Intelligent mobile walking robots cooperation system in industrial environments

5/21/2018 Intelligent mobile walking robots cooperation system in industrial environments

1/172

Universitatea Transilvaniadin Braovcoala Doctoral Interdisciplinar

Departamentul:Autovehicule rutiere i Transporturi

Ing. Alina Ninett PANFIR

TEZ DE DOCTORAT

Conductor tiinific

Prof. univ. dr. ing. Gheorghe-Leonte MOGAN

BRAOV, 2014


2/172


3/172

Investete n oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazatepe cunoatereDomeniul major de intervenie 1.5. Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetriiTitlul proiectului: Burse doctorale pentrudezvoltare durabila BD-DDNumrul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

Ing. Alina Ninett PANFIR

TEZ DE DOCTORATTITLU (romn): Sistem inteligent de cooperare a roboilor mobili

pitori n medii industrialeTITLU (engleza): Intelligent mobile walking robots cooperation

system in industrial environments

Domeniul de doctorat: Inginerie Industrial

Comisia de analiz a tezei:

Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU Preedinte, Universitatea Transilvania din Braov

Prof. univ. dr.ing. Gheorghe MOGAN Conductor tiinific, Univ. Transilvania din Braov

Prof. univ. dr. ing. Adrian PSL Referent oficial, Universitatea Tehnic din Cluj Napoca

Conf. dr. mat. Mircea POPOVICI Referent oficial, Universitatea Ovidius din Constana

Prof. univ. dr. ing. Doru TALAB Referent oficial, Universitatea Transilvania din Braov

Data susinerii: 24/01/2014


4/172


5/172

CUPRINS

PREFA 15

1. INTRODUCERE 17

1.2Necesitatea i justificarea temei 17

1.3 Obiectivele cercetrii 18

1.4 Metodologia i etapele cercetrii 18

1.5 Structura i coninutul tezei de doctorat 20

2. COOPERAREA I COMUNICAREA ROBOILOR MOBILI. STADIUL

ACTUAL 24

2.1 Aspecte generale privind cooperarea n cadrul echipelor de roboi mobili 24

2.1.1 Comunicarea, cooperarea i interaciunea n cadrul echipelor de roboi

mobili 26

2.1.1.1 Cooperarea roboilor mobili 26

2.1.1.2 Comunicarea roboilor mobili 27

2.1.1.2.1 Comunicarea neexplicit fr senzori 27

2.1.1.2.2 Comunicarea neexplicit prin senzori 27

2.1.1.2.3 Comunicarea explicit 28

2.1.1.3 Interaciunile roboilor mobili 28

2.1.1.3.1 Interaciunile robot-mediu 282.1.1.3.2 Interaciunile om-robot 30

2.1.1.3.3 Interaciunile robot-robot 31

2.2 Aspecte privind integrarea echipelor de roboi n medii industriale 33

2.2.1 Funciile i integrarea sistemelor de cooperare cu roboii n mediile

industriale 33

2.2.2 Sisteme de cooperare cu roboi 35

2.2.3 Arhitecturi reprezentative de sisteme de cooperare existente 36


6/172

Cuprins

6

2.2.3.1 Structurile sistemelor de cooperare cu roboi 36

2.2.3.2 Sisteme de cooperare cu roboi reprezentative 37

2.2.3.3 Aspecte privind modelarea i nvarea 38

2.2.3.4 Conflictele de resurse din cadrul unei echipe de roboi 39

2.3 Structura i programarea roboilor pitori 40

2.3.1 Structurile roboilor mobili 41

2.3.2 Mediile de programare a RP de tip Nao 43

2.4 Concluzii 46

3. MODELAREA I NVAREA SECVENELOR DE MANIPULARE

I DEPLASARE A OBIECETLOR CU ROBOI PITORI 473.1 Aspecte generale. 47

3.2 Modelarea mediilor de lucru i a sarcinilor de manipulare 48

3.2.1 Descrierea mediilor de lucru 48

3.2.2 Descrierea operaiilor de manipulare 49

3.3 Manipularea obiectelor de ctre RP 50

3.3.1 Localizarea obiectelor de manipulat 50

3.3.2 Determinarea distanei robot-obiect 53

3.4 Deplasarea robotului pn la obiect 55

3.5 Manipularea local aobiectelor cu RP 57

3.5.1 Capabilitile de micare ale RP de tip Nao 57

3.5.2 Definirea secvenelor elementare de manipulare 58

3.5.2.1 nvarea secvenelor elementare de manipulare local 58

3.5.2.2 nvarea secvenelor elementare de manipulare n micare 60

3.5.3 Testarea i simularea algoritmilor de manipulare i deplasare a

obiectelor 62

3.6 Concluzii 64

4. PLANIFICAREA OPERAIILOR I SARCINILOR DE MANIPULARE I

DEPLASARE 65

4.1 Aspecte generale 65


7/172

Cuprins

7

4.2 Operaii, sarcini i faze 66

4.2.1 Tipuri de operaii, sarcini i faze 66

4.2.2 Operaii, sarcini i faze de manipulare cu RP 69

4.3 Descrierea operaiilor, sarcinilor i fazelor 70

4.4 Algoritmul de planificare a operaiilor i sarcinilor 73

4.5 Testarea i simularea algoritmului de planificare 74

4.6 Concluzii 76

5. SISTEM INTELIGENT DE COOPERARE A ROBOILOR PITORI 77

5.1 Aspecte generale 77

5.2 Sisteme inteligente de aciune n medii industriale 77

5.3 Structura funcional a sistemului de cooperare a roboilor pitori, NaoCoop 80

5.3.1 Structura i funcionarea proceselor offline 82

5.3.2 Structura i funcionarea proceselor online 82

5.3.2.1 Interfeele grafice ale sistemului 82

5.3.2.1.1 Interfaa grafic utilizator 83

5.3.2.1.2 Interfaa grafic de editare a bazei de date 835.3.2.2 Sistemul de comand i control al echipei de RP 84

5.3.2.2.1 Baza de date 84

5.3.2.2.2 Modulul pentru definirea entitilor 86

5.3.2.2.3 Modulul pentru accesul la baza de date 86

5.3.2.2.4 Modulul de comunicare cu robotul Nao 87

5.3.2.2.5 Clasa principal a RP 885.3.2.3 Controlerele roboilor pitori 89

5.3.2.4 Blocul de comunicare i sincronizare 90

5.3.2.4.1 Modulul de comunicare cu robotul Nao 90

5.3.2.4.2 Comunicarea RP prin transmiterea de mesaje client-

server 90

5.3.2.4.3 Comunicarea vocal a RP 92

5.4 Execuia operaiilor i testri n mediul de lucru virtual 94


8/172

Cuprins

8

5.5 Concluzii 96

6. TESTE I EXPERIMENTE CU SISTEMUL NaoCoop 98

6.1 Introducere 98

6.2 Dezvoltarea mediului de lucru 99

6.3 Definirea operaiilor pentru experimente 100

6.4 Elaborarea programului de experimente 101

6.5 Realizarea experimentelor de cooperare pentru manipulare 101

6.6 Procesarea rezultatelor experimentelor de cooperare 103

6.7 Comentarii asupra rezultatelor experimentelor 105

6.8 Concluzii 106

7. CONCLUZII, CONTRIBUII PROPRII, DISEMINAREA

REZULTATELOR I DIRECII DE CERCETARE VIITOARE 108

7.1 Concluzii finale 108

7.2 Contribuii proprii 109

7.3 Valorificarea rezultatelor cercetrii 110

7.3.1 Lucrri publicate 110

7.3.2 Participri la conferine 111

7.3.3 Participri la contracte de cercetare i dezvoltare 111

7.3.4 Stagiu extern 111

7.4 Direcii de cercetare viitoare 112

BIBLIOGRAFIE 113ANEXE 135

Anexa 1. Subprogramul pentru accesarea nregistrrilordin baza de date 136

Anexa 2. Subprogramul pentru gsireaunui NaoMark 141

Anexa 3. Subprogramul pentru deplasarea robotului ctre NaoMark 150

Anexa 4. Subprogramul modulului de comunicare i sincronizarea a RP 155

Anexa 5. Subprogramul pentru manipularea obiectelor 158


9/172

Cuprins

9

Anexa 6. Subprogramul pentru execuia operaiilor 166

EZUMAT 169

CV (lb. roman) 170

CV (lb. englez) 171

DECLARAIE DE AUTENTICITATE 172


10/172

L ISTA F IGURI LOR

F ig. 1.1Schema blocfuncionala sistemului de cooperare dezvoltati implementat 19

F ig. 2.1Roboi industriali: a- fix UNIMATE; b-mobili pitori Nao 24F ig. 2.2Schema bloc de decizie a alocrii unei echipe de roboi 25

F ig. 2.3Conceptul de cooperare a sistemului robotic ACTRESS [Asama, 1989] 26F ig. 2.4Schema interaciunilor roboi-mediu 28

F ig. 2.5Diagrama Venn a interaciunilor robot-robot, robot-mediu 29

F ig. 2.6Schema percepiei mediului de un robotul pitor 29

F ig. 2.7Interaciunea robot-robot prin voce 32F ig. 2.8Sistem HRI. 33

F ig. 2.9Structura general a unui sistem de cooperarecu roboi 34F ig. 2.10Schema general a unui sistem centralizat pe un robot 35

F ig. 2.11Schema general a unui sistem multirobot 35

F ig. 2.12Arhitecturile sistemelor multi-robot: a- centralizat; b- distribuit 37

F ig. 2.13Procese industriale reprezentative de cooperare a roboilor mobili a-

prindere; b- rearanjare; c- manipulare; d- asamblare 38

F ig. 2.14Nivele ierarhice de conducere i programare [Ivnescu, 1994] 40

F ig. 2.15Modele de roboi mobili a- cu enile; b- cu picioare; c- cu roi 42

F ig. 2.16Structura hardware a robotului pitor Nao 43

F ig. 2.17Arhitectura sofware a robotului Nao 44F ig. 2.18Blocurile componente ale softwareului principal NAOqi 45

F ig. 3.1Procese de manipulare: a- manual( intervenie direct;bautomat(intervenie

indirect) 47F ig. 3.2Structura general a unui mediu de lucru [Panfir, 2012b] 48

F ig. 3.3Procesul de manipulare a unui obiect cu RP 49

F ig. 3.4Poziionarea i orientarea RP i a obiectelor n mediul de lucru 50

F ig. 3.5Markere de localizare 51

F ig. 3.6Procesul de identificare Vision cu markeri 51F ig. 3.7Imaginea markerului recepionatde sistemul vision 52

F ig. 3.8Schema logic a algoritmului de localizare 52

F ig. 3.9Programarea grafic a procesului de localizare n mediul de lucru 53

F ig. 3.10Principiul general al vederii stereo 54

F ig. 3.11Schema de calcul a distanei 54

F ig. 3.12Deplasarea robotului pn la obiect 55

F ig. 3.13Schema bloc a algoritmului de deplasare pn la obiect 56

F ig. 3.14Parametrii geometrici ai cuplelor robotului Nao 57

F ig. 3.15Prinderea unui obiect de sus n jos 58


11/172

Cuprins

11

F ig. 3.16Prinderea din stnga a obiectelor 60

F ig. 3.17Ridicarea unui obiect n timpul micrii 60F ig. 3.18Apropierea unui obiect n timpul deplasrii 61

