Лабораторный стенд:Робот-сортировщик — различия между версиями
Материал из Кафедра Автоматики и телемеханики
Mvk (обсуждение | вклад) |
Mvk (обсуждение | вклад) |
||
| (не показана одна промежуточная версия этого же участника) | |||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
{{Оснащение | {{Оснащение | ||
| + | |Место размещения= {{Лаборатории:Оформление|Системы автоматизации и управления|315|Учебная|нет}} | ||
| + | |Фото=Робот-сортировщик_рабочее_поле.jpg | ||
|Описание= | |Описание= | ||
| − | {{ | + | {{Видео|Тип=YouTube|id=htM8bSsRk_4|Ширина=480px|Высота=387px|Выравнивание="right"|Левый отступ=3|Правый отступ=0}} |
| − | + | В настоящее время наблюдается начало широкого внедрения роботов в различных областях не только производственной, но и повседневной деятельности человека. На это указывает множество примеров, начиная от имеющихся в продаже моделей роботов-пылесосов, роботов для мытья окон и заканчивая опытными образцами робота для уборки кухни <ref>http://www.membrana.ru/particle/3257</ref> и человекоподобного робота-слуги, который планируется вывести в продажу для домашнего применения к 2015 году <ref>http://roboton.ru/?q=content/robot-sluga-romeo-na-prilavkah-magazinov-do-2015g</ref>. | |
| − | + | ||
| − | + | ||
| − | В настоящее время наблюдается начало широкого внедрения роботов в различных областях не только производственной, но и повседневной деятельности человека. На это указывает множество примеров, начиная от имеющихся в продаже моделей роботов-пылесосов, роботов для мытья окон и заканчивая опытными образцами робота для уборки кухни <ref> | + | |
Учитывая эту тенденцию, в ближайшее десятилетие можно ожидать достаточно быстрое развитие в области робототехники, подогреваемое потребительским спросом. Поэтому уже сейчас при подготовке специалистов в области управления в технических системах важно уделять существенное внимание различным аспектам этих технологий, а также проводить соответствующие научные исследования. | Учитывая эту тенденцию, в ближайшее десятилетие можно ожидать достаточно быстрое развитие в области робототехники, подогреваемое потребительским спросом. Поэтому уже сейчас при подготовке специалистов в области управления в технических системах важно уделять существенное внимание различным аспектам этих технологий, а также проводить соответствующие научные исследования. | ||
| − | С этой целью на был разработан '''лабораторный стенд «Робот-сортировщик»'''<ref>Еремеев И.М., Кавалеров М.В. Создание лабораторного стенда "Робот-сортировщик" // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2011</ref>, который позволяет проводить исследования и учебные занятия по следующим темам: | + | С этой целью на кафедре был разработан '''лабораторный стенд «Робот-сортировщик»'''<ref>Еремеев И.М., Кавалеров М.В. Создание лабораторного стенда "Робот-сортировщик" // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2011</ref>, который позволяет проводить исследования и учебные занятия по следующим темам: |
* разработка программного обеспечения для систем компьютерного зрения; | * разработка программного обеспечения для систем компьютерного зрения; | ||
* использование компьютерного зрения для сортировки объектов на основе различных критериев; | * использование компьютерного зрения для сортировки объектов на основе различных критериев; | ||
* изучение основ визуального сервоуправления; | * изучение основ визуального сервоуправления; | ||
| − | * разработка новых методов визуального сервоуправления | + | * разработка новых методов визуального сервоуправления. |
| − | + | ||
| + | В настоящее время робот-сортировщик используется в ходе исследовательских работ по темам, связанным с компьютерным зрением и визуальным сервоуправлением. | ||
| + | |||
| + | Также с данным стендом работают студенты в ходе лабораторных занятий по учебной дисциплине "[[Дисциплины:Технические средства автоматизации и управления|Технические средства автоматизации и управления]]". | ||
| + | |||
| + | {{-}} | ||
== Текущая реализация == | == Текущая реализация == | ||
{{{!}}align="right" | {{{!}}align="right" | ||
