Transcript زکیتابور راکدوخ دنمشوه یاهتابور یرادیق یریش دیعس رتکد Amirkabir University of Technology

‫روباتیکز‬
‫روباتهای هوشمند خودکار‬
‫دکتر سعید شیری قیداری‬
Amirkabir University of Technology
Computer Engineering & Information Technology Department
‫کتاب درس‬
1.
2.
Introduction to robotics mechanics and
control, second edition. By JOHN J. CRAIG,
Addison Wesley, 1989.
Introduction to Autonomous Mobile
Robots, Sigwart and Nourbakhsh, The
MIT Press,2004
‫طرح کلی درس‬
‫‪ ‬هدف از این درس معرفی دانش اولیه در مورد روباتها و‬
‫بخصوص روباتهای متحرک است‪.‬‬
‫در این درس مباحث زیر بررسی میشوند‪:‬‬
‫‪ .1‬ابتدا به بررسی روباتهای صنعتی میپردازیم‬
‫‪ .2‬بدنبال آن موضوعات مربوط به روباتهای متحرک خودکار‬
‫بررسی شده و تحقیقات و کاربردهای آن مطرح میشوند‪ .‬سه‬
‫محور اصلی این بخش عبارتند از‪ :‬سینماتیک‪ ،‬مکان یابی و‬
‫طرح ریزی‬
‫نحوه ارزیابی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫امتحان میان ترم ‪% 20 :‬‬
‫امتحان پایان ترم‪%20 :‬‬
‫تکالیف‪%25 :‬‬
‫ارائه ‪%10 :‬‬
‫پروژه ‪%25 :‬‬
‫سرفصل‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫در بخش روباتهای صنعتی مباحث زیر بررسی میشوند‪:‬‬
‫مقدمه ای بر روباتهای صنعتی و کاربرد آنها‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫سینماتیک مستقیم و سینماتیک غیر مستقیم‬
‫دینامیک‬
‫تولیدمسیر‬
‫کنترل‬
‫زبانهای برنامه نویسی روباتهای صنعتی‬
‫سرفصل‬
‫‪‬‬
‫در بخش روباتهای متحرک مباحث زیر برسی میشوند‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫مقدمه‬
‫جابجائی روباتهای متحرک‪ :‬روباتهای چرخدار‪،‬روباتهای پادار‬
‫سینماتیک روباتهای متحرک‪ :‬درجات آزادی‪،‬محدودیتها‪ ،‬سینماتیک‬
‫مستقیم‬
‫ادراک‪ :‬انواع سنسورها‪ ،‬نمایش عدم قطعیت‪ ،‬استخراج ویژگی‬
‫مکان یابی روباتهای متحرک‪ :‬نویز سنسورها‪ ،‬نمایش نقشه‪ ،‬مکان یابی‬
‫احتماالتی‪ ،‬روشهای مختلف مکان یابی‪ ،‬ساخت خودکار نقشه‬
‫حرکت و طرح ریزی‪ :‬روش های مختلف مسیر یابی‪ ،‬فرار از مانع‪،‬‬
‫ساختارهای مختلف حرکت و‪...‬‬
‫سایت درس‬
Web:
http://ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/amr08/amr08.ht
ml
‫مقدمه‬
‫اهمیت روباتیک‬
‫امروزه روباتها در انجام بسیاری از کارها به کمک انسان‬
‫آمده و در برخی کارها نیز جایگزین آدمی گشته اند از‬
‫جمله‪ :‬کار در کارخانه‪ ،‬اکتشافات فضائی‪ ،‬جراحی‪،‬‬
‫بصورت دست آموز خانگی!‬
‫روبات چیست؟‬
‫موسسه بین المللی استاندارد روبات را بصورت زیر تعریف کرده است‪:‬‬
‫روبات وسیله ای است که‬
‫‪ ‬بصورت خودکار کنترل شود‪،‬‬