F ig. 3.19nvarea micrii de prindere de jos n sus 62

F ig. 3.20Scenariul de operare pentru testare n mediul real 63F ig. 3.21Scen virtual de manipulare 63

F ig. 4.1Structura general a unui sistem de cooperare cu roboi n echip 65

F ig. 4.2Etapele generale de lucru ale echipei 66

F ig. 4.3Structura general a unei operaii 67

F ig. 4.4Structura operaiei OP6 68

F ig. 4.5 Schema de sarcini elementare componente pentru o operaie a roboilor Nao 69

F ig. 4.6Structura operaiei de manipulare a barelor lungi (l >1,5 m) 70

F ig. 4.7Schema general de planificare a unei operaii 73F ig. 4.8 Schema logic a procesului de execuie a uneioperaii 75

F ig. 4.9Scenariul de simulare a operaiei de manipulare a unui bare de ctre doi RP 76

F ig. 5.1Modele funcionale ale agenilor inteligeni: a- reflexive; b- bazai pe model;

c- bazai pe scop; d- bazai pe utilitate 78F ig. 5.2Modelul funcional alagenilor inteligeni bazai pe nvare 79

F ig. 5.3Schema de pricipiu a unui sistem inteligent 80F ig. 5.4Arhitectura general a sistemul inteligent NaoCoop 81

F ig. 5.5Autentificarea utilizatorului 82F ig. 5.6Interfaa pentru inginer de cunotiine 83

F ig. 5.7Interfaa pentru operator 83F ig. 5.8Pagina de setare a roboilor 83

F ig. 5.9Pagina de setare a datelor de intrare 83

F ig. 5.10Arhitectura sistemului de comand i control al echipei de RP 84

F ig. 5.11 Structura bazei de date 85

F ig. 5.12Librria pentru definirea entitilor, NaoCoopObjects 86

F ig. 5.13Blocul pentru accesul la baza de date: NaoCoopDataAccess 87

Fig.5.14 Librria de comunicare cu robotul Nao (NaoCoopLib) 88F ig. 5.15 Automatul finit al clasei NaoCoopRobot pentru manipulare unui obiect de

ctre doi RP 88

F ig. 5.16Module sofware de baza roboilor Nao 89

F ig. 5.17Roboi Nao simulai n mediul Webots 91

F ig. 5.18 Conectarea roboilorNao din Chroregraphe 91

F ig. 5.19Arhitectura comunicri prin infrarou vs prin transfer de date 92F ig. 5.20Interfaa aplicaiei de comunicare prin transfer de date 92

F ig. 5.21 Schema de sincronizare a RP 93

F ig. 5.22Modulul de recunoatere vocal 94


12/172

Cuprins

12

F ig. 5.23Aplicaia NaoCoopFormsApp 94F ig. 5.24Fereastra Executions a sistemului NaoCoop 95

F ig. 5.25 Selectarea roboilor executani 95F ig. 5.26Fereastra de execuie 96

F ig. 5.27Fiierul text cu evoluia mesajelor de informare 96

F ig. 6.1Etapele procesului de realizare a experimentelor 98

F ig. 6.2Mediul de lucru pentru experimente de cooperare a roboilor Nao 99

Fig.6.3Reprezentarea spaiului de lucru al experimentului de cooperare pentru

manipularea unei bare lungi n: aNAOsim; b- Webots 99

F ig. 6.4Scenariul de lucru asociat operaiilor pentru experimente 100

F ig. 6.5Secvene din traectoriile operaiei OP1 101

F ig. 6.6Secvene din traectoriile operaiei OP2 102

F ig. 6.7Feedback-ul primit constant i n timp real de la roboi n interfaa aplicaiei

NaoCoop 102F ig. 6.8Timpii nregistraipentru indeplinirea cu succes a operaieiOP1 103

F ig. 6.9 Timpii nregistrai pentru ndeplinirea cu succes a operaiei OP2 104


13/172


14/172

L ISTA TABELELOR

Tab. 2.1Caracteristicile echipelor de roboi mobili pitori 34

Tab. 3.1Parametrii geometrici asociai cuplelor RP Nao 58

Tab. 3.2Micri (secvene) elementare de manipulare locale (SL1..p) 59Tab. 3.3Micri (secvene) elementare de manipulare n micare (SM1...q) 61

Tab. 4.1Operaii n medii industriale executabile de RP 67

Tab. 5.1Blocurile componente ale bazei de date 84Tab. 5.2Paii comunicrii prin voce 93

Tab. 6.1Rezultatele obinute la executarea operaiei OP1 103Tab. 6.2Rezultatele obinute la executarea operaiei OP2 104


15/172

15

PREFA

Statisticile din ultimii ani privind numrul de roboi utilizai, att n mediile industrialect i n cele neindustriale, arat sugestiv creteri majore, ducnd la concluzia c roboii auajuns sisteme indispensabile funcionrii societilor de producie i servicii actuale. ntlnii

att n procesele de producie ct i n alte arii de interes precum transporturi, divertisment,medicin, comunicaii, sau agricultur, roboii contribuie la mbuntirea performanelor deintervenie, dar i de raionare n vederea lurii deciziilor.

Roboii actuali sunt nvai cum s lucreze, s se autodepeasc i s relaionezepentru a forma adevratecomuniti. Dorina ca acetia s copieze i s reproduc n proporiect mai mare comportamentul uman este redat n numrul mare de lucrri i experimentedezvoltate n ultima perioad de timp.

Ca rspuns la nevoia efecturii mai rapide i mai exacte a unor operaii complexe i laeliminarea pericolelor ntlnite n procesele de producie actuale s-au dezvoltat echipe deroboi care coopereaz pentru ndeplinirea sarcinilor de lucru. Odat cu evoluia operailorcare trebuie rezolvate n mod semi-automat i automat, echipele de roboi se diversific. Ideeade a dezvolta un sistem robotic colaborativ pentru efectuarea de sarcini complexe n mediiindustriale semi-structurate, nu este nou, dar realizarea acesteia a ntmpinat o serie de

probleme cum ar fi: integrarea echipamentelor hardware, folosirea unui sistem senzorialcapabil s trimit la unitatea de procesare semnale despre mediul de lucru, folosirea unei sursede energie care s asigure o funcionare continu pe o durat de timp determinat, evitareaobstacolelor n timpul micrilor roboilor, sincronizarea sarcinilor executate de roboi,asigurarea unei interaciuni robot-robot ct mai naturale, limitarea situaiilor nesigure, etc.

Pentru a soluiona problemele menionate mai sus, se propune implementarea npractic a atributului specific uman de cooperare. Spre deosebire de sistemele de roboimobili care au fost programai s execute sarcini independent unul de cellalt, dar care n cele

din urm a dus la ndeplinirea unor operaii simple, roboii capabili de a executa sarcini princooperare nu mai sunt limitai la execuia doar de sarcini simple, ci pot participa la activiticomplexe, care necesit flexibilitate mrit i adaptare. Continund pe ideea de cooperare nechip, cele mai folosite metode de cooperare aplicate n domeniul roboticii presupuncomunicarea direct, prin voce sau prin semnale n infrarou sau wireless. Aceste tehnici suntaplicate n aceast lucrare i sunt folosite pentru a rezolva problema de manipulare aobiectelor care nu pot fi manipulate de ctre un singur robot, situaii des ntlnite n proceseletehnologice.

Pentru verificarea algoritmilor de cooperare realizai n timpul cercetrii efectuate s-aales folosirea mediilor virtuale (Webots, NAOsim). Simularea scenariilor n mediile virtuale

prezint numeroase avantaje, n comparaie cu testarea direct a algoritmilor implementai n

mediul real. Utilizarea mediilor de testare virtual reduc ansele de accident, eliminnumeroasele costuri legate de folosirea unor echipamente costisitoare, reduce timpul detestare, crete numrul de utilizatori care pot opera sistemul cooperativ, iar interaciunea om-echip este cvasi apropiat de realitate. n urma avantajelor prezentate mai sus, n cadrultestelor realizate, au fost concepute i implementate scenarii de cooperare cu roboi mobili

pitori Naon diferite medii virtuale.Din punct de vedere al interaciunii om-echip de roboi n lucrare se evideniaz

relaiile care apar ntre operatorii umani i echipa de roboi, n timpul colaborrii lor directe.n cazul n care un operator uman dorete s lucreze cu o echip de roboi mobili, dezvoltareaunei interaciuni ct mai naturale, uoare i mai satisfctoare pentru operator este onecesitate, mbuntirea acesteia duce la creterea productivitii muncii, mai ales n

execuia unor operaii complexe directe n timp real. ndomeniul roboticii au fost efectuatecercetri intense n ceea ce privete folosirea de interfee alternative de interaciune a


16/172

Prefa

16

operatorului cu robotul/echipa de roboi. n aceastlucrare sunt concepute diferite interfee decontrol a echipei de roboi, ca tehnici de interaciune om-echip adecvate sistemului decooperare dezvoltat.

Sistemul dezvoltat n cadrul acestei lucrri permite realizarea unei comunicaii simplei necostisitoare care s permit cooperarea a doi roboi pitori (cu posibilitatea deextinderectre o echip format din mai muli roboi) n vederea ndeplinirii unor sarcini complexe.Timpul de rspuns rapid al sistemului i modul de interaciune a roboilor echipei permitdezvoltarea cu succes de aplicaii pentru monitorizarea, manipularea, deplasarea de obiectesau chiar asamblarea unor componente n mediul industrial.

Doresc s mulumesc conductorului tiinific, profesorul universitar Gheorghe-LeonteMogan, pentru sprijinul acordat continuu pe tot parcursul stagiului doctoral. Sunt, deasemenea, profund ndatorat colegilor de cercetare Informatic Virtual i Robotic, pentrusuportul acordat n ultimii 3 ani. Nu n ultimul rnd, mulumesc familiei mele pentru siguranai nelegerea oferite pn n acest moment al vieii, precumi celorlalte persoane dragi dinviaa mea.

Ianuarie, 2014

Drd. ing. Alina Ninett PANFIR


17/172

17

1.INTRODUCERE

1.1 ASPECTE GENERALE

Odat cu apariia i evoluia roboilor, aplicaiile din lumea real care pot fi soluionate

prin sisteme robotizate au devenit din ce n ce mai complexe i provocatoare. Multe dintreaceste aplicaii au loc n medii dinamice care necesit capaciti distribuite de funcionare, despaiu i/sau de timp. n astfel de aplicaii sunt utilizai roboi care s execute lucrrile caresunt periculoase pentru oameni, plictisitoare, grele sau dificile. Cei mai muli roboi folosii

pentru aceste tipuri de sarcini se regsesc n diverse domenii, precum cel auto, medical,industrial, social etc., existnd astzi un numr de peste un milion de roboi care lucreaz naplicaii practice.

Multe cercetri din ultimii ani care au tratat aplicaii robotice au abordat problemelelegate de echipele de roboi autonomi i cooperarea multi-roboi; ns se poate spune ctehnologiile actuale n robotic sunt nc departe de a atinge cerinele impuse de aplicaiilecomplexe (manipulare, transport sau monitorizare) ntlnite n mediile industriale.

Complexitatea proiectrii unei cooperrii sigure i precise n cadrul unei echipe deroboi mobili este principalul motiv din cauza cruia astfel de aplicaii nc sunt n plindezvoltare, nefiind nc rezolvate n totalitate. Bond i Gasser descriu n lucrarea [Bond,1998] problemele de baz ale directivei privitoare la sistemele multi-robot, printre care seenumerurmtoarele:

Cum se poate formula, descrie, descompune sau aloca probleme i sarcinile ntr-ungrup de ageni inteligeni?

