Platforma robot versatila, inteligenta, portabila cu sisteme de control ...

Proiect: PN – II – PT – PCCA – 2013-4-2009, Contract UEFISCDI 009/2014

Platforma robot versatila, inteligenta, portabila

cu sisteme de control in retele adaptive

pentru roboti de salvare

- VIPRO -


SINTEZA LUCRARII

Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-2009, Contract UEFISCDI 009/2014

Proiectarea si realizarea modelului experimental cu

experimentari prealabile a platformei VIPRO pentru

roboti de salvare

Etapa 2/2015

In cadrul etapei 2 “Proiectarea si realizarea modelului experimental cu experimentari

prealabile a platformei VIPRO pentru roboti de salvare” s-au realizat urmatoarele activitati

principale:

1. Proiectare model functional si experimental (A2 - Cercetare Industriala)

2. Realizarea in mediul virtual a modelului functional si experimentare pe platforma

virtuala 3D de modelare si simulare a robotilor mobili. (A2 - Cercetare Industriala)

3. Diseminare rezultate prin participari la manifestari tehnico-stiintifice. (D1)

S-au obntinut urmatoarele rezultate prezentate in raport :

1. Proiect model experimental și funcțional al platformei virtuala 3D de modelare si

simulare a robotilor mobili – soluție nouă;

2. Model functional in mediul virtual al platformei 3D de modelare si simulare a

robotilor mobili.

3. Organizare a doua Worksop- uri (Geneva INNOVA Expo, Bucuresti SISOM) si a

doua sesiuni sepeciale (ELSEVIER Praga, IEEE Tokyo University) la conferinte

internationale de renume; Elaborarea a 2 articole acceptate (in press) pentru

pulicare in reviste cotate ISI; Publicarea a unui articol in revista cotata ISI si a 7

articole in reviste BDI (ELSEVIER, IEEE).

Principalele activitati ale proiectului constau in realizarea modelului experimental al unei

platforme versatile, inteligenta, portabila VIPRO pentru proiectarea, testarea, experimentarea metodelor de

control inteligent si imbunatatirea performantelor robotilor cu inteligenta artificiala si retele adaptive

comandate de la distanta, cu demonstrare pentru roboti NAO si roboti utilizati in operatiuni de cautare si

salvare tip RABOT.


Obiectivul principal care a stat la baza proiectului pentru modelul functional si experimental al

platformei virtuala 3D de modelare si simulare a robotilor mobili consta in dezvoltarea unei platforme

VIPRO, Versatile, Inteligente si Portabile pentru ROboti, printr-o metoda originala de proiectie virtual.

Proiectarea modelului functional are la baza lista de cerinte si specificatii realizata in etap A I.1

care a condus la elaborarea unei noi solutii pentru platforma virtuala robot si a unei solutii innovative

pentru sisteme cu arhitectura deschisa si interfete inteligente pentru platforma VIPRO.

Modelul functional cuprinde componenta de modelare 3D, componenta de programare a miscarii,

componenta de simulare 3D, interfata cu robotii mobili, interfata web cu utilizatorul, interfata de e-

learning. Modelul experimental are la baza modelul functional realizat in A II.1.

Proiectul modelului experimental dezvolta componenta de modelare 3D, componenta de

programare a miscarii, componenta de simulare 3D, interfata cu robotii mobili, interfata web cu

utilizatorul si interfata e-learning. S-a dezvoltat o interfata cu utilizatorul prin care se realizeaza

comenzile catre platforma virtuala. Interfata permite utilizatorului crearea unei structuri de robot mobil

folosind parametrii standardizati si dezvoltarea interfetelor de comunicare cu partea hardware.

Comunicarea cu robotii mobili pasitori se realizeaza in principal prin intermediul liniilor de

comunicatie seriale RS232 si Ethernet care permit comunicarea la distanta foarte mare. Pentru controlul

local intre platforma VIPRO si robotul NAO se utilizeaza reteaua WiFi. Interfetele de control inteligent

cuprind implementari inovative ale unor tehnologii fuzzy, fuziune de date, control adaptiv, robust,

iterativ. Intrefetele sunt dezvoltate prin tehnici IT&C cu procesare rapida, comunicatii in timp real si

volum ridicat al datelor de procesare.

Arhitectura modelului functional si experimental al platformei VIPRO de modelare si simulare a

robotilor mobili dezvoltate in activitatea A I.1 a stat la baza implementarii modelului functional si

experimental al platformei VIPRO.

Arhitectura modelului functional si experimental al platformei VIPRO de modelare si simulare a

robotilor mobili are la baza metoda proiectiei virtuale, brevet de inventie, titular IMSAR, cunoscuta ca

metoda Vladareanu-Munteanu, prin care se realizeaza dezvoltarea sistemelor mecatronice de roboti

mobili intr-un mediu virtual care comunica printr-o interfata de mare viteza cu sisteme reale de roboti.

Rezultatul este realizarea unei platforme robot versatila, inteligenta, portabila VIPRO, care permite

imbunatatirea performantelor de miscare si stabilitate in mediu virtual si real pe terenuri nestructurate si

denivelate a a robotilor mobili, autonomi, inteligenti si in particular a robotilor de cautare si salvare

RABOT.

Solutia tehnica pentru noua platforma contine principalele module ale platformei VIPRO, intr-o

structura cu arhitectura deschisa de control in timp real al robotilor. Modulul de interfete de control

inteligent utilizeaza strategii avansate de control adaptate mediului robotului tip control extins (extenics),

controlul neutrosofic, mecatronica adaptiva umana, etc., implementate prin tehnici IT&C cu procesare

rapida si comunicatii in timp real. Au fost proiectate si implementate pe platforma VIPRO urmatoarele

interfetele de control inteligent: interfata de control neutrosofic al robotilor (ICNs), Interfata de control

extins (ICEx) (Robot Extenics Control) si interfata de retele neuronale (INN) pentru controlul dinamic

hibrid forta pozitie DHFP.