‫‪ ‬قابل برنامه ریزی مجدد باشد‪،‬‬
‫‪ ‬چند منظوره بوده و‬
‫‪ ‬با داشتن چندین درجه آزادی قدرت جابجائی داشته باشد‪.‬‬
‫‪ ‬روبات میتواند متحرک و یا ثابت باشد‪.‬‬
‫روباتیک چیست؟‬
‫علم مطالعه روباتها را روباتیک مینامند‪.‬‬
‫تعریف جامعتر این علم را میتوان بصورت زیر نیز بازگو نمود‪:‬‬
‫روباتیک عبارت است از ارتباط هوشمندانه بین ادراک و عمل‬
‫روبات هوشمند‬
‫‪‬‬
‫یک تعریف کلی از روبات هوشمند عبارت است از‪:‬‬
‫یک ماشین قابل برنامه ریزی که بتواند عمل یک موجود‬
‫هوشمند نظیر انسان را تقلید کند‬
‫شرط الزم برای روبات بودن!‬
‫برای اینکه بتوانیم یک ماشین را روبات بنامیم این ماشین باید‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫قادر به حس وادراک بوده و بتواند اطالعات را از محیط‬
‫اطراف خود جمع آوری نماید‬
‫قادر به انجام اعمال مختلفی باشد‪ :‬بتواند جابجائی انجام داده و‬
‫یک کار فیزیکی نظیر حرکت دادن اشیا را انجام دهد‪.‬‬
‫قابل برنامه ریزی مجدد باشد بعبارت دیگر بتواند کارهای‬
‫مختلفی را انجام دهد‪.‬‬
‫بتواند بطور خودکار عمل نموده و‪/‬یا با آدمی ارتباط برقرار‬
‫نماید‪.‬‬
‫تاریخچه‬
‫‪‬‬
‫لئوناردو داوینچی در سال ‪ 1500‬طراحی هائی مانند روبات‬
‫انجام داده بود‪.‬‬
‫تاریخچه‬
‫‪‬‬
‫در قرن هفدهم ماشین های‬
‫خودکاری ساخته شدند که قادر به‬
‫حرکت بودند ‪.‬این نمونه در موزه‬
‫ای در آلمان نگهداری میشود‪.‬‬
‫تاریخچه‬
‫‪‬‬
‫این نمونه روبات که در قرن‬
‫نوزدهم ساخته شده است دارای‬
‫برنامه ای برای نواختن موسیقی‬
‫است‪.‬‬
‫تاریخچه‬
‫‪‬‬
‫در سال ‪ 1920‬کلمه روبات در یک نمایشنامه استفاده شد که‬
‫توسط ‪ Karel Capek‬نمایشنامه نویس چک در پاریس به روی‬
‫صحنه رفت‪ .‬در این نمایشنامه موجودات مصنوعی کوچکی از‬
‫اربابان خود پیروی میکردند‪.‬در زبانهای روسی و چک به آنها‬
‫‪Robotnic‬گفته میشود که از کلمه ‪ Robota‬به معنای سخت‬
‫کوش گرفته شده است‪.‬‬
‫تاریخچه‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫در سال ‪ 1950‬اسحاق آسیموف ایده‬
‫روباتهای خوب )‪ (androids‬را در‬
‫کتابهایش مطرح و باعث مشهور شدن‬
‫کلمه روبات گردید‪.‬‬
‫روباتهای اولیه بصورت موجودات انسان‬
‫نمای شیطان صفت تجسم میشدند‪.‬‬
‫سه قانون روباتیک‬
‫اسحاق آسیموف قانون مشهور روباتیک خود را به‬
‫صورت زیر مطرح کرده است ‪:‬‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫روبات نباید باعث صدمه رسیدن به آدمی گردد‪.‬‬
‫روبات باید از دستورات صادره توسط انسان پیروی کند‬
‫مگر مواردی که موجب نقض قانون اول گردد‪.‬‬
‫روبات باید از وجود خویش محافظت نماید مگر در مواردی‬
‫که منجر به نقض قوانین اول و دوم گردد‪.‬‬
‫روباتهای صنعتی اولیه‬