Cum se poatepermite agenilor s comunice i s interacioneze? Cum se asigurc agenii acioneaz coerent n aciunile lor? Cum se poatepermite agenilor s recunoasc i s reconcilieze conflictele?

Studiile prezentate n continuare, aduc contribuii la concepia i implementarea unuisistem de cooperare cu roboi cu algoritmi originali de cooperare, planificare i control, nscopul folosirii echipelor de roboilor mobili ca sisteme inteligente care opereaz n mediileindustriale.

1.2 NECESITATEA I JUSTIFI CAREA TEMEI

Necesitatea tematicii tezei de doctorat vine din nevoia de cretere a productivitii ide uurare a muncii omului prin introducerea unor sisteme robotice mobile flexibilecooperative, capabile s comunice i s se sincronizeze pentru realizarea de operaii complexentr-un mod ct mai natural i asemntor comportamentului uman. Abordarea acestei teme a

fost determinat i de necesitatea controlului echipelor de roboi pitori (RP) universali cares execute activitile n mediile industriale la un nivel evoluat, care s nu necesite interveniaoperatorului uman n luarea deciziilor sau gestionarea sarcinilor de ndeplinit.

n prezent, abordarea i utilizarea echipelor de roboi pentru realizarea de activiti nmedii industriale ntmpin o serie de limitri i de probleme nc nesoluionate total precum:comunicarea ntre agenii echipei, percepia mediului de lucru, interaciunea robot-robot,

planificarea bazat pe sarcini, interaciunea utilizator-echip. Programarea clasic a echipelorde roboi, inclusiv a celor care cuprind i roboi nu rspunde ntrutotul tendinelor actuale deintegrare a acestora n mediile industriale, care implic execuia de operaii care nu ar putea firealizate de un singur robot (de ex. manipularea unei bare foarte lungi i de greutate mare).

Pentru eliminarea dezavantajelor specificate s-a considerat oportun realizarea decercetri privind conceperea unor sisteme robotice n echip, cu precdere bazate pecooperare, care au la baz comunicri evoluate ale membrilor echipei i a operatorului cu


18/172

Capitolul 1

18

echipa, precum i un nivel ridicat de flexibilitate i eficien n execuia operaiilor complexeimpuse. Aceast abordare presupune dezvoltarea de noi algoritmi de cooperare i decizie,care, prin implementare confer sistemului dezvoltat valene de sistem inteligent.

Ca urmare a justificrilor prezentate, dezvoltarea de cercetri privind cooperarearoboilor mobili presupune concepia, dezvoltarea, implementarea i testarea de algoritmidedicai, precum i studii de simulare i testare privind integrarea n practic bazat pe

posibiliti de comunicare diverse.

1.3 OBIECTIVELE CERCETRII

Obiectivul principal al tezei de doctorat este studiul, concepia, dezvoltarea,implementarea i testarea unui sistem inteligent de cooperare pentru echipele de RP careexecut activiti complexe n medii industriale.

Obiectivele specifice: analiza bibliografic asupra cercetrilor teoretice i experimentale n domeniul echipelor

de roboi mobili pitori integrabili n medii industriale precum i a tehnicilor decooperare, comunicare i interaciune; concepia i dezvoltarea unei baze de secvene n care se regsesc toate secvenele

elementare ale roboilor pitori nvate anterior; concepia i dezvoltarea unei baze de cunotine n care se regsesc toate regulile de

producie necesare modulului de planificare; concepia, dezvoltarea i implementarea unui sistem inteligent pentru identificarea

operaiei din baz corespunztoare cerinelor operatorului uman i alocarea roboilornecesari execuiei operaiilor;

concepia i dezvoltarea unui sistem de comunicare bazat pe comunicare vocal aroboilor mobili n medii industriale;

concepia, dezvoltarea, implementarea i testarea unui subsistem de sincronizare aroboilor pitori, subsistem necesar n procesul de cooperare;

implementarea unui sistem inteligent de cooperare ; testarea prin experimente, att n medii virtuale ct i n realitate, a sistemului inteligent

dezvoltat; integrarea de noi interfee om-echip roboi ca mijloace de comunicare, control i

interaciune a operatorilor umani cu echipa, n timpul proceselor executate n mediul delucru.

1.4 METODOLOGIA I ETAPELE CERCETRII

Pornind de la obiectivele impuse prezentate mai sus i de la analiza bibliograficasupra realizrilor teoretice i experimentale din domeniul roboticii mobile (v. cap. 2), s -aconceput, dezvoltat i implementat un sistem inteligent integrat (fig. 1.1) n care s -au definitnc de nceput, locul i rolul cercetrilor realizate, dar i modul de implementare arezultatelor acestora n practic. Astfel, n fig. 1.1 se evideniaz blocurile principalecomponente ale sistemului NaoCoop dezvoltat: nvarea secvenelor elementare (v. cap. 3)

i Planificarea inteligent (v. cap. 4), ca rezultate principale ale cercetrilor teoretice demodelare i nvare a roboilor pitori de secvene elementare de manipulare; algoritmizareai implementarea planificrii secvenelor n cadrul unei echipe de roboi pitori dotate cudiferite capaciti careopereaz n medii industriale.

Pentru concepia, dezvoltarea i implementarea unui sistem hard-software nou serealizeaz cercetri amnuniteprivind implementarea pe platforme software i hardware


19/172

Introducere

19

existente (v. cap.5). n vederea validrii rezultatele cercetrilor teoretice a sistemuluiconceput, au fost implementate teste pentru o echip de roboi format din doi roboi Nao (v.cap.6). Datorit faptului c noul sistem necesit i noi ci de comunicare/control, s-audezvoltat i prezentat diferite mijloace i dispozitive alternative de interaciune a roboilor dinechip i a operatorului cu roboii.

Cercetrile realizate n cadrul acestei lucrri au fost direcionate spre cretereanivelului de inteligen la nivel de echip de roboi pitori, dotai cu diferite caracteristici,folosii pentru diverse operaii ce au loc n medii industriale i care nu pot fi realizate iexecutate de ctre un singur robot. Astfel, se impune ca sistemele de conducere ale acestorechipe de roboi s fie mbuntite cu un nivel superior de conducere i programare, ceea ce a

presupus dezvoltarea unei interfee evoluate n care cerinele utilizatorului mpreun cuinformaiile stocate ntr-o baz de cunotine ajut la procesele de raionare realizate desistemul de inferen dedicat. Sistemul de cooperare dezvoltat n cadrul acestei lucrrifuncioneaz dup 3 trasee distincte:

nvarea secvenelor elementare de ctre roboii echipei, presupune reproducereaprin demonstraie a diferitelor secvene de manipulare identificate n mediile industriale(rezultate n urma cercetrilor), simularea i testarea acestora n medii virtuale,evaluarea/validarea i stocarea rezultatelor n baza de secvene.

Planificarea operaiilor i a sarcinilor const n, alocarea prin raionare a secvenelor

elementare n cadrul echipei de roboi pe baza regulilor de producie din baza de cunotine.Ca date de intrare ale acestui traseu sunt cerinele utilizatorului pentru a putea identifica din

ECHIPA DE ROBOI

MEDIUL DE LUCRU

NVAREASECVENELOR

PLANIFICAREAFAZELOR, SARCINILOR

I OPERAIILOR

SIMULARE I TESTAREN MEDII VIRTUALE

BAZA DE CUNOTIINE

SISTEM DECOMAND I

CONTROL

PLAN DE OPERAII

MODELAREASARCINILOR IOPERAIILOR

Inginer de cunotiine

User

Planificare inteligent

BAZA DESECVENE

Fig. 1.1 Schema bloc funcional asistemului de cooperare dezvoltat i implementat


20/172

Capitolul 1

20

cunotine existente, fluxul secvenelor elementare pe care trebuie s i le execute cei doiroboi sincronizai.

Sistemul de comand i controlal echipei de RP reprezint partea central a sistemuluidezvoltat care coordoneaz toate aciunile roboilor conform planului operaiei curente; n

plus, n cadrul acestui subsistem sunt gestionate codurile de eroare i mesajele. n cadrulacestui sistem a fost dezvoltat i modulul de sincronizare al roboilor pitori, bazat pe unlimbaj de comunicare vocal, pentru a dezvolta o comunicare ct mai natural, asemntoarecomportamentului uman.

n decursul elaborrii tezei de doctorat cercetrile dezvoltate au avut pe de-o parte uncaracter teoretico-aplicativ, prin parcurgerea succesiv a etapelor de cercetare teoretic urmatede simulri care au demonstrat funcionalitile dorite, i, pe de alt parte, au un caracterexperimental-aplicativ, prin parcurgerea de etape de implementare n cazul situailor practice,urmnd cercetrile experimentale pentru a valida rezultatele.

1.5 STRUCTURA I CONINUTUL TEZEI DE DOCTORAT

Lucrarea de doctorat este structurat n 7 capitole, conine un numr de 85 figuri, 9tabele, 233 de referine bibliografice i 6 anexe.n capitolul 1, Introducere,sunt descrise aspecte generale legate de studiul propus n

aceast tez de doctorat. Prima parte a capitolului descrie i justifica temapropus, pornindu-se de la dorina de facilitare i eficientizare a integrrii echipelor de roboi pitori n mediilede lucru industriale, prin construirea acestora ca sisteme inteligente, bazate pe cooperare, care

presupune totodat o comunicare i o sincronizare a roboilor, ce conduc la plusuri deflexibilitate i adaptabilitate. n continuare este definit obiectivul principal al tezei: studiul,concepia, dezvoltarea i implementarea unui sistem inteligent de cooperare pentru roboimobili pitori care execut activiti n medii industrialeprecum i 8 obiective specifice:analiza bibliografic asupra cercetrilor teoretice i experimentale n domeniul echipelor de

roboi mobili pitori; concepia i dezvoltarea unei baze de secvene n care se regsesctoatesecvenele elementare ale roboilor pitori nvate anterior; concepia i dezvoltarea unei

baze de cunotine n care se regsesc toate regulile de producie necesare modulului deplanificare; concepia, dezvoltarea i implementarea unui sistem inteligent pentru identificareaoperaiei din baz corespunztoare cerinelor operatorului uman i alocarea roboilor necesariexecuiei operaiilor; concepia i dezvoltarea unui sistem de comunicare care are baz pe ointeraciune vocal a roboilor mobili n medii industriale; concepia, dezvoltarea,implementarea i testarea unui subsistem de sincronizare a roboilor pitori, subsistemnecesar n procesul de cooperare; implementarea sistemului de cooperare inteligent ; testarea

prin experimente, att n medii virtuale ct i n realitate, a sistemului inteligent dezvoltat;integrarea de noi interfee om-echip roboi ca mijloace de comunicare, control iinteraciune a operatorilor umani cu echipa, n timpul proceselor executate n mediul de lucru.

n vederea evidenierii etapelor de cercetare, precum i a integrrii rezultatelor ntr-unansamblu unitar, este prezentat metodologia i etapele de lucru prin intermediul unei scheme

bloc care st la baza unui nou sistem inteligent de cooperare.n capitolul 2,Cooperarea roboilor mobili. Stadiul actual, prezint sintetic aspecte

privind cooperarea i comunicarea roboilor mobili, cooperarea om-robot, mediu-robot irobot-robot, mpreun cu particularitile constructive de conducere i de programare aacestora, cu referire la roboii pitori Nao aflai n dotarea centrului de cercetare deInformatic Virtual i Robotic ce au fost utilizai pentru realizarea cercetrilorexperimentale.

n urma analizei critice, s-a constatat c implementarea unui sistem de cooperare bazatpe comunicarea vocal a agenilor echipei din mediile industriale reprezint un pas naintectre sistemele actuale cele mai dezvoltate de interaciune robot-robot, la care pot fi incluse i


21/172

Introducere

21

alte modaliti de comunicare prin unde n infrarou i wireless. La finalul acestui capitol, suntdelimitate problematicile actuale care necesita a fi rezolvate de aceast cercetare, cu precderecentrate pe cooperarea roboilor pitori pentru operaii de manipulare i deplasare

Implementarea unui astfel de sistem de cooperare bazat pe interaciunea vocal aagenilor echipei din mediile industriale reprezint un pas nainte ctre sistemele act uale celemai dezvoltate de interaciune robot-robot, la care pot fi incluse i alte modaliti deinteraciune pe lng capacitatea de interaciune n limba englez. Pe baza acestui sistem deinteraciune pot fi apoi realizate cercetri suplimentare, utiliznd diferite module de percepiea mediului nconjurtor.