Sistemul de control clasic al robotului a fost proiectat ca un sistem cu arhitectura deschisa

distributiv, în care încărcarea informaţională a controlerului principal a fost efectiv diminuată printr-un

sistem de control tip master-slave între unitatea centrala PLC şi dispozitivele de intrări-ieşiri şi linii de

comunicaţie ale sistemului de control principal (master) şi sistemului PC. Proiectarea in structura

distributiva a sistemului de control format 22 articulaţii cu 22 DOF, senzori de pozitionare, forta si

giratie, retea de comuncatii LAN pentru comunicari off-line, retea de comunicatii rapida CAN pentru

control in timp real, module de interfaţă digitale si analogice, etc. a condus, din studiile efectuate, la


reducerea cu 40% a muncii de programare, cu 30% a activitatii de proiectare si comisionare, cu 80% a

costului cablari, cu 50% a activitatii de asamblare, respectiv cu 30% a costului echipamentelor.

Sistemul PLC cu arhitectura deschisa si interfete inteligente al platformei VIPRO proiectat

in aceasta etapa, dezvolta metoda proiectiei virtuale Vladareanu-Munteanu prin integrarea solutiei

inovative din propunerea de inventie: “Metoda si platforma versatila, inteligenta si portabila de

control a robotilor prin proiectie virtuala”.

Sistemului de comandă şi control cu arhitectura deschisa (OAH) a fost proiectat in structura

distributiva si descentralizata, pentru a permite dezvoltarea cu usurinta a unor aplicatii noi sau

suplimentarea cu noi module hardware sau software pentru noi functii de control.

Proiectarea “Engineering Station” a avut ca scop principal integrarea programului de

dezvoltare AC500 pentru aplicatii cu automate programabile PLC, controlul standului de aplicare a

metodei proiectiei virtuale pe 6 DOF pentru testarea interfetelor de control inteligent neutrosofic (ICNs),

de control extins (ICEx) si de controlul dinamic hibrid forta pozitie DHFP (INN). Caracteristicile

tehnice ale PC “Engineering Station” sunt prezentate in Anexa 2.6..

Sistemul PC–OAH (PC–OPEN Architecture) proiectat este sistem deschis si permite introducerea unor

noi functii de control pe baza unor programe. Datorită vitezei de calcul mare, sistemul de operare admite

programare in limbaje evoluate putand implementa, folosind un executiv in timp real ExTR “multitask”

(multiprogram) si funcţiile de bază: interpolare, programul principal (PP) de interfaţă cu operatorul,

respectiv interfetele de control inteligent ICNs, ICEx si INN.

Programul Principal (PP) – asigură o interfaţă grafică intre utilizator şi standul PLC sistem (GUS)

pentru control pe 6 DOE, 3 DOF pozitionare cu rol de actuatoare robot si 3 DOF control in viteza cu rol

de sarcina robot, care are rolul de a facilita modul de lucru cu standul PLC. Pentru proiectarea interfetei,

s-a utilizat mediul de lucru Visual Studio 2013 iar ca solutie de realizare a componetelor de interactiune

cu utilizatorului s-a ales Windows Presentation Foundation (WPF) si limbajul de programare C#.

Interfata GUS are un meniu care permite comenzile de Start/Stop pe axele de miscare, stop urgrnta SU

si vizualizarea alarmelor, transmise serial de PLC0, la depasirea limitatoare de cursa ALM LIM C 1-6,

supracurent ALM IM1-6, suprasarcina ALM M1-6 si depasire putere máxima ALM PM.

Interfata operator pentru sistemul servo-actuator, format din convertizoarele de frecventa si

motoarele de antrenare pentru actionare lanturile cinematice ACSM-SMA de pozitionare si ACSM-SMS

pentru sarcina robot, au fost proiectata sa monitorizeze elemente de avertizare si afisare a parametrilor de

pozitionare si sarcina robot pentru interactiune rapida intre operator si standul PLC. Suplimentar se

afiseaza datele de pozitionare si monitorizare numerica, generate de convertizoarele de frecventa si

automatele programabile. Aceste date ne ofera o vedere detaliata a modului de lucru pentru fiecare lant

cinematic in parte. Proiectul interfetei grafice Utilizator - Stand Sistem PLC este prezentat in Anexa 3.

Interfeta grafice Utilizator - Stand Sistem PLC , implementat pe platforma VIPRO, componenta

Engeenering Station, este pus la dispozitia utilizatorilor.

Proiectarea sistemului de conducere al platformei VIPRO impune existenta unui mod de

simulare a procesului de pasire aplicate Standului PLC, atat pentru proiectarea strategiei de miscare a

robotului prin controlul actuatoarelor de pozitionare dar si proiectarea strategiei de control al

actuatoarelor de sarcina pentru generarea sincrona a sarcinilor resistive corelate cu mediu de miscare al

robotului (Anexa 2.4).

Proiectarea strategiei de miscare a robotului prin controlul actuatoarelor de pozitionare este

dezvoltata pe structura cinematica a segmentelor piciorului robotului NAO aplicate pe standul PLC cu

trei grade de libertate din figura 6, este prezentat in Anexa 2.4.2. In proiectare s-a tinut cont ca

motoarele de pe stand au un cuplu mult mai mare decat cele utilizate pentru robotul NAO. Raportul

calculate intre cuplu si sarcina articulatiei este prezentat in tabelul 1. Programul de calcul integral al


pozitiei si orientarii segmentelor robotului implementat in programul PLC, accesibil de la interfata

platformei VIPRO, integrat pe platforma VIPRO in componenta Engeenering Station, este pus la

dispozitia utilizatorilor.

Tabelul 1. Cuplu si masa pentru articulatiile robotului NAO.