‫‪‬‬
‫اولین بازوی روباتیک در سال ‪ 1945‬تحقق یافت‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در سال ‪ 1961‬اولین ‪ patent‬روبات در امریکا به نام ‪George‬‬
‫‪ C. Devol‬ثبت شد‪ .‬وی به همراه ‪ Joe Engelberger‬کارخانه‬
‫‪ Unimation‬را پایه گذاری کردند‪ .‬در حقیقت ایندو نفر را میتوان‬
‫پدران روباتهای صنعتی نام برد‪.‬‬
‫در سال ‪ 1978‬اولین روبات همه منظوره توسط کارخانه فوق‬
‫تولید گردید‪PUMA (programmable universal machine .‬‬
‫)‪for assembly‬‬
‫‪‬‬
‫روبات انسان نما‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫هوندا در سال ‪ 1996‬روبات انسان‬
‫نمائی را معرفی کرد که قادر به راه‬
‫رفتن‪ ،‬حمل اشیا و باال رفتن از پله ها‬
‫بود‪.‬‬
‫روباتهای انسان نما با این هدف ساخته‬
‫میشوند که با ترکیب قابلیت های‬
‫فیزیکی و ادراکی انسان روباتی‬
‫ساخته شود که همانند انسان در محیط‬
‫های عادی به فعالیت و سرویس دهی‬
‫مشغول شود‪.‬‬
‫روباتهای سرگرمی‬
‫‪‬‬
‫در سال ‪ 1999‬سونی روبات‬
‫‪Aibo‬اولین روباتی که جهت‬
‫سرگرمی ساخته شده بود را به‬
‫بازار عرضه کرد ‪.‬همه ‪5000‬‬
‫روبات ساخته شده در عرض‬
‫یک ساعت به فروش رفتند‪.‬‬
‫روباتهای فضائی‬
‫‪‬‬
‫در سال ‪ 2000‬روبات فضائی ‪ SSRMS‬ساخته شده توسط کارخاده ‪MD‬‬
‫‪Robotics of Canada‬برای مونتاژ ایستگاه فضائی بین المللی بکار گرفته‬
‫شد‪.‬‬
‫روبات جارو برقی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫قادر هستند با استفاده از سونار دیوارها و اشیا را تشخیص دهند‪.‬‬
‫با پیدا کردن دیوارها ابتدا نواحی مجاور دیوارها و بعد بطور تصادفی‬
‫سایر نقاط را جارو میکنند‪.‬‬
‫ادعا شده که تا ‪ 97%‬اتاق تمیز میشود‪.‬‬
‫قادرند محل شارژ خود را پیدا کرده و مجددا شارژ شوند‪.‬‬
‫با نصب نوارهای مغناطیسی مانع فرار روبات از اطاق و یا افتادن آن‬
‫از پله ها میشوند‪.‬‬
‫نوع هوشمند آنها میتواند از گیر افتادن در موانع بپرهیزد‪.‬‬
‫قیمتی بین ‪ 100‬تا ‪ 500‬دالر دارند‪.‬‬
‫روبات های نظامی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫خنثی کردن بمب‬
‫شناسائی دشمن‬
‫بازرسی اماکن‬
‫دستگیری افراد‬
‫جاسوسی‬
‫اجزا یک سیستم روباتیک‬
‫‪‬‬
‫ساختار مکانیکی شامل‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫محرک ها ئی که باعث حرکت روبوت میشوند نظیر‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫موتورها‬
‫سنسورهای مختلف برای ادراک محیط پیرامون روباتها نظیر ‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫اتصاالت بازو وبدنه‪ ،‬چرخها‬
‫سنسورهای فاصله‪ ،‬دوربین‪ ،‬لیزر و غیره‬
‫یک کنترلر کامپیوتری که سیگنالهای سنسورها را خوانده و با‬