La finalul acestui capitol, sunt delimitate problematicile actuale privitor la cooperarearoboilor mobili care necesit a fi rezolvate de aceast cercetare. n consecina celor

prezentate se evideniaz tendina de concepie i dezvoltare a acestora ca sisteme inteligente,cu capaciti evoluate de comunicare i de interaciune, care s permit executarea de operaiicomplexe compuse din sarcini nvate n prealabil. Implementarea i dezvoltarea de mediivirtuale ofer operatorului posibilitatea de a simula i testa sarcinile programate prin nvarenainte de a le executa n realitate, precum i concepia i implementarea unor interfee de

interaciune om-echipa.n capitolul 3,Modelarea i nvarea secvenelor de manipulare i deplasare aobiectelor cu roboii pitori,sunt prezentate pentru nceput procesele de modelare i nvarea secvenelor elementare de manipulare local i n micare, deplasarea roboilor n mediul delucru i identificarea obiectelor, secvene necesare la construirea operaiilor echipelor deroboi pitori prezentate n cap 5.

nvarea prin demonstrare a acestor secvene au la baz urmtoarele etape: concepiastructurilor secvenelor, nvarea secvenelor, generarea mediului virtual, testarea ievaluarea virtual i stocarea n baza de secvene. nvarea roboilor Nao secvene demanipulare elementare a obiectelor, s-a realizat specific pentru fiecare grup de obiecte demanipulat n parte, conform mrimi i caracteristicii acestora (greutate, form i poziie). n

ultima parte a capitolului s-au dezvoltat teste pornind de la diferite cazuri de localizare aobiectelor n mediul de lucru i de manipulare a acestora. Testarea algoritmilor concepui idezvoltai s-a realizat i n mediul virtual Webots.

n capitolul 4, Planificarea operaiilor i sarcinilor de manipulare i deplasare seprezint algoritmul de planificare a operaiilor i sarcinilor de manipulare pentru o echip deRP care i desfoar activitatea n mediul industrial. Acest algoritm utilizeaz secveneelementare nvate prin demonstrare. n acest capitol se descrie detaliat modele de operaii de

baz care pot aprea ntr-un mediu industrial general, structura acestora, operaii/sarcini/fazei secvenele pe care le pot ndeplinii RP. Planificarea i alocarea secvenelor elementare nechipa de RP are loc dup reguli de producie IF condiie THEN aciune, stabilite pe bazadatelor de intrare primite de la utilizator.

Metodologia de dezvoltare a algoritmului de planificare a unei operaii presupuneparcurgerea succesiv a urmtoarelor etape: analiza cerinelor de intrare primite de lautilizator; definirea i identificarea operaiei dorite i a numrului de roboi necesari execuieiacesteia i divizarea operaiei n sarcini, faze i respectiv secvene elementare pe bazaregulilor de producie definite n baza de cunotine.

n capitolul 5,Sistemul inteligent de cooperare a roboilor mobili Naocoop, esteprezentat n prima parte un studiu bibliografic a sistemelor inteligente existente, dup careeste descris sistemul NaoCoop, fiind explicate pe rnd toate blocurile componente ale

proceselor online: interfaa de control user-sitem, baza de date, sistemul de comand icontrol, controlerele roboilor Nao i blocul de cooperare i sincronizare. Acest capitolrspunde obiectivelor specifice ale tezei de concepie, modelare, algoritmizare iimplementare a unui sistem inteligent de cooperare a RP. Interfaa prietenoas de care dispuneutilizatorul/inginerul de cunotinepermite i conducerea echipei de RP de la distan. Baza


22/172

Capitolul 1

22

de date conine toate informaiile necesare pentru a efectua operaii complexe, iar sistemul decomand i control al echipei de RP reprezint partea central a sistemului NaoCoop carecoordoneaz toate aciunile roboilor conform planului operaiei curente.

Avantajul sistemului implementat n aceast tez este reprezentat de uurina cu care oechip de roboi este comandat de un utilizator, modul de interpretare a sarcinilor inaturaleea de execuie a operaiei de ctre echipa de roboi printr-o comunicare vocal.

n capitolul 6, Teste i experimente cu sistemul NaoCoop,sunt concepute i realizate,n coresponden cu cercetrile teoretice, experimente de manipulare pentru testareasistemului de cooperare dezvoltat precum i a rezultatelor obinute cu acesta. Pentruexperimentele de cooperare au fost parcurse urmtoarele etape: dezvoltarea mediului de lucru

pentru experimente, definirea operaiilor pentru experimente, elaborarea programului deexperimente, realizarea experimentelor i analiza rezultatelor obinute.

Pentru testarea sistemului NaoCoop, operaii complexe de manipulare a obiectelor dedimensiuni mari i grele au fost realizate. S-a optat n urma testrii, pentru o comunicarevocal ntre roboii echipei pentru transmiterea de informaii unul altuia. Dezavantajul majoral transmiterii informaiilor/cererilor prin infrarou ntre roboi constatat n urma acestor teste,

este faptul ca exist posibilitatea ca datele s nu se transmit i s se piard este mare iprogramarea acestora se face ntr-un mod mai greoi.n cea de a doua parte a capitolului 6 a fost conceput i implementat un experiment

pentru evaluarea calitii sistemului NaoCoop i a interaciunii om-echip n medii reale defuncionare. Rezultatele experimentelor efectuate sunt consecina procesrii datelor colectatede la 15 subieci cu ajutorul unui chestionar care conine date legate de utilizator (informaii

biologice i de pregtire), de specificul experimentului (percepia cooperri roboilor i ainteraciunii utilizatorului cu aplicaia/roboii) i de evaluare a calitii acesteia. n urma

procesrii i analizei rspunsurilor, rezult faptul c interaciunile om-echip i robot-robotsunt comparate cu cele reale i foarte naturale, de unde i justificarea tendinelor actuale deimplementare a acestor sisteme.

Pe parcursul experimentelor reale au fost depistate printr-o monitorizare detaliata adeplasrii roboilor n mediul de lucru, o serie de neconcordane ntre mediul virtual dezvoltati cel real, care au condus la modificarea i adaptarea programrii execuiei secvenelor dectre roboi n medii i condiii care nu sunt ideale. Implementarea n mediul real, pe echipade roboi Nao, valideaz eficiena i avantajele sistemului conceput, dezvoltat i implementat.

n capitolul 7, Concluzii, contribuii proprii, valorificarea rezultatelor i direcii noide cercetare,sunt prezentate concluziile finale, contribuiile originale proprii, diseminarearezultatelor tiinifice obinute n urma studiului (reprezentate prin lista de lucrri publicate,

participarea la conferine internaionale i implicarea n cadrul contractelor de cercetare),precum i direcii viitoare de cercetare. Printre cele mai importante contribuii proprii seenumerurmtoarele:

-

Analiza critic a studiilor teoretice i experimentale din testarea de specialitateprivind funciile i modulul de integrare a echipelor de roboi mobili n mediiindustriale, precum i stadiul actual al cercetrilor n domeniul cooperrii roboilori a echipelor de roboi.

- Concepia, dezvoltarea i implementarea unui algoritm de deplasare cu calibrare aroboilor pitori n medii industriale.

- Conceperea unei baze de secvene elementare prin nvarea roboilor pitori prindemonstrare.

- Concepia, dezvoltarea i implementarea sistemului inteligent NaoCoop,care are

la baz algoritmul de cooperare prin sincronizare bazat pe comunicare vocal.


23/172

Introducere

23

- Metodologia de dezvoltare a unui sistem de simulare i testare n medii virtuale afuncionrii algoritmilorsistemuluiNaoCoop.

- Concepia, dezvoltarea i implementarea unui algoritm de planificare inteligent aoperaiilor i sarcinilor de manipulare a unei echipe de roboi pitori pe bazaregulilor de producie stocate n baza de cunotine.

-

Concepia, dezvoltarea i implementarea unor interfee grafice bazate pearhitecturi care integreaz toate componentele sistemului, nregistreaz i

prelucreaz datele aflate n baza de date , pentru o conducere a echipelor de roboin timp real.

- Dezvoltarea, concepia i implementarea unei metode de sincronizare a roboilorpitori ce are la baz un algoritm de recunoatere vocal.

- Programe i metodologii de experimentarepentru evaluarea i validarea sistemuluiinteligent de cooperare elaborat i a rezultatelor teoretice obinute.

- Metoda de evaluare a performanelor sistemului NaoCoop i a interaciunii om-

echip la executarea unor operaii complexe n medii industriale.- Concepia, dezvoltarea i implementarea unei interfee om-echip de roboi bazat

pe o arhitectur care unete toate componentele sistemului;- Dezvoltarea unei metode de sincronizare a roboilor pitori ce are la baz un

algoritm de recunoatere vocal implementat.- Programe i metodologii de experimentare pentru evaluarea i validarea sistemului

inteligent de cooperare elaborat i a rezultatelor teoretice obinute.n urma studiilor realizate, n finalul acestui capitol, se evideniaz trei direcii viitoare

de continuare a cercetrii i anume: cooperarea roboilor prin mai multe tipuri de comunicriimbricate n acelai sistem precum: conducerea unei echipe de roboi pentru cooperare,format din diferite modele i tipuri de roboi, cu diferite capaciti; dezvoltarea de scenarii

pentru realizarea de operaii complexe n care exist obstacole mobile i cretereacomplexitii operailor echipei de roboi; studii privind interfee multimodale de comunicareom-roboi corelate cu noile tendine de programare cognitiva roboilor.


24/172

2.COOPERAREA ROBOILOR MOBILI. STADIUL

ACTUAL

Cercetrile tiinifice iniiate n jurul anilor 1920 privind mainriile sub denumirea deautomate (termen care provine din limba greac automatos, ce nseamn a se mica singur)

au constituit nceputul fundamentrii roboticii. La acea vreme automatele nu puteau executadect cte un singur obiectiv/sarcin, fiind constrnse de caracteristicile acestora i destructura lor. Odat cu apariia i evoluia roboilor ca automate evoluate, cercetrile ndomeniu s-au dezvoltat atat n mbuntirea continua performanelor sistemelor hardware(electrice, mecanice i hidraulice), ct i a celor software (programele de control iconducere). Din prima generaie de roboi mobili aprui, se evideniaz sistemul Elmer iElsie construit de William Grey n anul 1948, format dintr-un grup de triciclete care se puteaundrepta spre o surs de lumin recunoscnd obiectele.

