Hexapod Ignác: Rozdiel medzi revíziami

Aktuálna revízia z 20:20, 9. jún 2019

Autori:	Martin Psotka, Vladimír Beňák
Študijný odbor:	Robotika a kybernetika	3. Bc. (2019)

Opis projektu

Cieľom tohto projektu bolo zdokonalenie nami vytvoreného HEXAPODU, čo je šesťnohý kráčajúci robot svojou stavbou pripomínajúci pavúka.

Po menej úspešnej účasti na robotickej súťaži ISTROBOT, ktorá sa konala v roku 2018 sme analyzovali nedostatky nášho kráčajúceho robota. Z analýzy sme zistili, že robot nedodržuje požadovaný smer kráčania a neudržuje svoj pohyb vo vymedzených hraniciach. Táto zmena smeru je spôsobená nepresným dosahovaním požadovaných polôh servomotorov, ktoré pohybujú končatinami robota a tým udávajú robota do pohybu.

Analýza 1

Už pred účasťou na súťaži ISTROBOT 2018 sme zaznamenali problém s HEXAPODOM, kedy sme postrehli, že robot nie je schopný udržať sa vo vymedzených hraniciach na dráhe určenej pre robotí šprint. Keďže v tom čase sme nemali čas na nápravu tohto problému, tak problém sme riešili postupným ladením jednotlivých servomotorov. Žiaľ tento spôsob sa nám neosvedčil, pretože sme zistili, že akokoľvek prestavíme požadovanú hodnotu, tak servomotor nám presne túto hodnotu nedosiahne z dôvodu menšej nosnosti jednotlivých motorov. Naším návrhom bolo odstránenie prebytočných častí systému, ktoré neboli využívané. Z toho dôvodu sme sa rozhodli pre odstránenie jedného kĺbu (servomotoru), ktorý nebol využívaný a zbytočne zaťažoval konštrukciu robota. Týmto spôsobom by sa mala konštrukcia odľahčiť a motory by mali väčšiu šancu dosiahnuť požadovanú polohu.

Analýza 2

Po vykonaní analýzy 1 a následne po aplikácií jednotlivých krokov, ktoré mali vyriešiť analyzovaný problém sme zistili, že problém v určitej miere stále pretrváva. Z toho dôvodu sme sa rozhodli implementovať kameru k mikropočítaču Raspberry Pi 3, ktorá nám poskytuje vizuálny kontakt s okolím a vďaka tomuto vizuálnemu kontaktu získavame spätnú väzbu, za pomoci ktorej dokážeme presnejšie riadiť pohyb robota.

Popis riešenia

Návrh novej končatiny

Po vykonaní analýzy 1 sme zistili, že musíme nanovo navrhnúť nohy robota. Po prekonzultovaní možnosti sme sa rozhodli odstrániť jeden kĺb, ktorý pre náš robotí šprint bol nevyužívaný. V online 3D modelovacom prostredí ThinkerCad sme si tieto nohy navrhli tak, že namiesto servomotoru, ktorý tvoril kĺb nohy, sme vytvorili spoj medzi jednotlivými článkami nohy. Kvôli odľahčeniu sme pridali do nohy taký výrez, aby nastalo čo najväčšie odľahčenie a zároveň sa zachovala pevnosť nohy. Následne sme si navrhnuté nohy vytlačili za pomoci 3D tlačiarne.

Implementácia kamery

Keďže naše riešenie vyplývajúce z analýzy 1 nebolo postačujúce, tak sme vykonali 2. analýzu, v ktorej sme sa rozhodli pre využitie kamery. Tá ponúka spätnú väzbu s prostredím, v ktorom sa robot nachádza. Jedná sa o kameru Arducam 8 MP Sony IMX219, ktorá poskytuje pohľad rybieho oka. Na upevnenie kamery sme si vytlačili nami navrhnutý držiak, taktiež v prostredí ThinkerCad. Ku kamere bol vytvorený algoritmus, ktorý je opísaný nižšie.

Použité komponenty

Raspberry Pi 3
Časti tela vytlačené na 3D tlačiarni
12 servomotorov
Kábliky
2 tlačidlá
Powerbanka
Batéria na napájanie servomotorov
Kamera pre Raspberry Pi

Algoritmus a program

Program na riadenie robota sme vytvorili v programovacom prostredí MATLAB & Simulink R2019a za pomoci podporných balíkov pre Raspberry Pi. V prostredí Simulink, konkrétne v bloku Stateflow, ktorý slúži na tvorbu udalostných systémov, sme ovládali chod jednotlivých servomotorov, a teda sme v ňom vytvorili chôdzu robota a bloky, ktoré riadili jeho otáčanie. Z obrazu získaného z kamery sa po spracovaní vyhodnocuje v MATLAB Funkcii, či sa robot nepriblížil k čiare. Ak sa priblíži k pravej alebo ľavej čiare, tak sa pootočí do opačnej strany.

Zdrojový kód: Hexapod2Cam.slx

Výsledok

Na obrázku nižšie môžeme vidieť riadený pohyb robota za pomoci kamery.

