περιστροφική κίνηση σε άλλο άξονα ή να την µετατρέψουν σε γραµµική Συγχρονίσουν την κίνηση διαφορετικών αξόνων Οι οδοντωτοί τροχοί (αντίθετα µε τις τροχαλίες) µεταφέρουν όλη τη δύναµη χωρίς να υπάρχει ολίσθηση.

60 Οδοντωτοί Τροχοί Πρακτικές χρήσεις οδοντωτών τροχών Κιβώτιο ταχυτήτων Αυτοκίνητα σπορ αναπτύσσουν µεγάλες ταχύτητες αλλά δεν µπορούν να µεταφέρουν µεγάλο φορτίο Φορτηγά µπορούν να µεταφέρουν µεγάλο φορτίο αλλά δεν µπορούν να αναπτύξουν µεγάλες ταχύτητες

61 Είδη Οδοντωτών Τροχών Οδοντωτοί (Spur) Ατέρµονος Κοχλία (Worm) Γραµµή και Πινιον (Rack and pinion) Κωνικοί (Bevel)

62 Οδοντωτοί Τροχοί και Ροπή Από πού προέρχεται η ροπή; Ας κοιτάξουµε 2 οδοντωτούς τροχούς... Ροπή σε αυτόν τον άξονα... τ F παράγει δύναµη σε αυτά τα δόντια r Ροπή: τ= F x r

63 Οδοντωτοί Τροχοί και Ροπή Η δύναµη από το µικρό τροχό µεταφέρεται από τα δόντια στο µεγάλο τροχό: Ίση αλλά αντίθετη δύναµη (3 ος Νόµος Newton) F r τ και παράγει µεγαλύτερη ροπή σε αυτόν τον άξονα. Η δύναµη εφαρµόζεται σε µια πιο µεγάλη ακτίνα

64 Οδοντωτοί Τροχοί και Ροπή Ας αναλύσουµε τις δυνάµεις... τ 1 = F 1 x r 1 τ 2 = F 2 x r 2 F 1 = -F 2 F 1 = τ 1 / r 1 F 2 = τ 2 / r 2 τ 1 F 1 = -F 2 r 1 r 2 τ 1 / r 1 = -τ 2 / r 2 τ 2 τ 2 / τ 1 = r 2 / r 1 Ο λόγος των ροπών ισούται µε τον λόγο των ακτινών. Αυτός είναι ο λόγος οδόντων (gear ratio)!

65 Λόγος Οδόντων (Gear Ratio) Λόγος Οδόντων (Gear Ratio) Gear ratio Number of Driver Teeth = = Number of Driven Teeth Driver Diameter Driven Diameter Gear ratio x Driver RPM = Driven RPM Driver Torque = Gear Ratio x Driven Torque Ο λόγος καθορίζει και το Μηχανικό Κέρδος Driven RPM = 2 x Driver RMP Driver Torque = 2 x Driven Torque Driven RPM = 1/3 x Driver RMP Driver Torque = 1/3 x Driven Torque

66 Περιστροφή Οδοντωτών Τροχών ύο οδοντωτοί τροχοί Ο οδηγούµενος τροχός περιστρέφεται αντίθετα από τον οδηγό. Περισσότεροι από δύο οδοντωτοί τροχοί Περιστρέφονται εναλλάξ αντίθετα (π.χ. οι τροχοί 1, 3, 5 δεξιόστροφα και οι 2, 4 αριστερόστροφα)

67 Σειρές Οδοντωτών Τροχών υο ή περισσότεροι οδοντωτοί τροχοί µεταφέρουν την κίνηση σε άλλους άξονες Ενδιάµεσος Τροχός (Idler Gear) = ο τροχός µεταξύοδηγού και οδηγούµενου τροχού Ο λόγος οδόντων δεν µεταβάλλεται από τον ενδιάµεσο τροχό