Anul naterii propriu-zis a robotului industrial, este marcat de apariia robotuluiindustrial fix UNIMATE (fig. 2.1,a) n anul 1956, dezvoltat de ctre cercettorii GeorgeDevol mpreun cu Joseph Engelberger, robot implementat mai nti pentru montarea deiconoscoape pentru televizoare, urmnd apoi altele n industria automobil. Apariia robotuluiindustrial a rezultat n urma existenei anumitor limitri n flexibili tatea gradului deintervenie aomului n procesele de producie. n ultimii ani, evoluia roboilor ce acioneazn medii industriale, ct i n domenii nemanufacturiere cu spaii de aciune mari s-aconcretizat prin implementri de roboi mobili (fig.2.1,b).

2.1 ASPECTE GENERALE PRIVI ND LUCRUL ECH IPAROBOILOR MOBIL I

n ultimul secol s-a observat un interes crescut pentru domeniul de cercetare asistemelor compuse din roboi mobili care coopereaz. Muli cercettoriau dezvoltat i ncdezvolt studii i aplicaii de cooperare a roboilor din echipe cu dorina de a putea reproducentr-un final comportamentul uman, fr a fi necesar intervenia operatorului n luareadeciziilor.

Echipele de roboi mobili au aprut ca rezultat firesc a unor limitri legate decomplexitatea operaiilor ce puteau fii executate, de flexibilitatea redus pe care o permiteausistemele robotice vechi i datorit limitrilor legate de gradul de intervenie al omului n

a b

F ig 2.1 Roboiindustriali: a- fix UNIMATE; b-mobili pitori Nao


25/172

Cooperarea roboilor mobili. Stadiul actual

25

procesele de producie. Studiile privind dezvoltarea echipelor de roboi pitori au fostdeterminate de urmtoarele cerine:

complexitatea mrit a sarcinilor de realizat, deseori imposibil de executat de un singurrobot;

obinerea de performane mai bune (costuri reduse i/sau timpi optimi) dect n cazul

folosirii unui singur robot mobil; posibilitatea de implementare cu uurin a aplicaiilor complexe.Cooperarea (fig. 2.2) mai multor agenipresupune comportamentul de a opera

mpreun pentrua participa la elaborarea unei opere sau la realizarea unei sarcini; a colabora;a conlucra. Diferite definiii ale termenului de cooperare se regsesc n literatura despecialitate:

a. cooperarea este o form de interaciune ntre agenii unei echipe,de obicei, bazat pecomunicare [Kovacs, 2011];

b. cooperarea reprezint comportamentul de colaborare, ndreptat spre un scop/rezultat,n care exist un interes comun sau o recompens pentru agenii echipei[Balakirsky, 2007];

c. cooperarea pentru realizarea unui lucru mpreun de ctre roboii unei echipe cu

scopul crerii unui rezultat mbuntit, cum ar fi creterea performanei sau economisireatimpului [Gifford,2008];

Operaie

Se poateexecuta de ctre

un singurrobot?

Executsarcinile

DA

Alocareroboi

NU

Executsarcina 1

Executsarcina 2

Executsarcina N

Stop

Cooperare

F ig 2.2Schema bloc de decizie a alocrii unei echipe de roboi

Din definiiile identificate n lucrrile de specialitate se evideniazo gama larg deposibile perspective motivante pentru analizarea i studierea cooperrii n cadrul echipelorde roboi mobili. De exemplu, definiia de la punctul (a) reflect o concentrare asupra tipurilorde comunicri, informaii i resurse care se pot identifica n cadrul unei cooperri ntr-oechip de roboi i totodat de studii legate de problemele cum ar fi corectitudinea i toleranala erori. Definiia de la punctul (b) descrie cooperarea, ca fiind o descompunere a sarcinilor n

vederea executrii unei operaii comune, punndu-se accentul pe alocarea sarcinilor, precumi alte probleme de inteligen artificial distribuit, de exemplu, nvare sau raionare. ncele din urm, definiia (c) reflect o preocupare cu msuri cuantificate de cooperare avnd carezultat final o mbuntire a timpului pentru a finaliza cu succes o activitate propus. Astfel,n aceste definiii se identific trei importante fundamente care se vor regsi n lucrare i n

jurul crora se nvrte ntregul topic al lucrrii: operaia/sarcina/faza/secvena, mecanismul decooperare, precum i performana sistemului.

n prezent, exist diverse tehnologii ce permit ca echipele de roboi pitori s fiecontrolate de la distan. Termenul de telerobotic este frecvent folosit pentru a desemnaaplicaii bazate pe controlul web, cum ar fi, aplicaiile de teleoperare care pot fi executate n

interior, sau s fie lansate ntr-un browser web. Tot ce au aceste aplicaii n comun este faptulc, atta timp ct maina utilizatorului are un browser compatibil, se permite accesul laaplicaie prin internet [Zub, 2010].n ultimii ani sistemele bazate pe aplicaii web au crescut


26/172

Capitolul 2

26

ntr-un mod prin care principalele faciliti robotizate au dezvoltat aplicaii care permitaccesul la cel puin unul dintre roboi printr-o interfa web [D. Lopez, 2009].

O abordare similar, n controlul roboilor folosind o interfa web, a fost prezentatde ctre Gilbert n lucrarea [Gilbert, 2001; Panfir, 2011], sistemul oferind unei persoane cuhandicap capacitatea de a descrie sarcinile pe care un robot ar trebui s le desfoare napartamentul su, diferena fiind simplitatea sarcinilor care sunt transmise unui robot i faptulc nu permit roboilor s coopereze n realizarea de sarcini mai complexe.

Ideea de roboi cooperani pare s fi ctigat interesul oamenilor de tiin n ultimavreme, mai multe lucrri fiind scrise peaceast tem, [Kiener, 2010; Jing Li, 2011]. Jing Li adezvoltat algoritmul multi-scop Q-learning care permite echipelor de roboi s cooperezeprinnvare. Cooperarea ntr-o echip de roboi, de exemplu, ntr-o aplicaie de fotbal, este princomplexitatea ei o provocare pentru cei care trateaz acest domeniu [Atkinson, 2009; Lau,2011]. Aspecte privind cooperarea se regsesc de asemenea n lucrri de specialitate privitorla controlul roboilor [Chen, 1997; Barberd, 2011] sau controlul unei echipe de roboi folosindinterfee web [Jankoch, 2008]. Aceast tem nu a fost dezvoltat ntr-un singur domeniu,acoperind un numr mare de domenii: industrial [Zubia, 2010; Doulgeri, 2006], educaional

[D. Fabri, 2004; Hiraishi, 1998] i social [Minamide, 2007]. Alocarea sarcinilor ntr-o echipde roboi a fost i este un subiecttratat de muli oameni de tiin [Dahl, 2009; Elango, 2011],fiecare dorind s rezolve aceast problem prin dezvoltarea de modele matematice dedicate.

Spre deosebire de lucrrile menionate mai sus, care evideniaznoi interfee web cutehnologie de ultim or [Jan Koch, 2009; Javier Zubia, 2010; Panfir, 2012c] sau care serefer la ntrzierile care pot aprea n timpul comunicrii prin intermediul internetului[Madrigal, 2007] alte lucrri se concentreaz pe problemele legate de coordonare icomunicare, care pot aprea ntr-un sistem multi-agent [Marin, 2005], dei n unele cazuri serezum la realizarea unor sarcini simple [Saqueira, 2005].

2.1.1 COMUNICAREA, COOPERAREA I INTERACIUNEAN CADRUL ECH IPELORDE ROBOI MOBILI

2.1.1.1 COOPERAREAROBOILOR MOBILI

Definiia cooperrii roboilor n cadrul unei echipe, mbinnd cele trei cerinemenionate mai sus presupune : un comportament interactiv pentru ndeplinirea cu succes a

unor operaii complexesub conducerea unui sistem de comand i control care se bazeaz pe

Fig 2.3Conceptul de cooperare a sistemului robotic ACTRESS [Asama, 1989]


27/172


27

modulele de comunicare i sincronizarea roboilor echipei, ce asigur realizarea operaieicu succes i totodat o cretere a utilitii i a performanei ntregului sistem. nc din anii70, aspectul de comunicare, cooperare i interaciunile dintre ageni n cadrul unui sistem aufost activ studiate, comunitatea de cercetare n robotic devenind foarte activ n studiulsistemelor robotice bazate pe cooperare ncepnd cu anul 1980. Se identific un numrmarede proiecte complexe i inovative precum CEBOT [Fukuda, 1990; Cai, 1995], SWARM[Beni, 1988], ACTRESS [Asama, 1989] (Fig 2.3), GOFER [Caloud, 1990], SCS [Quentin,2011]. Sistemul cooperativ TED, dezvoltat de ctre Vijay Kumar i echipa acestuia decercetare, reprezint o echip de roboi aerieni cooperativi care, spre deosebire de droneleaeriene fr pilot, sunt mult mai mici i funcioneaz autonom, demonstrnd a fi o echipfoarte agila i precis, n care roboii roiesc, se percep ntre ei i formeaz echipe ad-hoc,fiind utilizai pentru construcii i urmrirea dezastrelor. Aceste sisteme, datorita complexitiilor, a pericolelor ce pot aprea n timpul implementrii i a dificultii de tratare a tuturoripotezelor conceptuale au fost iniial dezvoltate n medii virtuale de simulare (fig. 2.3),urmnd apoi implementrile fizice care s dovedeasc i testeze rezultatele simulrii[Bianchini, 2010].

2.1.1.2 COMUNICAREAROBOILOR MOBILI

Structura de comunicare n cadrul unei echipe determin modurile posibile deinteraciune ntre ageni. Dudek propune n lucrarea [Dudek, 1993] o taxonomie mai detaliata structurilor de comunicare a roboilor mobili i caracterizeaz comunicarea n trei tipurimajore dup interaciunile ce pot aprea ntre agenii echipei: comunicarea neexplicit frsenzori, comunicarea neexplicit prin senzori icomunicare explicit.

2.1.1.2.1 COMUNICARE NEEXPLICIT FR SENZORI

Acest tip de comunicare, care se dovedete a fi i cel mai simplu, este ns i cel mailimitat, deoarece comunicarea are loc numai atunci cnd roboii interacioneaz prin contactdirect ntre ei i cu obiectele din mediu. Astfel, cooperarea se poate realiza prin ncercrimultiple care implic cutarea situaiilor programate din aproape n aproape. Aceastmodalitate a fost numit de unii cercettori i "cooperare fr comunicare". Sisteme care auaceast form de comunicare suntprezentate n lucrrile [Gross, 1998; Beckers, 1994; Arkin,1992; Steels, 1990; Tung, 1994].

2.2.1.2.2 COMUNICARE NEEXPLICIT PRIN SENZORI

Comunicarea prin senzori se folosete de rezultatele senzorilor roboilor sau din mediul

de lucru, fr a exista o comunicare direct, astfel c toate datele primite de la senzori suntstocate ntr-o baz comun la care au acces agenii echipei, pentru a putea fi folosite iinterpretate de acetia. Acest tip de comunicare se bazeaz pe capacitatea agenilor de adistinge ntre ali ageni care fac parte din grup i alte obiecte din mediu de operare[Mataric,1994]. Din cauza limitrilor hardware, aceast comunicare a fost de multe orisimulat folosind comunicaii radio, infrarou sau wireless. Cu toate acestea, mai multelucrri recente ncearc s pun n aplicare comunicarea prin detectare, bazata pe senzori[Kuniyoshi, 1994a; Kuniyoshi, 1994b; Sugie,1995; Dames, 2012; Kumar, 2004; Kantor,2003].


