ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
28260620102020
RIADENIE STABILITY HUMANOIDNÉHO ROBOTA
2010
Bc. Adam Chrastina
ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
RIADENIE STABILITY HUMANOIDNÉHO ROBOTA
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Študijný program:
2675836 Výkonové elektronické systémy
Študijný odbor:
5.2.9 Elektrotechnika
Školiace pracovisko: Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra mechatroniky a elektroniky
Školiteľ:
doc. Ing. Juraj Uríĉek, PhD.
Konzultant:
Ing. Peter Šindler
2010
Bc. Adam Chrastina
Abstrakt
Diplomová práca sa zaoberá riadením stability humanoidných robotov, priĉom
rozoberá 3 najpouţívanejšie metódy pre jej dosiahnutie a taktieţ predstavuje
novovytvorenú metódu japonských vedcov. V práci sú tieţ opisované jednotlivé
subsystémy robota, konkrétne senzorický a pohonný. Praktická ĉasť vyuţíva
nadobudnuté poznatky pre návrh riadenia stability robota Robonova-I. Záver hodnotí
prácu ako celok a poukazuje na smer riešenia pre pokraĉovateľov práce.
I
ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAĈNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Bc. Adam Chrastina
Akademický rok: 2009/2010
Názov práce: Riadenie stability humanoidného robota
Počet strán: 52
Počet obrázkov: 31
Počet tabuliek: 3.
Počet grafov:1
Počet príloh: 2
Počet použ. lit.: 36
Anotácia v slovenskom jazyku:
Diplomová práca sa zaoberá moţnosťami riadenia stability humanoidných robotov, priĉom sa
venuje aj jednotlivým subsystémom robota.
Anotácia v anglickom jazyku:
This diploma work deals with stability controling of humanoid robots and discusses the subsystems
of these robots.
Kľúčové slová:
robot, humanoid, Robonova, stabilita, senzor,
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Juraj Uríĉek, PhD.
Konzultant: Ing. Peter Šindler
Recenzent: __________________________
Dátum odovzdania práce: 7. mája 2010
II
Obsah
1
Úvod .............................................................................................................. 1
2
Roboty a robotika ........................................................................................ 2
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.3
3.4
3.5
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.5.4
4
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.2
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.4.1
5.4.2
6
6.1
6.1.1
Základné rozdelenie robotov.......................................................................... 2
Humanoidné roboty ....................................................................................... 5
Prvý humanoid - WABOT ............................................................................. 6
Robot ASIMO ................................................................................................ 6
Robot CB ....................................................................................................... 7
Robot Robonova-I .......................................................................................... 8
Stabilita ......................................................................................................... 9
Úvod do problematiky ................................................................................... 9
Základné pojmy ........................................................................................... 10
Ťaţisko (CoM) ............................................................................................. 10
Oporná báza (FSA) ...................................................................................... 11
Stred opornej sily (CoP) ............................................................................... 11
Aplikovaná povrchová sila (GAF) ............................................................... 12
Základné balanĉné stratégie ......................................................................... 12
Základné problémy stability ........................................................................ 13
Najĉastejšie pouţívané metódy vyjadrenia stability kráĉajúcich robotov ... 13
Bod nulového momentu (ZMP) ................................................................... 13
Indikácia rotácie chodidla (FRI) .................................................................. 16
Bod centrálneho momentu otáĉania (CMP) ................................................. 18
Celotelové poddajné udrţiavanie rovnováhy ............................................... 20
Senzorický subsystém ................................................................................ 25
Interné senzory ............................................................................................. 25
Akcelerometre .............................................................................................. 26
Gyroskopy .................................................................................................... 28
Inklinometre ................................................................................................. 30
Externé senzory ............................................................................................ 30
Pohony kráčajúcich robotov ..................................................................... 31
Jednosmerné motory .................................................................................... 31
Striedavé motory .......................................................................................... 32
Krokové motory ........................................................................................... 32
Modelárske servá ......................................................................................... 33
Princíp riadenia ............................................................................................ 33
Servá firmy HITEC ...................................................................................... 34
Praktická časť ............................................................................................ 36
Pouţité senzory ............................................................................................ 36
Akcelerometer MMA7361L ........................................................................ 37
III
6.1.2
6.1.3
6.1.4
6.1.5
6.2
6.2.1
6.2.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.4
6.5
6.6
7
Gyroskop LPR503AL .................................................................................. 38
Návrh el. schém a DPS ................................................................................ 39
Merania ........................................................................................................ 39
Spôsob spracovávania signálu ..................................................................... 41
Pouţité typy pohonov .................................................................................. 41
HSR-8498HB ............................................................................................... 42
Riadenie ....................................................................................................... 43
Vyuţívané prostriedky ................................................................................. 43
Programovanie mikropoĉítaĉa ATmega16 .................................................. 44
Práca s analógovo/digitálnym prevodníkom ................................................ 45
Nastavenie PWM kanálov............................................................................ 46
Výber stabilizaĉnej metódy.......................................................................... 47
Postup riešenia riadenia stability robota ...................................................... 48
Tvorba riadiaceho programu ........................................................................ 49
Záver ........................................................................................................... 51
IV
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 2.1: 6-osí hexapod N-515K.................................................................................... 3
Obr. 2.2: Rozdelenie mobilných robotov podľa typu podvozku. .................................. 3
Obr. 2.3: Osobný transportér Segway ............................................................................ 4
Obr. 2.4: Robotický pes „BigDog“. ............................................................................... 5
Obr. 2.5: WABOT – 1. humanoidný robot. ................................................................... 6
Obr. 2.6: Vývoj robota Honda ASIMO. ........................................................................ 7
Obr. 2.7: Humanoidný robot CB.................................................................................... 7
Obr. 2.8: Humanoidný robot Robonova-I. ..................................................................... 8
Obr. 3.1: Porovnanie stability rôznych druhov robotov. ............................................... 9
Obr. 3.2: Názorná ukáţka meniacej sa polohy stredu opornej sily. ............................. 11
Obr. 3.3: Náĉrt zobrazujúci vzťah medzi GAF a GRF ................................................ 12
Obr. 3.4: Sily pôsobiace na chodidlo ........................................................................... 14
Obr. 3.5: Porovnanie ZMP a CoP. ............................................................................... 15
Obr. 3.6: Porovnanie bodu FRI, CoP a GCoM. ........................................................... 16
Obr. 3.7: Porovnanie FRI a ZMP. ................................................................................ 17
Obr. 3.8: Znázornenie bodu CMP. ............................................................................... 19
Obr. 3.9: Spôsob rozloţenia síl. ................................................................................... 21
Obr. 3.10: Prispôsobenie sa externým silám. ............................................................... 22
Obr. 3.11: Postoj robota pre rozliĉné druhy povrchov ................................................. 24
Obr. 4.1: Zobrazenie osí akcelerometra. ...................................................................... 27
Obr. 4.2: Mechanický rezonanĉný gyroskop. .............................................................. 28
Obr. 5.1: Krokový motor, jeho stator a rotor ............................................................... 32
Obr. 5.2: Prierez servom firmy HITEC. ...................................................................... 34
Obr. 5.3: Sériový paket HMI protokolu ....................................................................... 35
Obr. 6.1: Meracie osi akcelerometra ............................................................................ 38
Obr. 6.2: Meracie osi gyroskopu.................................................................................. 39
Obr. 6.3: Typy púzdier serv HSR-8498HB.................................................................. 42
Obr. 6.4: Rozloţenie vývodov ATmega16 na puzdre DIP40 ...................................... 44
Obr. 6.5: Vývojová doska STK500.............................................................................. 45
Obr. 6.6: Ĉasový diagram rýchleho PWM módu......................................................... 47
Obr. 6.7: Riadiaci algoritmus ....................................................................................... 49
V
Tab. 6.1: Základné parametre akcelerometra MMAT7361L ....................................... 37
Tab. 6.2: Základné parametre gyroskopu LPR503AL ................................................. 38
Tab. 6.3: Technické parametre serva HSR-8498HB ................................................... 42
VI
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
A/D
Analog/Digital
Analógovo/Digitálny
ADCSRA
A/D Control And Status
Register
Riadiaci a stavový register
A/D prevodníka
ADMUX
Analog/Digital Multiplexer
Multiplexer A/D prevodníka
CMP
Centroidal Moment Pivot
Centrálny moment otáĉania
CoM
Center of Mass
Ťaţisko
CoP
Center of Pressure
Stred opornej sily
DPS
-
Doska plošných spojov
EEPROM
Electrically Erasable
Programmable Read-Only
Memory
Elektricky mazateľná pamäť
typu ROM
FRI
Foot-Rotation Indicator
Indikátor rotácie chodidla
FSA
Foot Support Area
Oporná báza / Podporná
oblasť
GAF
Ground Applied Force
Aplikovaná povrchová sila
GCoM
Ground Projection of Center of
Mass
Priemet ťaţiska na povrch
GRF
Ground Reaction Force
Kolmá vztlaková sila
HEX
Hexadecimal
Hexadecimálny
HMI
Hitec Multi-protocol Interface
Mutliprotokolové rozhranie
HRG
Hemispherical Resonator
Gyroscope
Mechanický rezonanĉný
gyroskop
ICR
Input Compare Register
Vstupný komparaĉný register
JTAG
Joint Test Action Group
Rozhranie procesora
LCD
Liquid Crystal Display
Displej z tekutých kryštálov
LSB
Low Significant Bit
Najmenej významný bit
MEMS
Micro-Electro-Mechanical
Systems
Mikromechanické systémy
MIPS
Million Instructions Per
Second
Milión inštrukcií za sekundu
NiMH
Nickel metal hydride
Nikel-metal hydrid
OCR
Output Compare Register
Výstupný komparaĉný
register
PWM
Pulse-Width Modulation
Šírkovo-impulzová modulácia
VII
RISC
Reduced Instruction Set
Computer
Poĉítať s obmedzenou
inštrukĉnou sadou
SMD
Surface Mount Devices
Súĉiastky s povrchovou
montáţou
SPS
Samples Per Second
Vzorky za sekundu
SRAM
Static Random Access
Memory
Statická pamäť typu RAM
TCCR
Timer/Counter Control
Register
Riadiaci register
ĉítaĉa/ĉasovaĉa
TFT
Thick-film technology
Technológia tenkého filmu
TTL
Transistor-transistor logic
Tranzistorová logika
ZMP
Zero-Moment Point
Bod nulového momentu
VIII
Zoznam symbolov
Symbol
Jednotka
Význam symbolu
A
[g]
násobky gravitaĉného zrýchlenia
g
[m.s-2]
gravitaĉné zrýchlenie
F
[N]
sila
f
[Hz]
frekvencia
I
[A]
prúd
K
[-]
zosilnenie
M
[N.m]
moment
S
[mV/g]
citlivosť snímaĉa
t
[s]
ĉas
U
[V]
napätie
τ
[N.m]
moment
ρ
[º]
uhol natoĉenia osi X vzhľadom k zemi
φ
[º]
uhol natoĉenia osi Y vzhľadom k zemi
α
[º]
uhol natoĉenia hriadeľa
θ
[º]
uhol natoĉenia osi Z vzhľadom ku gravitaĉnému
vektoru
IX
Poďakovanie
Chcel by som poďakovať doc. Ing. Jurajovi Uríĉkovi, PhD. za moţnosť
zrealizovať navrhnutú tému, za vhodné usmerňovanie poĉas vypracovávania práce, za
celkovú podporu a mnoţstvo cenných rád a informácii.
Taktieţ by som sa rád poďakoval Ing. Petrovi Šindlerovi za pomoc s realizáciou
DPS, za pomoc s orientáciou v programe AVR Studio a v základných moţnostiach
procesora ATmega16, a taktieţ za cenné rady pri realizácií tejto práce
X
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
1 ÚVOD
Mechatronika ako multidisciplinárny odbor vo forme rôznych výrobkov prenikla
do všetkých sfér ľudského ţivota. Doma sa s nimi stretávame vo forme spotrebiĉov
bielej
i ĉiernej
techniky.
V práci
nám
pomáhajú
zefektívniť rutinné
práce
a minimalizovať vplyv ľudského faktora, dokonca aj dnešné autá sú vzhľadom na
vybavenosť rôznou elektronikou povaţované za mechatronické výrobky.
Typickým príkladom mechatronického výrobku je však robot. Spája v sebe totiţ
prvky strojárstva, mechaniky, elektroniky aj informaĉných systémov. Na Slovensku sa
nimi ľudia beţne stretávajú vo forme rôznych robotických ramien ĉi autíĉok uţ
desiatky rokov. Kráĉajúce roboty však stále zostávajú pre väĉšinu ľudí akoby
nedostupné. Niekoľko slovenských autorov sa vo svojich prácach venuje téme
kráĉajúcich mobilných robotov, prevaţne sa však jedná o viacnohé prevedenia.
Problematikou 2-nohých kráĉajúcich robotov sa zaoberá len niekoľko z nich, priĉom
sa zameriavajú najmä na konštrukĉnú ĉasť a systém riadenia podrobnejšie
nerozoberajú.
Práca preto vznikla na zjednotenie aktuálnych informácii v oblasti riadenia
stability humanoidných robotov. Má za cieľ zvýšiť záujem o túto problematiku u ľudí,
ktorí sa jej kvôli rôznym predsudkom doteraz vyhýbali, ako aj u nových nadšencov
robotiky.
Cieľom práce je riadenie stability humanoidného robota, priĉom práca opisuje
najznámejšie metódy pre dosiahnutie dynamickej stability kráĉajúcich robotov
a prezentuje predovšetkým nedávno vyvinutú metódu v riadení stability. Súĉasťou
práce je aj praktická ĉasť, v ktorej sa opisuje vyuţitie nadobudnutých poznatkov pre
riadenie stability robota Robonova-I.
1
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2 ROBOTY A ROBOTIKA
Pojem robot pôvodne vymyslel v roku 1920 Jozef Ĉapek pre bratovu drámu
„R.U.R.“ (Rossumovi Univerzální Roboti), vďaka ktorej sa toto slovo rozšírilo do
celého sveta. V dnešnej dobe sa ním oznaĉuje automat alebo poĉítaĉom riadený
integrovaný systém, schopný interakcie s prostredím.
Pojem robotika, ktorý ako prvý v roku 1941 pouţil vo svojej hre „Klamár!“ Isaac
Asimov, oznaĉuje interdisciplinárny technický smer vyuţívajúci poznatky z
mechatroniky, kybernetiky, informatiky a riadenia, logistiky a umelej inteligencie.
V skratke je to veda, ktorá sa zaoberá robotmi. (wikipédia, 2010)
2.1 ZÁKLADNÉ ROZDELENIE ROBOTOV
Od poĉiatkov robotiky sa vo svete vyvinulo mnoho druhov robotov, ktoré je podľa
urĉitých spoloĉných znakov moţné rozdeliť do viacerých skupín. Za základné sa
povaţuje delenie podľa toho, ĉi je robot schopný pohybu.
Rozdelenie podľa mobility - stacionárne
- mobilné
Stacionárne roboty sú charakteristické tým, ţe sú pevne pripevnené ku konštrukcii.
