Виртуальная робототехника в образовательных ресурсах Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Виртуальная робототехника в образовательных ресурсах

Ю.Г. Ионов, МГТУ МИРЭА, профессор, yuionov@gmail.com

В МГТУ МИРЭА, на выпускающей кафедре "Проблемы управления", созданы виртуальные роботы и робототехнические системы: 1-учебный робототехнический комплекс (УРТК); 2- гибкая производственная робототехническая система из четырех роботизированных участков (ГПС); 3- "скароподобный" робототехнический комплекс на базе робота "Robas - 3", а также "пумоподобный" (типа PM-01) комплекс. Все они адекватно отображают внешний вид и поведение реальных систем, обладают дидактическими характеристиками, определяющими возможность и целесообразность их использования в учебном процессе по направлениям подготовки 221000- "Мехатроника и робототехника", а также 220400- "Управление в технических системах". Виртуальные комплексы могут воспроизводить глубинные, скрытые в реальной конструкции процессы, реагировать на команды, заложенные в программах управления, и визуализировать траектории движения. Как и реальные, виртуальные комплексы программируются и могут решать различные технологические задачи.

Виртуальный учебный робототехнический комплекс

Виртуальная модель - симулятор УРТК5 по характеристикам всех компонентов и в целом максимально приближена к реальному УРТК. Комплекс состоит из четырех взаимодействующих манипуляционных роботов УРТК, которые могут использоваться также автономно.

Виртуальная 3-D модель такого манипуляционного робота в точности повторяет реальный робот (рис.1). Она имеет блочно -модульную структуру, которая может реконфигурироваться по выбору для прямоугольной или цилиндрической систем координат. Режимы управления: ручной и автоматический. Управляется как по одной, так одновременно и по 2-м, 3-м и 4-м степеням подвижности. В автоматическом режиме -управление программное. Исходный код программы пишется на высокоуровневом языке программирования Си. Для этого в 3-D модель УРТК погружена интегрированная среда программирования типа Borland С++, что позволяет использовать виртуальный УРТК автономно на всех этапах создания программ от написания кода до их тестирова-

5 1 Авторы разработки студенты Черунков Н.В, Шелухин М.Ю., проф. Ионов Ю.Г. Программа зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ.

ния. В процессе тестирования программ, управляющих движением 3-Б модели робота УРТК, движение визуализируется. Оно полностью адекватно движению реального робота. Следует отметить, что созданная в среде виртуального УРТК программа без существенных изменений может использоваться для управления реальным УРТК. На нем в процессе проведения лабораторного практикума в лаборатории программа дополнительно может тестироваться. Интерфейс позволяет студентам писать и компилировать программы на языке Си не выходя из среды виртуального УРТК.

Возможность использования удалённого доступа и управления реальным УРТК через Интернет (рис.1) реализуется с помощью виртуального УРТК, который обеспечивает информационную поддержку управления.

Рис. 1. Изображение с Web-камеры реального робота УРТК и виртуального робота.

При этом он загружается на клиентской машине. Работа под операционной системой Windows серии NT (2000/XP/2003) происходит устойчиво в сетях с задержками до 0.5-1 секунды и полосой пропускания до от 1-2 Кбайт/сек. Управление роботом осуществляется в режиме реального времени, время задержки составляет не более 1.5 секунд. Скорость перемещения каждой степени подвижности изменяется от 0 до 100 % с шагом 1%. В системе удаленного управления дополнительно

может использоваться Web-камера для наблюдения за реальным положением робота и состоянием рабочей сцены. Размер картинки может настраиваться, частота обновления кадров равна примерно 10.

Виртуальный робот УРТК используется студентами в лабораторном практикуме и в курсовом проектировании по дисциплине "Информатика" (раздел "Основы программирования на Си"), а также в лабораторном практикуме по дисциплине "Компьютерное управление мехатрон-ными системами".

Для методического обеспечения лабораторного практикума разработанное интерактивное учебное пособие по программированию на Си в среде симулятора УРТК (рис.2) размещено в системе дистанционного обучения кафедры www.cpd-sdo.ru .

Рис.2. Заглавная страница учебного пособия

Виртуальная гибкая производственная робототехническая система

В состав системы, названной миниГПС6 (как реальной, так и виртуальной), входят:

1 Авторы разработки студент Сосновиков Н.Г., проф. Ионов Ю.Г.