28/172

Capitolul 2

28

2.2.1.2.3 COMUNICAREA EXPLICIT

Cea de a treia form de comunicare implic o interaciune explicit cu ali ageni, prin mesaje direcionate sau difuzate, (adic beneficiarul mesajului poate s fie cunoscut saunecunoscut). Arhitecturile care permit aceast form de comunicare sunt similare reelelor decomunicaii, de exemplu, n lucrarea [Wang, 1994] un protocol de acces media (similar cu celde Ethernet) este utilizat pentru comunicarea inter-robot. n lucrarea [Aguero, 2005] estedescris un protocol ad-hoc de rutare pentru comunicare numit Pera pentru roboii mobili careau capaciti reduse de comunicaii. Astfel roboii care folosesc acest protocol pot trimitemesaje altor roboi sau hosturi care nu sunt direct conectate la reea, prin rutarea mesajelor,

prin intermediul roboilor pe care ruleaz acest protocol Pera. n lucrarea [Gage,1993] suntdescrise metodele de comunicare pentru mai muli roboi, meninndo varietate de sisteme,canalele de difuzare (n cazul n care un mesaj este trimis la toi ceilali roboi din sistem),reflexia modulat (n cazul n care un master trimite un semnal laser celorlali roboi dinechip i acetia interpreteaz rspunsul pe baza reflexiei). Exist, de asemenea, mecanismede comunicare explicit concepute special pentru sistemele multiple de roboi n lucrrile

[Arai,1993; Lewis, 1992; Drgoul,1993; Goss,1992]. Structuri de comunicri explicite pot figsite i n lucrarea [Yoshida, 1994], care analizeaz dimensiunile optime pentru un grup ncare se dorete o comunicare local i ntrzierile de comunicare care pot aprea.

2.1.1.3 INTERACIUNILE ROBOILOR MOBILI

2.1.1.3.1 INTERACIUNILE ROBOT-MEDIU

Metodele de interaciune a robotului cu mediul n care i execut activitatea, bazat pecapacitatea acestuia de percepere a mediului de lucru au i capacitatea de a aciona asupraobiectelor n conformitate cu deciziile luate de ctre sistemul de conducere (fig.2.4).

Mediul de lucru n cazul general este un perimetru, n cele mai multe cazuri nchis, careconine diverse obiecte (fixe sau mobile), instalaii tehnologice, operatori umani i ali ageni(roboi fici, mobili).

Sistem de conducere

Sistemsenzorial

Sistem mecanic

Instalaii Obiecte

Percepie

Ali ageni

Operatorul uman

Sistem de conducere

Sistemsenzorial

Sistem mecanic

Comunicare

Percepie Aciune AciunePercepie

Mediul de lucru

ROBOT1 ROBOT2

F ig. 2.4Schema interaciunilor roboi-mediu


29/172


29

Interaciunea bazat pe percepiei a aciune, const n comunicarea(schimbul de informaie) ntre roboisau ntre roboi i mediu. Acestea au la

baz dou sisteme: cel senzorial externcare permite determinarea striimediului n care este situat robotul,respectiv cel de aciune ce permiterobotului s efectueze sarcini (fig. 2.5).Conform lui Ge [Ge, 2006] percepiamediului are loc la nivel de procesare adatelor primite de robot de la senzorisau camere video, n urma crora suntgenerate informaii despre poziii,culori, distane sau dimensiunietc.

Datorit introducerii n ultimul

timp a sistemelor video i audio[Moreno, 2009; Botterill, 2011] multmai performante, s-a ajuns la nivele superioare de percepie, similare cu cele umane, aa cumeste i n cazul roboilor Nao.Practic, procesul de percepie a informaiilor din mediu de ctreun robot pitor presupune extragerea datelor, prelucrarea acestora utiliznd modelematematice care le transform n informaii de un nivel superior i apoi evalueaz starea ncare se afl robotul relativ la ceilali roboi din echip, dup care trimite rspunsuri celuilaltrobot din echip. (fig. 2.6).

Modayil propune n lucrarea [Modayil, 2008] o metod care se bazeaz pe interaciuneadintre roboi i mediu ipresupune nvarea localizrii roboilor folosind senzorii proprii,tipul de activitate pe care acetia o realizeaz prin comparaia cu starea anterioar a robotului.

Studiul interaciunilordintre roboi i mediu cu ajutorul senzorilorpermite urmrirea n timpreal a obiectelor n micare [Jung, 2010], activitile umane [Panangadan, 2010], intelor, cti mediul n care acioneaz prin anumii senzori vision dedicai [Zhang, 2010].

n urma unui studiu amnunit s-a constatat c prin percepie-aciune se permite

RobotRobot

Mediu

Voce,Gesturi-Mimic

VedereUrmrire

Interaciune realInteraciune

virtual

SonarLidar

Senzori

Fig. 2.5Diagrama Venn a interaciunilor

robot-robot robot-mediu

Date

Date

Date

Informaii

MediuRobot pitor

Percepie

MSURTORI

Controler/

Sistem de

conducere

Model

matematic 1

Model

matematic 2

Model

matematic N

Senzor 1

Senzor 1

Senzor N

Stare globalextern

Fig. 2.6Schema percepiei mediului de un robotul pitor


30/172

Capitolul 2

30

localizarea, realizarea harilor mediului, detectarea i urmrirea diferitelor obiecte aflate ncmpul senzorilor robotului. Majoritatea cercetrilor actuale sunt legate de modelele denvare folosite pentru procesarea datelor de la senzori, n diferite condiii i scenarii deoperare [Senthilkumar, 2012]. Datorit faptului ca exista o multitudine de tipuri i modele desenzori cu care sunt dotai roboiipitori, scenariile de percepie au fost adaptate conformacestora, motiv pentru care definirea unei structuri generale de percepie pentru roboii mobilieste imposibil de realizat.

2.2.1.3.2 INTERACIUNILE OM-ROBOT

Acest model de interaciune are la baza interfee om-main prin care se realizeazcomunicarea dintre om i robot prin diferite medii [Gold, 2007; Steinfeld, 2006; Koojimans,2007; Brooks, 2007; Breuer, 2011].

Modelele de interfee care se utilizeaz n interaciunea om-robot sunt similare cusimurile omului: vocale (auz), haptice (atingere) i vision pentru interpretarea gesturilor i amimicii (vedere). De menionat, mai sunt i interfeele de tip Brain Computer Interface(BCI)

i interfeele multi-modale care nglobeaz mai multe tipuri de interfee ntr-un sistemintegrat.n lucrrile [Karray, 2008; Steinfeld, 2006; Koojimans, 2007] sunt prezentate diferite

tendine i direcii viitoare de dezvoltare precum: interfee inteligente, adaptive i active, iinteraciunilemulti-modale. Se observctendina n acest domeniu este de a obine interfeect mai naturale i mai uor de utilizat de ctre operatorul uman. Modelarea acestor interfe ese face ntr-un mod strns corelat cu capacitile de care dispun roboii. Rolul unei astfel deinterfee este de a permite operatorului accesul ct mai facil i eficient la funcionalitatearoboilor. Ca o concluzie, n urma celor precizate mai sus, se poate meniona faptul cdesignul interfeelor om-robot, depinde de caracteristicile robotului i de uurina de a fiutilizat de ctre operatori. Pentru a avea o colaborare om-robot ct mai eficient, robotul

trebuie s aib capacitatea de a recunoate intenia omului, lucru dezvoltat i exemplificatntr-o serie de lucrri [Fong, 2002; Aarno, 2007; Holzapfel, 2007].O serie de lucrri actuale, din diferite domenii, utilizeaz astfel de interfee pentru

interaciunea oamenilor cu roboi precum: roboi care joac rolul de ghizi pentru oameni nmedii n care roboii dein informaii relevante pentru turiti [Vogiatzis, 2008;Trulls, 2011;Xu, 2012]; roboi care utilizeaz capacitile de a imita modul de comunicare uman[Stiefelhagen, 2004] prin diferite artificii specifice interaciunii umane, precum ntrzierearspunsului i efectul de coabitare [Shiwa, 2009].

Interaciunea om-robot prin gestur i folosete semnele, mimica, expresiile faciale ilimbajul corporal, ns datoritnivelului de informaie mic, care poate fi comunicat prin acestcanal de comunicare non verbal, acest tip de interaciune este utilizat destul de rar. [Frintop,

2010,Burger, 2012].n multe cazuri utilizarea interaciunii prin gesturi de ctre robot, se realizeaz pentru a

sublinia comunicarea diferitelor mesaje ctre operatorul uman [Kobayashi, 2009].Interaciunea prin gesturi se dovedete a fi un canal de comunicare bilateral care i permiterobotului s recunoasc gesturile operatorului uman, dar totodati permite i robotului sseexprime cu ajutorul gesturilor [Begley, 2008].

Studiile aprofundate asupra comunicrii i interaciunii dintre om-robot [Kanda, 2003;Brooks, 2007; Aarno, 2007] au demonstrat c utiliznd acest tip de interaciune mpreun cualte metode de interaciune, rezult un aspect benefic pentru operatorul uman, naturaleeainteraciunii fiind mai bun, iar acurateea recunoaterii inteniei utilizatorului fiindmbuntit.

Interaciunea haptic este des utilizat n cadrul sistemelor de teleoperare, spreexemplu n cazul roboilor chirurgi, care ar fii imposibil de controlat fr interfeele haptice,


31/172


31

cu ajutorul crora are loc transferul micrilor de la chirurgla robotul care realizeaz operaia[Fai, 2005; Salter, 2006].Interfeele haptice se dovedesc a fi extrem de utile pentru a controlade la distan roboii de intervenie i inspecie a dispozitivelor explozive sau a roboilor ceopereaz n medii nucleare.

n lucrarea [Argall, 2010], seprezint o interaciune haptic om-robot n care puncteazimportana deteciei atingerii umane de ctre robot, prin folosirea unor tipuri de dispozitivetactile, pentru controlul n siguran a roboilor de ctre oameni.n cadrul aceste interaciunise pot structura trei metode de interaciune fizic om-robot n funcie de modul de contact:contact care intervine n execuia sarcinilor robotului, contact care ajut la execuia acestorai contact care contribuie la mbuntirea comportamentului robotului.

Interaciunea de tip BCI prezentat n lucrrile de specialitate [Postelnicu, 2011;Postelnicu, 2012] s-a constatat a fi superioar interfeelor clasice de tip mouse/tastatur sau

joystick prin care au fost realizate anumite sarcini de parcurgere a unor trasee virtuale. ncontrast cu avantajele aduse persoanelor cu dezabiliti, acest model de interfa prezint totuii dezavantaje: dificultatea transmiterii unei cantiti mari de informaie, necesitatea existeneiunui context foarte clar de operare, flexibilitatea redusa sistemului pentru mai muli operatori,

lipsa naturaleei interaciunii fa de alte metode de interaciune, canal de comunicareunilateral. Aplicarea acestor modele de interaciune se dovedete a fi limitat fa de celelaltetipuri de interfee vocale, multi-modale, haptice sau cele prin gesturi, datoritfaptului cpentruoperatorii obinuii estenecesardepirea unui set nsemnat de probleme.

