روباتیکز روباتهای هوشمند خودکار

1. Amirkabir University of TechnologyComputer Engineering & Information Technology Department روباتیکزروباتهای هوشمند خودکار دکتر سعید شیری قیداری

2. کتاب درس • 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

3. 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: • ابتدا به بررسی روباتهای صنعتی میپردازیم • بدنبال 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

4. نحوه ارزیابی • امتحان میان ترم : 20 % • امتحان پایان ترم: 20% • تکالیف: 25% • ارائه : 10% • پروژه : 25%

5. 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

6. 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 احتمالاتی، روشهای مختلف مکان یابی، ساخت خودکار نقشه • حرکت و طرح ریزی: روش های مختلف مسیر یابی، فرار از مانع، ساختارهای مختلف حرکت و...

7. سایت درس Web: http://ceit.aut.ac.ir/~shiry/lecture/amr08/amr08.html

8. مقدمه

9. 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!

10. 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.

11. 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

12. 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

13. شرط لازم برای روبات بودن! • برای اینکه بتوانیم یک ماشین را روبات بنامیم این ماشین باید: • قادر به حس وادراک بوده و بتواند اطلاعات 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.

14. تاریخچه • لئوناردو داوینچی در سال 1500 طراحی هائی مانند روبات انجام داده بود.

15. تاریخچه • درقرنهفدهمماشینهایخودکاریساختهشدندکهقادربهحرکتبودند. ایننمونهدرموزهایدرآلماننگهداریمیشود.

16. تاریخچه • ایننمونهروباتکهدرقرننوزدهمساختهشدهاستدارایبرنامهایبراینواختنموسیقیاست.

17. تاریخچه • در سال 1920 کلمه روبات در یک نمایشنامه استفاده شد که توسط Karel Capek نمایشنامه 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 کلمهRobotaبه معنای سخت کوش گرفته شده است.

18. تاریخچه • در سال 1950 اسحاق آسیموف ایده روباتهای خوب (androids) را در کتابهایش مطرح و باعث مشهور شدن کلمه روبات گردید. • روباتهای اولیه بصورت موجودات انسان نمای شیطان صفت تجسم میشدند.

19. سه قانون روباتیک اسحاقآسیموفقانونمشهورروباتیکخودرابهصورتزیرمطرحکردهاست: روباتنبایدباعثصدمهرسیدنبهآدمیگردد. روباتبایدازدستوراتصادرهتوسطانسانپیرویکندمگرمواردیکهموجبنقضقانوناولگردد. روباتبایدازوجودخویشمحافظتنمایدمگردرمواردیکهمنجربهنقضقوانیناولودومگردد.

20. روباتهای صنعتی اولیه • اولین بازوی روباتیک در سال 1945 تحقق یافت. • در سال 1961 اولین patent روبات در امریکا به نام George C. Devol ثبت شد. وی به همراه Joe Engelberger کارخانه Unimation را پایه گذاری کردند. در حقیقت ایندو نفر را میتوان پدران روباتهای صنعتی نام برد. • در سال 1978 اولین روبات همه منظوره توسط کارخانه فوق تولید گردید. PUMA (programmable universal machine for assembly)

21. روباتانساننما • هوندادرسال 1996 روباتانساننمائیرامعرفیکردکهقادربهراهرفتن،حملاشیاوبالارفتنازپلههابود. • روباتهایانساننمابااینهدفساختهمیشوندکهباترکیبقابلیتهایفیزیکیوادراکیانسانروباتیساختهشودکههمانندانساندرمحیطهایعادیبهفعالیتوسرویسدهیمشغولشود.

22. روباتهایسرگرمی • درسال 1999 سونیروبات Aibo اولینروباتیکهجهتسرگرمیساختهشدهبودرابهبازارعرضهکرد. همه 5000 روباتساختهشدهدرعرضیکساعتبهفروشرفتند.

23. روباتهایفضائی • درسال 2000 روباتفضائی SSRMS ساخته شدهتوسطکارخاده MD Robotics of Canada برایمونتاژایستگاهفضائیبینالمللیبکارگرفتهشد.

24. روباتجاروبرقی • قادرهستندبااستفادهازسوناردیوارهاواشیاراتشخیصدهند. • باپیداکردندیوارهاابتدانواحیمجاوردیوارهاوبعدبطورتصادفیسایرنقاطراجارومیکنند. • ادعاشدهکهتا 97% اتاقتمیزمیشود. • قادرندمحلشارژخودراپیداکردهومجدداشارژشوند. • بانصبنوارهایمغناطیسیمانعفرارروباتازاطاقویاافتادنآنازپلههامیشوند. • نوعهوشمندآنهامیتواندازگیرافتادندرموانعبپرهیزد. • قیمتیبین 100 تا 500 دلاردارند.

25. روباتهاینظامی • خنثیکردنبمب • شناسائیدشمن • بازرسیاماکن • دستگیریافراد • جاسوسی

26. اجزایکسیستمروباتیک • ساختارمکانیکیشامل: • اتصالاتبازووبدنه،چرخها • محرکهائیکهباعثحرکتروبوتمیشوندنظیر • موتورها • سنسورهایمختلفبرایادراکمحیطپیرامونروباتهانظیر: • سنسورهایفاصله،دوربین،لیزروغیره • یککنترلرکامپیوتریکهسیگنالهایسنسورهاراخواندهوباپردازشاطلاعاتبتواندفرامینلازمهرابرایمحرکهاایجادنماید.