‫پردازش اطالعات بتواند فرامین الزمه را برای محرک ها‬
‫ایجاد نماید‪.‬‬
‫مقایسه انسان و روبات‬
‫روبات‬
‫ساختار مکانیکی‬
‫انسان‬
‫استخوان‬
‫محرک‬
‫ماهیچه‬
‫سنسور‬
‫حس‬
‫منبع تغذیه‬
‫تغذیه‪/‬تنفس‬
‫کامپیوتر‬
‫مغز‬
‫برنامه‬
‫دانش‬
‫انواع روبات‬
‫‪‬‬
‫معموال روباتها به دو دسته تقسیم بندی میشوند‪:‬‬
‫‪-1‬روباتهای متحرک‬
‫‪-2‬روباتهای صنعتی‬
‫)یا بازوی روباتیک(‬
‫روبات صنعتی‬
‫‪‬‬
‫روباتهای صنعتی معموال از یک‬
‫سری اتصاالت که توسط محورهای‬
‫چرخشی و یا لغزنده به هم وصل‬
‫شده اند ساخته میشوند ‪.‬این روباتها‬
‫دارای درجه های آزادی مختلفی‬
‫بوده و برای مقاصدی نظیر گرفتن‬
‫اشیا‪ ،‬جابجائی اجسام‪ ،‬جوشکاری‪،‬‬
‫رنگ کاری ‪ ،‬مونتاژ و غیره بکار‬
‫میروند‪.‬‬
‫مزایای استفاده از روبات برای صنایع‬
‫استفاده از روباتها در صنایع منافع زیادی به همراه داشته است از جمله‪:‬‬
‫‪ ‬افزایش تولید‬
‫‪ ‬انعطاف پذیری در تولید‬
‫‪ ‬قابلیت اطمینان زیاد‬
‫‪ ‬دقت در تولید‬
‫‪ ‬باال بردن کیفیت محصوالت‬
‫‪ ‬ایمنی محیط کار بواسطه جایگزینی انسان در محیط های خطرناک‬
‫‪.... ‬‬
‫اجزا یک روبات صنعتی‬
Base
Shoulder
Elbow
Wrist
Tool-plate
End-effecter (not
shown)






‫موارد مصرف عمده روباتهای صنعتی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 70%‬درجوشکاری و رنگ کاری‬
‫‪20%‬برای بلند کردن و جابجائی اشیا‬
‫‪10%‬برای بقیه مصارف‬
‫روباتهای صنعتی مشغول بکار‬
‫ژاپن پیشتاز است ‪.‬چرا؟‬
‫طرح های متداول روباتهای صنعتی‬
SCARA
Cylindrical
Articulated
Spherical
Cartesian
‫کاربرد روباتهای صنعتی‬
‫روبات صنعتی هوشمند‬
‫سیر تحول در کنترل روبات‬
‫)‪Classical Robotics (mid-70’s‬‬
‫•مدل دقیق‬
‫•نیازی به حس کردن نبود‬
‫)‪Reactive Paradigm (mid-80’s‬‬
‫•بدون مدل‬
‫•بشدت وابسته به حس دقیق محیط بود‬
‫)‪Hybrids (since 90’s‬‬
‫• در سطوح باال از مدل استفاده میشود‬
‫•در سطوح پائین واکنشی عمل میکند‬
‫)‪Probabilistic Robotics (since mid-90’s‬‬
‫• ترکیب مدل و حس کردن‬
‫•مدل غیر دقیق‪ ،‬حس کردن غیردقیق‬
‫سنسورهای روباتهای هوشمند‬
Limit Switches
‫• سایر سنسورها‬
Encoder (measures angle)
Potentiometer (measures angle or
length)
LVDT (linear variable displacement
transducer, measures length)
Strain gauge (measures deflection)
Ultrasonic sensor (measures
distance)
Infrared sensor (measures distance)
Light sensor (detects presence)
Vision
‫ برای دریافت محیط پیرامون‬
Voice
‫ برای صحبت با آدمی‬
Tactil
‫ برای حس وحود اشیا در سر راه مسیر‬
Force
‫ برای تشخیص نیرو در کاربردهائی نظیر مونتاژ‬




