MNiI

Grant MNiI 4T11A00325

scientific project

Sterowanie w systemach wielorobotowych wykonujących zadania usługowe


Start: January 2003
Finish: December 2007
Principal Investigator: Cezary Zieliński,
Researchers: Włodzimierz Kasprzak, Tomasz Kornuta, Maciej Staniak, Wojciech Szynkiewicz, Tomasz Winiarski,

Zmiany demograficzne zachodzące w wysoko uprzemysłowionych krajach Europy i Dalekiego Wschodu wskazują, ze w niezbyt odległej przyszłości zmniejszy sie populacja ludzi w wieku produkcyjnym, natomiast zwiększy sie liczba ludzi w wieku poprodukcyjnym. Oznacza to, ze coraz mniejsza liczba ludzi aktywnych zawodowo będzie musiała otrzymywać coraz większa grupę emerytów. Istnieją dwa rozwiązania tego dylematu. Albo należy prowadzić liberalna politykę emigracyjna, polegającą na imporcie siły roboczej z zagranicy, albo należy stworzyć maszyny, które przejma obowiązki dotychczas wykonywane przez ludzi. Ze względów społecznych ta druga możliwość wydaje sie obecnie bardziej atrakcyjna, ponieważ wakaty powstaną przede wszystkim w najgorzej płatnych, wymagających największego wysiłku fizycznego i najmniej atrakcyjnych zawodach. Obecnie liczba zatrudnionych w przemyśle stale maleje, a stale wzrasta zatrudnienie w usługach, stad przede wszystkim ten sektor gospodarki musi zostać przekazany maszynom we władanie. Dlatego zarówno w Japonii jak i w Unii Europejskiej prowadzi sie intensywne badania nad robotami usługowymi.

Roboty usługowe znacznie różnią sie od klasycznych robotów przemysłowych. Roboty przemysłowe pracują w środowisku dobrze uporządkowanym, jakie stanowią hale fabryczne, a więc mogą poruszać sie “na ślepo”- nie wymagają ani dużej liczby czujników ani nadmiernej inteligencji, by efektywnie realizować swoje zadania. Natomiast roboty usługowe muszą radzić sobie w otoczeniu, w którym ludzie działają na co dzień. Jest to otoczenie mało uporządkowane, zmieniające sie dynamicznie, stad by efektywnie sie w nim poruszać, roboty muszą dysponować wieloma i to różnorakimi czujnikami oraz znaczna zdolnością do przetwarzania informacji. Ludziom do efektywnego działania w środowisku naturalnym potrzebne są wszystkie zmysły, ale dominują dwa: wzrok i dotyk. Ponieważ roboty maja funkcjonować w takim samym otoczeniu, więc muszą tez dysponować podobnymi zdolnościami do zbierania informacji o jego stanie. Dlatego intensywnie badane są algorytmy sterowania wykorzystujące czujniki wizyjne, a więc kamery, oraz sensory dotyku, a więc czujniki siły. Trudno sobie wyobrazić robota wykonującego prace kuchenne lub wspomagającego zniedołężniałego staruszka, w jego codziennych czynnościach, bez zdolności wyczuwania kontaktu z przedmiotami bądź ludźmi, a więc odczuwania wywieranej siły. Robot taki musi ponadto mieć pewne zdolności “intelektualne”. Musi być zarówno zdolny do tworzenia planów jak i ich wykonywania, przy czym plany te muszą uwzględniać dynamiczne zmiany zachodzące w otoczeniu oraz brak pełnej wiedzy o stanie otoczenia. Innymi słowy robot powinien być w stanie reagować na sytuacje, które nie są bezpośrednio uwzględnione w planie z racji jego wysokiego stopnia abstrakcji. Biorąc pod uwagę, ze chcemy skonstruować robota, który byłby w stanie funkcjonować w otoczeniu stworzonym przez człowieka, a więc w środowisku, które przystosowane jest do dwuręczności, więc i nasz robot powinien posiadać dwa manipulatory.

Konstrukcja systemu sterowania takim robotem wymaga rozwiązania następujących problemów badawczych:

  • opracowania ogólnej architektury układów sterujących robotami usługowymi, a więc robotami dwuramiennymi, cechującymi sie wysokim stopniem inteligencji, wyposażonymi w różnorodne czujniki,
  • kalibracji systemu dwuramiennego (określenie faktycznych wymiarów ramion oraz ich wzajemnej lokalizacji w celu uwzględnienia ich w modelu kinematyki),
  • opracowania algorytmów sterowania dla serwomechanizmu wizyjnego (podsystemu umożliwiającego wykonywanie ruchów na podstawie informacji uzyskiwanej z kamery lub kamer),
  • zaproponowanie algorytmów sterowania siłowego i pozycyjno-siłowego (dla podsystemu umożliwiającego wykonywanie ruchów na podstawie informacji o silach i momentach sil wywieranych przez robota na otoczenie),
  • opracowanie metod fuzji danych pochodzących z rożnych czujników,
  • rozwiązania zagadnienia planowania działań i transformacji tych ostatnich w ruchy manipulatorów,
  • konstrukcji chwytaków do zręcznej manipulacji,
  • wykorzystania zarówno klasycznych metod sztucznej inteligencji (przeszukiwanie przestrzeni rozwiązań problemu) jak i metod behawioralnych w sterowaniu systemem,
  • detekcji sygnału mowy oraz rozpoznawania komend wydawanych głosem w języku polskim.