Interaciunea multi-modalfolosete cel puin dou din interfeele prezentate mai sus.Acest tip de interaciune a fost des utilizat n programarea interactiv a roboilor careutilizeaz o combinare a interaciunii multi-modale mpreun cu programarea prindemonstraie i controlul multi-modal al unui robot. Programarea interactiv permite i uncontrol uor al roboilor de ctre utilizatori non-experi [Iba, 2004; Stiefelhagen, 2004].Interaciunea multi-modal a fost utilizat i n medii domestice, cu ajutorul crora roboii aufost comandai prin comenzi vocale n limba japonez, care se dovedete a fi capabil n

recunoaterea gesturilor [Oka, 2009; Oka, 2011]. Un alt robot mobil autonom folosit nmediile domenstice este descris n lucrarea [Breuer, 2011], careprezinto interaciune multi-modal cu caracteristicile urmtoare: recunoaterea gesturilor i a expresiilor faciale, deteciai urmrirea oamenilor cu ajutorul unui sistem lidar, localizarea oamenilor, recunoatere isintez vocal n limba englez O interfa multi-modal care mbin recunoaterea vocal ia gesturilor ambelor mini pentru interaciunea natural cu utilizatorii umani este descris nlucrarea [Burger, 2012].

2.2.1.3.3 INTERACIUNILE ROBOT-ROBOT

Interaciunea robot-robot, se refer fie la interaciunea robotului cu aliageni (roboi)

din echip, mobili sau fici sau fie cu alte instalaii industriale aflate n mediul de operare arobotului [Gil, 2010; Senthilkumar, 2012; Antonelli, 2010]. Modelele de interaciune robot-robot au la baz comunicarea roboilor (fig. 2.4) care se caracterizeazprin existena unui

protocol comun de comunicare situat deasupra celui de transfer de date, care face parte dincategoria interaciunilor de tip server-client specifice reelelor de calculatoare.

Aceast modalitate de comunicare este preferat datorita faptului c, att roboii ct iagentul conin, cel puin un calculator de proces care are la rndul lui o interfa de reea cusau fr fire; n cele din urm, comunicarea cea mai eficient ntre aceste tipuri de entiti areloc prin transferul de pachete de date prin intermediul reelei.

Cu ajutorul protocolului este descris modul de reprezentare al informaiei transferatempreun cu modul de codare i decodare a acesteia [Chen, 2013]. O alt metod n care estentlnitinteraciunea ntre roboi n mediul de operare (cooperarea ntre roboi) sunt echipelede roboi care particip la cupa de fotbal RoboCup este descris n lucrarea [Farinelli, 2010].


32/172

Capitolul 2

32

Metoda propusa de Farinelli utilizeaz un algoritm distribuit care ajut la calculul satisfacieindeplinirii fiecrui scop pentru fiecare robot n parte component al echipei. n lucrarea[Varghese, 2010] este descris proiectarea idezvoltarea unui model matematic al unui sistemde tip roi de roboi mobili bazat pe primitive macroscopice.

Comunicarea vocal robot-robot spre deosebire de ale metode de comunicare areavantajul major de apermite un flux de informaii suficient pentru a comunica rapid, folosindun vocabular restrns care este legat de funcionalitatea de baz a robotului, conformmodelelor de comunicare vocal om-robot prezentate n multe lucrri [Boulebtateche, 2005;Medicherla, 2007; Ozdemircan, 2008; Topoleanu, 2009; Gorostiza, 2011; Kyriacou, 2004].

Aceast metod de comunicare este cea mai natural, ntruct reprezint transpunereacomportamentului de interaciune vocal a oamenilor n mediul robotic. n ciuda acestoravantaje, exist i dezavantaje datorit interfeelor actuale, care pentru anumii roboi nu suntsuficient de performante pentru a fi compatibile pentru comunicarea verbal inter-uman din

punct de vedere al eficienei i rapiditii.Comunicarea vocal dintre doi roboi presupune utilizarea unei interfee vocale format

din dou subsisteme: cel de recunoatere vocal, necesar pentru interpretarea informaiilor

vocale transmise de cellalt robot i respectiv subsistemul de sintez vocal, care are rolul dea genera un rspuns pentru ceilali roboiai echipei (fig. 2.7).

Robot Robot

Interfa vocal

Recunoaterevocal

Sintez vocal

MesajRspuns

Mesaj Comand

vocevoce

F ig. 2.7Interaciunea robot-robot prin voce

Chiar dac recunoaterea i sinteza vocal, procesarea limbajului natural, dar invarea limbajului sunt domenii care au fost tratate de cercettori de -a lungul timpuluiaplicarea acestora n domeniul roboticii nu a avut loc dect n ultimele dou decenii. Odat cudezvoltarea echipelor de roboi care s coopereze ntre ei, aceast modalitate de comunicare

bazat pe limbajul vorbit a nceput s se dezvolte spre direcii i perspective inovative, legatede studiul izolat al sistemelor de recunoatere, sintez i procesare a limbajului dedicate[Topoleanu, 2011].

De obicei, interfeele de comunicare vocal sunt realizate folosind diverse librrii

speciale de recunoatere i sintez vocal. Aceste interfee au posibilitatea, n general, de arecunoate un numr limitat de limbi de circulaie internaional, limba englez fiind cea mai

bine reprezentat, motivul se datoreaz istoriei ndelungate a cercetrii n domeniulrecunoaterii i a sintezei.

Din dorina de a spori naturaleea comunicriii de a mbunti capacitatea robotuluide a nelege comenzile, modelul de interaciunea vocal ncearc s i fac loc ct mai multn orice tip de aplicaii robotice care au i alte sisteme de interaciune, formnd n acest felsisteme cu mai multe modaliti de comunicare, numite sisteme de comunicare multi-modale.


33/172


33

2.2 ASPECTE PRIVI ND INTEGRAREA ECHI PELOR DE

ROBOI N MEDII INDUSTRIALE

Mediul industrial este definit cafiind locaia de producie caracterizat n

principal printr-un ansamblu de activiti detransport, de manipulare i de procesare demateriale, avnd ca rezultat anumite tipuride produse i/sau dezvoltarea anumitor

procese tehnologice sau servicii. n mediileindustriale numrulde roboi fie ei fici saumobili introdui n ultimii ani a crescutfoarte mult, din dorina de a fi dezvoltatesisteme robotizate complet autonome. Caurmare a dinamicii de peste 50 ani, robotican mediile industriale se ndreapt spre

dezvoltarea unor sisteme cooperative, dince n ce mai complexe, cu interaciui robot-robot (RRI Robot-Robot Interaction) i cu interaciuni om-robot (HRI Human-RobotInteraction) evoluate (fig.2.8) [Kanda, 2003; Fai, 2005; Brooks, 2007; Monje, 2011; Karray,2008; Giuliani 2010, Argall, 2010]. Spre deosebire de alte medii, cum ar fii cele urbane,subacvatice, agricole, forestiere etc., mediile industriale sunt caracterizate de cerine specificeriguroase, n ceea ce privete: structura (numrulde parametri care variaztrebuie sfie ctmai mic), nivelul de securitate ( programatorul trebuie s acorde o atenie mai mare n cazulsistemelor HRI dect n cazul celor RRI), necesitatea unor sisteme senzoriale externe i/sauauxiliare (care ajut la identificarea poziiei, obstacolelor fixe sau mobile etc.). Interaciunilei comunicarea dintre oameni i roboi a dus cu timpul la apariia sistemelor de comunicarerobot- robot i om-robot integrate, fiind folosite i ca tehnici de mbuntire a sistemelor HRI[Kanda,2004; Fong, 2002; Xu, 2011; Xu, 2012].

2.2.1 FUNCIILE I I NTEGRAREA ECHIPELOR DEROBOI NMEDI IL E I NDUSTRIALE

n general, funciile unui sistem de cooperare al roboilor mobili pitori din mediulindustrial sunt [Niulescu, 2001]: de navigare n mediul de operare; de manipulare(apucare/eliberare, deplasare i poziionare a unui obiect n spaiul de operare); de percepie ianaliz, robotul culege informaii despre mediul n care se afl, despre starea sa sau despre

starea altor roboi din procesul tehnologic, dup care face o analiz a acestora n corelaie cucele impuse de programator; de comunicare/cooperare, prin schimbul informaiilor perceputei analizate dintre om-robot, mediu-robot i/sau robot-robot; de nvare a aciunilor,

presupune nvarea unor secvene prin repetare/copiere/demonstrare care vor ajuta lambuntirea sistemului[Boboc, 2013b]; de raionare i decizie, bazat pe cunotinedefiniteanterior.

Sistemele de roboi care coopereaz dezvolt activiti n medii industriale nurmtoarele scopuri: transportul obiectelor, pieselor sau dispozitivelor n diferite puncte ilocaii; monitorizarea produciei i a fluxului tehnologic; asamblarea/mpachetarea de produsesau pri componente ale acestora, prin aezarea i fixarea acestora conform structurii defuncionalitate; execuia de sarcini de procesare din procesul tehnologic i inspecia n vederea

identificrii i msurrii caracteristicilor unor piese (forme, culori, dimensiuni, greuti).Scopul proiectrii, dezvoltrii i implementrii echipelor de roboi (fici sau mobili) a constat

F ig. 2.8 Sistem HRI


34/172

Capitolul 2

34

n prima perioad n mrireaeficienei aciunilor asupra mediilor tehnologice prin cretereavitezei i a preciziei de execuie [Mogan, 2009] iapoi n nlocuirea ntr-un numrct maimare a operatorilor umani care lucreaz n astfel de medii care frecvent pot fi periculoase,austere i nu n ultimul rnd extrem de nocive.

n fig. 2.9 este prezentat schema general a unui sistem de cooperare a roboilordintr-un mediu industrial n care sunt evideniate principalele blocuri componente iinteraciunile dintre acestea.

F ig 2.9Structura general a unui sistem de cooperarecu roboi

Un sistem de cooperare a roboilor mobili este definit ca o familie de ageni carelucreaz mpreun pentru realizarea unui scop comun (execuiaunei operaii complexe) undeeste nevoie de o interaciune strns ntre toi partenerii echipei prin accesul comun lainformaii i schimbul continuu de date ntre acetia [Farley, 1998].

Datorita faptului ca mediile industriale sunt medii dinamice i complexe,ce presupunec interaciunile dintre roboi-mediu-utilaje i oameni pot conduce la situaii conflictuale carens nu pot fii tratate i soluionate de ctre sistemele clasice bazate pe secvene certe, aparenevoia de a trece la sisteme inteligente bazate pe tehnicile inteligenei artificiale, cu precdere

pe cele de percepere, nvare i raionare (tab. 2.1).Tab. 2.1Caracteristicile echipelor de roboi mobili pitori

Pragul deautonomie

Funciile realizate Interaciunea echipei de roboi cuoperatorul uman

Neautonom Percepie, comunicare iexecuie Operatorul uman intervine n luareaoricreidecizii, prin analiza proprie,n urma crora trimite comenzilenecesare robotului spre execuie

Autonomiesemi-automata

Percepie, analiz i execuie Operatorul uman intervine n luareaunei decizii n urma analizei primitede la robot

Autonomie pariala Percepie, analiz, decizie iexecuie

Operaiile simple sunt executate frintervenia operatorului

Autonomie totala

Percepie, analiz,

percepere, raionare, nvaredecizie i execuie

Operaiile complexe sunt executate

fr intervenia operatorului.- sistemexpert


35/172


35

Este important de specificat faptul c odat cu creterea nivelului de autonomie, cretei complexitatea sistemului de control al robotului mobil.

