Robottechnika szakirány Robotok és robotszerû eszközök ipari alkalmazásának fejlesztési, programozási, irányítástechnikai és rendszerintegrálási feladatait megoldani képes informatikus mérnökök képzése történik a szakirányon. Az oktatás a mechatronikai rendszer átfogó, informatikai aspektusú ismereteit adja. A hallgatók tipikus alkalmazások tükrében értik meg a mechanikai rendszer elveit és jelenségeit, a mechatronikai hajtásokat, a manipulációs képességeket, az intelligens funkciókat, a különféle vezérlési és szabályozási stratégiákat, valamint a mobil robotok mozgását és navigációját. Tantárgyak 5. szemeszter 6. szemeszter 7. szemeszter ea gy l k kr ea gy l k kr ea gy l k kr A robottechnika alapjai 2 0 0 v 3 Ipari robotok kinematikája és dinamikája 2 1 0 v 3 Robotmechatronika 1 0 1 v 2 Robotok alkalmazása 1 0 0 v 2 Intelligens robotrendszerek 1 0 0 v 2 Robotok irányítása 1 0 1 v 3 Mobil robotok 2 0 1 v 3 ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY 127
Robotok irányítása Elõfeltételek: Robotmechatronika; Robotok alkalmazása; Intelligens robotrendszerek szemeszter: 7. óraszám (ea/gy/l): 1/0/1 követelmény: v kredit: 3 Dr. Rudas Imre egyetemi tanár A robottechnikában alkalmazott kinematikai és dinamikai modelleket felhasználó irányítási módszerek mélyebb megismertetése a Robottechnika szakirány kívánalmainak megfelelõen. Szabályozások és vezérlések durva áttekintése Kinematikai szabályozások Trajektória szabályozása. Pozícióra való szabályozás: független tengelyszabályozás. Dinamikai szabályozás Kiszámított nyomaték elvû szabályozás. Elõrecsatolt szabályozó. Erõre való szabályozás: Descartes-kooordinátákban adott pozíciószabályozás. Descartes-kooordinátákban adott erõszabályozás. Hibrid pozíció-erõ szabályozás. Tradicionális adaptív szabályozások Trajektóriatanulás. Változó struktúrájú szabályozás. Csúszó mód szabályozás. Paraméter-adaptív szabályozás. Adaptív inverz dinamika. Slotine és Li algoritmusa. Adaptív Slotine Li algoritmus. Soft computing jellegû szabályozás Fuzzy robotszabályozás. Neurlis hálózat alapú szabályozás (perceptron, Kohonen-hálózat, Hopfield-hálózat, Elman-hálózat, CNN). A soft computing alapú modellezés újabb irányai A laboratóriumi gyakorlatok témái: 3 D SCARA modell dinamikai felépítése PID jellegû trajektóriaszabályozás 3 DOF SCARA kar példáján Stribeck-típusú súrlódási modell és kotyogás hatásának tanulmányozása a szabályozás minõségére DC motoros hajtás modellje Szervo szabályozású differenciális henger alapú hajtás modellje Külsõ, az irányító rendszer által nem modellezett dinamikai kölcsönhatás alatt álló, pontatlanul ismert rendszer adaptív irányításának módozatai: a módosított renormálási traszormációt használó algoritmus, általánosított Lorentz mátrixok, minimális transzformációt végzõ, speciális struktúrájú szimplektikus mátrixok, részlegesen nyújtott rotációs transzformáció; az egy szabadsági fok speciális esete A webre idõközben feltett friss publikációk anyagai Rudas I.: Robot Control, jegyzet, Bánki Donát Mûszaki Fõiskola, Budapest, 1995 Rudas I., Bencsik A.: Robottechnika, BMF jegyzet ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY 133