Táto skupina robotov má najdlhšiu históriu, od jednoduchého manipulátora, cez prvé
priemyselné roboty (rok 1958) aţ po dnešné komplikované robotické ramená
pouţívané napr. na kozmických staniciach, prípadne ľahko a lacno dostupné
miniaturizované kópie priemyselných robotov. Táto skupina robotov uţ nemá veľa
moţností rozvoja konštrukcie a vo všeobecnosti sa povaţuje za uzavretú kapitolu, kde
sa vylepšuje a spresňuje uţ len riadiaci softvér.
Oţivenie nastalo jedine v oblasti paralelných kinematických štruktúr, ktoré aj keď
majú vyše 50 roĉnú históriu, stále ponúkajú priestor pre vylepšenie konštrukcie
a zdokonalenie ich ovládania. Na obr. 2.1 je zobrazený príklad takejto kinematickej
štruktúry, ktorej presnosť dosahuje jednotky nanometrov, a ktorá je vhodná pre
pouţitie aj v silných magnetických poliach.
2
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.1: 6-osí hexapod N-515K.
Mobilné roboty sú charakteristické schopnosťou presúvať sa v okolitom priestore
a ĉase. V súĉasnej dobe existuje mnoho rôznych typov týchto robotov, priĉom stále sa
vyvíjajú nové, technicky dokonalejšie, väĉšinou v snahe ĉo najviac napodobniť ţivé
organizmy.
Podľa typu podvozku môţeme tieto roboty rozdeliť do nasledovných skupín:
Obr. 2.2: Rozdelenie mobilných robotov podľa typu podvozku.
3
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Ďalšie delenie mobilných robotov:
Podľa schopnosti samostatnej ĉinnosti - autonómne (samostatné)
- diaľkovo riadené
Podľa prostredia pohybu - Indoor (vnútorné)
- Outdoor (vonkajšie)
Najpoĉetnejšou skupinou mobilných robotov sú kolesové mobilné roboty.
Obľúbené sú najmä štvorkolesové roboty, ĉo vyplýva z ich nenároĉnej konštrukcie
a moţnosti jednoduchého spôsobu riadenia. V posledných rokoch si však svojou
vyššou nároĉnosťou riadenia získali mnoho priaznivcov najmä 2-kolesové roboty,
ktoré vyţadujú nutnosť riešenia stabilizácie. Obr. 2.3 znázorňuje vyuţitie tohoto typu
robotov v beţnom ţivote.
Obr. 2.3: Osobný transportér Segway
Kráĉajúce roboty majú oproti kolesovým výhodu v moţnosti pohybovať sa po
ĉlenitejšom teréne a prekonávať rôzne druhy prekáţok vrátane schodov. Preto sú aj
napriek vyššej konštrukĉnej nároĉnosti a zloţitejšiemu riadeniu obľúbeným druhom
u výrobcov mobilných robotov. V posledných rokoch vznikajú stále dokonalejšie
verzie, ktoré majú ako predlohu zvieratá a ľudí, priĉom prevládajú robotické psy,
pavúky a humanoidné roboty. Medzi najdokonalejšie kráĉajúce mobilné roboty patrí
v súĉasnosti robotický pes „BigDog“ od firmy Boston Dynamics, ktorý je na obr. 2.4.
4
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Jeho riadenie mu umoţňuje pohybovať sa podobným spôsobom ako naozajstné psy,
vrátane behu a prekonávania rôzne nároĉných terénov, ako sú napr. ľadové plochy.
Obr. 2.4: Robotický pes „BigDog“.
2.2 HUMANOIDNÉ ROBOTY
Táto podskupina robotov tvorí osobitný celok a spadá pod dvojnohé kráĉajúce
mobilné roboty. Ich konštrukcia vychádza z anatómie ĉloveka, ĉoho dôsledkom je
sústava rotaĉných kinematických dvojíc, ktorých ovládanie tvorí prvú komplikáciu pri
stavbe týchto robotov, ĉo odrádza mnohých konštruktérov od ich stavby. Pre pohyb
jednotlivých kĺbov sa pouţívajú rôzne druhy pohonov, ktoré sú najĉastejšie
umiestnené priamo v kĺboch.
Humanoidné roboty sú nároĉné aj z hľadiska mnoţstva potrebných informácií,
ktoré potrebujú pre svoj pohyb. Tie sa získavajú z rôznych senzorov, priĉom dôleţitý
je najmä spôsob a rýchlosť spracovania ich signálov.
Stabilita humanoidných robotov je kvôli malému poĉtu podporných bodov
najnároĉnejšou úlohou pri ich realizácii. Základné princípy jej riešenia sú opísané v
nasledujúcej kapitole.
Pokrok v oblasti konštruovania humanoidných robotov je spojený najmä
s rozvojom umelej inteligencie, neurónových sietí, miniaturizáciou pohonov, vývojom
nových konštrukĉných materiálov a novými metódami pri riešení ich stability.
5
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.2.1 Prvý humanoid - WABOT
Prvým funkĉným humanoidným robotom bol WABOT 1, ktorý zostrojil v roku
1973 profesor Ichiro Katom z Waseda University v Japonsku. Robot sa dokázal
pohybovať v priamom smere, meniť smer doprava a doľava, vyhľadať a uchopiť
predmet, preloţiť si ho do druhej ruky a poloţiť ho na urĉené miesto, prijímať
jednoduché hlasové príkazy a taktieţ hlasom odpovedať.(Kárník, 2000)(Novák, 2005)
Obr. 2.5: WABOT – 1. humanoidný robot.
2.2.2 Robot ASIMO
Najznámejším humanoidným robotom sa stal ASIMO (Advanced Step in
Innovative Mobility) firmy Honda, ktorý bol na verejnosti predstavený v roku 2000.
Jeho vzniku prechádzal 15 roĉný výskum, pri ktorom vznikli roboty E0 aţ E6 a P1
aţ P3 (obr. 2.6). ASIMO v sebe spája všetky nadobudnuté skúsenosti, ĉoho dôkazom
je plynulá chôdza, pomerne ľahké prekonávanie schodov, beh rýchlosťou 3 km/h,
rozpoznávanie objektov, gest, zvukov a tvárí a v neposlednom rade uţívateľsky
príjemný vzhľad.
Súĉasná verzia robota ASIMO disponuje predovšetkým reálne
plynulými pohybmi všetkých konĉatín, zlepšením reĉi a zvýšením rýchlosti behu na 6
km/h. (HIROSE, 2007)(HONDA, 2010)
6
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.6: Vývoj robota Honda ASIMO.
2.2.3 Robot CB
Humanoidný robot CB (Computational Brain), zobrazený na obr. 2.7, bol vyrobený
firmou Sarcos v spolupráci s japonskými konštruktérmi v roku 2005. Robot má 51
stupňov voľnosti, hydraulický pohon a konštrukĉne je povaţovaný za doteraz
najvernejšiu kópiu ľudského tela.
Japonskí vedci pod vedením Dr. Hyona preň vytvorili riadiaci softvér, ktorý mu
okrem klasického riadenia stability umoţňuje prispôsobiť sa nerovnému alebo
šmykľavému terénu a zvládať rôzne veľké externé sily vrátane potknutí, kopancov
a úderov do rôznych ĉastí tela robota.
V súĉasnosti sa na jeho upravenej verzií CB-i robia pokusy s riadením pomocou
signálov snímaných z mozgu opice. (ATR, 2009)
Obr. 2.7: Humanoidný robot CB.
7
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.2.4 Robot Robonova-I
Robonova-I je malá verzia humanoidného robota od kórejskej firmy HITEC. Pohyb
jeho 16 kĺbov zabezpeĉujú výkonné digitálne servá, ktoré mu umoţňujú chodiť,
behať, robiť kotrmelce, aj tancovať. Štandardne je tento robot s výškou 30,5 cm
a váhou pribliţne 2,5 kg vybavený infraĉerveným senzorom, v prípade potreby je
moţné dokúpiť ďalšie senzory rôzneho charakteru.
Obr. 2.8: Humanoidný robot Robonova-I.
Jeho riadiaca doska MR-C3024 s mikropoĉítaĉom ATmega128 je umiestnená pod
ochranným krytom na chrbte robota. Napájanie je zabezpeĉené 6V NiMH
akumulátorom s kapacitou 1000mA, ktorý zabezpeĉí pribliţne 1 hodinu nepretrţitej
prevádzky.
Robot je ovládaný pomocou diaľkového ovládania, ktorým sa prepínajú vopred
naprogramované funkcie. Pre programovanie sa pouţíva jazyk RoboBasic 2.0, ĉo je
zjednodušený programovací jazyk Basic, urĉený špeciálne na programovanie robotov,
ktorý obsahuje všetky základné príkazy potrebné pre riadenie jeho funkcií.
Programovanie polohy jednotlivých kĺbov a teda aj celkového postoja je však moţné
vykonávať aj pomocou grafického softvéru. (HITEC, 2010)
Pre úĉely tejto práce bol robot programovaný z externej dosky, pomocou jazyka C.
8
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3 STABILITA
3.1 ÚVOD DO PROBLEMATIKY
Pod pojmom stabilita rozumieme schopnosť udrţiavať rovnováhu telesa, v tomto
prípade robota.
Rozoznávame dva druhy stability:
1. Statickú - vyjadruje schopnosť udrţať rovnováhu poĉas statickej fázy robota,
tzn. keď naň pôsobia iba statické sily a momenty, resp. dynamické sú
zanedbateľné.
2. Dynamickú - urĉuje schopnosť udrţiavať rovnováhu v dynamickej fáze robota.
Pri oboch druhoch stability môţeme hodnotiť objekty ako stabilné a nestabilné. V
statickej fáze môţeme mieru stability vyjadriť ako najkratšiu vzdialenosť priemetu
ťaţiska k okraju opornej bázy. Pri dynamickej stabilite sa pouţívajú rôzne metódy,
ktoré budú opísané v ďalších podkapitolách.
Na obr. 3.1 je znázornený problém stability jednotlivých druhov robotov.
Z obrázku jasne vyplýva, ţe veľkosť ich opornej bázy je kľúĉovou pri vyhodnocovaní
stability.
Obr. 3.1: Porovnanie stability rôznych druhov robotov.
9
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Udrţiavanie stability poĉas chôdze predstavuje najväĉší problém, s ktorým je
potrebné sa pri navrhovaní humanoidného robota vysporiadať.
Podľa typu chôdze rozoznávame:
1. Statickú chôdzu - robot má schopnosť udrţiavať rovnováhu (tzn. je staticky
stabilný) v kaţdom ĉasovom okamihu pohybu, teda aj v prípade náhleho prerušenia
lokomócie v ktorejkoľvek fáze pohybu.
2. Dynamickú chôdzu - robot udrţuje rovnováhu poĉas lokomócie, aj keď
podmienky statickej stability nie sú dodrţané v kaţdej fáze pohybu. Ten spoĉíva vo
vyuţívaní zotrvaĉnosti hmoty samotných robotov, ĉo vyţaduje poznať polohu,
rýchlosť a zrýchlenie kaţdého ĉlenu kinematického reťazca. To celý systém riadenia
robotov znaĉne komplikuje, umoţňuje však plynulejší, prirodzenejší pohyb
a dosahovanie väĉších rýchlostí.
Väĉšina kráĉajúcich mobilných robotov má poĉas pohybu v kontakte so zemou
vţdy taký poĉet oporných bodov (nôh), ktorý im zabezpeĉuje neustálu stabilitu.
Dvojnohé kráĉajúce roboty sú teda poĉas pohybu staticky nestabilné, a pokiaľ
nekráĉajú veľmi pomaly, musia vyuţívať chôdzu dynamickú. (Šolc, 2002)(Scrianka,
2007)
3.2 ZÁKLADNÉ POJMY
3.2.1 Ťaţisko (CoM)
Ťaţiskom robota (Center of Mass) nazývame teoretický bod, v ktorom je
sústredená celá hmotnosť robota a na ktorý pôsobí celá tiaţová sila FG. Jeho polohu
v zvolenom súradnicovom systéme môţeme urĉiť ako:
n
xCoM
mi xi
;
m
i
i 1
i 1
n
n
yCoM
i 1
n
i
mi yi
m
1 i
n
;
zCoM
i 1
n
i
mi zi
m
1 i
,
(3.1)
kde mi sú hmotnosti i-tého bodu sústavy a xi, yi, zi sú súradnice i-tého bodu sústavy.
Ĉlenmi sústavy sú v tomto prípade jednotlivé ĉasti kinematického reťazca, ktoré sú
vzájomne oddelené kĺbmi.
10
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Priemet ťaţiska na povrch sa vykonáva cez vektor gravitaĉnej sily pôsobiacej na
ťaţisko a vyuţíva sa, ako uţ bolo spomenuté, pre urĉenie miery statickej stability.
Tento bod sa oznaĉuje skratkou GCoM.
3.2.2 Oporná báza (FSA)
Opornou bázou (obr. 3.1), resp. podpornou oblasťou (Foot Support Area)
nazývame konvexný obal kontaktných bodov nôh robota. Matematicky by sa dal
konvexný obal popísať ako mnohouholník s najmenším moţným obvodom, ktorý
všetky tieto body obsahuje.
Poĉas chôdze humanoidného robota, keď má v kontakte s podloţkou len 1 nohu,
opornú bázu tvorí oblasť nachádzajúca sa v konvexnom obale pozostávajúcom
z krajných bodov, rohov chodidla. Pri obdĺţnikovom tvare chodila by ju teda tvoril
štvorhran. V prípade 2 nôh rovnakého tvaru tvorí túto oblasť mnohouholník
pozostávajúci z vonkajších rohov chodidiel.
3.2.3 Stred opornej sily (CoP)
Bod zvaný stred opornej sily (Center of Pressure) je miesto na zemi, kde pôsobí
výsledná tlaková sila robota, pokým sa robot dotýka zeme. Jeho polohový vektor
z ťaţiska leţí vo vnútri podpornej oblasti a je definovaný ako:
rP
xP , y P , z P
T
,
(3.2)
Poĉas statickej fázy robota sa tento bod stotoţňuje s priemetom ťaţiska (GCoM),
ĉo vyjadruje aj nasledujúci obrázok.
Obr. 3.2: Názorná ukážka meniacej sa polohy stredu opornej sily.
11
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.2.4 Aplikovaná povrchová sila (GAF)
Pojem aplikovaná povrchová sila (Ground Applied Force) predstavuje hrubú silu,
ktorou robot pôsobí na okolie. Jej vektor je opaĉný ku kolmej tlakovej sile (Ground
Reaction Force) a jeho poĉiatoĉný bod sa nachádza práve v strede opornej sily (CoP).
Skladá sa z 3 zloţiek, ako uvádza nasledovný vzorec. (KIEBOOM, 2009)(HYON,
2009)
fp
f xP , f yP , f zP
T
,
(3.3)
Obr. 3.3: Náčrt zobrazujúci vzťah medzi GAF a GRF
3.3 ZÁKLADNÉ BALANČNÉ STRATÉGIE
1. Ĉlenková - umoţňuje pomalú a krátku výchylku tela
2. Panvová - vhodná pre rýchle a väĉšie výchylky
3. Kroková - pouţíva sa po aplikovaní veľkej rušivej sily na telo robota po
väĉšom vychýlení ťaţiska mimo opornú bázu, keď uţ nie je moţné pouţiť
predchádzajúce spôsoby stabilizácie.