2.2.2SISTEME DE COOPERARE CU ROBOI

Avnd n vedere un grup de roboi, un mediu de lucru i o sarcin de executat, se punentrebarea/problema urmtoare: n ce condiii i cum ar trebui s coopereze roboii pentruexecuia sarcinii?. n multe exemple practice de cooperare s-au abordat doar unele aspecteale acestei probleme, axele majore de cercetare n acest domeniu nc nu au fost abordatestructural [Chen,1994; Donald,1994].

Pentru realizarea unui comportament de cooperare bazat pe o infrastructur iarhitectur de grup se impunestudiul conceptelor deeterogenitate/omogenitate aroboilor, capacitate a roboilor srecunoasc i s poat

interaciona ntre ei, i structurasubsistemului de comunicare.Pentru ca mai muli roboi slucreze ntr-un spaiu comun,

pentru a manipula diverse obiectempreun i, eventual, pentru acomunica unul cu cellalt, estenevoie i de un mecanism derezolvare a conflictelor deresurse.

Controlul cooperrii, este o problem-cheie pentru sistemele multi-robot n multe

aplicaii practice. n multe lucrri aceast problem de coordonare a unui set de roboi mobilia fost tratat i mbuntit de la un an la altul. n lucrarea [Farinelli, 2010] pentru rezolvareaeficient a problemei de coordonare se prezint o abordare care se bazeaz pe calcululdistribuit de a msura satisfacia fiecrui agent (agent Satisfaction). n urma planificriiindividuale a sarcinilor de ctre roboi

Capacitile de comunicare de care dispun majoritatea roboilor duc la conceptul desistem multirobot (multiagent).Un astfel de sistem se defineteca fiind o reea distribuit deageni, care lucreaz mpreun

pentru ndeplinirea anumitorsarcini comune, care suntimposibil de realizat individualde fiecare agent n parte [Mas,2012].

nainte de apariiasistemelor multirobot, au aprutsistemele de conducerecentralizate/bazate pe un singurrobot (single-agent

sistem)[Stone, 1997]. Sistemele

de acest gen se caracterizeazprin faptul c un singur agent iatoate deciziile, iar restul agenilor

Robot

Obiective Aciuni Cunotiine

Robot

Robot

COMENZI

EFECTORI

SENZORI

Mediul deoperare

Fig 2.10Schema general a unui sistem centralizat pe unrobot

Robot


Efectori

Senzori

Mediul deoperare



Robot

Ro

bot INFORMAII

Senzori

Senzori

Efectori

Efectori

Fig 2.11Schema general a unui sistem multirobot


36/172

Capitolul 2

36

se comport ca i clieni. Cu toate c, aceste sisteme ar trebui s fie mult mai eficiente i maisimple dect cele multiagent, n cazul operaiilor complexe se ntmpla a fii chiar invers.

Dezavantajul sistemelor centralizate pe un singur agent (fig. 2.10) este c agentuldominant (masterul) devine o entitate independent, cu propriile sale aciuni, obiective icunotine, care va considera c oricare ali ageni din mediul respectiv de operare fac partedin mediul nconjurtor.

Sistemele multirobot (fig 2.11), difer de cele centralizate pe un singur robot, prin faptulc roboii i modeleaz obiectivele, aciunile i comportamentul n funcie de ceilali agenicomponeni ai sistemului. Toate interaciunile (comunicrile) prin care se schimb informaiintre roboi sunt separate de mediul de lucru. Datorit modalitii prin care ali roboicomponeni ai sistemului pot afecta mediul n care opereaz n moduri imprevizibile,sistemele multirobot pot fi privite ca avnd un comportament dinamic. n cadrul sistemelormultirobot, pot exista roboi care au capaciti de a comunica cu ali roboi ntr-un mod direct,dar respectiv exist i ageni care nu pot comunica dect indirect [VanLehn,1991].

2.2.3 ARHITECTURI REPREZENTATIVE DE SISTEME DE

COOPERARE EXI STENE

Arhitectura de grup a unui sistem robotic de cooperare asigur infrastructura, n caresunt puse n aplicare comportamentele colective i determin capacitile i limitrilesistemului. Caracteristicile cheie arhitecturale ale unui grup de roboi sunt legate decentralizare/descentralizare, difereniere, precum i abilitatea de a modela ali ageni.

2.2.3.1 STRUCTURILE SISTEMELOR DE COOPERARE CU ROBOI

Arhitecturile sistemelor de cooperare cu roboi pot fi centralizate sau descentralizate, iarn cazul n care este descentralizat, pot fi ierarhice sau distribuite [Navarro, 2011; Lopez,2011].Arhitecturile centralizateutilizeaz principiul organizrii informaiei culese de senzoriiroboilor la un nod central unde se realizeaz conducerea i controlul tuturor roboilorsistemului [Hofmeister,2011] (fig. 2.12a). Aceste sisteme prezint dezavantajul major al

pierderii comunicrii cu nodul de informaie i conduce la nefuncionalitatea total asistemului. Datorit acestui dezavantaj, cercetarea sistemelor cu arhitectura distribuit estemult mai dezvoltat, ntruct acestea sunt concepute pentru a permite un control al sistemuluimulti-robot pe baza comunicrii paralele ntre toi roboii (fig. 2.12b) [Turpin, 2012; Hsieh,2008 ; Wang ,2007; Svaco,2011]. Exist dou tipuri de arhitecturi descentralizate: arhitecturidistribuite, n care toi agenii sunt egalin ceea ce privete controlul, i arhitecturi ierarhice,care sunt centralizate local. n lucrarea [Carpin, 2009] este prezentat un studiu experimental al

arhitecturii distribuite a roboilor mobili de-a lungul unor ci pre-determinate, n care estefolosit un algoritm de programare aleatoriu a prioritilor, dar i metode de programare aprioritii exacte sau aleatorii.

n lucrarea [Siagian, 2011] se prezint arhitectura bazat pe utilizarea unui tip de robotBeoBot care deine o putere de procesare ridicat datorit unui cluster de procesare cu 16nuclee de 2.2 GHz. Autorii testeaz puterea de procesare a mai multor roboi pentru maimulte sarcini de localizare, scanare i recunoatere de obiecte.

n prezent, paradigma dominant este abordarea descentralizat.Este unanim susinut carhitecturile descentralizate, au mai multe avantaje clare fa de arhitecturile centralizate,inclusiv toleran la erori, exploatarea natural a paralelismului, fiabilitii i scalabilitii[Arkin ,1992; Steels,1994; Mataric,1994]. n practic, multe sisteme nu sunt conforme cu o

structur centralizat/distribuita strict, de exemplu, multe arhitecturi mari distribuiteutilizeaz ageni "lider". Exist unele arhitecturi centralizate/descentralizate hibride n care


37/172


37

exist un planificator central care exercit controlul la nivel nalt peste cea mai mare parte aagenilor autonomi, [Aguilar,1995; Causse,1995; Lueth,1994; Noreils, 1993].

Server de

control

centralizatRobot

2

Robot

3Robot

4

Robot

5

Robot

N

Robot

1

Robot

mobil1

Robot

mobil

2

Robot

mobilN

Robot

mobil

3

a b

Fig. 2.12Arhitecturile sistemelor multi-robot: a- centralizat; b- distribuit

Echipele de roboi pot fi omogene, dac caracteristicile roboilor sunt identice ieterogene n caz contrar. n general, eterogenitatea introduce complexitate mritdeoarecealocarea sarcinilor devine mai dificil i se impune modelare a mai multor tipuri de roboi[Howard,2006]. Cercettorul Parker dezvolt n lucrrile [Parker, 1994; Parker 2004]conceptul de acoperire a sarcinii, care msoar capacitatea unui membru al echipei de arealiza o anumit sarcin. Acest parametru este unindice al cererii de cooperare atunci cndsarcina de acoperire este mare i sarcinile pot fi realizate fr cooperare, n caz contrarcooperarea este necesar. Sarcina de acoperire este maxim n grupuri omogene, i scade pemsurace grupurile devin eterogene (de exemplu, n limita n care un singur robot din grup

poate ndeplini numai el o anumitsarcin dat). Literatura de specialitate este dominat n

prezent de lucrri care presupun grupurile omogene de roboi [

Ayanian, 2010]. Cu toateacestea, unele arhitecturi notabile se ocup de eterogenitate, de exemplu, ACTRESS iALLIANCE [Parker, 1995; Parker, 1998].

2.2.3.2 SI STEMEDE COOPERARE CU ROBOI REPREZENTATIVE

n cazul sistemelor de cooperare a roboilor industriale (fig.2.13) pot aprea conflictede resurse, care pot fi rezolvate prin introducerea, de exemplu, a unor reguli de navigare,stabilirea prioritilor, sau a arhitecturii de comunicare. Dintr-un alt punct de vedere,

planificarea traseurilor trebuie s fie efectuat lund n considerare roboii participani itotodat i mediul n care opereaz [Turpin, 2013; Michael,2009; Batarlien, 2007]. Regulile

de navigare sunt utilizate n mod obinuit pentru a reduce costurile de planificare, pentruevitarea coliziunilor [Kitts,2009] i a blocajelor [Brooks,1986; Schulman ,2013]. nexperimentele descrise n lucrrile care folosesc abordare bazat pe comportament, roboii nuse limiteaz la reelele rutiere [Fink, 2009; Wang, 2012].

Multe lucrri au abordat problema manipulrii(Fig. 2.13) obiectelor, de mpingere aunei cutii [Mataric,1995], accentul fiind pus pe alocarea sarcinilor, tolerana la erori iconsolidarea nvarii [Khatib,1996]. n contrast, n lucrrile [Donald ,1994 ;Yamashita,2001] se studiaz protocoale n cazul mpingerii a dou cutii, n ceea ce privete comunicarealor intrinseca i cerintele hardware, prin conceptul de invariani de informare. Manipularea

prin cooperare de obiecte de mari dimensiuni este deosebit de interesant, n unele cazuri sepoate realiza fr ca roboii executani s tie unii de existena celorlali [Sen ,1994;Tung,1993]. n alte lucrri din clasa dedeplasare prin mpingere a obiectelor sunt prezentaten [Fink, 2011; Cheng, 2008; Michael, 2009; Michael, 2011 ; Berman, 2011].


38/172

Capitolul 2

38

n zootehnie au fost implementate sisteme de cooperare cu roboi cu sarcina de cutarea hranei animalelor [Berman, 2010; Cheng,2009; Doty,1993]. Aceast sarcina a fost studiatfrecvent deoarece, ea poate fi efectuat de ctre fiecare robot n parte (pentru o cretere a

performanei) i se dovedete a fi extrem de interesant ca urmare a implementrii

comportamentelor biologice pentru sistemele de cooperare cu roboi.O mare varietate de tehnici au fost aplicate, variind de la simple sinergii (micri nesena aleatorii), care au ca rezultat colectarea ntmpltoare de obiecte [Beckers,1994] laalgoritmi compleci, n care roboii formeaz lanuri prin care obiectele sunt transmise de launul la altul ctre punctul final [Melinger ,2010]. Beckers definete simergia ca fiind"producerea unui anumit comp

Date post:	11-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	panfir-alina-ninett
View:	58 times
Download:	1 times

Intelligent mobile walking robots cooperation system in industrial environments

Documents