68 Κίνηση Ροµπότ Κίνηση (Locomotion)ενός αυτόνοµου ροµπότ στο χώρο. Προϋποθέτει ότι οι κατάλληλες δυνάµεις θα εφαρµοστούν στο ροµπότ υναµική (Dynamics) η µελέτη της κίνησης όπου αυτές οι δυνάµεις µοντελοποιούνται Συµπεριλαµβάνει την ενέργεια και την ταχύτητα της κίνησης Κινηµατική (Kinematics) η µαθηµατική µελέτη της κίνησης χωρίς να δίνεται σηµασία στις δυνάµεις Ασχολείται µόνο µε την γεωµετρία του συστήµατος Ασχολείται µε τη σχέση των παραµέτρων και της συµπεριφοράς του συστήµατος στο χώρο της Κατάστασης (state space)

69 Τροχοί ή Πόδια; Κίνηση Ροµπότ Περπάτηµα Ακούγεται απλό; Όχι ακριβώς Εκατοντάδες συγκεκριµένες κινήσεις Κάθε βήµα Σπρώξιµο του σώµατος µπροστά µε το πόδι Συντονισµό της κίνησης των µηρών, της σπονδυλικής στήλης, των ώµων και του κεφαλιού έτσι ώστε να διατηρηθεί ή ισορροπία. Όταν οι άνθρωποι περπατούν, είναι σαν να χάνουν την ισορροπία τους, λες και θα πέσουν µπροστά Ακριβώς πριν χάσουν την ισορροπία τους βάζουν το ένα πόδι µπροστά σαν στήριγµα Αυτή η σειρά κινήσεων επαναλαµβάνεται και ονοµάζεται δυναµικό περπάτηµα. Κατά το τρέξιµο υπάρχουν στιγµές που και τα δυο πόδια βρίσκονται στον αέρα

70 Κίνηση Ροµπότ ιαφορική Κίνηση (Differential Drive) Ανά πάσα στιγµή, ο αριστερός και δεξιός τροχός, πρέπει να ακολουθούν µια τροχιά η οποία να περιστρέφεται γύρω από το κέντρο (ICR)µε σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω R : Radius of rotation Instantaneous center of curvature (ICC) Ευθεία κίνηση R = V R = V L Περιστροφική Κίνηση R = 0 V R = -V L

71 Κίνηση Ροµπότ Τρίκυκλο (Tricycle) Κίνηση και καθοδήγηση από τον µπροστινό τροχό Μεταβλητές ελέγχου: Κατεύθυνση καθοδήγησης α(t) Γωνιακή ταχύτητα του µρποστινού τροχού ω s (t) Κίνηση α R Το ω s (t) περιορίζει την ταχύτητα µε την οποία µπορεί να πετύχει το ροµπότ απότοµες στροφές

72 Κίνηση Ροµπότ Σύγχρονη Κίνηση (Synchronous Drive) Όλοι οι τροχοί στρίβουν ταυτόχρονα Όλοι είναι στραµµένοι προς την ίδια κατεύθυνση και στρίβουν µε τον ίδιο ρυθµό Τουλάχιστον δύο κινητήρες Ένας για την κίνηση προς τα εµπρός Ο εύτερος γυρνά όλους τους τροχούς γύρω από τον άξονα τους Μεταβλητές Ελέγχου (ανεξάρτητες) v(t), ω(t)

73 Κίνηση Ροµπότ Καθοδήγηση (Ackerman Steering or Car Drive) Κίνηση από τους πίσω τροχούς και καθοδήγηση από τους µπροστινούς (front wheel steering) Μοντέλο κίνησης στους πίσω τροχούς Y ICC ϕ R θ x, y l ϕ xɺ = u 1 yɺ = u 1 ɺ u θ = l ɺ ϕ = u 1 2 cosθ sinθ tanϕ u 1 : ταχύτητα πίσω τροχών προς τα εµπρός u 2 : γωνιακή ταχύτητα µπροστινών τροχών l: απόσταση µεταξύ πίσω και µπροστινών τροχών X

74 Έλεγχος της Κίνησης Ο στόχος ενός συστήµατος κινηµατικού ελέγχου είναι να ακολουθεί µια διαδροµή Περιγράφεται από τη θέση ή/και την ταχύτητα σαν συνάρτηση του χρόνου. Τα πιο πολλά συστήµατα δεν ασχολούνται µε τη δυναµική Ο έλεγχος της κίνησης δεν είναι εύκολη υπόθεση