Cupla Mase

[kg]

Cuplu

[Nm]

Raport[Nm/kg]

HipYawPitch 1.104 3.24 2.93

HipRoll 3.24

HipPitch 1.104 2.1 1.9

KneePitch 0.581 2.1 3.61

AnklePitch 2.1

AnkleRoll 3.24

Fig. 6. Structura cinematica a segmentelor piciorului robotului aplicate pe standul PLC

Proiectarea strategiei de control al actuatoarelor de sarcina pentru generarea sincrona a

sarcinilor resistive corelate cu mediu de miscare al robotului s-a realizat prin controlul articulatiilor

segmentelor robotice RRR folosind motoare in perechi de actuator – sarcina. Sarcinile actuatoarelor de

pozitionare ale robotului simulat sunt generate, conform inventiei proiectiei virtuale, de motoarele de

sarcina prin modelarea unei serii de articulatii robotice compuse din motoare in perechi actuator –

sarcina, cu definirea profilelor de sarcina ca parametrii de intrare in sistem (Anexa 2.4.3.).

Platforma VIPRO este dezvoltata pornind de la facilitatile oferite de un mediu de dezvoltare a

platformelor robot. Platforma VIPRO integreaza:

• un modul de comunicare cu robotii mobile independent sau utilizand interfete inteligente

• un modul dedicate conducerii robotului Nao si unul dedicate robotului RABOT

• un modul ce implementeaza tehnici de control inteligent si unul pentru planificarea miscarii

• o interfata cu uilizatorul pentru fiecare modul

Componente ale platformei VIPRO sunt reprezentate in figura 10 cu galben iar cele ale mediului de

dezvoltare sunt marcate cu gri.

Fig. 10. Mediul de dezvoltare al platformei VIPRO

Datorită vitezei de calcul mare, sistemele de operare admit programare in limbaje evoluate

putand implementa, folosind un executiv in timp real ExTR “multitask” (multiprogram), funcţiile de

bază: interpolare, programul principal (PP) de interfaţă cu operatorul, programe de control compliant prin

metoda fuzzy multi-stage (CTRL C), control prehensiv cu functii de urmarire (CTRL P), controlul in

regim de lucru prin cooperare in vederea ocolirii obstacolelor (CWC) , controlul mersului in panta sau la

depasirea obstacoleleor (WSC), controlul predictiv optimal (OPC) respectiv interfetele de control


inteligent ICNs, ICEx, INN. Suplimentar se pot asigura interfata cu camera digitala pentru recunoastere

de imagini si interfata de comunicatie la distanta prin transmisii de date prin radio modem, GSM sau

sisteme ¨wire-less. Se pot monta la extremităţile picioarelor traductori optici sau de proximitate pentru

măsurare-detectare de proximitate pe orizontala si/sau pentru verticala, care semnalizează prezenta

obstacolelor şi contactul acestora cu suprafaţa de sprijin, dispozitive care măsoară – în faza de transfer -

înălţimea extremităţilor picioarelor în raport cu suprafaţa terenului.

Pentru gestionarea accesului utilizatorilor la componentele platformei VIPRO a fost conceput si

proiectat programul VIPRO_MAIN.EXE , care ocupa foarte putin spatiu de memorie, astfel incat sa

poata fi lansate mai multe instante paralele (Anexa 1). Sunt mai multe posibilitati de acces (fig.11) : prin

internet utilizand site-ul dedicat platformei VIPRO, prin comanda "log in", sau local prin accesarea

directa, de pe server, a programului.

Fig.11. Accesul la platfoma VIPRO Fig. 12. Aplicatiile pe component 3D ale platformei VIPRO

Aplicatia VIPRO_MAIN va genera un istoric unic pentru toti utilizatorii in care se vor inscrie date

referitoare la aplicatiile, durata si fisierele proiect prototip accesate.

Fig. 13. Aplicatiile de modelare Fig. 14. Aplicatiile de simulare

Aplicatiile platformei VIPRO (fig. 12) sunt grupate in patru mari componente, pentru un acces

mai facil: Modelare, Simulare, Stand Sistem PLC, Interfete inteligente. Aplicatiile de modelare (fig.

13) sunt grupate pe tipuri de aplicatii disponibile: Blender, Solid Works, Inventor si Adamas in care

utilizatorul poate deschide un numar de proiecte prototip ce ii sunt puse la dispozitie, fara sa poata face

modificari in ele, sau poate sa sa copieze unul sau mai multe proiecte prototip in care poate lucre sau face

orice modificare doreste. Pentru simulare (fig. 14) sunt puse la dispozitie cateva medii, cum sunt:


Coreographe, Webots, Unity 3D, etc. Pentru experimentare pe System PLC si simularea, utilizatorul are

acces la mediul AC 500. Mediile de integrare ale interfetelor inteligenta de control robot disponibile

sunt: Neutrosofic, Estenics, Retele neuronale. Proiectul interfetei grafice al modelului functional si

experimental pentru platforma VIPRO este prezentat in Anexa 1.1 si lista de materiale a platformei VIPRO

in Anexa 1.2. Interfata grafica a platformei VIPRO, integrat in componenta Graphical Station, este pusa

la dispozitia utilizatorilor.

Componenta de modelare 3D a robotului de salvare RABOT si a robotului mobil pasitor

NAO ofera utilizatorului posibilitatea de proiectare a structurii mecanice si geometriei robotului pe

platforme CAD cu putere mare de calcul si reprezentare virtuala in 3D. S-a realizat proiectarea robotului

de salvare RABOT in Blender, respectiv pentru robotul NAO in Blender si Solid Work (Anexa 4).

Proiectele sunt la dispozitia utilizatorilor sub forma unor interfete la activarea butonului “Componenta de

modelare 3D” al interfetei grafice a platformei VIPRO. Proiectul pentru RABOT au fost implementate de

IMSAR pe platformele CAD cu suportul partenerilor BU UK, Shanghai University si Yanshan

University, China, din proiectul FP7-PEOPLE-2012-IRSES-318902, 2013-2016.