Intelligens robotrendszerek Elõfeltételek: A robottechnika alapjai; Ipari robotok kinematikája és dinamikája szemeszter: 6. óraszám (ea/gy/l): 1/0/0 követelmény: v kredit: 2 Nagy István fõiskolai adjunktus Az intelligens robotrendszerek áttekintése, majd a jelenleg is használatban lévõ alkalmazások megismerése. A robotlátás alapjainak ismertetése, intelligens robotrendszerek adatfolyamának feldolgozása, számítási sebességekkel kapcsolatos feltételek. Mobilis-robotok látórendszereinek megismerése, majd a multiágens platform alapjainak ismertetése. Álló és mozgó akadályok kikerülési stratégiái. Interaktív kapcsolat a környezettel Intelligens szenzorrendszerek áttekintése, mitõl lesz a robot intelligens. Különbözõ szenzorrendszerek fuzionálási lehetõségei. Robotlátás rendszerei: alapmetódusok ismertetése Laser-eye, sztereo kamera, ultrahangos rendszerek, infravörös rendszerek, trianguláció. Mobil robotok alapproblémái Pályatervezés, navigálás (ismert és ismeretlen környezetben), térképkészítés, akadályok (sztatikus, dinamikus) kerülése. Marker-bázisú helyzetbemérés alapjai, intelligens markerek. Kooperáló mobilis robotok (multiágensû környezet ismertetése és alapproblémái) Centrális és disztributív irányítási alapok. Adams. M. D.: Sensor Modelling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation, World Scientific in Robotics and Intelligent Systems, Vol. 13., 1999 Nagy I.: Education Helpmate to the Robotics, BDMF, Budapest, 1994 Rudas I.: Robot Control, BDMF, Budapest, 1995 Liu J., Wu J.: Multi-Agent Robotic Systems, CRC Press, New York, 2001 Castellanos J. A., Tardos J. D.: Mobile Robot Localization and Map Building, a Multisensor Fusion Approach, Kluwer Academic Publishers, 1999 132 ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY
Robotok alkalmazása Elõfeltételek: A robottechnika alapjai; Ipari robotok kinematikája és dinamikája szemeszter: 6. óraszám (ea/gy/l): 1/0/0 követelmény: v kredit: 2 dr. Bencsik Attila fõiskolai docens A robottechnika alapalkalmazásainak megismertetése a technológia kívánalmainak megfelelõen. A robotosítás feltételei, mûszaki, gazdasági szempontok. A villamos, pneumatikus és hidraulikus robotok alkalmazás szerinti tárgyalása. A különféle technológiák robotosításának jellegzetességei. Informatikai követelmények az alkalmazásnak megfelelõen. Ipari robotok karbantartási rendszereinek megismertetése. Rudas I., Bencsik A.: Robottechnika, BDMF, 1999 Blume C., Jakob W.: Ipari robotok programozási nyelvei, MK, 1987 Siegler A. Robot irányítási modellek, LSI, 1987 Nagy I.: Education helpmate to the robotics, BDMF, Budapest, 1995 Rudas I.: Robot control, jegyzet, BDMF, Budapest, 1995 Ipari robotok felosztása az alkalmazás szempontjainak megfelelõen A robotosítás feltételei Mûszaki követelmények a technológiával szemben a hegesztés, kiszolgálás, festés, szerelés területein. Követelmények az ipari robotokkal kapcsolatosan Karmechanizmusok, mechanizmusok, mechanikai rendszerek integrált elemek, manipulációs képességek, robottechnikai sajátosságok szerinti kívánalmak. Gazdasági számítások a robotosítás bevezetéséhez A robotkiválasztás egyéb szempontjai Személyi és tárgyi feltételek, kapcsolódások a technológiai rendszer egyéb elemeihez. Ipari robotok megfogói, a robotalkalmazás függvényében Robotok mérõrendszerei, informatikai követelmények és vezérlési igények az alkalmazás szerint Villamos, pneumatikus és hidraulikus hajtású robotok a különféle technológiákban és kiszolgálásokban Az ipari robot jellegzetességei a karbantartás szerint, karbantartási rendszerek Esettanulmányok az ipari robotok alkalmazása területérõl ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY 131