75 Έλεγχος της Κίνησης Έλεγχος Ανοικτού Βρόγχου (Open Loop) Η διαδροµή διαιρείται σε µικρά κοµµάτια καθορισµένου σχήµατος Ευθείες και τόξα Έλεγχος Υπολογισµός εκ των προτέρων µιας οµαλής διαδροµής Μειονεκτήµατα ύσκολο εγχείρηµα ο υπολογισµός εκ των προτέρων Συνήθως καταλήγουµε µε ανώµαλες διαδροµές εν προσαρµόζεται και δεν διορθώνει τη διαδροµή αν υπάρξουν αλλαγές στο περιβάλλον Έλεγχος Κλειστού Βρόγχου (Closed Loop) Χρήση ανάδρασης για διόρθωση των σφαλµάτων στην κίνηση Μεγαλύτερη ακρίβεια Προσαρµόζεται σε άγνωστες καταστάσεις Μειονεκτήµατα Χρειάζεται γνώση της θέσης (GPS, ultrasound, laser, κλπ)

76 Προγραµµατισµός της Κίνησης Προγραµµατισµός της Κίνησης (Motion Planning) Βρες µια διαδροµή που να ενώνει τη αρχική µε την επιθυµητή τελική θέση χωρίς προσκρούσεις και εµπόδια Μεθοδολογίες προγραµµατισµού της κίνησης Οδικός Χάρτης (Roadmap) Κυψελοειδής Αποδόµηση (Cell Decomposition) Πεδίο υναµικού (Potential Field)

77 Ο Εγκέφαλος του Ροµπότ ιαθέτει την απαραίτητη νοηµοσύνη για να ελέγχει το ροµπότ Μέρη Υπολογιστικό Σύστηµα Επεξεργάζεται τις πληροφορίες από τους αισθητήρες Καθορίζει τις ενέργειες τον ενεργοποιητών ώστε να επιτευχθούν συγκεκριµένοι στόχοι Μνήµη και Αποθήκευση Π.χ. µνήµη για αποθήκευση του προγράµµατος του ροµπότ και των διαφόρων παραµέτρων που καθορίζουν την κατάσταση του ιασυνδετική διάταξη Υλικό το οποίο διασύνδεει το υπολογιστικό σύστηµα µε τον έξω κόσµο (αισθητήρες και ενεργοποιητές) RoboBoard Robotics Controller Analog to Digital Converter

78 Τι είναι τεχνητή Νοηµοσύνη (Artificial Intelligence AI); Συστήµατα που έχουν τα εξής µπορούν να Επιλύουν Προβλήµατα Αναπαριστούν και Αποθηκεύουν Γνώση Μαθαίνουν Σχεδιάζουν ενέργειες και να επιλύουν προβλήµατα Εξάγουν συµπεράσµατα (Νοήµονες Πράκτορες και Έµπειρα Συστήµατα) Καταλαβαίνουν την γλώσσα των ανθρώπων Έχουν προηγµένη διασύνδεση µε το περιβάλλον Βλέπουν Τεχνητή Νοηµοσύνη

79 Τεχνητή Νοηµοσύνη Μάθηση και Εξέλιξη Μάθηση (Learning) εξιοτεχνίες αντί Στόχοι Μέθοδοι µάθησης Με καθοδήγηση (by instruction) Με µίµηση (by imitation) Με µεταφορά δεξιοτήτων (by skill transfer) Εξέλιξη και Προσαρµοστικότητα (Evolution and adaptation) Το κύριο στοιχείο της νοηµοσύνης

80 Η ιστορία των LEGO Mindstorms Σχεδιάστηκαν από το MIT Media Labs και την εταιρία LEGO Constructionism σαν βάση της δηµιουργίας ενός προγραµµατιζόµενου κύβου LEGO Constructionism Οι µαθητές µπορούν πιο εύκολα να µάθουν καινούργιες έννοιες και ιδέες αν ταυτόχρονα φτιάχνουν κάτι χρήσιµο Knowledge is only part of understanding. Genuine understanding comes from hands-on experience. Dr Seymour Papert Professor of Learning Research MIT, USA LEGO Mindstorms