6

• трёхколёсный транспортный робот;

• склад с 9 ячейками для хранения изделий, в каждом из которых может использоваться по 4-8 деталей;

• склад обслуживается трёхзвенным роботом-погрузчиком с декартовой системой координат на базе манипуляционного робота типа робота УРТК;

• комплекс фрезерной обработки KOSY с тремя собственными звеньями, обладающий декартовой системой координат;

• сборочный комплекс из двух роботов MENTOR с 5-звенной кинематикой типа «Пума»;

• комплекс токарной обработки на базе станка ELWE, обладающий двухзвенной кинематикой в декартовой системе координат. ELWE обслуживается роботом ROB3 с 5-звенной кинематикой. Виртуальная МиниГПС представляет собой программу, позволяющую отображать З-D модель реальной миниГПС (рис.3) и выполнять ее функции.

Рис. 3. Виртуальная миниГПС

Она дает возможность писать и редактировать программы управления роботами, входящими в состав виртуальной миниГПС, на специальном, разработанном для программирования технологических циклограмм, задачно - ориентированном языке. Виртуальная МиниГПС позволяет студентам изучать принципы построения и работы гибких производственных линий, программного управления их средствами, отра-

батывать навыки программирования технологических циклограмм моделей роботизированных участков и производства в целом.

Виртуальный всего - подобный робототехнический комплекс

Виртуальный робототехнический комплекс7 создан на базе робота ROBAS-3 (рис.4). Кинематика робототехнического комплекса построена на основе кинематики SCARA. Комплекс обладает двумя вращательными и одним поступательным звеном. Геометрия виртуальной модели полностью совпадает с геометрией реального робота.

Виртуальный робототехнический комплекс имеет следующие режимы работы:

• режим ручного управления угловыми положениями звеньев робота;

• режим ручного управления позицией схвата в декартовой системе координат робота;

• режим автоматической отработки ПЗК по положению звеньев робота;

• режим автоматической отработки и поддержания скоростей звеньев робота;

• режим отработки заданной траектории.

Он включает в себя окно отображения виртуальной модели робота (рис.4), панель управления, окно отображения графиков перемещения и скоростей вращения звеньев. После построения траектории движения становится доступным окно отображения графиков, которое имеет 5 режимов вывода:

• отображение сплайнов в обобщенных координатах для первых трех звеньев робота, а также, после того как робот отработает заданную этими сплайнами траекторию, отображение реального изменения обобщенных координат (углов вращения звеньев);

• отображение сплайнов в виде скоростей изменения обобщенных координат для первых трех звеньев робота, а также, после того как робот отработает траекторию, заданную этими сплайнами, отображение реального изменения скорости обобщенных координат (угловых скоростей звеньев);

• отображение ошибок в обобщенных координатах для первых трех звеньев, возникающих при отработке траектории;

• отображение ошибок в декартовой системе координат для первых трех звеньев, возникающих при отработке траектории;

• отображение абсолютной ошибки в декартовой системе координат суммарно для первых трех звеньев.

1 Авторы разработки студент Алифанов К., проф. Ионов Ю.Г.

7

В процессе визуализации сцены в трехмерном пространстве отображается текущее положение виртуальной модели робота, могут рисоваться в трехмерном пространстве контрольные точки, траектория движения робота, сетка в декартовой системе координат в плоскости XY и след, оставляемый схватом при движении робота (см. рис.4). Инструменты дают возможность пользователю произвольным образом менять угол обзора.

Комплекс представляет собой программу, предназначенную в основном для:

• обучения студентов навыкам управления роботом (не имея непосредственного контакта с роботом в лаборатории);

• формирования устойчивого представления о методах решения прямой и обратной задач кинематики и методах построения траектории движения робота;

• изучения характеристик и параметров электроприводов, осуществляющих управление степенями подвижности робота, т.е. на нижнем уровне управления;

• исследования зависимостей характеристик динамики робота от параметров системы управления.

Идеология построения виртуального "пумоподобного" (типа PM-01) комплекса8 полностью идентична виртуальному Scaro - подобному ро-бототехническому комплексу.

В МГТУ МИРЭА, на выпускающей кафедре "Проблемы управления", созданы также и другие образцы виртуальной робототехники. В частности, доцентом Д.В. Евстигнеевым создана и многие годы используется инструментальная система моделирования и проектирования роботов специального назначения (RobSim) [http://www.robsim.dynsoft.ru].

8 1 Авторы разработки студент Милитов А., доц. Веселовский В.В., проф. Ионов Ю.Г.