Proiectarea si realizarea modelarii 3D a robotului mobil pasitor NAO in Blender. Blender

este o aplicatie de grafica 3D cu licenta gratuita de tipul GNU (General Public License – Licenta

Publica). Aplicatia contine un set robust de caracteristici si unelte, similar cu alte aplicatii software 3D de

inalt nivel precum Maya, 3DS Max sau Lightwave. Printre acestea se numara dinamica corpurilor rigide a

fluidelor sau a corpurilor moi, unelte de modelare a corpurilor, unelte de animatie a personajelor precum

si posibilitatea de a fi adaugate scripturi realizate in Python.

Fig. 15 Componenta centrala a robotului NAO, pieptul Fig.16. Modelarea 3D utilizand aplicatia Blender

Pentru proiectarea modelului 3D in Blender a fost necesara cunoasterea detaliata a dimensiunilor si

maselor fiecarei componente ale robotului (Anexa 4.1). Din analiza modelului 3D, importat conform

cerintelor de proiectare a platformei VIPRO, s-a obtinut Modelul 3D a robotului NAO V4 care a fost

utilizat ulterior in mediul virtual 3D. Componenta centrala a robotului NAO este pieptul, prezentata in

figura 15. Se observa conturul piesei dat de liniile si punctele de intersectie ce definesc poligoanele

suprafetei modelului geometric 3D. Modelul 3D contine un numar ridicat de poligoane, ceea ce duce la o

forma mult cat mai exacta a modelului robotului 3D, dar care necesita resurse mai mari la afisarea lor in

mediul virtual, deoarece mediul virtual analizeaza fiecare suprafata si nod a modelului robotului 3D

atunci cand intervin coliziuni. Utilizand aplicatia Blender pentru fiecare component a robotului s-a

obtinut modelarea 3D a robotului NAO prezentata in fig.16. Proiectul pentru modelare 3D a robotului

mobil pasitor NAO in Blender, prezentat in Anexa 4.1 si integrat in componenta Graphical Station, este

pus la dispozitia utilizatorilor.

Proiectare si realizare modelarii 3D a robotului mobil pasitor NAO in Solid Works. Pentru

modelare 3D s-a utilizat robotul NAO V5 cu toate articulatiile ultimei versiuni realizata in SolidWorks,

reprezentat in figura 17.


Fig1 17. Robotul NAO proiectat in SolidWorks Fig. 18. Robotul NAO cu toate componentele dezasamblate

Pozitia acestuia este in starea initiala de plecare stabilita pentru mediul virtual. Pieptul robotului

este considerata piesa centrala a robotului, de care sunt prinse toate celelalte componente. Figura 18

prezinta robotul NAO cu toate componentele dezasamblate.Proiectul pentru modelare 3D a robotului

mobil pasitor NAO in Solid Works, prezentat in Anexa 4.2 si integrat in componenta Graphical Station,

este pus la dispozitia utilizatorilor.

Proiectare si realizare modelarii 3D a robotului a robotului de salvare RABOT in Blender.

Desi modelarea a robotului RABOT in colaborarea cu partenrii de proeict FP7 nu a fost realizata in

Blender, ea a fost necesara din mai multe motive. Primul motiv este licenta gratuita de tipul GPL

(General Public License) ce ne permite dezvoltarea platformei VIPRO fara costuri aditionale. Al doilea

motiv important este utilizarea mediului virtual Unity pentru simularea robotilor. Pentru proiectarea

modelului 3D a robotului RABOT in Blender s-au utilizat fisierele de tipul STL ce contin componentele

robotului RABOT realizate in Solid Works.

Fig. 19. Montarea segmentelor superioare a fiecarui picior a

robotului RABOT

Fig. 20 Montarea segmentelor inferioare pentru picioarele

robotului RABOT

Aceste componente asamblate in Solid Works, au fost repozitionate in Blender pentru a obtine

modelul 3D a robotului ce ulterior va fi importat in Unity3D. Primele componente introduse in mediul 3D

din Blender sunt cele 2 cadre rigide de care sunt legate picioarele robotului, unite prin intermediul celor 4

cuple de prindere si prin articulatia de amortizare, articulatiile de rotatie pe 2 axe de care sunt conectate

actuatoarele liniare ale robotului si montate elementele de prindere ale motoarelor si ale picioarelor.

Ultima etapa este asamblarea elementelor inferioare ale picioarelor. Figura 19 prezinta montarea


segmentelor superioare a fiecarui picior a robotului RABOT, respectiv figura 20 prezinta tot robotul de

salvare RABOT asamblat, cu picioarele in diferite pozitii pentru exemplificare. Proiectul pentru modelare

3D a robotului de salvare RABOT in Blender, prezentat in Anexa 4.3 si integrat in componenta Graphical

Station, este pus la dispozitia utilizatorilor.

Componenta de simulare 3D a robotului de salvare RABOT si a robotului mobil pasitor NAO,

prezentat in Anexa 5.1, ofera utilizatorului prin interfata grafica a platformei VIPRO posibilitatea de a

realiza simulari 3D utilizaand platformele de realitate virtuala Choregraphe, Webots si Unity.

Platforma de realitete virtuala Choreographe in corelatie cu platforma de realitate virtuala

Webots permit proiectarea de programe de simulare 3D prin utilizarea robotului umanoid NAO,

dezvoltat de catre Aldebaran (Anexa 5.1.1). Choregraphe este o aplicatie multi platforma dedicata

robotului NAO care poate fi implementate prin programare grafica. In platforma Webots se pot utiliza

mai multe tipuri de roboti care sunt deja implementati in aceasta platforma sau se poate importa structura

dezvoltata intr-un program de proiectare (SolidWorks, AutoDesk, etc). Webots este o platforma software

de simulare robotica (fig. 21), in care se pot dezvolta medii 3D virtuale care contin elemente cu

proprietati fizice similare cu cele reale, prin adaugarea unor mase, coeficienti de frecare, cuplu, etc.

Setarea valorilor, in grade, a articulatiilor pentru piciorul stang este prezentata in figura 22.

