De ce PAUL are nevoie de un set de date masiv pentru a-și îmbunătăți mișcările

Tabelul de legături

Rezumat și 1 Introducere

2 Lucrări conexe

2.1 Acționare pneumatică

2.2 Brațe pneumatice

2.3 Controlul roboților moi

3 PAUL: Proiectare și producție

3.1 Design robot

3.2 Selectarea materialului

3.3 Fabricarea

3.4 Banca de performanță

4 Achiziție de date și control în buclă deschisă

4.1 Configurare hardware

4.2 Sistem de captare a vederii

4.3 Generarea setului de date: Modele bazate pe tabel

4.4 Control în buclă deschisă

5 Rezultate

5.1 Versiunea finală PAUL

5.2 Analiza spațiului de lucru

5.3 Performanța modelelor bazate pe tabel

5.4 Experimente de îndoire

5.5 Experimente de transportare a greutății

6 Concluzii

Informații de finanțare

A. Experimente și referințe efectuate

4.3 Generarea setului de date: Modele bazate pe tabel

Datorită complexității robotului, metodologiile bazate pe model, precum PCC sau cele bazate pe Teoria Cosserat Rod, au fost eliminate. Deși utilizarea FEM este o cale care nu va fi închisă în lucrările viitoare, numărul mare de parametri care urmează să fie setați experimental pentru fiecare segment (modulul Young, momentul de inerție...), dat fiind faptul că procesul de fabricație este atât de variabil, a făcut ca, în această primă fază, să optăm pentru utilizarea unui tip de modelare PAUL bazată pe colectarea datelor.

Ieșirea sistemului este luată ca poziție și orientare atinsă de capătul final – astfel, în această etapă, toate pozițiile segmentelor intermediare sunt ignorate – și ca intrare, timpii de umflare ai fiecărei vezici. Deoarece nu erau suficienți senzori de presiune disponibili la momentul construcției robotului, s-a decis să se ia timpul de umflare ca variabilă de intrare. Deoarece presiunea de lucru este limitată de supapa de limitare a presiunii și debitul în fiecare vezică poate fi presupus a fi constant, timpul este echivalent cu volumul de aer introdus în fiecare cavitate.

Toate opțiunile de control avute în vedere au în comun necesitatea unei cantități mari de date empirice, ceea ce duce la necesitatea dezvoltării unui design experimental care să sistematizeze colectarea acestor date. Deoarece captarea acestor informații se face în diferite faze și seturile de date trebuie să reprezinte comportamentul robotului într-un mod obiectiv, reaplicabilitatea experimentului capătă o importanță deosebită.

Datele stocate în seturile de date au fost poziția vârfului robotului și setul de timpi de umflare care realizează această configurație. Limitarea menționată mai sus că doar două dintre cele trei vezici din segment sunt umflate reduce redundanțele. După cum sa menționat anterior, mai mult de două segmente duc la redundanțe, ceea ce implică faptul că modelul cinematic invers al robotului poate avea mai multe soluții.

Procesul de colectare a datelor presupune mai multe etape succesive. Inițial, este determinat un număr stabilit de probe. Pentru fiecare probă, comenzile Matlab trimit o combinație aleatorie de nouă ori de umflare, corespunzătoare fiecărei supape PAUL, către bancul de acționare. Timpii sunt generați sub o limită de timp maximă Tmax, asigurându-se că doar două cavități pe segment sunt umflate. Ulterior, vezicile robotului sunt umflate pe baza timpilor trimisi. Ulterior, cele două camere ale sistemului de viziune captează imagini pentru a determina poziția și orientarea capătului robotului. Întreaga procedură se repetă pentru numărul specificat de iterații, iar la finalizare, datele colectate sunt stocate în setul de date

Informațiile despre timpii de umflare sunt stocate procentual, cu o valoare de 0 corespunzătoare umflăturii zero a acelui segment și 100 corespunzătoare Tmax, umflarea pentru numărul maxim de milisecunde definit pentru această sesiune de colectare a datelor. Această valoare Tmax este stocată, împreună cu valorile, în setul de date, pentru a putea compara diferite seturi de date. Motivul acestei codări vine din lipsa de informații, a priori, cu privire la care este presiunea maximă pe care o suportă o vezică PAUL. Deși este adevărat că s-a determinat experimental că timpii de umflare mai mari de 1500 ms la rând au dus la înțepături, aplicarea timpilor mai mici pe parcursul unui număr repetat de cicluri a generat și scurgeri. Pe această bază, s-a decis să nu se umfle niciodată vreo supapă, fie într-unul sau în mai multe etape, mai mult de 1000 ms.