@@ Riadok 7: / Riadok 7: @@
 == Opis projektu ==
-Cieľom tohto projektu bolo zdokonalenie už existujúceho HEXAPODU, čo je šesťnohý kráčajúci robot svojou stavbou pripomínajúc pavúka.
+Cieľom tohto projektu bolo zdokonalenie nami vytvoreného HEXAPODU, čo je šesťnohý kráčajúci robot svojou stavbou pripomínajúci pavúka.
-Po menej úspešnej účasti na robotickej súťaži ISTROBOT, ktorá sa konala v roku 2018 sme analyzovali nedostatky nášho kráčajúceho HEXAPODU. Z analýzy sme zistili, že robot nedodržuje požadovaný smer kráčania a neudržuje svoj pohyb vo vymedzených hraniciach. Táto zmena smeru je spôsobená nepresným dosahovaním požadovaných polôh servomotorov, ktoré pohybujú končatinami robota a tým udávajú robota do pohybu.
+Po menej úspešnej účasti na robotickej súťaži ISTROBOT, ktorá sa konala v roku 2018 sme analyzovali nedostatky nášho kráčajúceho robota. Z analýzy sme zistili, že robot nedodržuje požadovaný smer kráčania a neudržuje svoj pohyb vo vymedzených hraniciach. Táto zmena smeru je spôsobená nepresným dosahovaním požadovaných polôh servomotorov, ktoré pohybujú končatinami robota a tým udávajú robota do pohybu.
@@ Riadok 17: / Riadok 17: @@
 == Analýza 1 ==
-Problematiku HEXAPODU sme zaznamenali postupným získavaním skúseností v tejto oblasti. Už pred účasťou na súťaži ISTROBOT 2018 sme zaznamenali problém s HEXAPODOM, kedy sme postrehli, že robot nie je schopný udržať sa vo vymedzených hraniciach na dráhe určenej pre robotí šprint. Keďže v tom čase sme nemali čas na nápravu tohto problému, tak problém sme riešili postupným ladením jednotlivých servomotorov. Žiaľ tento spôsob sa nám neosvedčil, pretože sme zistili, že akokoľvek prestavíme požadovanú hodnotu, tak servomotor nám presne túto hodnotu nedosiahne z dôvodu menšej nosnosti jednotlivých motorov. Naším návrhom bolo odstránenie prebytočných častí systému, ktoré neboli využívané. Z toho dôvodu sme sa rozhodli pre odstránenie jedného kĺbu (servomotoru), ktorý nebol využívaný a zbytočne zaťažoval konštrukciu robota. Týmto spôsobom by sa mala konštrukcia odľahčiť a motory by mali väčšiu šancu dosiahnuť požadovanú polohu.
+Už pred účasťou na súťaži ISTROBOT 2018 sme zaznamenali problém s HEXAPODOM, kedy sme postrehli, že robot nie je schopný udržať sa vo vymedzených hraniciach na dráhe určenej pre robotí šprint. Keďže v tom čase sme nemali čas na nápravu tohto problému, tak problém sme riešili postupným ladením jednotlivých servomotorov. Žiaľ tento spôsob sa nám neosvedčil, pretože sme zistili, že akokoľvek prestavíme požadovanú hodnotu, tak servomotor nám presne túto hodnotu nedosiahne z dôvodu menšej nosnosti jednotlivých motorov. Naším návrhom bolo odstránenie prebytočných častí systému, ktoré neboli využívané. Z toho dôvodu sme sa rozhodli pre odstránenie jedného kĺbu (servomotoru), ktorý nebol využívaný a zbytočne zaťažoval konštrukciu robota. Týmto spôsobom by sa mala konštrukcia odľahčiť a motory by mali väčšiu šancu dosiahnuť požadovanú polohu.
 == Analýza 2 ==
-Po vykonaní analýzy 1 a následne po aplikácií jednotlivých krokov, ktoré mali vyriešiť analyzovaný problém sme zistili, že problém pretrváva. Z toho dôvodu sme sa rozhodli implementovať kameru k mikropočítaču Raspberry pi3, ktorá nám ponúka vizuálny kontakt s okolím a vďaka tomuto vizuálnemu kontaktu získavame spätnú väzbu za pomoci ktorej dokážeme presnejšie riadiť pohyb robota.
+Po vykonaní analýzy 1 a následne po aplikácií jednotlivých krokov, ktoré mali vyriešiť analyzovaný problém sme zistili, že problém v určitej miere stále pretrváva. Z toho dôvodu sme sa rozhodli implementovať kameru k mikropočítaču Raspberry Pi 3, ktorá nám poskytuje vizuálny kontakt s okolím a vďaka tomuto vizuálnemu kontaktu získavame spätnú väzbu, za pomoci ktorej dokážeme presnejšie riadiť pohyb robota.
 == Popis riešenia ==
@@ Riadok 27: / Riadok 29: @@
 '''Návrh novej končatiny'''