Tieto metódy, ktoré ľudia beţne pouţívajú na predchádzanie pádom a v roku 1986
ich pouţívanie preskúmali vedci F.B. Horak a L.M. Nashner, je vhodné ich vyuţiť aj
pri tvorbe riadiacich programov humanoidných robotov. (ELLIS, 2008.)
12
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.4 ZÁKLADNÉ PROBLÉMY STABILITY
Cieľom riadenia stability humanoidného robota je dosiahnuť, aby bol robot
schopný kráĉať na neznámom povrchu. To zahŕňa schopnosť zvládať beţné
nerovnosti terénu, rôzne veľké koeficienty trenia povrchu, prekonávať svahy a malé
prekáţky a vedieť sa vyrovnať s pôsobením neznámych síl rôznych veľkostí. Pred
samotným návrhom riadenia je potrebné mať zodpovedané tri základné otázky:
1. Ako zabezpeĉiť stabilitu samotného robota ?
2. Ako sa vysporiadať s úĉinkom neznámych (externých) síl ?
3. Ako zosúladiť veľký poĉet kinematických dvojíc robota ?
(HYON, 2009)
3.5 NAJČASTEJŠIE POUŽÍVANÉ METÓDY VYJADRENIA
STABILITY KRÁČAJÚCICH ROBOTOV
3.5.1 Bod nulového momentu (ZMP)
Metódu nazvanú Bod nulového momentu (Zero-Moment Point) predstavili po prvý
raz v roku 1968 vedci Vukobratović a Juriĉić, a jej vyuţitie znamenalo významný
pokrok v riadení dynamickej stability humanoidných robotov poĉas lokomócie.
Prvýkrát bola pouţitá v roku 1984 na robotovi WL-10RD z radu robotov WABOT.
Zaraďuje sa medzi geometrické metódy a dodnes patrí v rôznych rozšírených
prevedeniach medzi tie najpouţívanejšie. Jej vysvetlenie je v nasledujúcich odsekoch.
Povrch pôsobí na podráţku chodidla robota v bode CoP a jeho je môţné rozdeliť
do troch zloţiek sily GRF (fxP, fyP, fzP) a troch zloţiek momentu GRM (MxP, MyP, MzP).
Nutnou
a postaĉujúcou
podmienkou
kráĉajúcich
robotov
pre
ich
udrţanie
v dynamickej rovnováhe je zabezpeĉiť, aby horizontálne komponenty momentu boli
nulové, teda:
M xP
0
; M yP
0 ,
(3.4)
Keďţe obe zloţky zodpovedné za realizáciu dynamickej rovnováhy sú rovné nule,
priradil sa tomuto bodu názov Bod nulového momentu (ZMP). Inak povedané, vţdy
13
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
keď reakcia povrchu môţe byť redukovaná na pôsobenie GRF a vertikálnej zloţky
momentu MzP, bod CoP reprezentuje ZMP.
Rovnice statickej rovnováhy pre podpornú nohu sú nasledovné:
fP
rPO
fP
fA
rG mS .g
mS .g
MA
0,
M zP
(3.5)
rA
fA
0,
(3.6)
kde jednotlivé r sú poziĉné vektory od poĉiatku súradnicovej sústavy OXYZ ku GRF
pôsobiacej v bode CoP, k ťaţisku nohy G a ku ĉlenku A, a mS je hmotnosť nohy.
Ak presunieme poĉiatok súradnicovej sústavy na horizontálnu rovinu, dostaneme
z predchádzajúcej rovnice jej upravenú verziu:
rPO
fP
H
rG mS .g M A
H
rA
fA
H
0,
(3.7)
ktorá tvorí základ pri poĉítaní polohy bodu CoP, v ktorom pôsobí GRF. Rovnica
reprezentuje rovnicu pre rovnováhu nohy a zabezpeĉuje dynamickú rovnováhu pre
celkovú dynamiku robota.
Obr. 3.4: Sily pôsobiace na chodidlo
Obr. 3.4a znázorňuje všetky sily a momenty pôsobiace na chodidlo, kde indexom
A sú oznaĉené veliĉiny ktoré nahrádzajú vplyv zvyšku tela na ĉlenok a indexom P
veliĉiny prislúchajúce k vplyvu povrchu na chodidlo. Obr. 3.4b vyjadruje vzťah medzi
vertikálnymi zloţkami momentov a obr. 3.4c ukazuje jednoduchý 2D prípad, kde je
intenzita sily fzP vyjadrená vzdialenosťou y.
Keďţe v skutoĉnosti môţe ZMP existovať iba v rámci podporného polygónu,
poĉas chôdze vyuţívame aj takzvaný fiktívny Bod nulového momentu (FZMP),
ktorého vzdialenosť od hrany chodidla urĉuje intenzitu rušivého momentu.
14
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
V praxi sa body ZMP a CoP ĉasto zamieňajú, nakoľko pri robotoch s dynamicky
vyváţenou chôdzou sa ich pozícia zhoduje. Základným rozdielom teda je, ţe zatiaľ ĉo
CoP je bod, kde pôsobí výsledná sila ktorou robot vplýva na povrch, ZMP je bod,
ktorý vyvaţuje všetky sily (gravitaĉné, zotrvaĉné, odstredivé sily a momenty), ktoré
pôsobia na celý mechanizmus poĉas pohybu. Pri dynamicky nevyváţených robotoch
sa tieto body teda nie vţdy prekrývajú. Taktieţ FZMP sa z princípu nemôţe polohou
stotoţňovať s CoP. Ich rozdiel aj naznaĉuje nasledujúci obrázok.
Obr. 3.5: Porovnanie ZMP a CoP.
Prípad na obr. 3.5a zobrazuje stav pri dynamicky vyváţenej chôdzi, kde sa oba
body prekrývajú. Obr. 3.5b znázorňuje okamih, keď nejaká rušivá sila spôsobila
naklonenie celého tela robota, ktorý rotuje okolo hrany chodidla a následne padá.
V tomto prípade, keďţe hranu podráţky topánky tvorí len úzky pásik, ktorý nie je
z pevného materiálu, sa preto dá pouţiť jedine fiktívny Bod nulového momentu.
Posledný obrázok zobrazuje prípad pohybu pri pouţití obuvi s presne vymedzenou
podpornou oblasťou na špiĉke („baletný pohyb), keď sa dá pohyb realizovať cez
udrţiavanie ZMP v hraniciach podpornej bázy. Aj keď ZMP a CoP sa tu prekrývajú,
nejedná sa o pravidelný pohyb, a aj ľudia musia byť naň špeciálne cviĉení.
Pre pouţitie metódy ZMP je potrebné poznať hmotnosť, pozíciu a rýchlosť pohybu
kaţdej ĉasti kinematického reťazca a presnú polohu chodidiel. Jej najväĉšou
nevýhodou je, ţe v pôvodnej forme sa nedá aplikovať pre pohyb po nerovnom
povrchu. Je totiţ nevyhnutné, aby sa chodidlá dotýkali povrchu po celej ploche. Tento
problém je však moţné vyriešiť pomocou zavedenia virtuálnych plôch (vo svojej práci
to v roku 2002 prezentoval Sugihara a kol.), ĉo je ale nároĉné na výpoĉtové operácie.
Metóda sa preto pouţíva v kombinácii s inými metódami. (Vukobratović, 2004)
(Kieboom, 2009) (Popovic, 2005)
15
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.5.2 Indikácia rotácie chodidla (FRI)
Metódu FRI (Foot Rotation Indicator) predstavil v roku 1999 Ambarish Goswami,
priĉom vychádzal z faktu, ţe rotácia nohy je indikátorom nestability postoja. Je
zameraná na fázu kroku v ĉase jednoduchej podpory, keď len jedna, tzv. oporná noha
sa nachádza na zemi, zatiaľ ĉo druhá v tom ĉase vykonáva krok. Z pozorovania
ľudskej chôdze sa totiţ zistilo, ţe aţ 80% celého cyklu chôdze zaberá práve fáza
jednoduchej podpory.
Metóda definuje pojem Bod indikácie rotácie chodidla, ĉo je bod na zemi,
oznaĉený ako F, kde ĉistá GRF bude musieť pôsobiť tak, ţe udrţí nohu stabilnú. Inak
povedané bod na zemi, v ktorom výsledný moment síl a momentov pôsobiacich na
ĉlenkový kĺb je kolmý na zem. Na rozdiel od ZMP tento bod môţe leţať aj mimo
konvexného obalu podpornej oblasti nohy, avšak pre zaistenie stability sa musí
nachádzať vo vnútri. Poloha bodu FRI mimo tejto oblasti teda indikuje smer blíţiacej
sa rotácie a veľkosť rotaĉného momentu pôsobiaceho na nohu. Aj keď sa opäť môţe
zdať, ţe poloha bodu FRI je totoţná s CoP, nie je tomu tak, nakoľko CoP je bod, kde
ĉistá GRF pôsobí v aktuálnom ĉase, a navyše nemôţe opustiť konvexný obal
podpornej oblasti. Tieto rozdiely dokresľuje zjednodušený prípad na obr. 3.6. Na ľavej
strane je chodidlo v statickej fáze pokým je F v konvexnom obale podpornej oblasti,
na pravej chodidlo práve zaĉína rotovať okolo CoP.
Obr. 3.6: Porovnanie bodu FRI, CoP a GCoM.
Rovnica pre dynamickú rovnováhu vyplýva z poznatku, ţe súĉet vonkajších
momentov na robote, poĉítaných k priemetu ťaţiska GCoM, alebo k akémukoľvek
16
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
stacionárnemu referenĉnému bodu, sa rovná súĉtu zmien momentov hybností
jednotlivých segmentov okolo rovnakého bodu. Pre bod O teda vznikne rovnica:
M rP
fP
H Gi
rG mi .g
rG mi .ai ,
(3.8)
kde M je momentová zloţka reakcie podloţky, rP udáva polohu CoP vzhľadom
k bodu O, rGi polohu ťaţiska segmentu voĉi bodu O, mi jeho hmotnosť a HGi moment
hybnosti i segmentu okolo ťaţiska. Obr. 3.7 znázorňuje pôsobenie síl.
Obr. 3.7: Porovnanie FRI a ZMP.
Rovnica rotaĉnej dynamickej rovnováhy pre chodidlo (segment 1) je:
M
rP f
P
rG m1 .g
H Gi
rO1 R1
1
rG m1 .a1 ,
(3.9)
kde sila pôsobiaca na ĉlenok R1 a moment okolo neho τ1 zahŕňajú dynamiku zvyšku
tela robota. Rovnica pre statickú rovnováhu je odlišná tým, ţe na pravej strane je 0.
Podmienkou pre kaţdý bod F je rovnica:
1
f O1 R1
f G1 m1 .g
t
0,
(3.10)
kde t naznaĉuje, ţe v rovnici sa pouţívajú len tangenciálne zloţky. Presnejšie
vyjadrenie súradníc bodu F sa dosiahne vypoĉítaním dynamiky robota a odĉítaním
chodidla:
n
rF mi ai
g
rF mi .g
í 2
t
n
rG1 mi .g
i 2
H Gi
,
n
rGi mi ai
i 2
(3.11)
g
t
17
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Polohu bodu FRI vzhľadom na bod O je teda moţné vypoĉítať z
nasledujúcich rovníc:
n
m1rG1 y g
n
mi rGiy . aiz
g
i 2
rFx
n
mi rGiz aiy
i 2
H Gix
i 2
(3.12)
n
m1 g
mi aiz
g
i 2
n
m1rG1x g
rFy
n
mi rGix aiz
g
i 2
n
mi rGiz .aix
i 2
H Giy
i 2
n
m1 g
mi aiz
(3.13)
g
i 2
Táto metóda sa vyuţíva predovšetkým pre jedno a dvojnohé kráĉajúce roboty. Jej
nevýhodou je, ţe pre jej pouţitie je potrebné buď meranie vykonávané pomocou
drahých senzorov, alebo matematický model celej dynamiky robota, ktorý je odlišný
pre kaţdú zmenu rozloţenia hmoty robota. FRI sa preto ĉasto pouţíva v kombinácii
s inými metódami, najĉastejšie s ZMP. Taktieţ keďţe akceleráciu, ktorú vyvinie noha
poĉas zdvíhania päty nie je moţné dobre zachytiť a spracovať, pouţíva sa
modifikovaný FRI bod (MFRI), ktorým je moţné poĉas tejto fázy kroku namerať
odchýlku od ZMP rádovo vyššiu. (Goswami, 1999) (Kieboom, 2009) (Popovic, 2005)
3.5.3 Bod centrálneho momentu otáĉania (CMP)
Skúmaním pohybu ťaţiska a síl, pôsobiacich okolo neho poĉas chôdze ĉloveka, sa
podarilo definovať ďalší bod, ktorý je moţné pouţiť pri vyhodnocovaní stability
humanoidných robotov. Nezávisle na sebe sa dva výskumné tímy dopracovali k skoro
identickým výsledkom. V rokoch 2003 prezentovala skupina vedcov v zloţení
Popovic, Hofmann, Herr prácu, v ktorej definovala bod ZSCP (Zero Spin Center of
Pressure), a v roku 2004 predstavili Goswami a Kallem bod CMP (Centroidal
Moment Pivot). Následne sa oba tímy spojili, zhodli sa na pouţívaní názvu CMP
a vypracovali metódu pre riadenie stability humanoidných robotov, ktorá je
vysvetlená niţšie.
Tomuto výsledku predchádzalo pozorovanie malých momentov v okolí ťaţiska tela
a rotácií poĉas chôdze, priĉom bolo zistené, ţe po prepoĉítaní cez hmotnosť tela,
18
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
celkovú výšku a rýchlosť pohybu ţiadna z troch priestorových súradníc neprekroĉila
hodnotu 0.02 (v bezrozmerných jednotkách).
Bod centrálneho momentu otáĉania je definovaný ako bod, kde polpriamka
paralelná ku GRF, zaĉínajúca v ťaţisku, pretína povrch, po ktorom sa robot pohybuje.
Jeho vzdialenosť od polohy CoP potom vyjadruje mieru rotaĉnej nestability.
Obr. 3.8: Znázornenie bodu CMP.
Matematicky sa definícia dá vyjadriť tak, ţe vektorový súĉin poziĉného vektora
CoM-CMP a GRF bude rovný nule, ĉo vyjadruje aj nasledovná rovnica
rCMP
rCoM
fP
0 ; z CMP
0,
(3.14)
Táto rovnica môţe byť rozšírená a pouţitá pre výpoĉet polohy bodu CMP. Buď
v závislosti na polohe ťaţiska:
xCMP
xCoM
xGRF
zCoM ; yCMP
zGRF
yCoM
yGRF
zCoM ,
zGRF
(3.15)
alebo môţe byť vyjadrená vzhľadom na polohu ZMP.
xCMP
xZMP
y
rCoM
zGRF
; yCMP
yZMP
x
rCoM
zGRF
,
(3.16)
19
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Poĉas celého cyklu vyváţenej chôdze sa tento bod nachádza v konvexnom obale
podpornej oblasti, priĉom pribliţne kopíruje polohu ZMP poĉas fázy samostatnej aj
dvojitej podpory.
