ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗ Ι ΑΣΚΑΛΙΑ ΤΗΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ Θωµ. Σακάρος,. Τσόντος, ρ. Γ. Φουσκιτάκης, ρ. Λ. οϊτσίδης Τµήµα Ηλεκτρονικής, Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα (ΤΕΙ) Κρήτης, Ρωµανού 3, ΤΚ 73133, Χανιά, Κρήτη, Ελλάδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η σχεδίαση και η κατασκευή ενός ολοκληρωµένου εκπαιδευτικού συστήµατος για τη διδασκαλία της ροµποτικής, αποτελούµενο από ροµποτικό βραχίονα χαµηλού κόστους και από το µοντέλο προσοµοίωσής του. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του βραχίονα, το κύκλωµα οδήγησης των κινητήρων του, το µοντέλο προσοµοίωσης που αναπτύχθηκε σε VRML καθώς και το γραφικό περιβάλλον διεπαφής που επιτρέπει στους φοιτητές να ελέγχουν το βραχίονα τόσο σε συνθήκες προσοµοίωσης όσο και σε πραγµατικές συνθήκες, µελετώντας παράλληλα το ευθύ και το αντίστροφο κινηµατικό πρόβληµα. Λέξεις κλειδιά: Εκπαιδευτικός βραχίονας, VRML, MATLAB. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εργαστηριακή διδασκαλία συνιστά ένα πολύ σηµαντικό κοµµάτι της εκπαίδευσης των νέων µηχανικών όλων των ειδικοτήτων, καθώς βοηθά τους φοιτητές να κατανοήσουν θέµατα που πολλές φορές είναι δύσκολο να προσεγγίσουν αποκλειστικά και µόνο από τη θεωρητική διδασκαλία. Όσον αφορά τη διδασκαλία της ροµποτικής, η χρησιµότητα ενός αποκλειστικά θεωρητικού µαθήµατος είναι αµφισβητήσιµη, καθώς κρίνεται αναγκαία η ύπαρξη συνοδευτικών εργαστηριακών διατάξεων για την πλήρη επίτευξη των διδακτικών στόχων (Doulgeri & Matiakis, 2006). Η εξοικείωση όµως των φοιτητών µε τέτοιες διατάξεις είναι δύσκολη, καθώς ο µεγάλος αριθµός φοιτητών ιδιαίτερα σε προπτυχιακό επίπεδο ανά έτος, το αυξηµένο κόστος των ροµποτικών διατάξεων, ο περιορισµένος χρόνος διδασκαλίας και άλλοι ανάλογοι παράγοντες, καθιστούν δύσκολη την εκπαιδευτική διαδικασία. Η λύση στο συγκεκριµένο πρόβληµα µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση ρεαλιστικών εργαλείων προσοµοίωσης σε συνδυασµό µε συσκευές χαµηλού κόστους, που επιτρέπουν την µαζική χρήση τους στην εργαστηριακή διδασκαλία µε τα ανάλογα ευεργετικά αποτελέσµατα. Μια επισκόπηση των διαθέσιµων εργαλείων για την προσοµοίωση ροµποτικών συστηµάτων παρατίθεται από τους (Craighead et al., 2007), αναδεικνύοντας τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα του κάθε εργαλείου, που σχετίζονται τόσο µε το κόστος τους όσο και µε τη χρηστικότητα και τις δυνατότητές τους. Παράλληλα, στην παγκόσµια αγορά διατίθεται πλέον πληθώρα εκπαιδευτικών διατάξεων διαφόρων τύπων για τη διδασκαλία της ροµποτικής, µε κόστος που ξεκινά από µερικές εκατοντάδες ευρώ έως ανάλογα µε τις δυνατότητές τους σε µερικές χιλιάδες ευρώ (Τσόντος, 2009).
Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ο σχεδιασµός, η ανάπτυξη και η κατασκευή ενός ροµποτικού βραχίονα χαµηλού κόστους, συνοδευόµενου από το αντίστοιχο µοντέλο προσοµοίωσής του ανεπτυγµένο σε γλώσσα VRML και βασίζεται στις πτυχιακές εργασίες των δύο πρώτων συγγραφέων. Το εικονικό µοντέλο αλλά και ο πραγµατικός βραχίονας ελέγχονται µε τη βοήθεια του λογισµικού MATLAB. Το συγκεκριµένο σύστηµα έχει χρησιµοποιηθεί στα πλαίσια των εργαστηριακών ασκήσεων του µαθήµατος Ροµποτική και Εφαρµογές, του τµήµατος Ηλεκτρονικής του ΤΕΙ Κρήτης µε µεγάλη επιτυχία, βοηθώντας τους φοιτητές να κατανοήσουν την κινηµατική βραχιόνων µε τη βοήθεια καρτεσιανών συστηµάτων συντεταγµένων, καθώς επίσης να µελετήσουν το ευθύ και το αντίστροφο κινηµατικό πρόβληµα. 2 Ο ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΣ ΒΡΑΧΙΟΝΑΣ Προκειµένου να εξοικειωθούν οι φοιτητές µε τον έλεγχο ροµποτικών βραχιόνων, κατασκευάστηκε ένας κατακόρυφος αρθρωτός εκπαιδευτικός βραχίονας χαµηλού κόστους (600 περίπου), τεσσάρων (4) βαθµών ελευθερίας (τέσσερις περιστροφικές αρθρώσεις, Σχήµα 1). Οι σύνδεσµοί του είναι κατασκευασµένοι από ράβδους αλουµινίου διαστάσεων 22 mm (πλάτος) 3 mm (πάχος) και φέρει πέντε (5) κινητήρες τύπου σέρβο (servo) της εταιρείας Hitec για την κίνηση των αρθώσεών του και τον έλεγχο της αρπάγης [HSR-5980SG στη βάση, HSR-5990TG στον πρώτο σύνδεσµο, HSR-8498HB στους δύο επόµενους συνδέσµους και HS-422 για τον έλεγχο της αρπάγης (άνοιγµα/κλείσιµο)]. Η επιλογή του τύπου των κινητήρων έγινε βάσει των κινηµατικών απαιτήσεων και της αναγκαίας ροπής κάθε άρθρωσης (Σακάρος, 2009). Τα µήκη των συνδέσµων είναι: L 1 =291 mm, L 2 =220 mm, L 3 =72 mm. Σχήµα 1. Ο εκπαιδευτικός ροµποτικός βραχίονας. Για τον έλεγχο χαµηλού επιπέδου των κινητήρων τύπου σέρβο, αναπτύχθηκε µια τροποποιηµένη έκδοση του εµπορικού ελεγκτή σερβοκινητήρων SSC-32 της εταιρίας Lynxmotion (Σχήµα 2). Ο πυρήνας του κυκλώµατος οδήγησης αποτελείται από τον µικροελεγκτή AΤmega8 της εταιρείας ATMEL, που είναι υπεύθυνος για την επικοινωνία των σερβοκινητήρων µε τον ηλεκτρονικό υπολογιστή (Η/Υ) (περιοχή 1, Σχήµα 2). Πλέον του παραπάνω µικροελεγκτή, υπάρχει ένας οκτάµπιτος καταχωρητής ολίσθησης σειριακής εισόδου παράλληλης εξόδου τύπου 74HC595, µε εξόδους τριών καταστάσεων (περιοχή 2, Σχήµα 2). Οι χρησιµοποιηθείσες αντιστάσεις περιορίζουν το ρεύµα τροφοδοσίας του ακροδέκτη ελέγχου των σερβοκινητήρων. Η βαθµίδα αυτή