-Po vykonaní analýzy 1 sme zistili, že musíme nanovo navrhnúť nohy robota. Po prekonzultovaní možnosti sme sa rozhodli odstrániť 3. kĺb, ktorý pre náš robotí šprint bol nevyužívaný. V online 3D modelovacom prostredí ThinkerCad sme si tieto nohy navrhli . Nohy sme navrhli tak, že namiesto servomotoru, ktorý tvoril kĺb nohy sme vytvorili spoj medzi jednotlivými článkami nohy. Kvôli odľahčeniu sme pridali do nohy výrez taký, aby nastalo, čo najväčšie odľahčenie a zároveň sa zachovala pevnosť nohy. Následne sme si navrhnuté nohy vytlačili za pomoci 3D tlačiarne.
+Po vykonaní analýzy 1 sme zistili, že musíme nanovo navrhnúť nohy robota. Po prekonzultovaní možnosti sme sa rozhodli odstrániť jeden kĺb, ktorý pre náš robotí šprint bol nevyužívaný. V online 3D modelovacom prostredí ThinkerCad sme si tieto nohy navrhli tak, že namiesto servomotoru, ktorý tvoril kĺb nohy, sme vytvorili spoj medzi jednotlivými článkami nohy. Kvôli odľahčeniu sme pridali do nohy taký výrez, aby nastalo čo najväčšie odľahčenie a zároveň sa zachovala pevnosť nohy. Následne sme si navrhnuté nohy vytlačili za pomoci 3D tlačiarne.
+[[Súbor:Koncatina.png|center|400px]]
+[[Súbor:Predpo1.png|center|400px]]
-[[Súbor:Predpo1.png|center|1000px]]
 '''Implementácia kamery'''
-Keďže náš odhad v analýze a riešení 1 sa neosvedčil, tak sme sa rozhodli vykonať 2. analýzu, v ktorej sme sa rozhodli pre implementáciu kamery, ktorá ponúka spätnú väzbu  s prostredím, v ktorom sa robot nachádza. Jedná sa o kameru Arducam 8 MP Sony IMX219, ktorá poskytuje pohľad rybieho oka. Na upevnenie kamery sme si vytlačili nami navrhnutý držiak, taktiež v prostredí ThinkerCad. Ku kamere bol vytvorený algoritmus, ktorý môžeme vidieť opísaný nižšie.
+Keďže naše riešenie vyplývajúce z analýzy 1 nebolo postačujúce, tak sme vykonali 2. analýzu, v ktorej sme sa rozhodli pre využitie kamery. Tá ponúka spätnú väzbu s prostredím, v ktorom sa robot nachádza. Jedná sa o kameru Arducam 8 MP Sony IMX219, ktorá poskytuje pohľad rybieho oka. Na upevnenie kamery sme si vytlačili nami navrhnutý držiak, taktiež v prostredí ThinkerCad. Ku kamere bol vytvorený algoritmus, ktorý je opísaný nižšie.
+[[Súbor:Kamera.png|center|400px]]
@@ Riadok 44: / Riadok 52: @@
 # 2 tlačidlá
 # Powerbanka
-# Batéria na napájanie motorov
+# Batéria na napájanie servomotorov
 # Kamera pre Raspberry Pi
 === Algoritmus a program ===
-Program na riadenie robota sme vytvorili v programovacom prostredí MATLAB & Simulink 2019a za pomoci podporných balíkov pre Raspberry Pi. V prostredí Simulink, konkrétne v bloku Stateflow, ktorý slúži na tvorbu udalostných systémov, sme ovládali chod jednotlivých servomotorov, a teda sme v ňom vytvorili schému chôdze a bloky, ktoré riadili jeho otáčanie. Z obrazu získaného z kamery sa po spracovaní vyhodnocuje v MATLAB Funkcii, či sa robot nepriblížil k čiare. Ak sa priblíži k pravej alebo ľavej čiare, tak sa pootočí do opačnej strany.
+Program na riadenie robota sme vytvorili v programovacom prostredí MATLAB & Simulink R2019a za pomoci podporných balíkov pre Raspberry Pi. V prostredí Simulink, konkrétne v bloku Stateflow, ktorý slúži na tvorbu udalostných systémov, sme ovládali chod jednotlivých servomotorov, a teda sme v ňom vytvorili chôdzu robota a bloky, ktoré riadili jeho otáčanie. Z obrazu získaného z kamery sa po spracovaní vyhodnocuje v MATLAB Funkcii, či sa robot nepriblížil k čiare. Ak sa priblíži k pravej alebo ľavej čiare, tak sa pootočí do opačnej strany.
+[[Súbor:HexapodSimulink2.jpg]]
-[[Súbor:HexapodSimulink.jpg]]
+Zdrojový kód: [[Médiá:Hexapod2Cam.slx|Hexapod2Cam.slx]]
-Zdrojový kód: [[Médiá:Serial.h|serial.h]] a [[Médiá:Pip.c|main.c]]
-[[Médiá:MojProgram.c|program.c]]
+== Výsledok ==
-=== Výsledok ===
+Na obrázku nižšie môžeme vidieť riadený pohyb robota za pomoci kamery.
-Nezabudnite zdokumentovať výsledok vašej práce. Určite sem patria fotografie, video
-a zhodnotenie ako ste spokojní s výsledkom,
-Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.
+[[Súbor:Walking.gif|center]]
 [[Category:DTV2019]]