Aj keď táto metóda sa dá vyuţiť aj pri pohybe po nerovnom povrchu, ĉo by ju
radilo na vrch tohto zoznamu, jej hlavnou nevýhodou je, paradoxne, samotný princíp
z ktorého vychádza. Nenulový moment okolo ťaţiska totiţ nemusí vţdy znamenať, ţe
ĉlovek alebo robot sa chystá spadnúť, a dokonca pri niektorých pouţívaných
spôsoboch chôdze nie je tento moment nulový nikdy. Preto sa tak ako predchádzajúce
metódy najĉastejšie pouţíva v spojení s inými metódami, najĉastejšie sa volí ako
doplnok ZMP pre menej stabilné fázy kroku. (Popovic, 2005)
3.5.4 Celotelové poddajné udrţiavanie rovnováhy
Túto metódu vyvinul v posledných rokoch tím japonských vedcov pod vedením
Dr. Sang-Ho Hyona. Aj keď zatiaľ nie je veľmi známa a jej vývoj stále pokraĉuje,
vďaka skvelým doteraz dosiahnutým výsledkom pri stabilizácii humanoidných
robotov si zaslúţi pozornosť a miesto v tejto práci.
K jej vzniku prispel predovšetkým fakt, ţe doteraz pouţívané metódy riadenia
stability kráĉajúcich robotov vyuţívali predovšetkým tzv. poziĉné riadenie, pri
ktorých sa vychádzalo z regulácie GRF a mnoţstva meraní ďalších pôsobiacich síl,
a následnom prepoĉítavaní na uhly zohnutia kĺbov, ĉoho výsledkom bolo
nedostatoĉne rýchle prispôsobovanie sa náhlym zmenám prostredia.
Vyvinutá metóda vychádza preto z princípu rozloţenia síl do jednotlivých
kontaktných bodov, podobne ako je to moţné pozorovať u ľudí. Tento systém vyuţíva
predovšetkým informácie o pohybe ťaţiska, ktoré sa vyuţívajú pre výpoĉet
aplikovanej povrchovej sily. Následne túto silu rozdelí do jednotlivých kontaktných
bodov, ĉiastkové sily pretransformuje do kĺbových momentov a na potlaĉenie
vnútorných pohybov pridáva inteligentné kĺbové tlmenie nazvané „rozdelenie
redunancie zaloţené na pasivite“. Cieľom je dosiahnuť rovnosť reálnej a ţiadanej
hodnoty GAF, predmetom riadenia je preto sledovanie a porovnávanie fP a f P .
20
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 3.9: Spôsob rozloženia síl.
Ako je moţné vidieť z obr. 3.9, pri tejto metóde sú základnými pojmami poziĉný
vektor ťaţiska v súradnicovej sústave rC, polohový vektor CoP voĉi ťaţisku rP,
vektory kontaktných bodov rSj a vektory kontaktných síl v jednotlivých bodov fSj.
Systém riadenia má dva kroky:
1. Optimálne rozdelenie kontaktných síl.
Súradnice CoP je moţné vyjadriť ako:
xp
j 1
j
xSj f zSj
f
1 zSj
j 1
; yp
j
ySj f zSj
,
(3.17)
f
1 zSj
kde fzSj predstavujú z-zloţky vektorov kontaktných síl. Aplikovaná povrchová sila
(GAF) je potom tvorená súĉtom vektorov týchto síl:
fp
f Sj ,
(3.18)
j 1
Tieto dve rovnice po zlúĉení následne vytvoria novú (zobrazenú niţšie), ĉím
vznikne matica distribuovaných kontaktných síl Az.
xP
xS 1
xS 2
... xSj
yP f zP
1
yS1
1
yS 2
1
... ySj
... 1
f zS 1
f zS 2
...
fp
f Sj ,
j 1
(3.19)
f zSn
21
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Pomocou poţadovaného normálového vektora GAF fzP a vektora CoP rP sa
následne vypoĉíta odpovedajúci ţiadaný normálový vektor fzS, kde A*z
f zS 1
f zS 2
...
AZ
f zSj
#
xP
y P f zP ,
1
ATz Az ATz
1
.
(3.20)
Kontaktným bodom bliţšie k centru tlaku sa priraďujú väĉšie kontaktné sily
a distribuĉný pomer je lineárny, tak ako je znázornené na obr. 3.10. Pri pôsobení
externých síl ťaţisko ostáva na pôvodnom mieste, priĉom jednotlivé kĺby môţu meniť
svoju pozíciu.
Obr. 3.10: Prispôsobenie sa externým silám.
Následne sa rozloţia a vypoĉítajú ţiadané horizontálne kontaktné sily f xSn a f y Sn
tak, ţe kontaktným bodom s väĉšou normálovou kontaktnou silou je pridelené väĉšie
trenie. Nakoniec sa vypoĉítajú kĺbové momenty podľa rovnice:
J S ( , q)T f S - Dq ,
kde JS( ,q) R3
× n
(3.21)
predstavuje kontaktný Jakobián z ťaţiska robota k jednotlivým
kontaktným bodom (derivát RS so zreteľom na q), q sú uhly jednotlivých kĺbov, Ø je
poloha základne a D je konštantná matica D>0.
Spomínaný vektor fp sa vypoĉítava podľa rovnice:
fP
fu
M .g ,
(3.22)
22
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
kde M je diagonálna hmotnostná matica s m predstavujúcim celkovú hmotnosť,
a vektor g je gravitaĉný vektor, kde g je gravitaĉné zrýchlenie.
2. Udrţiavanie rovnováhy a ovládanie polohy
Poţiadavka rovnováhy je definovaná ako asymptotická stabilizácia priemetu
ťaţiska na zem na poţadovanú pozíciu v konvexnom obale podpornej oblasti, k ĉomu
sa vyuţíva jednoduchý zákon spätnej väzby:
- K P C (rC - rC ) - K DC ( rC - rC ) ,
fu
(3.23)
kde KPC, KDC > 0 sú zosilnenia a rC , rC sú vektory poţadovanej polohy a rýchlosti
ťaţiska, ktoré sú pri riadení rovnováhy nastavené na nulu. Poţadovaný vektor CoP rP
bude mať súradnice:
xp
zP fu x
mg f u z
;
yp
zP fu y
mg
fu z
,
(3.24)
kde z P =-zC. Pokiaľ poţadovaný CoP neleţí v konvexnom obale podpornej oblasti,
skráti sa zodpovedajúcim spôsobom poţadovaná GAF. Upravený vektor GAF fP,
rovnako ako poţadovaný vektor CoP rP sa potom pouţíva na urĉenie poţadovaných
kontaktných síl.
Keď je ťaţisko (CoM) robota posunuté na stranu, stred opornej sily (CoP) je
posunutý na tu istú stranu a rozdelenie kontaktných síl je adekvátne posunuté. To
môţe spôsobiť, ţe kontaktné sily na druhej strane nohy budú rovné nule, vyúsťujúc aţ
do zdvihnutia nohy, keď sú nohy úplne roztiahnuté, ĉo môţe nastať napríklad keď
ĉlovek ťahá robota na stranu. Po opätovnom dopade nohy na zem robot balansuje na
nových kontaktných bodoch.
Metóda ĉerpá z poznatkov riadenia manipulátorov, odkiaľ vychádzajú aj všetky
základné vzťahy uvedené vyššie. V poĉiatkoch (od roku 2004 do 2006) pouţívala aj
ZMP, neskôr ho však nahradila vhodným spracovaním informácii o CoP. CoP totiţ
nezahŕňa mieru zmeny momentu hybnosti okolo ťaţiska, ktorú preto v poĉiatkoch
práca pre zjednodušenie zanedbávala, a pri jeho pouţívaní nie je, na rozdiel od ZMP,
potrebné poznať presnú polohu kráĉajúcej nohy.
23
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Táto metóda riadenia bola vyvíjaná a úspešne odskúšaná na humanoidnom robote
CB, ktorý bol spomenutý v predchádzajúcej kapitole (2.2.3). Vďaka dômyselnému
riadeniu, ktoré vyuţíva predikciu, môţe robot ľahko prechádzať z dvojitej podpory na
jednoduchú, priĉom trajektória zdvihnutej nohy nie je vôbec stanovená. Taktieţ
pouţitie ĉlenkovej a bedrovej balanĉnej stratégie nie je vyberané pomocou ich
prepínania na základe veľkosti aplikovanej sily, ale obe sú skombinované pomocou
jednoduchej momentovej superpozície, ktorá vychádza z modelu dvojitého kyvadla.
Hlavným prínosom tejto metódy je, ţe úspešne rieši všetky problémy stability
humanoidných robotov a to bez nutnosti priameho merania povrchu a kontaktných síl,
priĉom na pohyb vyuţíva statickú a kvázi-dynamickú chôdzu. Obr. 3.11 znázorňuje
moţné druhy povrchov a adaptáciu robota na ne. (Hyon, 2007a)(Hyon, 2007b)
(Hyon, 2009a) (Hyon, 2009b)
Obr. 3.11: Postoj robota pre rozličné druhy povrchov
24
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
4 SENZORICKÝ SUBSYSTÉM
Senzory sa v robotoch vyuţívajú na získavanie rôznych informácií, ktoré sú
nevyhnutné pre ich riadenie samotné, ako aj pre pohyb v neznámom prostredí. Pri
návrhu senzorického systému pre mobilné roboty je najdôleţitejšie zváţiť, v akom
prostredí sa bude robot pohybovať, následne aké informácie je potrebné získavať,
akým spôsobom sa dajú získať, resp. aké konkrétne senzory tieto informácie dokáţu
zabezpeĉiť a aké majú vlastnosti.
Základné rozdelenie senzorov - Interné
- Externé
Prvé senzory boli ĉisto analógového typu, pri ktorých bola známa lineárna
závislosť meraného výstupu (väĉšinou napätia) na nejakej veliĉine. V dnešnej dobe
však existuje mnoţstvo druhov senzorov, ktorých výstupný signál nesie rozliĉný
objem informácií, ktoré sa následne rozdielne spracovávajú. V súĉasnosti pri
senzoroch rozlišujeme 5 rôznych výstupných signálov.
Senzor môže mať na výstupe - Analógový signál (napr. akcelerometre)
- Binárny signál (napr. taktilné senzory)
- PWM výstup (napr. gyroskopy)
- Sériový výstup (napr. GPS moduly)
- Paralelný výstup (napr. digitálne kamery)
Delenie senzorov z pohľadu umiestnenia - Lokálne
- Globálne
4.1 INTERNÉ SENZORY
Tieto senzory sa vyuţívajú na získanie informácií o stave samotného robota. Jedná
sa o senzory kontrolujúce stav jednotlivých súĉiastok robota a snímajúce rôzne
dynamické prvky systému. Senzory z tejto kategórie sú nevyhnutné pre potrebu
stabilizácie humanoidných robotov. V nasledujúcich podkapitolách budú podrobnejšie
popísané len tie z nich, ktoré sa pouţívajú najĉastejšie. (Bräunl, 1998)(Novák, 2005)
25
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Typy interných senzorov - Snímaĉ natoĉenia (inkrementálny alebo absolútny)
- Snímaĉ otáĉok (Otáĉkomer)
- Snímaĉ zrýchlenia (Akcelerometer)
- Snímaĉ uhlovej rýchlosti (Gyroskop)
- Snímaĉ náklonu (Inklinometer)
- Snímaĉ sily/momentu
- Snímaĉ teploty
4.1.1 Akcelerometre
Akcelerometre sú snímaĉmi zrýchlenia, ĉo znamená ţe merajú zmenu rýchlosti
pohybu telies. Najväĉšie uplatnenie majú zatiaľ v automobilovom priemysle, kde sa
pouţívajú napr. v airbagových systémoch a v spotrebnej elektronike, kde sa vyuţíva
detekcia pádu, aby sa predišlo škodám.
Typy akcelerometrov:
a) Kapacitné – snímajú zmeny elektrickej kapacity.
b) Piezoelektrické – vyuţívajú piezoelektrický jav, materiálom je kryštál.
c) Piezoodporové – známe aj ako tenzometrické, merajú el. odpor materiálu.
d) Magnetoodporové – merajú odpor meniaci sa s vplyvom mg. poľa.
e) Na princípe Hallovho javu – merajú zmeny napätia vyvolané mg. poľom.
f) Na princípe tepelného prenosu – tenzometrami merajú vnútorný prenos tepla.
g) MEMS – micro-electro mechanical system
Kaţdý spôsob merania zrýchlenia má svoje výhody a nevýhody, preto je potrebné
vopred vedieť, ĉi senzor bude merať len statické (gravitaĉné), alebo aj dynamické
zrýchlenie, resp. ktorá z týchto informácií bude pre systém riadenia vhodná. Súĉiastky
sú však charakterizované aj mnoţstvom ďalších údajov, v ktorých je dobré vedieť sa
orientovať, aby vybraný typ ĉo najpresnejšie zodpovedal ich následnej aplikácií.
26
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Dôležité parametre, ktoré je potrebné si všímať pri výbere:
a) dynamický rozsah - urĉuje aké maximálne + a - hodnoty je moţné zmerať bez
toho, aby sa výstupný signál skreslil.
b) poĉet meracích osí - v súĉasnosti sú na trhu 1 a 2-osé, aj 3-osé typy.
c) citlivosť - vyjadruje zmenu výstupného signálu na zmenu zrýchlenia o 1g.
d) frekvenĉná odozva - rýchlosť zasielania údajov v Hz.
e) veľkosť a hmotnosť - je ţiadúce, aby hmotnosť akcelerometra bola niţšia ako
hmotnosť meraného objektu.
f) druh výstupu – odvíja sa od neho spôsob spracovávania signálu.
g) ostatné funkcie - prepínanie rozsahov, detekcia 0g, spánkový reţim, Self Test.
Najväĉšou nevýhodou týchto snímaĉov je, ţe sú citlivé na otrasy a chvenie, ĉo má
za následok zašumený signál a teda nepresné meranie. Preto je pouţitie samotných
akcelerometrov v robotických systémoch vhodné najmä pre meranie statických
zrýchlení, napr. na výpoĉet odklonu od vektoru gravitaĉného zrýchlenia. 3-osé
akcelerometre vyuţívajú na výpoĉet uhlov nasledovné rovnice:
AX
arctan
AY
2
AZ
2
;
AY
arctan
kde ρ je uhol osi X vzhľadom k zemi,
AX
2
AZ
2
;
arctan
AX
2
AZ
AY
2
,
(4.1)
uhol osi Y vzhľadom k zemi a θ uhol osi Z
vzhľadom ku gravitaĉnému vektoru. Názorne je to vysvetlené na obr. 4.1:
Obr. 4.1: Zobrazenie osí akcelerometra.