Fig. 21. Platforma Choregraphe Fig. 22. Setare parmetri picior

Structura platformei este una modulara si distribuita, avantajul acesteia fiind multifunctionalitatea in

aplicatii cu structuri robotice diferite. Principalele clase din libraria platformelor de realitete virtuala

Choregraphe si Webots, utilizate in proiectarea componentei de simulare a platformei VIPRO sunt: clasa

de miscare, care utilizeaza doua doua tipuri de metode: metode pentru controlul articulatiilor si metode

pentru deplasarea robotului, respectiv clasa de senzori prin care platforma este monitorizata in raport cu

evenimentele din realitatea virtuala sau mediu reale. Proiectul de miscare al robotului NAO in mediu

virtual si real utilizand platform VIPRO, prezentat in Anexa 5.1.1a si integrat in componenta Graphical

Station, este pus la dispozitia utilizatorilor.

Proiectarea robotului mobil NAO utilizand platforma de realitete virtuala Unity 3D pentru

componenta de simulare 3D. Unity este un mediu de dezvoltare integrat ce asigura functionalitati de top

pentru a crea mediu interactiv 3D. Pentru aplicatiile platformei VIPRO care au nevoie de comportament

realist adaugat corpurilor si personajelor care interactioneaza, se foloseste extensiv motorul de fizica din

Unity. Implementarea robotului NAO in platforma robot virtuala, realizata in Unity3D, s-a realizat prin

utilizarea modelului 3D al aplicatiei Blender si convertirea obiectelor care contin sub-componente in

functie de separarea realizata in mediul de proiectare 3D Blender. Pentru asamblarea robotului, este

necesara pozitionarea tuturor componentelor robotului utilizand componenta „Transform” pentru

rotire/orientare, scalare pe una din cele trei axe (X, Y, Z). In pasul urmator, s-au asignat materiale din

componenta robotului pentru comportament specific realitatii virtuale in mediul de modelare 3D.


Fig. 24. Robotul NAO impreuna cu axele de rotatie, sistemul de axe

si elementele de coliziune

Fig. 25. Capul robotului atasat de pieptul acestuia

Toate piesele modelate, sunt legate intre ele prin articulatii de rotatie denumite „hinge joint”

realizand in acest mod conexiunilor intre obiecte. Dupa realizarea sub-componentelor, cum ar fi Anchor

si Axis, „Connected anchor”, „Connected Body”, sub-componente de limitare fizica a articulatiei, printr-

o forta si un cuplu de rupere a articulatiei, „RigidBody” componenta ce furnizeaza proprietatile fizice,

componenta „collider” utilizata pentru robotul NAO de tipul „Box Collider” sau „Capsule Collider” se

obtine robotul asamblat din figura 24. Pentru piesa capului robotului NAO parametrii sunt prezentati in

figura 25. Parametrii asignati sunt RigidBody: Masa = 0.351 Kg, Hinge Joint: Connected Body = Neck ->

Chest; Axa de rotatie = (0,0,1); Limite de miscare = nu sunt impuse, NAOJoint: BodyPart = Head; Joint

Name = Head; P = 0.5; I = 0.02; D = 0.1. Proiectul robotului mobil NAO utilizand platforma de realitete

virtuala Unity 3D pentru componenta de simulare 3D, prezentat in Anexa 5.1.2.a si integrat in

componenta Graphical Station, este pus la dispozitia utilizatorilor.

Identificarea parametilor PID pentru robotul mobil NAO utilizand componenta de

simulare 3D a platformei de realitete virtuala Unity 3D. Realizarea modelului experimental in mediul

virtual 3D pentru testarea si validarea parametrilor legii de control PID ale articulatiilor robotului

presupune identificarea sistemului aferent modelului prin tehnici automate de estimare a parametrilor atat

pentru controlul PID cat si pentru implementarea pe viitor a unor legi de control inteligente. In vederea

asigurarii stabilitatii modelului experimental virtual, folosind control PID in articulatiile robotului, este

necesara cunoasterea unui model aproximativ al procesului controlat, pe baza caruia sunt stabiliti factorii

de amplificare ai structurii paralele PID. Modelul este dezvoltat prin tehnici de identificare de sistem care

necesita cunoasterea unor vectori de date de intrare si iesire ale sistemului necunoscut. Mediul 3DUnity

permite generarea datelor de intrare de referinta pentru articulatia robotului virtual si monitorizarea

comportamentului acesteia, rezultand date de iesire. Dupa identificarea modelului de acuratete maxima,

sunt optimizati factorilor de amplificare dintr-o structura de regulator PID, care sunt introdusi in mediul

Unity, sub forma de script, pentru controlul articulatiei. Programul de identificarea parametilor PID

pentru robotul mobil NAO utilizand platforma de realitete virtuala Unity 3D, prezentat in Anexa 5.1.2b

si integrat in componenta Graphical Station, este pus la dispozitia utilizatorilor.

Proiectarea componentei de Remote control & eLearning. Platforma virtuală VIPRO are ca

principală funcționalitate facilitarea accesului utilizatorilor la resursele software ale acesteia. Astfel se va

permite, pe baza unui cont de utilizator, accesarea prin intermediul unui browser web a unor aplicații

software specifice instalate pe PC Server al platformei, care asigura trafic de date ridicat pentru

comunicatii pe internet, la care se mai adauga doua statii utilizatori pentru aplicatii cu end-users. S-a

optat pentru o bază de date de tip MySQL care poate fi uşor asociată unei aplicaţii web care utilizează

Php pentru procesarea cererilor şi furnizarea datelor. Baza de date stocheaza căile de acces către aplicații,


informaţii referitoare la utilizatori, la drepturile lor şi la acţiunile întreprinse de aceştia. Principalele

obiectele logice reprezentate în arhitectura pltformei virtuale sunt sunt: Utilizatori, Aplicații, Programări

și Știr. Programul bazei de date si a mecanismului de acces local, prezentat in Anexa 6 si integrat in

componenta PC Server, este pus la dispozitia utilizatorilor platformei VIPRO.