W ramach grantu !MNiI Zespól Sterowania i Programowania Robotów IAIS prowadzi prace nie tylko teoretyczne, ale również eksperymentalne wiodące do stworzenia rzeczywistego systemu usługowego. Weryfikacja sprawności działania tego systemu nastąpi na przykładach z życia wziętych, takich jak: otwieranie drzwi zamkniętych na klamkę, nalewanie wody z butelki do szklanki czy dwuręczne wsuwanie/wysuwanie szuflady. By wykazać również wysoki stopień inteligencji systemu będziemy sie starali zmusić go do samodzielnego okładania kostki Rubika. Działanie systemu będzie inicjowane komendami wydawanymi głosowo. W ten sposób powstanie rzeczywisty model dwuramiennego robota usługowego.





List of selected publications:
  1. W. Czajewski and M. Staniak
    Real-Time Image Segmentation for Visual Servoing
    ICANNGA, vol. 2, pp. 633–640, 2007
    [ | DOI ]
  2. C. Zieliński, T. Winiarski, K. Mianowski, A. Rydzewski, and W. Szynkiewicz
    End-Effector Sensors Role in Service Robots
    in Robot Motion and Control 2007 (LNCiS) Lecture Notes in Control and Information Sciences, 2007, pp. 401–413
    [ | DOI | | URL ]
  3. C. Zieliński, W. Szynkiewicz, T. Winiarski, M. Staniak, W. Czajewski, and T. Kornuta
    Rubik’s cube as a benchmark validating MRROC++ as an implementation tool for service robot control systems
    Industrial Robot: An International Journal, vol. 34, no. 5, pp. 368–375, 2007
    [ | DOI | | URL ]
  4. C. Zieliński, W. Szynkiewicz, T. Winiarski, W. Czajewski, and M. Staniak
    Układanie kostki Rubika jako zadanie testujące zdolności robota usługowego
    in IX Krajowa Konferencja Robotyki – Postępy Robotyki: Systemy i współdziałanie robotów, 2006, vol. 2, pp. 237–246
    [ | | URL ]
  5. C. Zieliński, W. Szynkiewicz, K. Mianowski, A. Rydzewski, and T. Winiarski
    Efektory robota usługowego do dwuręcznej manipulacji z czuciem
    in IX Krajowa Konferencja Robotyki – Postępy Robotyki: Systemy i współdziałanie robotów, 2006, vol. 2, pp. 257–266
    [ | | URL ]
  6. C. Zieliński, W. Szynkiewicz, T. Winiarski, and M. Staniak
    Rubik’s Cube Puzzle as a Benchmark for Service Robots
    in 12th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR’2006, 2006, pp. 579–584
    [ | | URL ]
  7. T. Kornuta, M. Wojtyra, K. Mianowski, and C. Zieliński
    Kalibracja systemu wielorobotowego
    in IX Krajowa Konferencja Robotyki – Postępy Robotyki: Systemy i współdziałanie robotów, 2006, vol. 2, pp. 97–106
    [ | | URL ]
  8. M. Staniak and W. Czajewski
    Object localisation and identification for the purpose of manipulation (in Polish)
    IX Krajowa Konferencja Robotyki – Postępy Robotyki: Systemy i współdziałanie robotów, vol. 2, pp. 85–94, 2006
    [ ]
  9. M. Staniak and C. Zieliński
    Serwomechanizmy wizyjne - część 1
    Pomiary-Automatyka-Kontrola PAK, no. 5, pp. 9–12, 2006
    [ | | URL ]
  10. W. Szynkiewicz, C. Zieliński, W. Czajewski, and T. Winiarski
    Control Architecture for Sensor-Based Two-Handed Manipulation
    in CISM Courses and Lectures – 16th CISM–IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control, RoManSy’06, June 20–24, Wien, New York, 2006, no. 487, pp. 237–244
    [ | DOI | | URL ]
  11. M. Staniak and C. Zieliński
    Serwomechanizmy wizyjne - część 2
    Pomiary-Automatyka-Kontrola PAK, no. 11, pp. 30–34, 2006
    [ | | URL ]
  12. T. Winiarski and C. Zieliński
    Sterowanie siłowe w systemach dwuramiennych
    in IX Krajowa Konferencja Robotyki – Postępy Robotyki: Systemy i współdziałanie robotów, 2006, vol. 2, pp. 267–276
    [ | | URL ]
  13. T. Winiarski and C. Zieliński
    Implementation of Position–Force Control in MRROC++
    in Proceedings of the 5th International Workshop on Robot Motion and Control, RoMoCo’05, Dymaczewo, Poland,
    2005, pp. 259–264
    [ | | URL ]
  14. C. Zieliński, W. Szynkiewicz, and T. Winiarski
    Applications of MRROC++ Robot Programming Framework
    in Proceedings of the 5th International Workshop on Robot Motion and Control, RoMoCo’05, Dymaczewo, Poland, 2005, pp. 251–257
    [ | | URL ]
  15. W. Czajewski, M. Staniak, and C. Zieliński
    Pewne aspekty wykorzystania informacji wizyjnej w robotach usługowych
    Postępy Robotyki: Sterowanie robotów z percepcją otoczenia, vol. 1, pp. 53–64, Jun. 2004
    [ ]
  16. T. Winiarski and C. Zieliński
    Stanowisko do badania algorytmów sterowania pozycyjno–siłowego robotów
    in Postępy Robotyki: Sterowanie robotów z percepcją otoczenia, 2004, vol. 1, pp. 85–94
    [ | URL ]
  17. W. Czajewski and M. Staniak
    Visual Identification of the Rubik’s Cube in Human Environment
    Przegląd Elektrotechniczny, no. 4, pp. 311–314, 2004
    [ ]