Personal tools

Difference between revisions of "Лабораторный стенд:Робот-сортировщик"

From Кафедра Автоматики и телемеханики

Jump to: navigation, search
 
(25 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 1: Line 1:
 
{{Оснащение
 
{{Оснащение
 +
|Место размещения= {{Лаборатории:Оформление|Системы автоматизации и управления|315|Учебная|нет}}
 +
|Фото=Робот-сортировщик_рабочее_поле.jpg
 
|Описание=
 
|Описание=
{{{!}}align="right" width=480px  
+
{{Видео|Тип=YouTube|id=htM8bSsRk_4|Ширина=480px|Высота=387px|Выравнивание="right"|Левый отступ=3|Правый отступ=0}}
{{!}}{{#widget:Vimeo|id=30590193|width=480|height=360}}
+
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>[http://www.membrana.ru/particle/3257 Уборщик ReadyBot зачищает кухню от следов трапезы]</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 Робот-слуга Romeo на прилавках магазинов до 2015 года]</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.
* особенности разработки программного обеспечения робототехнических систем.
+
 
 +
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"
Line 33: Line 37:
 
При разработке манипулятора в качестве захватывающего устройства используется электромагнит. Это представляется  наиболее подходящим решением для данного стенда на начальной стадии в силу простоты реализации.
 
При разработке манипулятора в качестве захватывающего устройства используется электромагнит. Это представляется  наиболее подходящим решением для данного стенда на начальной стадии в силу простоты реализации.
  
{{{!}}align="right"
+
[[Файл:Блок управления силовыми механизмами робот-сортировщика.png|мини|200px|Блок управления силовыми механизмами]]
{{!}}-valign="top"
+
{{!}}[[Файл:Блок управления силовыми механизмами робот-сортировщика.png|мини|200px|Блок управления силовыми механизмами]]
+
{{!}}[[Файл:Carduino Nano v4.png|мини|200px|справа|Контроллер Carduino Nano v4]]
+
{{!}}}
+
 
Все схемы управления силовыми механизмами были собраны на одной плате с нужными разъемами и радиатором, формируя 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.
 
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.
 
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 ===
 
=== Режим работы ===
Line 56: Line 56:
 
# 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.
 
# 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
 
}}
 
}}

Latest revision as of 19:22, 8 February 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 (общий вид)
Робот-сортировщик (рабочее поле)

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.

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.

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.

Блок управления силовыми механизмами

Все схемы управления силовыми механизмами были собраны на одной плате с нужными разъемами и радиатором, формируя блок управления силовыми механизмами.

Контроллер Carduino Nano v4

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.

  1. С помощью веб-камеры формируется снимок площадки с объектами в виде растрового изображения, которое сохраняется в оперативной памяти.
  2. На полученном изображении отыскивается очередной объект.
  3. Определяется принадлежность объекта к той или иной категории объектов согласно заданному признаку (например, цвету, форме или размеру).
  4. 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.
  5. Выполняется захват объекта манипулятором путем опускания магнитного захвата и включения электромагнита.
  6. 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».

  1. Реализация более сложных алгоритмов распознавания образов, в частности, с использованием свободно распространяемой библиотеки компьютерного зрения OpenCV[4].
  2. 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.
  3. 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

  1. http://www.membrana.ru/particle/3257
  2. http://roboton.ru/?q=content/robot-sluga-romeo-na-prilavkah-magazinov-do-2015g
  3. 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
  4. Bradski G., Kaehler A. Learning OpenCV. – O’Reilly Media, 2008.


.