| Строка 25: | Строка 29: | ||
Интеллектуальная составляющая робота распределяется между микроконтроллером и управляющим компьютером, при этом основная ее часть возлагается на управляющий компьютер, к которому, в частности, подключается видеокамера. | Интеллектуальная составляющая робота распределяется между микроконтроллером и управляющим компьютером, при этом основная ее часть возлагается на управляющий компьютер, к которому, в частности, подключается видеокамера. | ||
Для получения картинки на стенде используется веб-камера, подключаемая к компьютеру по USB. | Для получения картинки на стенде используется веб-камера, подключаемая к компьютеру по USB. | ||
| − | В качестве устройств, отвечающих за передвижения манипулятора, было решено использовать шаговые двигатели из-за удобства позиционирования с помощью них | + | |
| + | [[Файл:EM-141.png|мини|200px|слева|Шаговый двигатель EM-141]] | ||
| + | В качестве устройств, отвечающих за передвижения манипулятора, было решено использовать шаговые двигатели из-за удобства позиционирования с помощью них. В нашем случае, чтобы уменьшить затраты на изготовление стенда, использовались 4 шаговых двигателя EM-142 и EM-141 от старых принтеров Epson LX1050. | ||
| + | |||
| + | [[Файл:Магнитный манипулятор робота-сортировщика.png|мини|200px|слева|Магнитный манипулятор]] | ||
| + | Для того чтобы робот-сортировщик мог переносить детали с одного места на другое, нужно было реализовать вертикальное перемещение манипулятора. В качестве вертикально движущейся части был выбран автомобильный активатор дверей Saturn MS-2. | ||
| + | При разработке манипулятора в качестве захватывающего устройства используется электромагнит. Это представляется наиболее подходящим решением для данного стенда на начальной стадии в силу простоты реализации. | ||
| + | |||
| + | [[Файл:Блок управления силовыми механизмами робот-сортировщика.png|мини|200px|Блок управления силовыми механизмами]] | ||
| + | Все схемы управления силовыми механизмами были собраны на одной плате с нужными разъемами и радиатором, формируя блок управления силовыми механизмами. | ||
| + | |||
| + | [[Файл:Carduino Nano v4.png|мини|200px|справа|Контроллер Carduino Nano v4]] | ||
| + | В качестве управляющего контроллера был выбран контроллер семейства [http://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino Arduino] (Carduino Nano v4). Он имеет открытую архитектуру, а также свободно распространяемую среду разработку. Для цифрового ввода/вывода используется 14 контактов, шесть из которых могут быть использованы для вывода сигналов ШИМ. Также имеется шесть аналоговых входов при наличии АЦП на 10 разрядов. | ||
| + | |||
| + | Задачи, которые ставятся перед контроллером, - это, в основном, задачи, связанные с управлением исполнительными механизмами и взаимодействием с датчиками. Все логические операции по перемещению манипулятора и обработке изображения, осуществляет компьютер, к которому подключается контроллер. | ||
| + | |||
| + | === Режим работы === | ||
| + | Робот-сортировщик выполняет поиск и сортировку объектов по тому или иному критерию. Например, это может быть просто поиск объектов определенного цвета, а может быть сортировка объектов по их размерам. | ||
| + | |||
| + | Основной блок в составе цикла функционирования выглядит, в общих чертах, следующим образом. | ||
| + | # С помощью веб-камеры формируется снимок площадки с объектами в виде растрового изображения, которое сохраняется в оперативной памяти. | ||
| + | # На полученном изображении отыскивается очередной объект. | ||
| + | # Определяется принадлежность объекта к той или иной категории объектов согласно заданному признаку (например, цвету, форме или размеру). | ||
| + | # Осуществляется перемещение манипулятора к объекту. После перемещения манипулятор располагается точно над объектом. Перемещение может осуществляться как на основе вычисления необходимого количества шагов для управляющих двигателей, так и на основе корректировки положения манипулятора по видеоизображению. | ||
| + | # Выполняется захват объекта манипулятором путем опускания магнитного захвата и включения электромагнита. | ||