Serverul de aplicație constituie unul din elemente centrale ale platformei VIPRO. Acesta dispune de

capacitate mare de stocare și procesare și permite accesul utilizatorilor locali și a celor de pe platforma de

e-learning la resursele existente. S-a optat pentru un server Dell PowerEdge T110 II datorită raportului

optim performanță/preț pentru o aplicație de bussiness de dimensiuni reduse. Această soluție oferă

flexibilitate și fiabilitate crescute, precum și facilități de protecție a datelor astfel încât să asigure

continuitatea în funcționare și performanțele necesare platformei VIPRO. Construcția compactă de tip

Tower de 18” permite instalarea fără restricții majore asupra spațiului. Mecanismul de acces la distanță se

face utilizând aplicația Windows Remote Desktop Connection. Programul mecanismului de acces de la

distanta, prezentat in Anexa 6 si integrat in componenta PC Server, este pus la dispozitia utilizatorilor

platformei VIPRO.

Structura mecanica a standului sistemului PLC. Pornind de la cele trei articulatii principale

ale robotilor, sold, genunchi, talpa, s-a proiectat si realizat structura mecanica a suportului

servomotoarelor pe 6 DOF, 3 DOF pentru actionare si 3 DOF pentru actuatoare de sarcina, care sa

asigure conditiile mecanice desfasurarii in conditii optime ale cercetarilor reactiilor sistemelor de

actionare, motoare, prin simularea diverselor conditii de functionare atat din punct de vedere al valorilor

sarcinilor cat si al aliurii variariatiei acestora. Proiectul se refera la utilizarea servomotoarelor ABB

9C4.1, care corespunde cerintelor de moment de torsiune, turatie si a posibilitatior de comanda si control.

O conditie impusa standului a fost aceea de a asigura o rigiditate maxima si eliminarea vibratiilor. Pentru

evitarea introducerii unor erori de masurare a fost aleasa solutia de cuplare directa a servomotorului-

motor cu servomotor- sarcina. Rigiditatea si concentricitatea cuplarii este asigurata de Suport 1 desen

VIPRO -1.2 din proiectul structurii mecanice a standului sistemului PLC din Anexa 7.1.

Ansamblu motor – sarcina este prezentat in figura 31. Sunt 3 astfel de grupuri pentru simularea

concomitenta a articulatiilor RRR ale unui robot pasitor. Solutia aleasa este una care asigura rigiditate

maxima fixarii servo-motoarelor, permitand cuplarea motor-sarcina, respectiv decuplarea acestora fara sa

se modifice alinierea initiala a acestora.

Fig.31. Ansamblu motor – sarcina Fig.32. Standul servomotoare 6 DOF

Standul servomotoare 6DOF (fig. 32) are prevazute elemente de protectie la desfacerea

contactoarelor electrice si siguranta la utilizare conform figurii 4 Desen VIPRO-0. Prezentarea proiectul

structurii mecanice a standului sistemului PLC este in Anexa7, care include proiectul de executie

(Anexa 7.1.)

Strategie de comunicare VIPRO. Scopul strategii este de a informa comunitatea stiintifica,

academica, universitara, de cercetare si de business cu privire la existenta, capabilitatile si oportunitatile oferite

de platforma VIPRO, mobilizand totodata diverse forme de sprijin, de la implicare in cercetare la finantare si

identificare de utilizari practice (Anexa 8). In cadrul strategiei s-a realizat o abordare segmentata a canalelor de

comunicare, in raport cu categoriile de public tinta si obiectivele de comunicare specifice. În ceea ce priveşte


stabilirea targetului, sunt focalizate două categorii principale. Target principal, format din mediul academic si

universitar, comunitatea de cercetare aplicativa, comunitatea industriala de cercetare, comunitatea industriala

de cercetare, testare si realizare de prototipuri, studenti si cercetatori tineri, mediul de business din domenii

conexe roboticii.

Target secundar, format din institutii publice din domenii conexe proiectului, fundatii/ONG-uri, publicul larg.

Comunicarea cu mediul de business se va realiza in principal in cadrul unor evenimente dedicate, de tipul

worksopurilor, targurilor, prezentarilor de produse, si in secundar prin mijloace de informare in masa.

Activitatile de networking sunt esentiale in vederea asigurarii conectarii celor doua medii.

In vederea atingerii obiectivelor de comunicare stabilite, propunem realizarea urmatoarelor activitati

principale: branding prin stabilire logo, reguli de identitate vizuala, manual de identitate vizuala, realizare

pachete de materiale de informare, adaptate categoriilor de public-tinta, stabilire grafic pentru organizarea

conferintelor de presa, organizare conferinte de presa, selectarea publicatiilor tiparite cu profil stiintific in

vederea publicarii articolelor de specialitate, elaborare machete de presa/articole de specialitate si transmitere

catre publicatiile selectate, selectare posturi TV/ posturi radio si emisiuni pentru promovarea proiectului,

negocierea conditiilor si participarea la emisiunile TV/ radio respective, selectarea publicatiilor online cu profil

stiintific/generalist in vederea publicarii articolelor de specialitate/de informare, elaborare machete de

presa/articole de specialitate si transmitere catre publicatiile online selectate, identificare evenimente

internationale de genul conferintelor, targurilor cu profil conex (robotica, inteligenta artificiala, mecatronica,

etc) si selectarea celor mai potrivite, participarea la evenimentele stiintifice internationale selectate,

organizarea unui workshop si a unei conferinte internationale sub egida Academiei Romane.

Platforma virtuala va putea fi exploatata financiar datorita performantelor sale ce vor depasi alte

platforme de instrumentatie virtuala, deoarece ceea ce s-a dezvoltat in cadrul proiectului este o platforma ultra

specializata pe probleme legate de robotica si in special pentru roboti mobili folositi in diferite scopuri.