27
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Pre všetky druhy akcelerometrov platí, ţe odmocnina zo súĉtu druhých mocnín
zrýchlení všetkých meraných osí musí byť vţdy rovná ĉíslu 1. Pre 3 osi je to teda:
A 2X
A 2Y
A 2Z
1g ,
(4.2)
Pri pohybe kráĉajúcich mobilných robotov je však meranie gravitaĉného zrýchlenia
rušené dynamickými zrýchleniami, preto sa pouţívajú v kombinácii s inými senzormi,
predovšetkým s gyroskopmi. (Tuck, 2007)( Sensr, 2009)
4.1.2 Gyroskopy
Gyroskopy, známe aj ako snímaĉe uhlovej rýchlosti, sa v praxi pouţívajú
predovšetkým na urĉenie náklonu telies, ĉo sa vyuţíva na stabilizáciu áut, lietadiel,
rakiet a robotov. Podľa typu konštrukcie sa gyroskopy delia na dve hlavné skupiny:
Mechanické gyroskopy pracujú na princípe rýchlo rotujúceho rotora a konštrukĉne
vychádzajú z klasického modelu gyroskopu, ktorý v roku 1810 postavil G. C.
Bohnenberger.
Vzhľadom na miniaturizáciu súĉiastok sa však dostávajú do popredia MEMS
technológie. Prvé vyhotovenia boli typu vibraĉných krúţkov a hudobnej ladiĉky,
dnešné gyroskopy sa vyrábajú predovšetkým na piezoelektrickom princípe. Medzi
najperspektívnejšie technológie patrí momentálne typ mechanických rezonanĉných
gyroskopov (HRG), ktoré uţ neobsahujú zotrvaĉník, ale pracujú na princípe pôsobenia
silových elektród na škrupinu, ktorá následne kmitá vo vákuu vytvorenom v snímaĉi.
Vnútornú konštrukciu snímaĉa je moţné vidieť na obr. 4.2.
Obr. 4.2: Mechanický rezonančný gyroskop.
28
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Všetky druhy mechanických gyroskopov vyuţívajú vplyv Coriolisovej sily na os:
F
2m
vr ,
(4.3)
kde m je hmotnosť meraného telesa a v je relatívna rýchlosť meracieho systému.
Optické gyroskopy zaţívajú v posledných rokoch revolúciu a oĉakáva sa, ţe vďaka
svojej zvyšujúcej sa presnosti postupne úplne nahradia pôvodné mechanické verzie.
Ich rozvoj zaĉal okolo roku 1960 po vynájdení laseru, a následne zaĉali byť vo veľkej
miere pouţívané v navigaĉných systémoch lietadiel. Základným princípom sú dva
laserové lúĉe vysielané opaĉnými smermi vo vnútri uzavretej cesty. V súĉasnosti sa
tieto gyroskopy vyrábajú v 5 rôznych vyhotoveniach:
a) Aktívny optický rezonanĉný gyroskop
b) Pasívny optický rezonanĉný gyroskop
c) Interferenĉný laserový gyroskop s otvorenou sluĉkou (analógový)
d) Interferenĉný laserový gyroskop s uzavretou sluĉkou (digitálny)
e) Rezonanĉný gyroskop na báze optických vlákien
Výhodou optických gyroskopov je, ţe neobsahujú mechanické ĉasti (tzn. ţiadne
opotrebenie), nevplýva na ne gravitácia a predovšetkým majú aj pri dlhých meraniach
zanedbateľný drift (odchýlku). Na rozdiel od mechanických gyroskopov vyuţívajú na
urĉenie uhlovej rýchlosti Sagnacov efekt.
Gyroskopy ako také sú vhodné pre navigaĉné systémy, pretoţe nie sú senzitívne na
magnetické polia, ktoré ovplyvňujú ĉinnosť kompasov. Na rozdiel od akcelerometrov
dobre pracujú aj poĉas pohybu robotov, a to aj na nerovnom povrchu. Keďţe pre
stabilizaĉné systémy robotov sa doteraz pouţívajú mechanické gyroskopy, priĉom pre
zistenie náklonu je nutné ich signály integrovať, veľkým problémom je ĉasový drift
týchto snímaĉov. Preto sa pre riadenie stability robotov volí filtrácia za pomoci
informácií z akcelerometra. (Michigan, 1996)(Kopáĉik, 2003)
29
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
4.1.3 Inklinometre
Tieto senzory merajú absolútny uhol natoĉenia, a aj keď by sa mohlo zdať, ţe sú
priamo urĉené pre meranie stability mobilných robotov, nie sú dosť presné. Uhol
merajú na základe odklonenia od osi gravitaĉného zrýchlenia. Pracujú na rôznych
princípoch (napr. elektrolytickom, induktívnom), medzi najnovšie patrí technológia
tenkého filmu (TFT), ktorá vyuţíva meranie teploty vo vnútornej štruktúre senzora.
Medzi výhody týchto senzorov patrí nízka cena, malé rozmery a jednoduché
spracovávanie údajov. Nevýhodou je rovnako ako pri akcelerometroch citlivosť na
vibrácie. (Jurišica, 2007)(Crescini, 2003)
4.2 EXTERNÉ SENZORY
Senzory spadajúce pod túto skupinu sú urĉené pre zabezpeĉenie informácií
z prostredia, v ktorom sa robot pohybuje. Umoţňujú robotom obchádzať prekáţky,
získavať informácie o ich polohe a zmapovať okolie
Typy externých senzorov - Taktilný (dotykový) snímaĉ
- Infraĉervený snímaĉ
- Ultrazvukový snímaĉ / sonar
- Laserový snímaĉ / scanner
- Kompas
- GPS
- Kamera
Pre potrebu stabilizácie mobilných robotov sa ĉasto ako doplnkové vyuţívajú
senzory sily a dotykové senzory, niektoré roboty (predovšetkým dvojkolesové) však
vyuţívajú na meranie náklonu robota infraĉervený alebo ultrazvukový senzor, ktorý
otoĉený smerom nadol sníma vzdialenosť od zeme, a v prípade odchýlky od
rovnováţneho stavu koriguje pozíciu natoĉením kolies. (Bräunl, 1998)(Novák, 2005)
30
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
5 POHONY KRÁČAJÚCICH ROBOTOV
Pohonný subsystém patrí k najzákladnejším súĉastiam robota. Pri stacionárnych
robotoch motory spájajú jednotlivé kinematické dvojice a zabezpeĉujú ich pohyb.
Motory
kolesových
mobilných
robotov
zabezpeĉujú
predovšetkým
pohon
jednotlivých kolies a tým pádom pohyb robota v priestore. Pri kráĉajúcich mobilných
robotoch plnia obe vyššie spomínané funkcie súĉasne, preto je ich voľbe
a následnému riadeniu potrebné venovať patriĉnú pozornosť.
Spoloĉnou vlastnosťou pohonov kráĉajúcich mobilných robotov je veľký záťaţový
moment, priĉom sa väĉšinou vyţadujú aj malé rozmery, keďţe pohony bývajú
umiestnené priamo v jednotlivých kĺboch alebo ich tesnej blízkosti. V posledných
rokoch sa do humanoidných robotov v reálnej mierke ako pohony volia pneumatické
a hydraulické systémy, ktoré majú lepšie odráţať vlastnosti ľudských svalov.
Druhy pohonov používaných v mobilných robotoch:
a) Jednosmerné motory
b) Striedavé motory
c) Krokové motory
d) Modelárske servá
e) Pneumatické a hydraulické aktuátory
Keďţe spôsoby riadenia jednosmerných a striedavých motorov sú pomerne známe,
budú v nasledujúcom texte opisované len struĉne.
5.1 JEDNOSMERNÉ MOTORY
Pouţívajú sa hlavne pri kolesových mobilných robotoch, a sú obľúbené pre
jednoduchosť ich ovládania. Najĉastejšou voľbou býva jednosmerný motor
s permanentnými magnetmi, kde súĉasťou puzdra motora je prevodovka, ktorá slúţi
na zväĉšenie momentu motora. Keďţe zmena otáĉania sa pri nich dosahuje zmenou
polarity napájacieho napätia, ĉasto sa pre ich riadenie pouţíva H-most. V prípade, ţe
je poţadované sledovanie rýchlosti, sú tieto motory dodávané spolu s optickými alebo
31
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
magnetickými enkodérmi. Takéto vyhotovenie je síce výhodné ĉo do rozmerov, ale
spôsobuje komplikácie v prípade potreby zmeny prevodovky, alebo snímaĉa
natoĉenia. Ich výhodou je okrem riadenia aj pomerne tichý chod.
5.2 STRIEDAVÉ MOTORY
Sú vyuţívané predovšetkým tam, kde je potrebné zabezpeĉiť rovnomerný chod
motora na obe strany. Ich nevýhodou oproti jednosmerným motorom je zloţitejšie
riadenie. Najviac sa pouţívajú 1 a 3-fázové asynchrónne motory s kotvou nakrátko.
5.3 KROKOVÉ MOTORY
Motory umoţňujú presné otáĉanie rotora okolo osi, priĉom uhol kroku závisí na
poĉte fáz a poĉte pólov rotora. Keďţe vyrobiť rotor s viac ako 100 zubami je nákladné
a riadenie viac ako 4 fáz nároĉné, vyuţívajú sa rôzne techniky, ktoré zabezpeĉia
rozdelenie kaţdého kroku na menšie pravidelné ĉasti. Jedná sa napríklad o osemtaktné
riadenie, ktoré zdvojnásobí poĉet krokov na otáĉku, a predovšetkým o mikrokrovanie,
ktoré pomocou rozdielnej veľkosti prúdu v kaţdej z fáz pri kaţdom mikrokroku
dokáţe zabezpeĉiť rozdelenie otáĉky na 64-128 rovnomerných krokov.
Používané typy rotačných krokových motorov:
a) Krokový motor s pasívnym rotorom (tzv. reakĉný alebo reluktanĉný motor)
b) Hybridný krokový motor (najĉastejšie v 2-fázovom prevedení)
Dobrou vlastnosťou krokových motorov je moţnosť zabrzdenia osi, resp. aretácie
rotora, ku ktorej dôjde pokiaľ vinutiami statora nepreteká ţiadny prúd. Ich nevýhodou
oproti dvom vyššie spomenutým motorom je niţšia rýchlosť, absencia enkodérov
a nevýhodný pomer moment / rozmery. Vyuţívajú sa hlavne pri konštrukcií malých a
ľahkých robotov, ktoré nevyţadujú montáţ prevodovky.
Obr. 5.1: Krokový motor, jeho stator a rotor
32
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
5.4 MODELÁRSKE SERVÁ
Pojmy servo a servomotor sa zvyknú ĉasto zamieňať, aj keď sa nejedná o pojmy
identické. Servomotor je vysokokvalitný jednosmerný motor, ktorý pracuje
v uzavretej regulaĉnej sluĉke, zatiaľ ĉo pod pojmom servo sa rozumie celok
obsahujúci predovšetkým jednosmerný motor s regulátorom polohy (potenciometrom)
a prevodovkou, ktorý je moţné pomocou zabudovanej elektroniky ovládať širkovoimpulzovou moduláciou (PWM). Na rozdiel od klasického riadenia pomocou PWM,
keď sa signál transformuje na rýchlosť motora, v tomto prípade sa signál vyuţíva ako
riadiaci vstup na urĉenie poţadovaného natoĉenia hriadeľa.
Základnými vlastnosťami serv sú rýchlosť, presnosť a rozsah otáĉania. Ten je
urĉený mechanickými zaráţkami a väĉšinou býva ±90º. Tieto zaráţky sa však dajú
v prípade potreby odlomiť, ĉím je moţné dosiahnuť kontinuálne otáĉanie, ale potom
treba poĉítať s rýchlym opotrebovaním prevodov, nakoľko pre takýto reţim nie sú
stavané.
5.4.1 Princíp riadenia
Servá majú 3 vodiĉe – 2 napäťové (ĉervený je plus, ĉierny mínus) a 1 vedúci
riadiaci signál (krajný ţltý vodiĉ). Na ten sa privádza impulz s frekvenciou 50 Hz,
ktorý ovláda monostabilný klopný obvod. Ten vygeneruje impulz so šírkou, ktorá
zodpovedá aktuálnej polohe serva, ale s opaĉnou polaritou, ako má riadiaci impulz na
vstupe. Ich porovnaním vznikne rozdielový impulz, ktorý po zosilnení cez mostíkový
spínaĉ spôsobí natoĉenie hriadeľa motoru v potrebnom smere. Hriadeľ cez
prevodovku otáĉa výstupným hriadeľom serva a zároveň aj potenciometrom, ktorý má
úlohu spätnej väzby polohy do klopného obvodu. V momente, keď je rozdielový
impulz rovný nule, motor sa zastaví.
Šírka impulzu 1,5 ms zodpovedá stredovej polohe serva, teda natoĉeniu 0º. Väĉšina
serv reaguje na impulzy so šírkou 1-2 ms, priĉom krajné hodnoty tohto rozsahu
znamenajú tieţ krajné polohy natoĉenia hriadeľa. V prípade, ţe na riadiaci vodiĉ
neprichádza ţiadny impulz, hriadeľ serva ostane v poslednej polohe, v prípade
zaťaţenia hriadeľa ju však neudrţí. (Bräunl, 1998)(Novák, 2005)(Šolc, 2005)
33
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
5.4.2 Servá firmy HITEC
Firma HITEC patrí medzi popredných výrobcov tzv. modelárskych serv, ktoré sa
najĉastejšie pouţívajú v robotických systémoch. Servá tejto firmy sú rozdelené do
niekoľkých kategórií podľa momentu, druhu a poĉtu loţísk, materiálu pouţitých
prevodových koliesok, a samozrejme z týchto parametrov vyplývajúcej ceny, ktorá sa
pohybuje v rozmedzí 10 aţ 100 eur. Všetky typy majú prednastavený zmysel otáĉania
v smere pohybu hodinových ruĉiĉiek.
Obr. 5.2: Prierez servom firmy HITEC.
Najkvalitnejšie servá sa kvôli veľkému krútiacemu momentu vyrábajú s kovovou
prevodovkou, 2-radovým guľôĉkovým loţiskom, a rozsahom riadiacich impulzov
550-2450 μs. Vyţadujú však aj vyššie napájacie napätie v rozsahu 6÷7,4 V, priĉom
keďţe ide o jednosmerné motory, vyššie napätie zabezpeĉuje vyššiu rýchlosť a väĉší
krútiaci moment.
Špeciálnou kategóriou sú digitálne servá, ktoré ponúkajú navyše moţnosť spätnej
komunikácie pomocou protokolu HMI. Rozdielom oproti analógovým typom je cca
10x vyššia frekvencia vnútorného zosilňovaĉa, ĉo umoţňuje vyuţiť plný moment
hneď od zaĉiatku pohybu hriadeľa a zniţuje to tzv. pásmo necitlivosti serva. Z toho
istého dôvodu je však potrebné zabezpeĉiť, aby napájací zdroj, resp. batéria zvládala
prúdové špiĉky s veľkosťou cca. 1,7A vznikajúce poĉas rozbehu motora. Ďalšou ich
nespornou výhodou je moţnosť naprogramovať ich zmysel otáĉania, stredovú
a koncové polohy, rýchlosť, pásmo necitlivosti a veľkosť výchylky. Nové typy z rady
HS-7xxx taktieţ ponúkajú moţnosť zvoliť rozlišovaciu schopnosť serva.