| + | # Происходит перемещение манипулятора, удерживающего объект, к месту выгрузки объекта. Объекты, обладающие различными значениями признака (например, имеющие разные цвета), выгружаются в разные места, специально отведенные для того или иного значения признака. Тем самым, выполняется сортировка объектов по заданному признаку. | ||
| + | |||
| + | == Модификация и развитие == | ||
| + | Можно выделить следующие основные пути развития и модификации лабораторного стенда «Робот-сортировщик». | ||
| + | # Реализация более сложных алгоритмов распознавания образов, в частности, с использованием свободно распространяемой библиотеки компьютерного зрения [http://ru.wikipedia.org/wiki/OpenCV OpenCV]<ref>Bradski G., Kaehler A. Learning OpenCV. – O’Reilly Media, 2008.</ref>. | ||
| + | # Подключение дополнительных веб-камер, что позволит определять положение объектов не только на плоскости, но и в трехмерном пространстве. В частности, можно будет оценивать высоту объектов, их истинную форму, а не только одну из проекций объекта, как это происходит сейчас. | ||
| + | # Создание более сложного манипулятора, например, в виде «механической руки» той или иной сложности. В совокупности с дополнительными веб-камерами это позволит исследовать и разрабатывать более сложные и интересные методы и алгоритмы визуального сервоуправления ([http://en.wikipedia.org/wiki/Visual_Servoing visual servoing]), когда, в частности, веб-камеры играют роль датчиков обратной связи. | ||
| + | |||
| + | |Название раздела примечаний=Примечания | ||
}} | }} | ||
Текущая версия на 19:22, 8 февраля 2012
Лабораторный стенд "Робот-сортировщик"
Место размещения: Системы автоматизации и управления (ауд.315, к.А ЭТФ)
В настоящее время наблюдается начало широкого внедрения роботов в различных областях не только производственной, но и повседневной деятельности человека. На это указывает множество примеров, начиная от имеющихся в продаже моделей роботов-пылесосов, роботов для мытья окон и заканчивая опытными образцами робота для уборки кухни [1] и человекоподобного робота-слуги, который планируется вывести в продажу для домашнего применения к 2015 году [2].
Учитывая эту тенденцию, в ближайшее десятилетие можно ожидать достаточно быстрое развитие в области робототехники, подогреваемое потребительским спросом. Поэтому уже сейчас при подготовке специалистов в области управления в технических системах важно уделять существенное внимание различным аспектам этих технологий, а также проводить соответствующие научные исследования.
С этой целью на кафедре был разработан лабораторный стенд «Робот-сортировщик»[3], который позволяет проводить исследования и учебные занятия по следующим темам:
- разработка программного обеспечения для систем компьютерного зрения;
- использование компьютерного зрения для сортировки объектов на основе различных критериев;
- изучение основ визуального сервоуправления;
- разработка новых методов визуального сервоуправления.
В настоящее время робот-сортировщик используется в ходе исследовательских работ по темам, связанным с компьютерным зрением и визуальным сервоуправлением.
Также с данным стендом работают студенты в ходе лабораторных занятий по учебной дисциплине "Технические средства автоматизации и управления".
Текущая реализация
Робот–сортировщик представляет собой систему в виде манипулятора с магнитным захватом, перемещаемым по вертикальной оси. Сам манипулятор может свободно перемещаться по площади 30 на 40 см с помощью шаговых двигателей, металлических направляющих и ременной передачи. Посредством манипулятора, робот может захватывать металлические объекты и перемещать их в целевые области, сортируя их по внешним признакам. Распознавание этих признаков осуществляется с помощью видеокамеры, расположенной над полем сортировки.
Интеллектуальная составляющая робота распределяется между микроконтроллером и управляющим компьютером, при этом основная ее часть возлагается на управляющий компьютер, к которому, в частности, подключается видеокамера. Для получения картинки на стенде используется веб-камера, подключаемая к компьютеру по USB.