Partenerii din mediul privat vor putea exploata rezultatele proiectului prin utilizarea tehnologiilor si serviciilor

dezvoltate idependent in aplicatii comerciale proprii si integrate in platforma VIPRO. Coordonatorul si

partenerii, fiind actori importanti in mediul de cercetare academic au posibilitatea de a exploata rezultatele

proiectului prin imbunatatirea facilitatilor de pregatire si formare a resursei umane (platforma e-learning),

transferul de tehnologii si servicii derivate catre mediul de afaceri si prin drepturile de propretate intelectuala

obtinute in urma comercializarii de catre partenrii din mediul privat.

Solutia tehnica noua proiectata, integrata in sistemul cu arhitectura deschisa si interfete inteligente al

platformei VIPRO, a condus la imbunatatirii performantele in controlul robotilor si manipulatoarelor, la

asigurarea unui nivel ridicat de versatilitate a platformei in transformarea de la functia de baza in controlul in

timp real a miscarii, navigarii si orientarii robotului la functii de control inteligent al robotului virtual 3D

printr-un cuantum de functii optimizate si testate pe sistemul platformei. Aceaste caracteristici sunt in corelatie

cu asigurarea unui nivel ridicat de versatilitate a platformei. Suplimentar, prin proiectare s-a asigurat

portabilitatea platformei VIPRO, care consta in posbilitatea portarii interfetelor de control inteligentde, a

robotului virtual 3D si a mediului de miscare 3D a robtului, de la sistemul PC a unui utilizator extern, aflat la

distanta, la platforma VIPRO si controlul de la distanta a platformei VIPRO de utilizatorul extern, in absenta

structurii mecanice, asigurand proiectarea, testarea si experimentarea metodelor de control pe un sistem de

control mecatronic clasic (existent), fara a fi necesara modificarea structurii hardware a acestuia.

Platforma inovativa VIPRO, astfel proiectata, este competitiva conceptual cu alte platforme similare de

aplicatii virtual CDA, CAM, CAE, Solid Works sau MatLab, Simulink, COMSOL, Lab View, etc., dar fata de

aceste permite proiectarea, testarea si experimentarea metodelor decontrol inteligent in timp real cu integrarea

sistemului de control clasic in modelarea si simularea robotului. In acest sens ne propunem ca prin dezvoltarea

proiectului sa realizam embrionul ca va permite intrarea platformei VIPRO pe piata IT ca o noua componenta

intre platforme IT existente.


Diseminare rezultate prin participari la manifestari tehnico-stiintifice

Studiile si cercetarile membrilor echipei au fost publicate in reviste, conferinte cu impact in

domeniul temei proiectului.

Membrii echipei au participat la cooperari internationale pe tema proiectului VPRO.

Session Organiser: Prof. Hongnian Yu, Bournemouth University, Intalnire de lucru

(Work Shop) la CAS Beijing, cu partenerii din programul FP7, IRSES, EU RABOT

project (FP7-PEOPLE-2012-IRSES-318902), august 2015, cu ocazia conferintei

“International Conference on Advanced Mechatronic Systems (ICAMechS 2015), Beijing,

China, August 22-24, 2015. S-au stabilit colaborari in implemetarea celor doua proiecte. Au

participat: Prof. Hongnian Yu si Shuang Cang, Bournemouth University, Prof.

Vladareanu, IMSAR, Prof. Radu Munteanu, UTCN, Xiaojie Wang si Jingjing Liu,

Yanshan University, China.

Session Organiser: Prof. Vladareanu, Chair sessions on “Advanced Intelligent Control in

Robotics and Mechatronics”, Conference: “International Conference on Advanced

Mechatronic Systems, ICAMechS 2015, Beijing, China, August 22-24, 2015

Program Chair: Prof. Vladareanu, “International Conference on Advanced Mechatronic

Systems , ICAMechS 2015, Beijing, China, August 22-24, 2015

Session Organiser: Prof. Vladareanu, Chair Session on “Robotics and Mechatronics”,

SISOM 2015 and Session of The Commission of Acoustics, Bucharest, 21-22 May

Conference Chair: Prof. Vladareanu, Chair SISOM 201, Annual Symposium of the

Institute of Solid Mechanics SISOM 2015 and Symposium of Acoustics, Bucharest, 21-22

May, Scientific Sponsor Romanian Academy

Session Organiser: Prof. Vladareanu, Chair session on “Advanced Intelligent Control

Methods in Robotics and Mechatronics”, Conference: ICCMIT’15 Conference Program,

Prague, Czech Republic, 20-22 April 20

Session Organiser: Prof. Vladareanu, Chair session on “Applications of Extenics in

Robot Field”, Symposium for Application of Extension Innovation Method, Guangdong

University of Technology, Research Institute of Extenics and Innovation Method,

Guangzhou, China, 2015.06.13

Advanced Mechatronic Systems (ICAMechS). Best Paper

Award

Work Shop, Institute of Automation, Chinese Academy of

Sciences, Beijing 2015, FP7-PEOPLE-2012-IRSES-318902

and PN-II-PT-PCCA-2013-4, ID2009


Prof. Cai Wen, President of

International Academy of

Extensic, Founder of

Extenics Theory,

Guangdong University of

Technology

Meeting FP7-PEOPLE-2012-IRSES-318902 and PN-II-PT-PCCA-

2013-4, ID2009, Yanshan University, Qinhuangdao, China

Invited Professor:

Prof. Vladareanu, Invited Professor: “Applying achievements of Extenics in the robot

field” Guangdong University of Technology, Research Institute of Extenics and Innovation

Method, Guangzhou, China

Prof. Vladareanu, Invited Professor: “Versatile Intelligent Portable Robot Platform

Applied on the Rescue Robots VIP RESCUBOT”, Yanshan University, Qinhuangdao, China

Prof. Vladareanu, Invited Professor: ““Haptic Robot Control on Uneven Terrain and

Uncertain Environment using VIPRO Platform”” Shanghai Jiao Tong University, (SJTU)

Prof. Vladareanu, Invited Professor: “Haptic Robot Control for the rescue walking robots

motion in the disaster areas”, Chinese Academy of Science, Institute Automation of the

Chinese Academy of Science (CAS)

Malawi University: Nominalizare “Doctor Honoris

Causa” si Diploma “Professor of Industrial Technology”

by International Center of Academic Reshech, Texas, USA

Invited Professor at the Institute of Automation, Chinese

Academy of Sciences, Beijing August 2015


Expozitii internationale de inovare2015

The 43rd International Exhibition of

Inventions Geneva, 15-19 April 2015 , Prof.