27. مقایسهانسانوروبات

28. انواعروبات • معمولاروباتهابهدودستهتقسیمبندیمیشوند: -2روباتهایصنعتی ) یابازویروباتیک( -1 روباتهایمتحرک

29. روباتصنعتی • روباتهایصنعتیمعمولاازیکسریاتصالاتکهتوسطمحورهایچرخشیویالغزندهبههموصلشدهاندساختهمیشوند. اینروباتهادارایدرجههایآزادیمختلفیبودهوبرایمقاصدینظیرگرفتناشیا،جابجائیاجسام،جوشکاری،رنگکاری،مونتاژوغیرهبکارمیروند.

30. مزایایاستفادهازروباتبرایصنایع استفادهازروباتهادرصنایعمنافعزیادیبههمراهداشتهاستازجمله: • افزایشتولید • انعطافپذیریدرتولید • قابلیتاطمینانزیاد • دقتدرتولید • بالابردنکیفیتمحصولات • ایمنیمحیطکاربواسطهجایگزینیانساندرمحیطهایخطرناک • ....

31. اجزایکروباتصنعتی • Base • Shoulder • Elbow • Wrist • Tool-plate • End-effecter (not shown)

32. مواردمصرفعمدهروباتهایصنعتی • 70% درجوشکاریورنگکاری • 20% برایبلندکردنوجابجائیاشیا • 10% برایبقیهمصارف

33. روباتهایصنعتیمشغولبکار ژاپنپیشتازاست. چرا؟

34. طرحهایمتداولروباتهایصنعتی SCARA Cylindrical Articulated Cartesian Spherical

35. کاربردروباتهایصنعتی

36. روباتصنعتیهوشمند

37. Hybrids (since 90’s) • درسطوحبالاازمدلاستفادهمیشود • درسطوحپائینواکنشیعملمیکند سیرتحولدرکنترلروبات Classical Robotics (mid-70’s) • مدلدقیق • نیازیبهحسکردننبود Reactive Paradigm (mid-80’s) • بدونمدل • بشدتوابستهبهحسدقیقمحیطبود Probabilistic Robotics (since mid-90’s) • ترکیبمدلوحسکردن • مدلغیردقیق،حسکردنغیردقیق

38. سنسورهایروباتهایهوشمند • Vision • برایدریافتمحیطپیرامون • Voice • برایصحبتباآدمی • Tactil • برایحسوحوداشیادرسرراهمسیر • Force • برایتشخیصنیرودرکاربردهائینظیرمونتاژ • سایرسنسورها Limit Switches 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)

39. روباتهایمتحرکخودکار • دارایچرخ،پا،شنیویامکانیزمهایدیگریبرایحرکتدرمحیطهستند • درمحیطهائیحرکتمیکنندکهغالباناشناختههستندازاینرونمیتوانآنهارابرایانجامکارهایازپیشدانستهبرنامهریزینمود • اینروباتهابایدبهسنسورهایدقیقیمجهزباشندتابتوانندمحیطراشناسائیوازبرخوردبااشیاجلوگیرینمایند

40. روباتهایمتحرک ویژگیهایاصلی • قابلیتجابجائی : درمحیطمیتوانندحرکتکنند. • حدمعینیازخودکاربودن • قابلیتدرکمحیطتوسطسنسورها

41. سهسئوالاصلیدرموردروباتهایمتحرک • منکجاهستم Robot localization • بهکجامیروم Goal determination • چگونهبایدبهآنجابروم Motion planning

42. پاسخگوئیبهسوالات برایپاسخگوئیبهاینسوالاتروباتمتحرکباید: • مدلیازمحیطاطرافخودراداشتهباشد ) ممکناستاینمدلتوسطروباتساختهشودیابهآندادهشود( • بادریافتاطلاعاتازمحیطبتواندآنهاراتجزیهوتحلیلنمودهوموقعیتخودشرادرمحیطمشخصنماید. • حرکتبعدیخودراطراحیواجرانماید.

43. معمارییکسیستمروباتیک Environmental sensors Motion planner Mechanical Structure Controller Configuration sensor • Mechanical Structure • Kinematics model • Dynamics model • Actuators: Electrical, Hydraulic, Pneumatic, Artificial Muscle • Computation and controllers • Sensors • Communications • User interface • Power conversion unit

44. انواعروباتهایمتحرک

45. روبوکاپ چيست؟ RoboCup(Robot World Cup) • مجموعه‌اي از مسابقات و کنفرانس‌ها، محيطي پژوهشي و آموزشي • هدف اوليه: • ايجاد تيمي از روبات‌هاي فوتباليستکهدرسال 2050 بتوانندتیمانسانهاراشکستبدهند • فعاليت‌هاي فعلي: • کنفرانس‌هاي تخصصي • کنفرانس و مسابقات جهاني روبوکاپ • برنامه‌هاي تحصيلي • توسعه زيرساخت‌ها • مجموعه مسابقات روبوکاپ

46. آشنايي با ليگ هاي مختلف روبوکاپ • ليگ هاي رباتهاي واقعي • ليگ ربات هاي اندازه کوچک • ليگ ربات هاي اندازه متوسط • ليگ ربات هاي سوني • ليگ ربات هاي انسان نما • ليگ ربات هاي امداد • ليگ نوجوانان • ليگ هاي شبيه سازي • شبیهسازیفوتبال • شبیهسازیامداد