В качестве устройств, отвечающих за передвижения манипулятора, было решено использовать шаговые двигатели из-за удобства позиционирования с помощью них. В нашем случае, чтобы уменьшить затраты на изготовление стенда, использовались 4 шаговых двигателя EM-142 и EM-141 от старых принтеров Epson LX1050.
Для того чтобы робот-сортировщик мог переносить детали с одного места на другое, нужно было реализовать вертикальное перемещение манипулятора. В качестве вертикально движущейся части был выбран автомобильный активатор дверей Saturn MS-2. При разработке манипулятора в качестве захватывающего устройства используется электромагнит. Это представляется наиболее подходящим решением для данного стенда на начальной стадии в силу простоты реализации.
Все схемы управления силовыми механизмами были собраны на одной плате с нужными разъемами и радиатором, формируя блок управления силовыми механизмами.
В качестве управляющего контроллера был выбран контроллер семейства Arduino (Carduino Nano v4). Он имеет открытую архитектуру, а также свободно распространяемую среду разработку. Для цифрового ввода/вывода используется 14 контактов, шесть из которых могут быть использованы для вывода сигналов ШИМ. Также имеется шесть аналоговых входов при наличии АЦП на 10 разрядов.
Задачи, которые ставятся перед контроллером, - это, в основном, задачи, связанные с управлением исполнительными механизмами и взаимодействием с датчиками. Все логические операции по перемещению манипулятора и обработке изображения, осуществляет компьютер, к которому подключается контроллер.
Режим работы
Робот-сортировщик выполняет поиск и сортировку объектов по тому или иному критерию. Например, это может быть просто поиск объектов определенного цвета, а может быть сортировка объектов по их размерам.
Основной блок в составе цикла функционирования выглядит, в общих чертах, следующим образом.
- С помощью веб-камеры формируется снимок площадки с объектами в виде растрового изображения, которое сохраняется в оперативной памяти.
- На полученном изображении отыскивается очередной объект.
- Определяется принадлежность объекта к той или иной категории объектов согласно заданному признаку (например, цвету, форме или размеру).
- Осуществляется перемещение манипулятора к объекту. После перемещения манипулятор располагается точно над объектом. Перемещение может осуществляться как на основе вычисления необходимого количества шагов для управляющих двигателей, так и на основе корректировки положения манипулятора по видеоизображению.
- Выполняется захват объекта манипулятором путем опускания магнитного захвата и включения электромагнита.
- Происходит перемещение манипулятора, удерживающего объект, к месту выгрузки объекта. Объекты, обладающие различными значениями признака (например, имеющие разные цвета), выгружаются в разные места, специально отведенные для того или иного значения признака. Тем самым, выполняется сортировка объектов по заданному признаку.
Модификация и развитие
Можно выделить следующие основные пути развития и модификации лабораторного стенда «Робот-сортировщик».
- Реализация более сложных алгоритмов распознавания образов, в частности, с использованием свободно распространяемой библиотеки компьютерного зрения OpenCV[4].
- Подключение дополнительных веб-камер, что позволит определять положение объектов не только на плоскости, но и в трехмерном пространстве. В частности, можно будет оценивать высоту объектов, их истинную форму, а не только одну из проекций объекта, как это происходит сейчас.
- Создание более сложного манипулятора, например, в виде «механической руки» той или иной сложности. В совокупности с дополнительными веб-камерами это позволит исследовать и разрабатывать более сложные и интересные методы и алгоритмы визуального сервоуправления (visual servoing), когда, в частности, веб-камеры играют роль датчиков обратной связи.
Примечания
- ↑ http://www.membrana.ru/particle/3257
- ↑ http://roboton.ru/?q=content/robot-sluga-romeo-na-prilavkah-magazinov-do-2015g
- ↑ Еремеев И.М., Кавалеров М.В. Создание лабораторного стенда "Робот-сортировщик" // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2011
- ↑ Bradski G., Kaehler A. Learning OpenCV. – O’Reilly Media, 2008.