είναι υπεύθυνη για την ταυτόχρονη οδήγηση και των πέντε σερβοκινητήρων του βραχίονα, η ταχύτητα των οποίων δύναται να µεταβληθεί µέσω κατάλληλου προγραµµατισµού. Η τροφοδοσία των σερβοκινητήρων γίνεται µέσω του κυκλώµατος που βρίσκεται στην περιοχή 3, (Σχήµα 2). Τέλος, υπάρχουν ένας µετατροπέας στάθµης RS232 σε TTL τύπου MAX232 και τέσσερεις πυκνωτές απαραίτητοι για τη σωστή λειτουργία του ολοκληρωµένου κυκλώµατος (περιοχή 4, Σχήµα 2). Το παραπάνω κύκλωµα συνδέεται µέσω σειριακής θύρας επικοινωνίας µε Η/Υ. Η αρπάγη του βραχίονα µπορεί να διαχειριστεί αντικείµενα βάρους 50-100 gr περίπου. Σχήµα 2. Κύκλωµα οδήγησης των σερβοκινητήρων. 3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ Για την ανάπτυξη του µοντέλου προσοµοίωσης του βραχίονα, χρησιµοποιήθηκε το λογισµικό V-Realm Builder και το µοντέλο σχεδιάστηκε σε VRML. Ανάλογος τρόπος σχεδιασµού έχει παρουσιαστεί πρόσφατα και από τους (Φασουλά & Κουλτζή, 2009). Έγινε προσπάθεια για την κατά το δυνατόν ακριβέστερη σχεδιαστικά µεταφορά του βραχίονα στον εικονικό κόσµο. Στο Σχήµα 3 παρουσιάζεται το µοντέλο προσοµοίωσης του βραχίονα από διαφορετικά σηµεία παρατήρησης. Σχήµα 3. Εικονικό µοντέλο του ροµποτικού βραχίονα σε περιβάλλον VRML. 4 ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΕΛΕΓΧΟΥ Για τον έλεγχο του βραχίονα καθώς και του µοντέλου προσοµοίωσης επιλέχθηκε το λογισµικό MATLAB, καθώς επιτρέπει τη γρήγορη και εύκολη ανάπτυξη κώδικα για
τον έλεγχο ροµποτικών συστηµάτων (Nelson et al., 2004). Αντίστοιχη φιλοσοφία ανάπτυξης έχει χρησιµοποιηθεί µε επιτυχία στο παρελθόν για τον έλεγχο εντρόχων ροµποτικών οχηµάτων (Piperidis et al., 2007). Το λογισµικό MATLAB χρησιµοποιείται για τη διδασκαλία της ροµποτικής σε πολλά τριτοβάθµια εκπαιδευτικά ιδρύµατα, κυρίως µε τη χρήση της εργαλειοθήκης (toolbox) ροµποτικής που έχει αναπτυχθεί από τον (Corke, 1996). Η φιλοσοφία ανάπτυξης του λογισµικού του παρόντος βραχίονα επικεντρώθηκε σε δύο άξονες: α) την ευκολία χρήσης του, και β) την κατανόηση των βασικών αρχών κινηµατικής ανάλυσης ροµποτικών βραχιόνων από προπτυχιακούς φοιτητές. Έµφαση δόθηκε επίσης στην ρεαλιστική αναπαράσταση της κίνησης του βραχίονα από το µοντέλο προσοµοίωσης στον εικονικό κόσµο. Συγκεκριµένα έχει αναπτυχθεί ένα γραφικό περιβάλλον διεπαφής (GUI), που επιτρέπει στο χρήστη να ελέγξει την κίνηση του βραχίονα είτε σε συνθήκες προσοµοίωσης, είτε να τον κινήσει πραγµατικά. Σε κάθε περίπτωση υπάρχουν δύο διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας: α) κίνηση βάσει επίλυσης του ευθέους, και β) κίνηση βάσει επίλυσης του αντιστρόφου κινηµατικού προβλήµατος. Στην πρώτη περίπτωση ο χρήστης εισάγει τιµές για τις γωνίες των αρθρώσεων του βραχίονα και επιλέγει αν αυτός θα κινηθεί εικονικά ή/και πραγµατικά. Στο παράθυρο της διεπαφής απεικονίζεται η κίνηση του βραχίονα, ο συνολικός πίνακας οµογενούς µετασχηµατισµού (του τελευταίου συστήµατος συντεταγµένων που βρίσκεται στο εξωτερικό άκρο της αρπάγης, ως προς το καθολικό σύστηµα συντεταγµένων που είναι τοποθετηµένο στη βάση του βραχίονα). Με τον τρόπο αυτό ο χρήστης επαληθεύει την µαθηµατική µοντελοποίηση για την επίλυση του ευθέους κινηµατικού προβλήµατος. Οι