Odată cu timpii de umflare ai fiecărei vezici urinare, se stochează poziția și orientarea atinse de vârful de capăt, pe baza citirilor camerei. În special, sunt stocate poziția marcatorului verde și orientarea triedrului. Acesta din urmă este exprimat în unghiuri Euler, deoarece este o formă de stocare mult mai eficientă decât o matrice de rotație. În plus, setul de date conține și metadate din procesul de colectare despre care se crede că influențează rezultatele, cum ar fi presiunea conductei pneumatice sau temperatura ambiantă.

Unele aspecte ale sistemului pneumatic merită atenție. Inițial, umflarea și deflația vezicii urinare nu sunt procese simetrice. Constrângerile geometrice ale componentelor pneumatice au ca rezultat o rată de deflație mai mică în comparație cu inflația. În consecință, atunci când PAUL primește un timp de deflație, îl înmulțește cu un factor derivat empiric, aproximativ 1,45 pentru o presiune de lucru de 1,2 bar. Acest multiplicator compensează discrepanța dintre timpii de inflație și de deflație ai unui grup singular de vezici, asigurând că timpul de deflație se aliniază cu timpul necesar pentru a ajunge la același punct de inflație.

În mod similar, deși este fizic posibil să se umfle mai multe supape în același timp, s-a demonstrat că această distribuție paralelă a fluxului înseamnă că umplerile efective ale fiecărei supape nu sunt aceleași ca și cum ar fi umflate individual. Pentru a preveni acest fenomen, s-a decis umflarea individuală a fiecărei vezici urinare atât în timpul procesului de achiziție a datelor, cât și brusc, când i s-a cerut lui PAUL să ajungă în anumite poziții.

În sfârşit, în silicon apar fenomene de histerezis care fac ca poziţia atinsă prin umflare pentru un timp t să fie diferită de poziţia atinsă prin umflare mai întâi pentru un timp t1 şi apoi pentru un timp t2 = t − t1. Strategia folosită pentru a rezolva această problemă a fost capturarea setului de date, aducând PAUL înapoi la poziția sa zero între fiecare eșantion. Cu toate acestea, atunci când controlați robotul în buclă deschisă, acest lucru nu este posibil sau, cel puțin, nu este de dorit, deoarece s-ar putea dori să urmeze traiectorii sau să călătorească printr-o secvență de puncte. Prin urmare, trecerea de la poziția x1 la x2 necesită un factor suplimentar de 1,2, derivat și experimental, pentru a ține seama de efectele de histerezis.

4.4 Control în buclă deschisă

Odată ce setul de date este generat, acesta poate fi utilizat pentru a modela comportamentul lui PAUL pentru controlul în buclă deschisă. Se preconizează, ca o linie viitoare, formarea unei rețele neuronale pentru cinematica directă și alta pentru cinematica inversă. Cu toate acestea, având în vedere cantitatea mare de date care poate fi necesară (în [62] 24389 de eșantioane sunt utilizate pentru un robot cu trei segmente ca acesta), a fost utilizată o metodă de căutare în tabel pentru această lucrare.

Metoda de cinematică directă – care permite obținerea poziției și orientării capătului final al robotului din timpii de umflare a celor nouă vezici – constă în căutarea, în setul de date generat în pasul precedent, a celor trei valori ale timpului de umflare situate la o distanță mai mică de timpul de umflare dat ca referință. Evident, dacă setul de timpi de inflație căutați ar fi în tabel, valoarea asociată acestor timpi ar fi returnată ca urmare a modelului cinematic direct. În caz contrar, media valorilor de poziție și orientare asociate celor mai apropiați trei timpi de umflare, ponderată cu distanța (norma euclidiană) existentă între fiecare dintre aceștia și valorile timpilor de umflare de referință, este returnată ca valoare de poziție și orientare a robotului.

Cu ele, este posibil să se calculeze poziția returnată de modelul cinematic direct folosind expresia: