Architetture di governo Programmazione

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1 Corso di Robotica 1 Architetture di governo Programmazione Prof Alessandro e Luca Robotica 1 1

2 Architettura funzionale di governo odello di riferimento emoria globale elaborazione sensori modelli conoscenza politiche decisione compito azioni primitive servo interfaccia operatore sensori attuatori Robotica 1 2

3 odello di riferimento: oduli odello di riferimento emoria globale elaborazione sensori modelli conoscenza politiche decisione compito OULI ENORIALI acquisizione, elaborazione azioni e integrazione dati sensoriali primitive servo interfaccia operatore sensori attuatori Robotica 1 3

4 emoria globale odello di riferimento: oduli elaborazione sensori odello di riferimento modelli conoscenza OULI OELLITICI conoscenze a priori del sistema robot + ambiente, compito aggiornate sulla base di informazioni dai moduli sensoriali politiche decisione azioni primitive servo interfaccia operatore sensori attuatori Robotica 1 4

5 odello di riferimento: oduli odello di riferimento emoria globale elaborazione sensori modelli conoscenza OULI ECIIONALI decomposizione (nel tempo e nello spazio) dei compiti in azioni di più basso scelta ed elaborazione di strategie politiche decisione compito azioni primitive servo interfaccia operatore sensori attuatori Robotica 1 5

6 odello di riferimento: oduli odello di riferimento emoria globale elaborazione sensori tutti i livelli (stime aggiornate azioni modelli conoscenza politiche decisione EORIA GLOBALE informazioni di interesse per stato sistema + ambiente) compito primitive servo interfaccia operatore sensori attuatori Robotica 1 6

7 odello di riferimento: oduli odello di riferimento emoria globale elaborazione sensori modelli conoscenza politiche decisione INTERFACCIA OPERATORE consente l intervento dell operatore ad ogni della gerarchia funzionale compito azioni primitive servo interfaccia operatore sensori attuatori Robotica 1 7

8 odello di riferimento: Livelli COPLEITA INFO Livello del compito: obiettivo del compito (specificato da operatore) analizzato e decomposto in azioni (basandosi su modelli di conoscenza di sistema robotico e ambiente) Livello delle azioni: comandi simbolici tradotti in sequenze di configurazioni intermedie Livello delle primitive: calcolo di traiettorie di riferimento per servo, scelta della strategia di controllo Livello dei servo: realizzazione algoritmi di controllo, calcolo comandi di attuazione per servomotori VINCOLI TEPORALI Robotica 1 8

9 Un architettura funzionale per robot industriali azioni telecamera richiesta stato sistemi di riferimento punti percorso modi di interpolazione primitive dati richiesta stato q des q des q des algoritmo di controllo servo forza velocità posizione dati comandi attuatori Robotica 1 9

10 Un architettura funzionale per robot industriali azioni telecamera richiesta LIVELLO AZIONI interprete comandi alto decomposizione del compito affidata all operatore dati mancano moduli richiesta sensoriali e modellistici (se non c è una interazione multi-modale human-robot) stato stato sistemi di riferimento punti percorso modi di interpolazione primitive q des q des q des algoritmo di controllo servo forza velocità posizione dati comandi attuatori Robotica 1 10

11 Un architettura funzionale per robot industriali azioni telecamera forza geometria dell ambiente, stato interazione forza vel pos dati richiesta stato LIVELLO PRIITIVE richiesta stato : (solo per interazione attiva con ambiente) sistemi di riferimento punti percorso modi di interpolazione primitive q des q des algo di controllo servo : cinematica diretta e inversa, modelli dinamici : decodifica comandi, generazione percorso, interpolazione dati traiettoria, inversione cinematica, analisi stato comandi servo, attuatori gestione emergenze q des Robotica 1 11

12 Un architettura funzionale per robot industriali ist Coord : condizionamento segnali, richiesta stato interno manipolatore, stato Punti percorso telecamera stato interazione con ambiente odalità interp : cinematica diretta, Jacobiano, dinamica inversa primitive dati LIVELLO ERVO richiesta azioni : decodifica comandi, microinterpolazione, gestione errori, legge di controllo digitale, interfaccia servo stato q des q des q des algoritmo di controllo servo forza velocità posizione dati comandi attuatori Robotica 1 12

13 Interazione tra i moduli sensors motor control task execution planning modeling perception actuators attivazione orizzontale (sequenziale) plan changes to world sensors identify object monitor changes build map explore actuators attivazione verticale a richiesta (subsumption) wander avoid obstacles Robotica 1 13

14 Architettura del LAA esempio alternativo del LAA/CNR di Toulouse decisionale di sincronizzazione della esecuzione funzionale (moduli) con logica di interfacciamento fisico dei dispositivi Robotica 1 14

15 viluppo delle architetture - 1 esemplificato per la navigazione di un robot mobile su ruote sistema gerarchico localizzazione iniziale pianificazione off-line controllo del moto on-line possibilità eventuale di acquisizione/aggiornamento del modello dell ambiente (con scala temporale lenta) Robotica 1 15

16 viluppo delle architetture - 2 sistema reattivo puro stima in linea dell ambiente locale (incognito) obiettivo globale di posizionamento (goal) reazione locale per avere obstacle avoidance + guida globale verso il goal Robotica 1 16

17 viluppo delle architetture - 3 sistema ibrido LA = simultaneous localization and mapping navigazione/esplorazione sul modello corrente fusione di dati sensoriali controllo del moto on-line Robotica 1 17

18 Wheelchair attuata e sensorizzata Robotica 1 18

19 Cella per selezione di rifiuti domestici versione semi-automatica Fraunhofer IPA, toccarda Robotica 1 19

20 odulo sensoriale (nella versione automatica) CC camera Reference line h d α Laser beam Conveyor belt operatore + touch-screen sostituito da visione a luce strutturata + sistema di localizzazione neuro-fuzzy X lavori della rssa Raffaella attone Y principio di funzionamento del sensore a luce strutturata Robotica 1 20

21 Interpretazione dati sensoriali shadow cone imperfect reflection line projected on a vertical surface possibili cause di mancanza di informazione su una singola linea Robotica 1 21

22 Interpretazione dati sensoriali object O 1 object O 2 moto del conveyor line 1 line 2 ordine di processamento object O 3 integrazione di dati ottenuti ad istanti di campionamento successivi Robotica 1 22

23 odulo decisionale h 1 h2 3 h 4 h vector of height samples Rule-Level I list of segments in the sampled profile (start point, end point, average height, ) s 1 e 1 a 1 s 2 e 2 a 2 Rule-Level II x y z objects geometric features (center point, average height,) Classification results struttura del modulo di localizzazione e classificazione degli oggetti Robotica 1 23

24 odulo modellistico esempio di modello di oggetti sul nastro trasportatore Robotica 1 24

25 Architettura funzionale cella IPA azioni telecamera + laser calcolo h su ogni linea dati richiesta modello corrente oggetti su nastro richiesta stato localizzazione classificazione stato sistemi di riferimento punti percorso modi di interpolazione primitive p des dati forza (gripper) velocità posizione presenza oggetto al gripper servo comandi attuatori Robotica 1 25

26 escrizione con diagrammi di flusso p2 t2 p1 t1 (T 1 ) p3 t3 (T 3 ) p4 RETI I PETRI grafi orientati con due tipi di nodi posti (p1,,p4) stati o blocchi funzionali: attivi se c è un token nel posto (es p1 e p3) transizioni (t1,,t3) passaggi da uno stato a un altro attivati da eventi: presenza di tokens sufficienti (almeno uno) in tutti i posti in ingresso a transizione; eventualmente temporizzate (es t1, t3) Robotica 1 26