γωνίες Euler του άκρου εργασίας µπορούν επίσης να απεικονιστούν µε κατάλληλη προσαρµογή/προσθήκη στο γραφικό περιβάλλον. Ο χρήστης δύναται να παρακολουθήσει την προσοµοιωµένη ή/και την πραγµατική κίνηση του βραχίονα, ενώ πάλι απεικονίζεται ο συνολικός πίνακας οµογενούς µετασχηµατισµού. Η επίλυση του αντιστρόφου κινηµατικού προβλήµατος επιτυγχάνεται γεωµετρικά, µε εξισώσεις που παρέχουν λύση κλειστής µορφής για κατακόρυφη (κάθετη προς τα κάτω) τοποθέτηση του τρίτου (τελευταίου) συνδέσµου. Η επίλυση του αντιστρόφου κιηµατικού προβλήµατος µπορεί να προκύψει γεωµετρικά (λύση κλειστής µορφής) για οποιαδήποτε γωνία του τελευταίου συνδέσµου. Ο παραπάνω κατακόρυφος προσανατολισµός επιλέχθηκε ώστε το άκρο εργασίας να µπορεί να χειριστεί µε ευκολία πιόνια σκακιού (άλλη πτυχιακή εργασία στην οποία χρησιµοποιείται ο βραχίονας). Στην κινηµατική ανάλυση του βραχίονα έχει υιοθετηθεί η τοποθέτηση συστηµάτων συντεταγµένων κατά Denavit-Hartenberg. Για την κίνηση του βραχίονα δε χρησιµοποιείται κάποιο είδος πολυωνυµικής τροχιάς ή παραβολικής µίξης για τις µεταβλητές των αρθρώσεων. Το γεγονός αυτό όπως επίσης και η κίνηση του άκρου εργασίας σε ευθεία γραµµή µπορούν να επιτευχθούν µε κατάλληλες προσαρµογές/προσθήκες στο λογισµικό ελέγχου. Η παραπάνω υλοποίηση παρουσιάζεται αναλυτικά στο Σχήµα 4. Το γραφικό περιβάλλον διεπαφής αναπτύχθηκε µε το λογισµικό MATLAB κάνοντας χρήση της αντίστοιχης εργαλειοθήκης (toolbox). Οι τιµές των γωνιών των αρθρώσεων (είτε από το ευθύ είτε από το αντίστροφο κινηµατικό πρόβληµα), εισάγονται σε κατάλληλα ανεπτυγµένα µοντέλα Simulink που είναι υπεύθυνα για την κίνηση και τον έλεγχο του βραχίονα στο περιβάλλον προσοµοίωσης VRML. Οι τιµές των γωνιών µπορούν να αποσταλούν µέσω σειριακής θύρας για την κίνηση και τον έλεγχο του πραγµατικού βραχίονα. Ο µικροελεγκτής µέσω κατάλληλου προγραµµατισµού λαµβάνει σειριακά τις τιµές των γωνιών των αρθρώσεων και παράγει τους απαιτούµενους παλµούς ελέγχου (PWM) των σερβοκινητήρων. Σε πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας
ο βραχίονας κινείται ταυτόχρονα και στον εικονικό κόσµο και πραγµατικά. Ακόµα και έπειτα από πλειάδα κινήσεων του βραχίονα, το εικονικό περιβάλλον προσεγγίζει πιστά τη θέση και τον προσανατολισµό του βραχίονα. Η επαναληψιµότητα του βραχίονα κρίνεται ικανοποιητική, καθώς µετέφερε µε επιτυχία (20 επιτυχίες στις 20 προσπάθειες) ένα αντικείµενο µεταξύ δύο σηµείων του χόρου εργασίας. Η δε ακρίβειά του υπολογίστηκε σε µερικά χιλιστόµετρα (3-7). Κατά την κίνηση του βραχίονα παρατηρήθηκε (σε µικρή κλίµακα) τρέµουλο λόγω του µεγάλου µήκους των συνδέσµων του. Το γεγονός αυτό µπορεί να περιοριστεί σηµαντικά µε την τοποθέτηση κατάλληλου ελατηρίου µεταξύ των κινητήρων των αρθρώσεων 2 και 3. Σχήµα 4. Το εκπαιδευτικό ροµποτικό σύστηµα που κατασκευάστηκε.
