POGLEDAJ VIDEO: Virtual Laboratory for Robotics
POGLEDAJ VIDEO: Virtual Laboratory for Hydraulic Control Systems
Ideja učenja na daljinu i e-learninga je brzo rasla tokom poslednje dve decenije uz brz razvoj interneta i komunikacionih tehnologija. Počela je sa elektronskim knjigama i raznim interaktivnim materijalima, zatim sa telekonferencijama, dok danas praktično postoje čitavi „virtualni univerziteti“ kao vrhunac ovog vida edukacije. Bitno je pimetiti razliku između narativnih disciplina, kao što su menadžment i ekonomija, i nedevoljno razvijenog stanja u tehničkim poljima. Možda smo do te situacije došli zbog činjenice da se razvoj e-learninga i učenja na daljinu smatra uglavnom pitanjem za IT eksperte, npr. pitanjem komunikacija, programiranja, baza podataka, veštačke inteligencije i srodnih tema. Tehnička polja, kao što su mašinstvo i elektrotehnika zahtevaju laboratorijske vežbe. Te vežbe podrazumevaju fizičke eksperimente sa stvarnom opremom. Da bi se omogućilo učenje na daljinu, potrebno je imati „virtualnu laboratoriju“ – softverski sistem koji emulira realne procese i fizičku opremu, omogućavajući sve relevantne efekte. Srž virtualne laboratorije je matematički model dinamke sistema. On omogućava proračunavanje svih veličina koje bi se merile u realnoj laboratoriji. Imajući to u vidu, potrebno je imati ekspertizu u konkretnoj oblasti tehničkih nauka. Pošto je to bilo van opsega interesovanja i znanja IT eksperata, tehnička polja su samo delimično uključena u e-learning i učenje na daljinu.
Naša ideja je da unapredimo stanje u tipično tehničkoj disciplini, Mehatronici, koja je fuzija mašinstva i elektrotehnike. Pošto je to jedno vrlo široko polje, izabrali smo verovatno najbolji primer koji prikazuje prebleme mehatronike – bavićemo se robotikom. Predstavljamo Virtualnu Laboratoriju za Robotiku (VRL). Robotika integriše znanje iz: mehanike i mehaničkih konstrukcija, aktuatora, senzora, elektronskog hardvera, i algoritme upravljanja i njihovu softversku realizaciju. Imajte u vidu da je uloga virtualne laboratoriju u stvari dvodelna: jedna uloga je da zameni fizičku laboratoriju, na taj način omogućavajući učenje na daljinu; a druga je da bude prvi korak u redovnom procesu nastave, i da priprema studente za pravu laboratoriju. Postoje dva problema koja imaju veze sa inerakcijom (komunikacijom) korisnika i sistema.
Standardne mogućnosti. Prvi aspekt dolazi iz zahteva da korisnik/operater može da komunicira sa simulatorom kao da se nalazi ispred pravog robota. To znači da se „komandna tabla“ simulatora treba dizajnirati tako da imitira onu iz realnosti. Na ovaj način, korisnik zadaje akcije robota i dobija povratnu informaciju (praćenje pozicija i druge veličine). Ovaj mod je neophodan da bi se omogućilo realno treniranje operatora na robotu.
Napredne mogućnosti. Drugi aspekt koristi neke od prednosti simulatora nad realnim sistemom. Kod virtualnog robota skoro svi parametri mogu da se menjaju, što nije moguće izvesti u realnom sistemu. Na primer: možemo da preopteretimo robota; on će krenuti da pada dok ne udari o zemlju; zatim ćemo zameniti motore jačima, jednostavno ubacivanjem parametara iz kataloga; robot će ustati i nastaviti da radi ispravno. Evo još nekoliko primera. Ukoliko robotska ruka osciluje ili daje preveliku grešku u praćenju, možemo da izmenimo snagu povratne sprege dok ne dobijemo željeno ponašanje. U slučaju neprihvatljive statičke greške, može se primeniti feedforward upravljanje koje kompenzuje silu gravitacije. U aplikacijama u kojima je kolizija sa okolinom moguća, može se koristiti saglasnost u transmisiji obrtnog momenta.
Da bi se parametri efikasno izmenili, potrebno je imati user-friendly korisnički interfejs. Imajte u vidu da je sistem namenjen za edukaciju i neiskusan korisnik može potceniti ili preceniti paramtere i na taj način ubaciti vrednosti koje su vrlo daleko od onih realnih. Imajući to u vidu, interfejs mora pružiti smernice za izbor parametara i testiranje izabranih vrednosti. Na primer, mehanička efikasnost menjača se može testirati u odnosu na njegove fizičke donje i gornje limite: (uže margine se mogu definisati). Međutim, testiranje drugih parametara, kao što su obrtna konstanta ili limiti upravljačkog napona zahtevaju pristup koji se više bazira na znanju. Prozor predviđen za menjanje parametara je prikazan na narednoj slici:
Parametri pogona i kontrole
Pored parametara, moguće je menjati i vrstu upravljanja. Pored menjanja predefinisanih parametara PID regulatora, ovo uključuje i mogućnost da se definiše proizvoljan upravljački algoritam. Dakle programiranjem ovog bloka korisnik će definisati sopstveno upravljanje i testirati rezultat.
Napredne mogućnosti posebno izdvajaju mogućnost korišćenja simulatora za eksperimente i vežbe, ne samo za buduće operacije robota, već i za učenje teorije robota.