34
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Protokol HMI – umoţňuje riadiť servo v 3 rozdielnych módoch, ktoré predurĉuje
šírka pouţívaných pulzov:
1) Štandartný pulzný servo mód (550-2450 μs)
2) Rozšírený pulzný mód – pridáva polohovú spätnú väzbu (50-200 μs)
3) Obojsmerné sériové rozhranie pri 19200 bps (416 μs)
V klasickom móde servo pracuje rovnako ako analógové servá, tzn. ţe jediný údaj,
ktorý je moţné získať, je predpokladaný uhol natoĉenia hriadeľa podľa vzorca:
Šírka _ impulzu 1500 / 10 ,
(5.1)
Rozšírený mód zabezpeĉuje predovšetkým informáciu o natoĉení hriadeľa, je však
moţné meniť ním aj 3 parametre serva, ktoré nie sú bliţšie špecifikované. Informácia
o natoĉení hriadeľa sa teda v tomto móde dosiahne zaslaním impulzu so šírkou 50 μs
a následne 2-20 μs ĉakaním, ĉím sa identifikuje spôsob riadenia serva a inicializuje sa
polohová spätná sluĉka. Následne servo zašle informáciu o polohe vo forme impulzu
prislúchajúcej
šírky.
Nevýhodou
tohoto
spôsobu
riadenia
je,
ţe
súĉasne
s inicializáciou spätnej sluĉky sa vypne ovládanie motora, tzn. zastaví sa pohyb
hriadeľa a tým pádom klesne aj moment na hriadeli. To znamená, ţe humanoidné
roboty väĉšej hmotnosti by poĉas ĉítania polohy zo serv na nohách mierne kmitali.
Sériový mód umoţňuje riadiť servá pomocou PC, priĉom sa vyţaduje
neinvertujúce rozhranie RS232 / TTL. Z jedného PC sa dá riadiť 127 serv. Dáta sú
vysielané rýchlosťou 19 200 bitov za sekundu, na znak je 8 bitov, 2 na stop bity,
vysiela sa bez parity.
Obr. 5.3: Sériový paket HMI protokolu
Kompletný paket, ktorého ĉasť je na obr. 5.3, je dlhý 7 znakov, tzn. 7*(8+3) = 77
bitov => 4,03 ms. (Ibbotson,2007) (Hitec. 2007)(Hitec, 2008)
35
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
6 PRAKTICKÁ ČASŤ
Cieľom tejto práce bolo prakticky odskúšať riadenie stability humanoidného
robota. Pre tento úĉel bol vybraný robot Robonova-I, ktorý bol vďaka svojej
konštrukcii a dostatoĉnému poĉtu kĺbov vhodný na získanie uceleného pohľadu na
problematiku riadenia tejto skupiny robotov. V ĉase voľby témy diplomovej práce sa
predpokladalo, ţe stabilizaĉný algoritmus bude predstavovať doplnok k súĉasnému
riadeniu robota. To, ako uţ bolo spomenuté v sekcii 2.2.4, je riešené len cez
infraĉervený prijímaĉ pomocou diaľkového ovládaĉa, ktorým sa volia vopred
naprogramované pohybové príkazy. Robot je teda neautonómny, tzn. kaţdá jeho
ĉinnosť vyţaduje riadenie ĉlovekom.
Programovanie robota sa uskutoĉňuje v jazyku RoboBasic, ktorý je dodávaný spolu
s robotom a slúţi na jednoduché a prehľadné zadávanie príkazov. Tento jazyk má
však obmedzené mnoţstvo inštrukcií a neumoţňuje napríklad prácu s poliami, ĉo je
pre riadenie stability takmer nevyhnutné.
Pre vytvorenie algoritmu riadenia stability bol teda zvolený jazyk C. Na jeho
vyuţitie však bolo potrebné získať plný prístup do mikropoĉítaĉa robota ktorým je
ATmega128, kde by bol pôvodný riadiaci softvér vymazaný, a procesor by sa dal
následne programovať cez klasické prostredie AVR Studia. Ako však bolo zistené,
jeho komunikaĉné porty boli zablokované, preto bolo nevyhnutné pouţiť iný
mikropoĉítaĉ, ktorý by zabezpeĉoval výpoĉty potrebné pre riadenie stability a taktieţ
ovládanie jednotlivých serv.
Na nasledujúcich stranách je opísaný celý proces vypracovávania danej úlohy
rozdelený do jednotlivých podkapitol.
6.1 POUŽITÉ SENZORY
Pre získavanie údajov o pozícii robota bolo potrebné vybrať vhodné senzory, ktoré
budú zabezpeĉovať potrebné informácie poĉas všetkých situácií, do ktorých sa robot
môţe poĉas svojho pohybu dostať. Znamená to predovšetkým schopnosť merať
správne údaje pri beţnom pohybe robota, nakoľko uţ samotná chôdza je zdrojom
rôznych otrasov.
36
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Ako uţ bolo spomenuté v kapitole venovanej senzorom, pre zabezpeĉenie stability
sú najviac vyuţívané akcelerometre a gyroskopy. Akcelerometer zabezpeĉuje
informácie predovšetkým v statickej fáze robota, zatiaľ ĉo gyroskop je urĉený pre
meranie poĉas lokomócie. Toto rozdelenie ĉinnosti vyplýva predovšetkým
z nemoţnosti akcelerometra správne merať statické zrýchlenie poĉas pohybu, keďţe
by sa do jednotlivých meracích osí premietali okrem otrasov aj zrýchlenia spojené
s pohybom samotným, a taktieţ z nemoţnosti súvislého merania gyroskopom kvôli
narastajúcemu driftu, ktorý spôsobuje rotácia Zeme okolo zemskej osi.
Po preštudovaní parametrov a vlastností jednotlivých typov snímaĉov boli pre
riešenie danej úlohy vybrané 2 konkrétne súĉiastky opisované niţšie.
6.1.1 Akcelerometer MMA7361L
Je to 3-osí kapacitný akcelerometer od firmy Freescale Semiconductor vyrobený
MEMS technológiou patriaci do rady MMA73xxL, ktorej senzory sa vyznaĉujú
vysokou citlivosťou, kríţovou citlivosťou do 5%, prepínateľným rozsahom, krátkou
reakĉnou dobou a integrovaným jednopólovým dolno-priepustným filtrom, ktorý
zabezpeĉuje zníţenie šumu na výstupoch. Senzor môţe merať zrýchlenia do 1,5g / 6g.
Parametre charakterizujúce senzor odĉítané z datasheetu, merané pri defaultnom
nastavení senzora, zaťaţených výstupoch a teplote 25ºC sú uvedené v tab. 6.1.
Tab. 6.1: Základné parametre akcelerometra MMAT7361L
Veličina
Min
Typ
Max
Napájacie napätie (VDD)
2,2 V
3,3 V
3,6 V
Prúdový odber (IDD)
-
400 μA
-
Prúdový odber cez Sleep mód (IDD)
-
3 μA
10 μA
Napätie na výstupe pri 0g (VOFF)
1,485 V
1,65 V
1,815 V
Citlivosť pre zvolený rozsah 1,5g (S1,5g)
740 mV/g
800 mV/g
860 mV/g
Citlivosť pre zvolený rozsah 6g (S6g)
190,6 mV/g
206 mV/g
221,6 mV/g
Reakĉná doba (tENABLE)
-
0,5 ms
2 ms
Výstupná impedancia
-
32 kΩ
-
37
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 6.1: Meracie osi akcelerometra
Na obr. 6.1 je moţné vidieť rozmiestnenie meracích osí na senzore a ich zmysel
merania, priĉom šípky znázorňujú smer pohybu akelerometra. Ten je na robote
vhodné umiestniť tak, ţe os Z bude zvislo a teda bude zachytávať podstatnú ĉasť
gravitaĉného zrýchlenia aj poĉas naklonenia robota. (Freescale, 2008)
6.1.2 Gyroskop LPR503AL
2-osí gyroskop LPR503AL od firmy STMicroelectronics je taktieţ vyrobený
MEMS technológiou, má 2 osobitné výstupy pre kaţdú os (1x a 4x zosilnený),
integrované dolno-priepustné filtre a merací rozsah ±30º/s. Tento gyroskop je
kombináciou 1 akcelerometra a 1 aktuátora integrovaných v jednej mikroštruktúre.
Základné parametre senzora odĉítané z datasheetu uvádza nasledujúca tabuľka.
Tab. 6.2: Základné parametre gyroskopu LPR503AL
Veličina
Min
Typ
Max
Napájacie napätie (Vdd)
2,7 V
3V
3,6 V
Prúdový odber (Idd)
-
6,8 mA
-
Prúdový odber cez PowerDown mód (IddPdn)
-
1 μA
5 μA
Napätie na výstupe pri 0g (VOff)
-
1,23 V
-
Citlivosť pre OUT (So)
-
8.3 mV/º/s
-
Citlivosť pre 4x OUT (SoA)
-
33.3 mV/º/s
-
Šírka pásma (BW)
-
140 Hz
-
38
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 6.2: Meracie osi gyroskopu
Obr. 6.2 znázorňuje rozloţenie osí na gyroskope a smer otáĉania okolo nich pre
nameranie kladného uhlového zrýchlenia. Keďţe je potrebné merať odklonenie robota
od zvislej osi v oboch osiach súradnicového systému robota, je vhodné orientovať
senzor rovnako, ako je uvedené na obrázku, priĉom os Y bude smerovať dopredu.
(STMicroelectronics, 2009)
6.1.3 Návrh el. schém a DPS
Návrhy schém elektronického zapojenia aj dosiek plošných spojov (DPS) boli
vypracované pomocou programu Eagle. Pri ich tvorbe sa vychádzalo predovšetkým
z odporúĉaní uvedených v datasheetoch senzorov, priĉom jednotlivé súĉiastky sa
volili v SMD prevedení, aby sa dosiahli ĉo najmenšie moţné rozmery výslednej DPS.
Okrem samotných senzorov boli pouţité na jednotlivých výstupoch kondenzátory
a rezistory kvôli filtrácii signálu a taktieţ vyhladzovacie kondenzátory na VDD pinoch.
Signálové cesty všetkých funkĉných vstupov a výstupov boli následne privedené na
spoloĉný konektor, ktorý sa pripája priamo k riadiacej doske.
Návrhy sú uvedené v Prílohe A.
(Freescale, 2008)STMicroelectronics, 2009)
6.1.4 Merania
Vyrobená a osadená súĉiastkami bola ako prvá DPS akcelerometra, ktorej finálne
rozmery boli 21x29x2 mm. Napájanie zabezpeĉovala 3V lithiová batéria typu
CR2032. Z meracích rozsahov 1,5g a 6g bol pre túto prácu zvolený prvý z uvedených,
nakoľko postaĉuje pre meranie gravitaĉného zrýchlenia a taktieţ pre meranie
v prípade pôsobenia externých síl. Napájací signál bol taktieţ privedený na vstup
akcelerometra ĉ.7, ktorý zabezpeĉuje funkciu SleepMode, ĉiţe úsporný reţim. Pokiaľ
39
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
je na tomto vstupe privedená log. 1 odpovedajúca rozsahu 0,7. VDD ÷ VDD, potom
akelerometer pracuje v normálnom reţime. Táto funkcia je vhodná pre batériové
napájanie, avšak keďţe je nutné overovať naklonenie robota neustále, funkcia sa
nebude vyuţívať.
Samotná DPS bola spoĉiatku pripevnená k prípravku, ktorý zabezpeĉoval jeho
naklápanie v jednej osi, nakoľko bolo potrebné overiť funkĉnosť akcelerometra.
Jednotlivé výstupy sa merali pomocou digitálneho multimetra METEX M-3850D
postupne, v kaţdom zvolenom uhle najprv os X, potom Y a nakoniec Z.
Ako uţ bolo spomenuté v parametroch akcelerometra, v ideálnych podmienkach je
pri nulovom zrýchlení hodnota napätia na výstupe 1,65 V, resp. 0,5 VDD. Maximálna
a minimálna hodnota napätia na výstupe sa získa vynásobením stanoveného rozsahu
a príslušnej citlivosti, a pripoĉítaním/odpoĉítaním tejto hodnoty k referenĉnej.
Namerané hodnoty sa však výrazne líšili od katalógových, keďţe v jednotlivých
stavoch boli namerané menšie ako poloviĉné napätia. Taktieţ citlivosť snímaĉa bola
zistená len pribliţne 500 mV/g. Tento fakt bol pravdepodobne spôsobený
predovšetkým 10MΩ rezistormi umiestnenými na jednotlivých výstupoch a taktieţ
nízkou vstupnou impedanciou meracieho zariadenia. Pri spracovávaní cez A/D
prevodník sa však meria cez vnútorné odpory, preto boli tieto rezistory na DPS
nakoniec ponechané.
Pri neskoršom meraní cez A/D prevodník referenĉná hodnota pribliţne
zodpovedala 0,5 VDD, citlivosť však ostala stále zníţená, a prejavovala sa aj pri
zvolení druhého meracieho rozsahu. Presnú príĉinu tejto skutoĉnosti sa nepodarilo
zistiť, predpokladá sa však, ţe môţe ísť aj o vadnú súĉiastku. Keďţe okrem zníţenej
citlivosti senzora nebol zistený iný nepriaznivý jav, ktorý by ovplyvňoval jeho
vlastnosti, senzor bolo moţné pouţiť. Z nameraných hodnôt bola vytvorená tabuľka a
následne graf, ktorý sa nachádza v Prílohe B. Z grafu je moţné odĉítať, ţe senzor
meria lineárne v rozsahu naklonení -40º aţ +40º, ĉo však pre danú úlohu úplne
postaĉuje, nakoľko pre väĉšie náklony by nebolo moţné robota ustabilizovať.
40
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
6.1.5 Spôsob spracovávania signálu
Signály zo senzorov sú spracovávané cez A/D prevodník mikropoĉítaĉa, ktorého
základné informácie sú uvedené v podkapitole 6.3.1. Pri diskretizácii analógových
hodnôt je dôleţitý výber vhodného rozlíšenia prevodníka, ktoré závisí od poĉtu bitov
pouţívaných prevodníkom. Rozlíšenie sa dá v tomto prípade vypoĉítať ako poĉet mg
pripadajúcich na 1 bit prevodníka
d
VDD
,
(2 1).S
n
(6.1)
kde VDD predstavuje napájacie napätie, n je poĉet bitov a S je citlivosť senzora. Je
vhodné zváţiť potrebné rozlíšenie, ktoré daná úloha vyţaduje a podľa toho zvoliť
poĉet bitov aj rozlíšenie senzora, nakoľko niţšie rozlíšenie je rýchlejšie
a jednoduchšie na obsluhu. Pre riadenie stability je však potrebná ĉo najväĉšia
presnosť merania, preto bol zvolený 10 bitový A/D prevodník a citlivosť senzora ako
uţ bolo spomínané 800 mV/g. Po dosadení do rovnice (6.1) vyjde rozlíšenie 3,666mg,
ĉo pre danú úlohu plne postaĉuje.