Luige Vladareanu, IMSAR, membru in

delegatia Romaniei la Expozitia de Inventica

Geneva 2015. Participarea si finantarea

standului s-a obtinut prin competitie

nationala organizata de ANCSI

Salonul Cercetării Românești 2015,

14-17 Octombrie 2015, Bucuresti,

Participanti: Luige Vladareanu si Octavian

Melinte, IMSAR, Victor Vladareanu, UPB.

EXPO Milano, Expozitia Mondiala

Milano 2015, “INVENTII ROMANESTI la

Expo MILANO - 2015”, 02-03 Septembrie

2015, Milano, Organizator MECS, ANCSI, Poster “Haptic Robot Control on Uneven Terrain and

UncertainEnviromentt”

Medalii, diplome obtinute la saloane de inventica

Medalie de aur si Diploma de excelenta la “ The 43rd International Exhibition of Inventions Geneva,

15-19 April 2015” cu inventia “Haptic Robot Control on Uneven Terrain and UncertainEnviromentt”

Medalie de aur si Diploma

Geneva 2015

Diploma si Premiu de la Europe

France Inventors Association

Diploma acordata de

China Ass. of Inventors

Diplona acordata de OSIM

5 Premii internationale cu ocazia participarii la “ The 43rd International Exhibition of Inventions

Geneva, 15-19 April 2015” cu inventia “Haptic Robot Control on Uneven Terrain and

UncertainEnviromentt”:

Europe France Inventors,

Russian Federation, NOVGOROD R E Alekseev Technical University

China Association of Inventors,

OSIM Romanian Association of Inventions,

Stefan Cel Mare University


Gold Medal of the Geneva International

Invention Exhibition 2015

Diplomas of the Geneva International

Invention Exhibition 2015

Awards from Europe France

Inventors 2015

Awards from Russian Federation

NOVGOROD R E Alekseev

Technical University

Awards from China

Association of Inventors

2015

Awards from OSIM

Romanian Association of

Inventions 2015

Awards from Stefan Cel

Mare University 2015

Plenary Lectures

Prof. Luige Vladareanu, Plenary Lecture, “Applications of Extenics in Robot Field ”

Symposium for Application of Extension Innovation Method, Guangdong University of

Technology, 2015.06.13 9:30-11:30

Prof. Luige Vladareanu, Plenary Lecture, “Advanced Control Techniques using Virtual,

Intelligent and Mobile Robots Research Environment”, 14th International Conference on

Artificial Intelligence, Knowledge Engineering and Data Bases, AIKED '15, Tenerife,

Canary Islands, Spain, January 10-12, 2015

Organizare Work – Shops

1. 1st Work Shop Meeting, 16 April 2015, Geneva, Host by the 43rd International Exhibition of

Inventions Geneva , on “Method and device for haptic robot control on uneven train and

uncertain environment”. Supported by: ANCSI-UEFISCDI “The Partnerships Program in

priority fields PN-II-PT-PCCA-2013-4”, the VIPRO project no. 009/2014, ID2009/2013


“Versatile Intelligent Portable Robot Platform using Adaptive Networked Control Systems of

Rescue Robots”. The participation: His Excellency, Anca OPRIS, Ambassador of the

Romania Embassy in the Swiss Confederation, Prof. Adrian CURAJ, UEFISCDI President,

Prof. Radu I. MUNTEANU, Honorary President of Technical University of Cluj-Napoca, Dr.

Camelia MARINESCU, Head of the Romanian Delegation, Prof. Anton HADER, University

Polithnica Bucharest, Eugen ALBU from Qual Media Group.

2. 2nd Work Shop Meeting, 22 May 2015, Bucharest, Host by Annual Symposium of the

Institute of Solid Mechanics SISOM 2015 and Symposium of Acoustics, on “Robotics and

Mechatronics”. Supported by ANCSI_UEFISCDI and Institute of Solid Mechanics, “The

Partnerships Program in priority fields PN-II-PT-PCCA-2013-4”, the VIPRO project no.

009/2014, ID2009/2013 “Versatile Intelligent Portable Robot Platform using Adaptive

Networked Control Systems of Rescue Robots”, Scientific Sponsor Romanian Academy.

Imagini Work-Shop

Excelenta Sa,

Ambasadorul Romaniei la

Confederatia Elvetiana

Presedintele UEFISCDI Participanti: 1st Work Shop

Meeting, 16 April 2015,

Geneva

Dezbateri: 1st Work

Shop Meeting, 16 April

2015, Geneva

Sesiuni speciale la conferinte internationale/nationale si expozitii de inovare cu tematica din domeniul

proiectului.

1. ICAMechS: Special Session on “Advanced intelligent control in robotics and mechatronics”,

“International Conference on Advanced Mechatronic Systems (), Beijing, China, August 22-24, 2015.

2. ICCMIT: Special Session on “Advanced Intelligent Control Methods in Robotics and Mechatronics”,

Conference: ICCMIT’15 Conference Program, Prague, Czech Republic, 20-22 April 20

3. SISOM: Special Session on “Robotics and Mechatronics”, SISOM 2015 and Session of The Commission of Acoustics, Bucharest, 21-22 May, 2015

4. AEIM: Special Session on “Applications of Extenics in Robot Field”, Symposium for Application of

Extension Innovation Method, Guangdong University of Technology, Research Institute of

Extenics and Innovation Method, Guangzhou, China, 2015

Platforma robot versatila, inteligenta, portabila cu sisteme de control ...

Documents

Transcript of Platforma robot versatila, inteligenta, portabila cu sisteme de control ...