27 iagramma di flusso cella IPA p2 t2 p1 t1 (T 1 ) p3 t3 (T 3 ) p1: pick & place T 1 : tempo di pick & place p2: robot ready p3: nuovo pezzo su conveyor p4: attesa nuovo pezzo T 3 (variabile aleatoria): intervallo di tempo tra due pezzi successivi p4 marcatura/condizione iniziale: robot pronto, attesa nuovo pezzo Robotica 1 27

28 Architettura hardware EORIA ETERNA TEACH PENANT TATIERA I/O ITEA CINEATICA INAICA BU ERVO FORZA VIIONE trasduttori pos + vel APLI POT sensore forza CAERA ONITOR servomotori Robotica 1 28

29 Architettura hardware cella IPA EORIA ETERNA TEACH PENANT TATIERA ONITOR I/O ITEA VIIONE CAERA BU robot CARA ERVO FORZA CINEATICA trasduttori pos + vel APLI POT sensore forza servomotori Robotica 1 29

30 Architettura hardware con visione Robot COAU ART-3 COAU C3G 9000 open R7AX R6AX Robot CPU Robot CPU ervo CPU ervo CPU Power amplifiers Power amplifiers BU VE BU VE User User interface interface modules modules Board Board BIT 3 BIT 3 Vision - PC Board Board BIT 3 BIT 3 BU AT Control PC R232 Vision PC BU AT ATROX GENEI ATROX GENEI ONY XC 8500 CE ONY XC 8500 CE Control - PC (RTAI-Linux) Robotica 1 30

31 Ambienti di programmazione per robot sistema operativo in tempo reale modellazione del mondo controllo del moto lettura dati sensoriali interattività con sistema fisico rilevazione errori ripristino situazioni operative corrette struttura specifica del linguaggio ambiente condizionato dal dell architettura funzionale a cui è consentito l accesso dell operatore Robotica 1 31

32 Programmazione per insegnamento linguaggi di prima generazione programmazione ad insegnamento diretto (teaching-byshowing) operatore guida robot (manualmente o tramite teach box) lungo percorso desiderato (off-line!) posizioni di giunto campionate, interpolate e memorizzate per essere ripetute in seguito (accesso a di primitive) generazione automatica del codice: non sono richieste capacità particolari di programmazione applicazioni: saldatura a punti, verniciatura, pallettizzazione esempi di linguaggi: T3 (ilacron), FUNKY (IB) Robotica 1 32

33 Programmazione orientata al robot linguaggi di seconda generazione : programmazione strutturata con caratteristiche di linguaggio interpretativo (ambiente di programmazione interattivo) integrazione di funzioni tipiche di linguaggi ad alto (ad es, condizionamento logico e cicli di attesa) sviluppando linguaggi strutturati ad hoc per robot (più frequente) sviluppando librerie specifiche per linguaggi standard (auspicabile) accesso a di azioni applicazioni complesse dove il robot interagisce con altre macchine all interno di una cella di lavoro Esempi di linguaggi: VAL II (Unimation), AL (IB), PL 2 (Comau), KRL (Kuka) Robotica 1 33

34 set di istruzioni Linguaggio KRL (Kuka) Robotica 1 34

35 tipiche primitive di moto Linguaggio KRL (Kuka) moto PTP (point-to-point, lineare nei giunti) moto LIN (lineare nel cartesiano) moto CIRC (circolare nel cartesiano) moto PTP (lineare negli angoli) orientamento organo terminale orientamento COT Robotica 1 35

36 Linguaggio KRL (Kuka) sistemi di coordinate (frames cartesiani) e jogging dei giunti Robotica 1 36

37 teach pendant (interfaccia d utente) Linguaggio KRL (Kuka) Robotica 1 37

38 Programmazione orientata al compito linguaggi di terza generazione (di ricerca, non ancora disponibili sul mercato) simile a object-oriented programming compito specificato da istruzioni ad alto che realizzano azioni sulle parti presenti nella scena (sistemi esperti, intelligenza artificiale) accesso a del compito Robotica 1 38