V mikropoĉítaĉi sa hodnoty z A/D prevodníka prepoĉítajú spätne na napätie,
z ktorého sa následne vypoĉítajú hodnoty zrýchlení v jednotlivých osiach, a s ktorými
sa potom ďalej pracuje. (Tuck, 2007)
6.2 POUŽITÉ TYPY POHONOV
Ako pohony malých robotov sa osvedĉili predovšetkým modelárske servá, ktoré sa
jednoducho riadia a majú pre dané pouţitie ideálne vlastnosti. V robotovi Robonova-I
je v základnej konštrukcií pouţitých 16 takýchto serv od firmy HITEC. Jedná sa
o servá typu HSR-8498HB, ktoré sú pouţité v 3 rôznych prevedeniach, ktoré
zobrazuje obr. 6.3. Zľava sú oznaĉené ako HSR-8498HB3, HSR-8498HB2, HSR8498HB1. Tieto servá majú 3 rôzne dĺţky vodiĉov, rôzne orientácie vodiĉov a ich
klasické farebné znaĉenie je zmenené - napájacie vodiĉe sú ĉierne, riadiaci je šedý,
priĉom skraja sú v poradí mínus, plus, PWM.
41
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 6.3: Typy púzdier serv HSR-8498HB
6.2.1 HSR-8498HB
Tieto digitálne servá patria k najkvalitnejším na trhu. Pre presnejšie riadenie majú
rozšírený rozsah riadiacich impulzov na 550μs÷2450μs a uhol max. natoĉenia 190º.
Technické údaje serva uvádza tab. 6.3. (RoboNova-I, 2005l) (Lee, 2005)
Tab. 6.3: Technické parametre serva HSR-8498HB
Parameter
Hodnota
Typ motoru
3 pólový
Typ loţiska
2 radové guľôĉkové
Rozhranie
HMI Protocol, PWM
Pracovné napätie
6,0÷7,4 V
Prúdový odber
1,2 A pri 6V
Max. rýchlosť
0,20 s / 60º pri 6V
Záťaţový moment
0,726 N.m pri 6V
Pracovný uhol
max. 180º
Pásmo necitlivosti
5 μs
Váha
54,7 g
Rozmery
40 x 20 x 37 mm
42
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
6.2.2 Riadenie
Ako bolo spomenuté v podkapitole 5.4.1, servá sa riadia pomocou PWM signálu,
ktorý sa privádza na (v tomto prípade) šedý vodiĉ. Pre vytvorenie takéhoto signálu je
moţné pouţiť buď nejaký osobitný integrovaný obvod, alebo vyuţiť moţnosti, ktoré
priamo
ponúkajú
mikroprocesory.
V takom
prípade
je
najjednoduchším
a najvýhodnejším spôsobom pripojiť jednotlivé servá ku pinom, ktorých výstupy sú
riadené ĉítaĉmi/ĉasovaĉmi s fukciou PWM. Keďţe pre riadenie väĉšieho poĉtu serv
by bol potrebný mikropoĉítaĉ s veľkým poĉtom takýchto pinov, vytvorili sa rôzne
techniky na ovládanie väĉšieho poĉtu serv, ktoré umoţňujú ich pripojiť k ľubovoľným
pinom mikroprocesora. Najznámejšia a najprepracovanejšia technika je spracovaná
ako opensource kniţnica MegaServo od Arduino, ktorá umoţňuje riadiť aţ 48 serv.
Tieto netradiĉné metódy sú však uţ nároĉnejšie na výpoĉtový výkon procesora, preto
sa pouţívajú predovšetkým na procesoroch, ktorých hlavnou a ĉasto jedinou funkciou
je riadiť pohony robota.
Keďţe sa pre túto úlohu predpokladalo vyuţitie len jedného mikropoĉítaĉa, ktorého
úlohou by bolo spracovávanie signálov zo senzorov, robenie potrebných
matematických výpoĉtov nevyhnutných pre riadenie stability a taktieţ riadenie
jednotlivých serv, zvolil sa klasický spôsob riadenia serv.
6.3 VYUŽÍVANÉ PROSTRIEDKY
Pri voľbe mikropoĉítaĉa pre riadenie robota sa vyţadovala dostatoĉná rýchlosť
a veľkosť pamäte, A/D prevodník s min. 10-bitovým rozlíšením a predovšetkým
dostatoĉné mnoţstvo PWM kanálov. Vzhľadom na potrebu programovania v jazyku
C, resp C++ a dostupnosť mikropoĉítaĉov sa zvaţovali produkty firmy Atmel
a Freescale. Keďţe pôvodná riadiaca doska robota Robonova-I pouţíva mikropoĉítaĉ
ATmega128, pri vyhľadávaní vhodného procesora sa zamerala pozornosť na produkty
firmy Atmel. Vyššie uvedeným poţiadavkám vyhovovali ATmega640, ATmega1280
a ATmega2560, a taktieţ všetky mikrokontroléry z rady XMEGA, ktorých cena je
však momentálne vysoká a ich funkcie by neboli naplno vyuţívané. Pre riadenie
robota bol nakoniec vybraný mikroprocesor ATmega640.
43
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Na odskúšanie funkĉnosti systému riadenia bol zvolený procesor ATmega16, ktorý
mal odhliadnuc od poĉtu PWM kanálov rovnaké funkcie ako vybraný ATmega640,
bol však okamţite k dispozícii.
6.3.1 Programovanie mikropoĉítaĉa ATmega16
ATmega16 je 8-bitový mikropoĉítaĉ s rozšírenou RISC architektúrou, vďaka ĉomu
spracováva výkonné inštrukcie v jednom hodinovom cykle, ĉím pri výkone 1 MIPS na
1 MHz dosahuje pri zvolenej frekvencii 16 MHz aţ 16 MIPS. Jeho inštrukĉný súbor
obsahuje 132 inštrukcií, z ktorých väĉšina sa vykoná v 1 hodinovom cykle. Ĉip
obsahuje aj 2-cyklovú funkciu násobenia. Ďalšími charakteristickými vlastnosťami
ATmega16 sú:
-
16 kB programová pamät typu flash
-
1 kB dátová pamäť typu SRAM
-
512 B pamäť EEPROM
-
zabudovaný oscilátor
-
JTAG rozhranie
-
8-kanálový 10-bitový A/D prevodník
-
4 PWM kanály
-
2x 8-bitový ĉítaĉ/ĉasovaĉ a 1x 16-bitový ĉítaĉ/ĉasovaĉ
Obr. 6.4: Rozloženie vývodov ATmega16 na puzdre DIP40
44
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 6.4 zobrazuje rozloţenie pinov na puzdre DIP40. Pre pripojenie senzorov sa
vyuţíva A/D prevodník, ktorý sa nachádza na porte A, riadenie serv sa zabezpeĉuje
cez piny PD4, PD5 na porte D a displej, ktorým sa poĉas tvorby programu kontroloval
stav jednotlivých premenných bol pripojený na port B.
Pre jednoduchšie pripájanie senzorov a serv k portom procesora bola pouţitá
vývojová doska STK500, zobrazená na obr. 6.5, ktorá umoţňovala jednoduché
programovanie cez rozhranie JTAG. Vo fáze návrhu riadenia teda nebolo potrebné
navrhovať novú riadiacu dosku, ani zdrţovať sa manipuláciou s prepojovacím poľom.
Obr. 6.5: Vývojová doska STK500
Programovanie procesora prebiehalo vo vývojovom prostredí AVR Studio 4, ktoré
okrem samotného programovania, kompilácie hotového programu za vyuţitia pluginu
GCC a napálenia vygenerovaného HEX kódu do procesora, umoţňuje predovšetkým
krokovanie spusteného programu, ĉím sa dajú zistiť stavy všetkých vstupov,
výstupov, registrov a ostatných nastavení v jednotlivých krokoch.
6.3.2 Práca s analógovo/digitálnym prevodníkom
Analógovo/digitálny prevodník slúţi na prevod analógového napätia na n-bitovú
hodnotu, s ktorou môţe procesor následne pracovať. Analógový signál a spracuje
algoritmom postupnej aproximácie a 10-bitový výsledok sa uloţí do dátových
registrov ADCH a ADCL. K prevodníku je moţné pripojiť 8 jednoduchých vstupov,
ĉo zabezpeĉuje 8-kanálový multiplexer, a je moţné vytvoriť aţ 16 kombinácií
diferenciálnych napäťových vstupov s rôznymi zosilneniami.
45
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Prevodník charakterizuje integrálna nelinearita 0,5 LSB, absolútna chyba ± 2 LSB,
doba prevodu 65 aţ 260 μs a rýchlosť prevodu 15 kSPS.
V navrhnutom riešení sa vyuţíva jednoduchý prevod, ktorý je spúšťaný pre kaţdú
os senzora osobitne. Keďţe informácie zo senzorov sú pri riadení stability kľúĉové,
volanie prevodu je umiestnené v nekoneĉnej sluĉke spolu s ostatnými výpoĉtami. Pri
nastavovaní prevodníka sa pracovalo s registrom ADMUX, ktorý umoţňuje voľbu
napäťovej referencie, voľbu kanálu a zosilnenia, a zarovnanie výsledku, a s registrom
ADCSRA. V ňom sa nastavením jednotlivých bitov zapína povolenie prevodu, spúšťa
prevod, zapína samospúšťanie, ovláda prerušenie a nastavuje výber deliĉa prevodu.
Pre spracovávanie výstupov zvolených senzorov bolo potrebné dosiahnuť najvyššie
moţné rozlíšenie prevodu, ĉo sa dosiahlo zvolením primeraného referenĉného napätia.
Keďţe pri meraní gravitaĉného zrýchlenia akcelerometrom by hodnoty napätí nemali
prekroĉiť 2,45 V, bolo výhodné pouţiť interné referenĉné napätie, teda Uref = 2,56 V.
Výsledok po prevode je moţné vypoĉítať podľa vzorca:
X AD
(
2n
.U IN ) - 1 ,
U ref
(6.2)
kde XAD predstavuje hodnotu v prevodníku prislúchajúcu momentálnemu napätiu UIN.
6.3.3 Nastavenie PWM kanálov
Pre riadenie serv je vyuţívaný 16-bitový ĉítaĉ/ĉasovaĉ, ktorý riadi PWM signál na
portoch PD4 a PD5. Pri nastavovaní konkrétnej šírky impulzu sa v programe pracuje
s výstupnými komparaĉnými registrami OCR1A/B, do ktorých program zapisuje
hodnoty zodpovedajúce potrebnej šírke impulzu, vstupným komparaĉným registrom
ICR1, ktorým sa nastavuje frekvencia opakovania impulzov a riadiacim registrom
ĉítaĉa/ĉasovaĉa TCCR1A/B, ktorým sa nastavujú jeho parametre.
Pre generovanie impulzov sa v programe vyuţíva mód rýchlej PWM, ktorý sa od
klasického PWM reţimu odlišuje jednofázovou realizáciou, ĉo umoţňuje 2-násobný
pracovný kmitoĉet. Ĉítaĉ ráta od nulovej hladiny BOTTOM aţ po dosiahnutie hladiny
TOP, následne sa reštartuje a znova zaĉne rátať od hladiny BOTTOM. Hladinu TOP
pritom môţu predstavovať hodnoty 0x00FF, 0x01FF alebo 0x03FF, hodnota zapísaná
v ICR1 registri, alebo hodnota uloţená v OCR1A/B registri. Ĉítaĉ sa vynuluje
46
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
nasledovným hodinovým cyklom. Obr. 6.6 znázorňuje ĉasový diagram pre rýchly
PWM mód. Na obrázku je vidno, ţe pri neinvertujúcom reţime je vývod OCnX
nastavený do log. 1 vţdy po preteĉení obsahu ĉítaĉa. K vynulovaniu dôjde keď
TCNT1=OCR1X.
Obr. 6.6: Časový diagram rýchleho PWM módu
Keďţe register OCR1 je narozdiel od ICR1 buferovaný dvojito, je moţné doňho
novú hodnotu zapísať kedykoľvek, pretoţe obsah 16-bitového buferu sa do 16bitového registra prenesie aţ po preteĉení obsahu ĉítaĉa. Frekvencia výstupného
PWM signálu sa dá vypoĉítať podľa vzorca
f OCnxPWM
f clk_I/O
N.(1 TOP )
,
(6.3)
kde N je deliaci pomer preddeliĉky, ktorý bol v programe nastavený na 8.
(Atmel, 2007)(Matoušek, 2005)
6.4 VÝBER STABILIZAČNEJ METÓDY
Poĉas študovania dostupných metód pouţívaných pre stabilizáciu humanoidných
robotov spomenutých v podkapitolách 3.5.1, 3.5.2, 3.5.3 sa mi zhodou okolností
podarilo povšimnúť si metódu stabilizácie, ktorá nevyuţíva ţiadnu z vyššie
spomenutých metód a taktieţ pouţíva minimum senzorov. Po následnom štúdiu bolo
zistené, ţe daná metóda, bliţšie rozoberaná v podkapitole 3.5.4, sa stále vyvíja, aj keď
uţ teraz dosahuje výnimoĉne dobré výsledky.
47
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Nakoľko podľa dostupných informácií doteraz nebola ešte nikde na svete
aplikovaná na iného robota ako CB, jedným z cieľov tejto práce bolo naštudovať danú
metódu a pokúsiť sa ju aplikovať aspoň v zjednodušenej forme na robota Robonova-I.
Metóda je totiţ vyvíjaná pre tzv. real-time processing, a parametre riadiaceho poĉítaĉa
na ktorom bola vyvíjaná niekoľkonásobne prekraĉujú skoro všetky parametre
mikropoĉítaĉa ATmega620, resp. ATmega16.
Pre výpoĉty danej metódy sú však potrebné informácie z jednotlivých kĺbov, ktoré
je pri tomto type serv moţné získať jedine cez sériový mód HMI protokolu. Preto bolo
pre realizáciu navrhnuté klasické, robustné riadenie stability robota, ĉo predstavuje
sledovanie vektoru gravitaĉného zrýchlenia a následné prepoĉítavanie uhlov
jednotlivých serv.
6.5 POSTUP RIEŠENIA RIADENIA STABILITY ROBOTA
Praktické riešenie je zamerané na statickú stabilitu, priĉom vychádza z gravitaĉnej
kompenzácie. Vzhľadom na kinematickú štruktúru robota a poĉet PWM kanálov
procesora ATmega16 sa pre odskúšanie funkĉnosti navrhnutého algoritmu zvolilo
riadenie 2 serv, ĉo umoţňuje robotovi prispôsobiť sa náklonom roviny okolo osi X.
Adaptácia na náklony roviny okolo osi Y si totiţ vyţaduje nezávislé riadenie takmer
všetkých kĺbov na nohách robota, ĉo je pri zvolenom procesore a spôsobe riadenia
serv nerealizovateľné.
Princípom riadenie je získavanie údajov zo senzora zrýchlenia, ich vhodné
spracovanie a následné riadenie uhlov zvolených kĺbov. Poĉas testovania navrhnutého
riešenia sa zistilo, ţe zvolená citlivosť akcelerometra 800 mg/V nie je tak výhodná,
ako sa pôvodne predpokladalo. Senzor totiţ reaguje aj na najmenšie odchýlky, ĉoho
výsledkom bolo kmitanie sústavy. Keďţe pouţitie druhého meracieho rozsahu
vzhľadom na spomínané skutoĉnosti neprichádzalo v úvahu, daný problém bol
vyriešený programovo, nastavením pásma necitlivosti s veľkosťou 5º.