Naredna slika prikazuje nekoliko mogućnosti definisanja trajektorije robota (u globalnim/eksternim ili unutrašnjim/zglobnim koordinatama). Tranzicija između tačaka od interesa se može zahtevati u modu od tačke do tačke po najkraćoj putanji (point-to-point) ili po trapeznom profilu brzine (trapeze velocity). Efekti feedforward upravljanja se mogu menjati u ovom prozoru:
Parametri trajektorije
Vizualizacija. Krucijalni potencijalni nedostatak virtualnog robota je to što uređaj ne postoji fizički. Da bi se ovo prevazišlo, potrebna nam je sofisticirana animacija. Iako dijagrami koji prikazuju prethodne vrednosti relevantnih veličina predstavljaju efikasan način praćenja ponašanja sistema, animacije su i dalje potrebne za kompletan ugođaj. Detaljna slika će se pomerati u skladu sa matematičkim modelom, zamenjujući realnog robota. Hajde da navedemo nekoliko standardnih zahteva za animaciju:
- Slika robota mora biti detaljna;
- Različite tačke gledanja (pozicije kamere) su neophodne (uključujući i kameru montiranu na hvataljku robota);
- Različito osvetljenje je poželjno;
- Vizualizacija uključuje okruženje robota.
Naredne slike pokazuju nekoliko vremenskih dijagrama namenjenih za praćenje i evaluaciju ponašanja sistema. Oneisu zabeleženi za prvi zglob na zglobnoj šemi robota – rotacija oko vertikalnih osa. Prva predstavlja koordinate zgloba: referencu, stvarnu vrednost i grešku. Imajte u vidu da trapezoidni profil brzine jeste neophodan (kratko ubrzanje, zatim period uniformnog kretanja i na kraju usporavanje). Druga slika predstavlja brzinu zgloba. Treća prikazuje upravljački napon. Algoritam upravljanja uključuje feedforward zasnovan na pojednostavljenom modelu (centrifugalni i Coriolis efekti su zanemareni) plus PID povratna sprega. Naredna slika prikazuje kako se napon iz povratne sprege distribuira na P, I i D komponente. Na kraju, peta slika predstavlja struju u motoru.
Pozicija zglobova
Brzina zglobova
Kontrolne voltaže - povratna sprega plus feedforward
Feedback komponente voltaže - proporcijalna, diferencijalna, integralna
Struja motora
Naredna slika prikazuje vizualizaciju, spoljašnji pogled na dva od nekoliko robota koja se koriste u VRL-u na ETF-u, kao i hvataljku iz različitih tačaka posmatranja kao naprednih mogućnosti korišćenja nekoliko kamera (jedna slika je slikana kamerom montiranom na hvataljku robota, a druga slika je slikana kamerom koja se kreće sa hvataljkom, ali je uvek pored nje, prikazujući je sa zadate udaljenosti).
Robot zglobne konfiguracije
Robot cilindrične konfiguracije
Ovaj pogled je uzet sa kamere montirane na hvataljku robota, tako da kamera lebdi pored hvataljke
Hajde da uvedemo neke dodatne zahteve – neke napredne opcije koji potenciraju prednosti virtualnog robota nad realnim uređajem.
- Robot se kreće ostavljajući trag iza sebe. Trag može biti linija – prikazujući trajektoriju tačke na vrhu (kao što je prikazano na slici zglobne konfiguracije robota). U drugom slučaju putanja se može odnositi na kompletnu hvataljku robota ili na kompletnu ruku robota (kao „efekat duha“). Putanja može biti prisutna permanentno da bi prikazala celokupan pokret, ili privremeno (isčezavajući nakon nekog vremena).
- Bitna mogućnost virtualnog robota je da njegova grafika uključuje sve unutrašnje mehanizme. Pri tome mislimo na transmisione sisteme (zupčanike u menjaču, remen, postolje i opremu, vreteno, itd.), elemente motora (stator sa magnetima, rotor), internu strukturu enkodera, itd. Svi ovi unutrašnji mehanizmi se kreću u potpunom skladu sa kinetičkim i dinamičkim modelom. Korisnik može da „otvori“ robotsku ruku – uklanjajući poklopac da bi prikazao njegove unutrašnje elemente. Na taj način student ili pripravnik može da posmatra ponašanje i ulogu svakog internog elementa robota. Naredne slike predstavljaju pogon i transmisioni mehanizam koji se koristi za pokretanje lakta robota zglobne strukture (imajte u vidu da su svi ovi elementi pozicionirani unutar segmenta nadlaktice), naredna slika pokazuje kompletan pogon: motor, jednostepeni reduktor, par rednih prenosnih mehanizama za izmenu smera, i remen za prenos kretanja na daljinu. Naredna prikazuje pogon sa trostepenim reduktorom; sa leve strane motor je „zatvoren“ dok je sa leve strane motor „otvoren“, otkrivajući svoju internu strukturu. Poslednja slika prikazuje pogon koji se koristi za pokretanje zgloba na ramenu. On je otvoren i mogu se videti magneti na statoru, armatura rotora i enkoder.
- Unutrašnji mehanizam – transmisioni sistem
- Komponente motora i enkodera
Naredni koraci. Kao dalji razvoj virtualne laboratorije vidimo:
- širu implementaciju social clubbing koncepta koji će omogućiti unapređenu komunikaciju između studenata koji se nalaze u laboratoriji, uključujući zajednički rad na vežbama;
- uvođenje nadzornika/tutora, koji će u početku biti asistent virtualno prisutan u laboratoriji, i koji će kasnije biti zamenjen potpuno virtualnom podrškom zasnovanoj na veštačkoj inteligenciji.