Robotmechatronika Elõfeltételek: A robottechnika alapjai; Ipari robotok kinematikája és dinamikája szemeszter: 6. óraszám (ea/gy/l): 1/0/1 követelmény: v kredit: 2 dr. Bencsik Attila fõiskolai docens A robottechnika alapelemeinek megismertetése a mechatronika kívánalmainak megfelelõen. A villamos, pneumatikus és hidraulikus végrehajtó szervek tárgyalása. A mérõrendszerek integrált egységei. Mechatronikai rendszerek kialakításának lehetõségei és rendszertechnikai ismeretek elsajátítása a mechatronika robottechnikai alkalmazásaiban. A mechatronika klasszifikációja, az ipari robotokban történõ alkalmazásainak jellegzetességei Karmechanizmusok alapelvei szerinti mechanizmusok, mechanikai rendszerek integrált elemei a manipulációs, robottechnikai szempontok figyelembevételével. A mechatronikai hajtások végrehajtó elemei és alkalmazásuk robotokban Hajtómûvek a robotika szolgálatában, követelmények, felépítésük. Villamos, pneumatikus és hidraulikus végrehajtó szervek mechatronikai rendszerei arányos és szervo hajtások. Ipari robotok megfogói Mechatronikai egységek a végrehajtó mechanizmus végpontján. Robotok mérõrendszerei Belsõ és külsõ érzékelõk, felépítése, informatikai követelmények, a vezérlési igények szerinti kialakítások. A robotok rendszertechnikai felépítése A mechatronika követelményei szerint a vezérlés kapcsolódó hardverelemei. A laboratóriumi gyakorlatok témái: A TINA számítógépes szimulációs programra alapozva. Rudas I., Bencsik A.: Robottechnika, BMF jegyzet Arz G., Lipóth A., Merksz I.: Robotmanipulátorok, LSI Alkalmazástechnikai Tanácsadó Szolgálat, 1988 Nagy I.: Education helpmate to the robotics, jegyzet, BDMF, Budapest, 1995 Rudas I.: Robot control, jegyzet, BDMF, Budapest, 1995 130 ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY
Ipari robotok kinematikája és dinamikája Elõfeltételek: Matematika szigorlat; Szoftver szigorlat szemeszter: 5. óraszám (ea/gy/l): 2/1/0 követelmény: v kredit: 3 Dr. Rudas Imre egyetemi tanár A robottechnikában alkalmazott kinematikai és dinamikai modellek felállításához szükséges matematikai módszerek mélyebb megismertetése a Robottechnika szakirány kívánalmainak megfelelõen. Merev testekkel végezhetõ transzformációk Transzláció és rotáció mûvelete. E mûveletek tulajdonságai, csoporttulajdonságok. Diszkrét, folytonos és Lie csoportok Csoportalgebra, érintõtér, generátorok, Lie algebra, Jacobi azonosság; Lie csoportok ábrázolása. A forgáscsoport ábrázolásai Ortogonális mátrixok, kvaternióalgebra, spinorok. A homogén mátrix reprezentáció Transzlációs sebesség és szögsebesség. Nyílt kinematikai láncú robotok. Mûhely-koordinátarendszer, karrészekhez rögzített koordinátarendszer. Általános koordináták Denavit Hartenberg konvenciók; a Jacobi mátrix és komponenseinek fizikai tartalma. Kinematikai szingularitások A Gram Schmidt módszer. Redundáns robotkarok. Általánosított inverz. Néhány specális kinematikai struktúra. A dinamika alapjainak áttekintése Inerciarendszer, Newton Axiómák, Galilei-transzformáció. Kinetikus és potenciális energia, Lagrange-függvény. A Hamilton-elv és a variációszámítás alapjai Euler Lagrange-egyenletek. Az általánosított erõk, fizikai jelentésük és a mérhetõségükkel kapcsolatos problémák. A dinamikai modell felállítása alapmérések és a homogén transzformációk segítségével Az általánosított tehetetlenségi mátrix. Módosított Denavit Hartenberg konvenciók. A mechanikai rendszerek belsõ szimmetriái Legendre-transzformáció, Hamilton-függvény, kanonikus koordináták és mérhetõségi problémáik. Zárt mechanikai rendszer belsõ szimmetriái: térképek és atlaszok, kanonikus transzformációk. A szimplektikus csoport és szimplektikus geometria Szimplektikus bázis, szimplektizáló algoritmusok; fázisáram, Poisson-zárójelek, szimmetriamegmaradás elvek kapcsolata, Liouville tétele. Stabil és erõsen stabil leképezés, a szimplektikus mátrixok spektruma. A tantermi gyakorlatok témái: Részben analitikus, részben numerikus gyakorlat, amelyen az elõadásban ismertetett matematikai módszerek programozással segítve tanulmányozhatók. Rudas I., Bencsik A.: Robottechnika, BMF jegyzet Arnold V. I.: A Mechanika matematikai módszerei, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985 Hall G. G.: Alkalmazott csoportelmélet, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975 ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY 129
A robottechnika alapjai Elõfeltételek: Matematika szigorlat; Szoftver szigorlat szemeszter: 5. óraszám (ea/gy/l): 2/0/0 követelmény: v kredit: 3 dr. Bencsik Attila fõiskolai docens A robottechnika alapjainak megismertetése a Robottechnika szakirány kívánalmainak megfelelõen. A robotok felosztásának, általános felépítésének megismerése, az ipari robotok kinematikai és dinamikai ismereteinek megalapozása. A robotos rendszerek tervezési lehetõségeihez az informatikai ismeretek szélesítése, a robottechnika alkalmazásaihoz. Rudas I., Bencsik A.: Robottechnika, BMF jegyzet Arz G., Lipóth A., Merksz I.: Robotmanipulátorok, LSI Alkalmazástechnikai Tanácsadó Szolgálat, 1988 Nagy I.: Education helpmate to the robotics, BDMF, Budapest, 1995 Rudas I.: Robot control, BDMF, Budapest, 1995 Robotok klasszifikációja, az ipari robotok jellegzetességei Mobil robotok, ipari robotok, közvetlen és közvetett manipulátorok, mester szolga rendszerek. A robottechnika alapfogalmai Kinematikai mozgástér, munkatér, koordinátarendszerek. Karmechanizmusok alapelvei, mechanikai, manipulációs, robottechnikai szempontok. Végrehajtó mechanizmusok alapelemei Szabadságfokok technikai megvalósításai, a hajtások végrehajtó elemeinek sajátosságai és alkalmazásuk köre. Direkt és indirekt hajtások, hajtómûvek. Robotokban használatos mérõrendszerek Belsõ és külsõ érzékelõk, követelmények a vezérlés szempontjai szerint. Ipari robotok vezérlésének általános feladatai Pontvezérlés és a pályavezérlés lányege, követelményei. A robotok tanításának lehetõségei, ezek sajátosságai A vezérlés és a robotalkalmazás kapcsolata. 128 ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY
Mobil robotok Elõfeltételek: Robotmechatronika; Robotok alkalmazása; Intelligens robotrendszerek szemeszter: 7. óraszám (ea/gy/l): 2/0/1 követelmény: v kredit: 3 A tematika kidogozója: Vámossy Zoltán fõiskolai adjunktus A tárgy keretében a hallgatók megismerkednek a mobil robotika speciális problémaköreivel. Robotosított rendszerek Célok, funkciók és általános felépítés. Mobil robotok Kerekes robotok, CLAWAR gépek. Statikus és dinamikus mozgásstabilitás. Tárgyak manipulációja a munkatérben Feladatok leírása. Relatív transzformációk a munkatérben. Vizuális információ használata a relatív helyzetmeghatározáshoz. Pályavezérlés Durva pályatervezés módszerei: GVD használata pályatervezéshez. Neurális elvû pályatervezés. Finom pályatervezés: Interpolációs mozgás. Spline-ok használata. Lineáris interpoláció parabolikus átmenetekkel. Robotnavigáció Külsõ érzékelõk. Vizuális információ használata. A PAL optikai tulajdonságai és alkalmazási lehetõségei. Képfeldolgozási alapfogalmak és technikák Morfológiai algoritmusok, Rank order filterek, zajszûrés. Élfelismerés, Split and Merge élekre. Alakfelismerés módszerei. Terület-, kerület-, nyomaték- és fõtengely-meghatározás. A laboratóriumi gyakorlatok témái: Képek beolvasására és kezelésére alkalmas vizuális MDI munkakörnyezet kialakítása Egypixeles alapú feldolgozási algoritmusok, zajszûrés Morfológiai algoritmusok. Élkiemelés, binarizálás Objektumjellemzõk meghatározása Spline-ok illesztése egyenközû alappontokra és lineáris interpoláció parabolikus átmenetekkel, demonstrációs programok készítése Niemann H.: Image Analysis and Understanding, Springer- Verlag, 1990 Haralick R. M., Shapiro L. G.: Computer and Robot Vision (Vols I and II), Addison Wesley Gonzalez R. C., Woods R. E.: Digital Image Processing, Addison Wesley 134 ROBOTTECHNIKA SZAKIRÁNY