5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Λαµβάνοντας υπόψη τους εµπορικούς βραχίονες και τις δυνατότητές τους, στόχος µας ήταν η κατασκευή ενός συστήµατος ικανού να καλύψει τις απαιτήσεις της προπτυχιακής διδασκαλίας του εργαστηριακού µαθήµατος της Ροµποτικής, στο Τµήµα Ηλεκτρονικής του ΤΕΙ Κρήτης. Το συνολικό κόστος κατασκευής ανήλθε στα 600 περίπου και κρίνεται ανταγωνιστικό σε σχέση µε αντίστοιχες εµπορικές διατάξεις, παρέχοντας όµως σηµαντικά περισσότερες δυνατότητες (µεγάλο µήκος µεταλλικών συνδέσµων, ισχυροί κινητήρες µε αυξηµένη ροπή) (Σακάρος, 2009). Το σύστηµα διαθέτει πλήρες µοντέλο προσοµοίωσης, πολύ φιλικό προς το χρήστη και άµεσα διαθέσιµο στους εκπαιδευόµενους φοιτητές. Το πλήρες σύστηµα έχει ενσωµατωθεί στη διδασκαλία του εργαστηριακού µαθήµατος µε επιτυχία και συνοδεύτεται από σειρά ασκήσεων ενισχύοντας σηµαντικά στην κατανόηση των βασικών εννοιών της ροµποτικής από τους φοιτητές. Στο άµεσο µέλλον, θα ενσωµατωθεί στην εκπαιδευτική διαδικασία ένας ακόµα βραχίονας τύπου SCARA. 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Corke, P.I., (1996), "A Robotics Toolbox for MATLAB", IEEE Robotics and Automation Magazine, vol 3, no. 1, pp. 24-32. Craighead, J., Murphy, R., Burke, J., Goldiez, B., (2007), A Survey of Commercial & Open Source Unmanned Vehicle Simulators, in proceedings of the 2007 International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2007), pp: 852-857. Doulgeri, Z., Matiakis, T., (2006), A Web Telerobotic System to Teach Industrial Robot Path Planning and Control, IEEE Transactions on Education, vol.49, no.2, pp: 263-270. Nelson, A. L., Doitsidis, L., Long, M. T., Valavanis, K. P., Murphy, R. R., (2004) Encorporation of MATLAB into a Distributed Behavioral Robotics Architecture, in proceedings of the 2004 IROS/RSJ Conference, pp: 2028 2035, Sendai, Japan. Piperidis, S., Doitsidis, L., Anastasopoulos, C., Tsourveloudis, N.C., (2007), A Low Cost Modular Vehicle Design for Research and Education, in proceedings of the Mediterranean Conference on Control and Automation (MED 2007). Τσόντος,., (2009), Ανάπτυξη εκπαιδευτικού λογισµικού για προσοµοίωση και έλεγχο πραγµατικού ροµποτικού βραχίονα τεσσάρων βαθµών ελευθερίας, Πτυχιακή εργασία, Τµήµα Ηλεκτρονικής, ΤΕΙ Κρήτης. Σακάρος, Θωµ., (2009), Κατασκευή και έλεγχος κατακόρυφου αρθρωτού ροµποτικού βραχίονα τεσσάρων βαθµών ελευθερίας, Πτυχιακή εργασία, Τµήµα Ηλεκτρονικής, ΤΕΙ Κρήτης. Φασουλάς, Ι., Κουλτζής, Ι., (2009), Εκπαιδευτικό λογισµικό για τον προγραµµατισµό ενός εικονικού ροµποτικού βραχίονα τύπου SCARA, 1 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Ροµποτικής, Αθήνα.