‫روباتهای متحرک خودکار‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫دارای چرخ‪ ،‬پا‪ ،‬شنی و یا مکانیزم های دیگری برای حرکت‬
‫در محیط هستند‬
‫در محیط هائی حرکت میکنند که غالبا ناشناخته هستند از‬
‫اینرو نمی توان آنها را برای انجام کارهای از پیش دانسته‬
‫برنامه ریزی نمود‬
‫این روباتها باید به سنسورهای دقیقی مجهز باشند تا بتوانند‬
‫محیط را شناسائی و از برخورد با اشیا جلوگیری نمایند‬
‫روباتهای متحرک‬
‫ویژگیهای اصلی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫قابلیت جابجائی ‪ :‬در محیط میتوانند حرکت کنند‪.‬‬
‫حد معینی از خودکار بودن‬
‫قابلیت درک محیط توسط سنسورها‬
‫سه سئوال اصلی در مورد روباتهای متحرک‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫من کجا هستم‬
‫‪Robot localization‬‬
‫به کجا میروم‬
‫‪Goal determination‬‬
‫چگونه باید به آنجا بروم‬
‫‪Motion planning‬‬
‫پاسخگوئی به سواالت‬
‫برای پاسخگوئی به این سواالت روبات متحرک باید‪:‬‬
‫‪ ‬مدلی از محیط اطراف خود را داشته باشد ) ممکن است این‬
‫مدل توسط روبات ساخته شود یا به آن داده شود(‬
‫‪ ‬با دریافت اطالعات از محیط بتواند آنها را تجزیه و تحلیل‬
‫نموده و موقعیت خودش را در محیط مشخص نماید‪.‬‬
‫‪ ‬حرکت بعدی خود را طراحی و اجرا نماید‪.‬‬
‫معماری یک سیستم روباتیک‬
Environmental
sensors
Motion
planner
Controller
Mechanical
Structure
Configuration
Mechanical Structure
 Kinematics model
sensor
 Dynamics model
Actuators: Electrical, Hydraulic, Pneumatic, Artificial Muscle
Computation and controllers
Sensors
Communications
User interface
Power conversion unit
‫انواع روباتهای متحرک‬
‫روبوکاپ چیست؟‬
‫)‪RoboCup(Robot World Cup‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫مجموعهاي از مسابقات و کنفرانسها‪ ،‬محیطي پژوهشي و آموزشي‬
‫هدف اولیه‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫ایجاد تیمي از روباتهاي فوتبالیست که در سال ‪ 2050‬بتوانند تیم انسانها را شکست بدهند‬
‫فعالیتهاي فعلي‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫کنفرانسهاي تخصصي‬
‫کنفرانس و مسابقات جهاني روبوکاپ‬
‫برنامههاي تحصیلي‬
‫توسعه زیرساختها‬
‫مجموعه مسابقات روبوکاپ‬
‫آشنایي با لیگ هاي مختلف روبوکاپ‬
‫‪‬‬
‫لیگ هاي رباتهاي واقعي‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫لیگ ربات هاي اندازه کوچک‬
‫لیگ ربات هاي اندازه متوسط‬
‫لیگ ربات هاي سوني‬
‫لیگ ربات هاي انسان نما‬
‫لیگ ربات هاي امداد‬
‫لیگ نوجوانان‬
‫لیگ هاي شبیه سازي‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫شبیه سازی فوتبال‬
‫شبیه سازی امداد‬