Algoritmus riadenia a jeho jednotlivé kroky opisuje obrázok obr. 6.7.
48
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 6.7: Riadiaci algoritmus
6.6 TVORBA RIADIACEHO PROGRAMU
Riadiaci program bol vytvorený v jazyku C++ a jeho podstatnú ĉasť zaberá
spracovávanie údajov z akcelerometra. Program po vykonaní potrebných nastavení
procesora a kalibrácie akcelerometra beţí v nekoneĉnej sluĉke, ktorá zabezpeĉuje
ovládanie stability robota..
49
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Väĉšina pouţitých premenných je typu unsigned integer, integer a char. Vzhľadom
na obmedzenú veľkosť pamäte procesora a nároĉnosť matematických operácii
s desatinnou ĉiarkou bolo vhodné vyhýbať sa pouţitiu float operácií pokiaľ to bolo
moţné, preto bolo pri písaní programu potrebné dbať na postupnosť vykonávania
jednotlivých krokov. Príkladom je prepoĉítavanie hodnôt z A/D prevodníka na
napätie, kde bolo potrebné upraviť jednoduchý vzorec U=(Uref/1024)*ADC tak, aby
v ţiadnom kroku výpoĉtu neobsahoval výsledok desatinné ĉíslo a taktieţ aby nebola
prekroĉená veľkosť pamäte vyhradená pred údajový typ uint16_t.
Program vyuţíva okrem základných kniţníc aj kniţnicu math.h, ktorá bola pouţitá
najmä kvôli goniometrickým výpoĉtom a kniţnice pre ovládanie LCD displeja. Pre
správne poĉítanie s desatinnými ĉíslami a ich korektné vypisovanie na displej bolo
potrebné nastaviť v linkeri pouţívanie kniţníc libprintf_flt.a a libm.a a v jeho
vlastnostiach pridať -Wl,-u,vfprintf.
50
7 ZÁVER
Témou diplomovej práce bolo riadiť stabilitu malého humanoidného robota. Tento
druh robotov patrí medzi kráĉajúce mobilné roboty, ktorých charakteristickým
znakom je poĉet nôh, resp. oporných bodov. Práve ich poĉet a ich poloha vzhľadom
k telu robota urĉuje jeho stabilitu. Pri posudzovaní stability robota sa vychádza z
poĉtu nôh, ktoré sú v kontakte s povrchom poĉas kaţdej fázy pohybu. Viacnohé
kráĉajúce roboty sú staticky stabilné a riadenie ich stability preto nie je potrebné. Pri
robotoch s menším poĉtom nôh ako 6 je však nutné pre udrţanie stability kontrolovať
polohu ťaţiska vzhľadom na ich opornú bázu, ktorá je ohraniĉená vonkajšími hranami
chodidiel. Podľa spôsobu pohybu pri nich potom rozlišujeme statickú a dynamickú
chôdzu, priĉom prirodzenosť pohybu zabezpeĉuje práve dynamická chôdza.
Pre udrţiavanie stability humanoidných robotov sa vyuţívajú rôzne metódy,
z ktorých najpouţívanejšie boli rozobraté v 3. kapitole. Kaţdá z nich definuje urĉitý
bod, ktorý slúţi na vyhodnocovanie statickej a dynamickej stability robota. Keďţe
humanoidné roboty majú pomerne zloţitú kinematickú štruktúru, a pohyb kaţdého
ĉlena kinematického reťazca vplýva na celkovú stabilitu robota, je potrebné navrhnúť
vhodné riadenie. Jeho úlohou je na základe informácií o stave robota a jeho
jednotlivých ĉastí zabezpeĉiť vhodné riadenie pohonov, ktoré ovládajú príslušné kĺby.
Dôleţitými súĉasťami robotov sú preto senzorický a pohonný subsystém, ktorými sa
zaoberala 4 a 5 kapitola.
Základným problémom stability je tzv. gravitaĉná kompenzácia, ktorej hlavnou
úlohou je sledovanie pohybu ťaţiska robota. Pre získanie tejto informácie sa
najĉastejšie pouţívajú akcelerometre a gyroskopy, ktorých negatívne vlastnosti sa
potláĉajú skombinovaním oboch senzorov.
Pre realizáciu praktickej ĉasti boli po dôkladnom štúdiu parametrov vybrané dva
konkrétne senzory, pre ktoré boli následne navrhnuté schémy elektronických zapojení
a navrhnuté a vyrobené DPS. Ako prvý bol vybraný akcelerometer. Po základných
meraniach overujúcich funkĉnosť a potrebu vyuţívania jednotlivých vstupov
a výstupov sa pristúpilo k spracovávaniu jeho signálov pomocou mikropoĉítaĉa.
51
ZÁVER
Pre vypracovanie bol pouţitý vývojový kit STK500 od spoloĉnosti Atmel, ktorý
umoţňoval jednoduché programovanie procesora ATmega16 prostredníctvom
sériového rozhrania a softvéru AVR Studio 4. Po preštudovaní moţností A/D
prevodníka a spôsobu riadenia PWM výstupov bolo moţné pripojiť k doske
akcelerometer aj skúšobné servo a odskúšať základné funkcie. Po odladení základného
programu bolo moţné prejsť k samotnej tvorbe riadiaceho algoritmu riadenia stability
robota.
Navrhnuté riešenie umoţňuje odskúšať funkĉnosť a vlastnosti zvoleného
akcelerometra a overiť si tak význam jeho pouţitia v podobných aplikáciách. Taktieţ
ukazuje jednoduchosť riadenia serv pri ich pripojení k PWM kanálom mikropoĉítaĉa.
Program je urĉený na udrţiavanie stability robota na naklonenej rovine, len pomocou
sledovania vektora gravitaĉného zrýchlenia. Vzhľadom na moţnosti procesora
ATmega16 je program v súĉasnosti odskúšaný len pre nakláňanie roviny okolo osi X,
po menších úpravách je však moţné pouţiť ho s iným procesorom firmy Atmel
a realizovať tak adaptáciu robota na naklonenia povrchu v oboch rovinách.
Pokraĉovaním tejto práce môţe byť vylepšenie kinematických výpoĉtov, vyuţitie
digitálneho riadenia serv a pripraveného gyroskopu, kombinácia údajov z oboch
senzorov pomocou Kalmanovho, komplementárneho, alebo iného typu filtra
a následne riadenie dynamickej stability a prispôsobenie sa externým silám.
Vyuţívaním informácií zo senzoru zrýchlenia a uhlovej rýchlosti a taktieţ
z jednotlivých serv nebude pri plánovaní chôdze robota potrebné predprogramovanie
prenášania ťaţiska, nakoľko bude schopný stabilizáciu zvládať samostatne.
52
Zoznam pouţitej literatúry
ATMEL. 2007. ATmega16 datasheet [online]. 2007. Dostupný na internete:
<http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf>
ATR, 2009. CB-i Humanoid Robot [online]. 2009. Dostupné na internete:
<www.cns.atr.jp/icorp/robot1e.html>
BRÄUNL, Thomas. 1998. Embedded robotics – Mobile robot design and applications
with embedded systems. Australia: Springer. 1998. 2. vydanie
CRESCINI, D. a kolektív. 2003. New thick-film tilt sensor based on the heat transfer
principle. [online]. Dostupné na internete:
<www.societyofrobots.com/actuators_servos.shtml>
ELLIS, Greggory S. 2008. Fall prevention by ankle/foot orthotics (AFOs) [online].
2008. Dostupné na internete: <http://www.fall-prevention-institute.org/supportfiles/preventingfallsbyanklebalancestabilization.pdf>
FREESCALE,
Semiconductor.
2008.
Technical
Data,
Document
Number:
MMA7361L Rev 0 (Datasheet MMA7361L). 2008. Dostupné na internete:
<www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf>
GOSWAMI, Ambarish. 1999. Postural stability of biped robots and the Foot-Rotation
Indicator (FRI) point. In The International Journal of Robotics Research [online].
1999. vol 18. no. 6. Dostupné na internete:
<www.ambarish.com/paper/Goswami_FRI_IJRR.pdf>
HIROSE, Masato – OGAWA, Kenichi, 2007. Honda humanoid robots development.
In
The
Royal
Society
Journal
[online].
2007.
Dostupné
na
internete:
<http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/365/1850/11.full.pdf+html>
HITEC, 2007. Extended pulse mode. [online]. 2007. Dostupné na internete:
<http://www.robonova.de/store/support/index.php?_m=downloads&_a=downloadfile
&downloaditemid=33>
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
HITEC, 2008. Additional Information about HMI Protocol. [online]. Dostupné na
internete:
<www.robonova.de/store/support/index.php?_m=downloads&_a=viewdownload&do
wnloaditemid=94>
HITEC,
Robotics.
2010.
Robonova-I
[online].
Dostupné
na
internete:
<www.robonova.com/manager/product.php>
HONDA, 2010. Asimo – The world’s most advanced humanoid robot. [online]. 2010.
Dostupné na <asimo.honda.com>
HYON, Sang-Ho - CHENG, Gordon. 2007a. Disturbance Rejection for Biped
Humanoids. In IEEE International Conference on robotics and automation [online].
2007. Italy. Dostupné na internete: <portal.acm.org/citation.cfm?id=1653088>
HYON, S., HALE, J.G., CHENG, G. 2007b. Full-Body Compliant Human-Humanoid
Interaction: Balancing in the Presence of Unknown External Forces. In IEEE
Transactions on robotics [online]. 2007. vol. 23. no. 5. Dostupné na internete:
<ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4339533>
HYON, S., OSU, R., OTAKA, Y. 2009b. Integration of multi-level postural balancing
on humanoid robots In IEEE International Conference on Robotics and Automation
[online].
2009.
Kobe,
Japan.
Dostupné
na
internete:
<www.cns.atr.jp/~sangho/hyon_icra2009_balance_final.pdf>
HYON, Sang-Ho. 2009a. Compliant terrain adaptation for biped humanoids without
measuring ground surface and contact forces. In IEEE Transactions on robotics
[online].
2009.
vol.
25,
no.
1.
Dostupné
na
internete:
<ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=4671091>
IBBOTSON, Richard. 2007. Hitec HSR-8498HB Digital Servo Operation and
Interface [online]. 2007. Dostupné na internete: <robosavvy.com/Builders/iBot/HSR8498HB%20Servo.pdf>
JURIŠICA, L. a kolektív.. 2007. Roboty do vonkajšieho prostredia. In Robotika
[online]. 2007. Dostupné na internete:
<www.atpjournal.sk/casopisy/atp_07/pdf/online66.pdf>
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
KÁRNÍK, L., KNOFLÍĈEK, R., NOVÁK-MARICINĈIN, J. 2000. Mobilní roboty.
Opava : MÁRFY SLEZSKO, 2000. 210 s. ISBN 80-902746-2-5.
KIEBOOM, Jesse van den. 2009. Biped locomotion and stability. 2009. University of
Groningen.
KOPÁĈIK Alojz. 2003. Inerciálne meracie systémy. 2003. Dostupné na internete:
<www.omikk.bme.hu:8080/unesco/bitstream/987654321/68/4/SzlovakMonogrKap4a.
pdf>
LEE, Jun Hee. 2005. General specification of HSR-8498HB Digital robot servo. Hitec
RCD Korea Inc. [online]. 2005. Dostupné na internete:
<www.robotstorehk.com/motors/doc/HSR-8498HB.pdf>
MATOUŠEK, David. 2005. Práce s mikrokontroléry ATMEL AVR ATmega16. Praha :
BEN. 2005. 4. diel.
MICHIGAN, The university of. 1996. Sensors and Methods for Mobile Robot
[online].
Positioning.
1996.
Dostupné
na
internete:
<ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf>
NOVÁK, Petr. 2005. Mobilní roboty – pohony, senzory, řízení., Praha: BEN, 2005.
POPOVIC, M.B, GOSWAMI, A. 2005. Ground Reference Points in Legged
Locomotion: Definitions, Biological Trajectories and Control Implications. In The
International Journal of Robotics Research [online]. 2005. vol. 24. no. 12. Dostupné
na internete:
<www.cs.cmu.edu/~cga/legs/Popovic_Goswami_Herr_IJRR_Dec_2005.pdf>
ROBONOVA-I. 2005. Robonova-I English Manual [online]. 2005. Dostupné na
internete:
<www.robonova.de/store/support/index.php?_m=downloads&_a=downloadfile&dow
nloaditemid=26>
SCRIANKA, M., EVIN, M. 2007. Lokomočné mechanizmy humanoidných robotov.
Novus
Scientia
2007
[online].
Dostupné
<www.sjf.tuke.sk/novus/papers/533-536.pdf>
SENSR, 2009. Practical guide to accelerometers. 2009
na
internete:
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
STMICROELECTRONICS. 2009. Doc ID 15810 Rev. 2 (Datasheet LPR503AL)
[online]. Dostupné na internete:
<www.st.com/stonline/products/literature/ds/15810/lpr503al.pdf>
ŠOLC, F. , ŢALUD, L. 2002. Robotika. 2010. Brno: FEKT.
TUCK, Kimberly 2007. Tilt sensing using linear accelerometers. Freescale
Semiconductor
[online].
2007.
Dostupné
na
internete:
<www.freescale.com/files/sensors/doc/app_note/AN3461.pdf>
VOJÁĈEK, Antonín. 2007. Jak pracují nové 3D MEMS akcelerometry Freescale?
[online]. 2007. Dostupné na internete: <hw.cz/Produkty/Nove-soucastky/ART1875Jak-pracuji-nove-3D-MEMS-akcelerometry-Freescale-.html>
VUKOBRATOVIĆ, M., BOROVAC, B. 2004. Zero-Moment Point – Thirty five
years of its life. In International Journal of Humanoid Robotics [online]. 2004. vol. 1.
no. 1. Dostupné na internete:
<citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.84.5525&rep=rep1&type=pdf>
WIKIPÉDIA, Slobodná encyklopédia, 2010. Robot [online] Dostupné na internete:
<sk.wikipedia.org/wiki/Robot>
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
ĈESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, ţe som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Juraja Uríĉka, PhD.
a pouţíval som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapoţiĉiavaním diplomovej práce.
V Ţiline dňa 7. 5. 2010
____________________
podpis
Prílohová ĉasť
Zoznam príloh
Príloha A: Návrhy el. schém a dosiek plošných spojov................................................. i
Príloha B: Graf závislisti uhlu natoĉenia a výstupu akcelerometra ............................ iii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha A: Návrhy el. schém a dosiek plošných spojov
Obrázok 1: Schéma zapojenia akcelerometra
Obrázok 2: Návrh DPS akcelerometra
i
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Obrázok 3: Schéma zapojenia gyroskopu
Obrázok 4: Návrh DPS gyroskopu
ii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha B: Graf závislosti uhlu natočenia a výstupu akcelerometra
Obrázok 5: Graf výstupných hodnôt akcelerometra
iii
Download

Riadenie stability humanoidných robotov