Magistrska naloga analizira teoretično ozadje dinamičnih primitivov gibanja,
njihov predvideni namen, motivacijo, možnosti, prednosti in slabosti ter preučuje
specifično uporabo dinamičnih primitivov gibanja za generiranje trajektorije
za sedem sklepov redundantnega robotskega manipulatorja. Namen dela je
zagotoviti vpogled v področje fleksibilnega generiranja trajektorije, ki temelji na
demonstriranih in naučenih gibih.
Sprva so primitivi gibanja (kinematični in dinamični) opredeljeni in podrobno analizirani kot konstruktivni sestavni deli oziroma gradniki mišičnega
gibanja, opazovani s stališč biorobotike in načrtovanja sistemov. Ugotavljamo,
kako se primitivi gibanja lahko predstavijo kot matematični opis izvajanja
gibov živih bitij, kot so vretenčarji in nevretenčarji. Analiziramo osnovna
načela primitivov gibanja, kot so razmerja med učenjem spretnosti in dejansko
reprodukcijo giba. Opazujemo motorično učenje in konstruiranje matematičnih
predstav za posploševanje gibalnih nalog. Opisane so razlike med primitivi
diskretnega gibanja in primitivmi ritmičnega gibanja ter njihov pomen.
Sledi opis postopkov, ki jih uporabljamo za učenje z demonstracijo. Podrobno je opisan algoritem za kodiranje diskretnega dinamičnega primitiva
gibanja, ki temelji na Gaussovih bazičnih funkcijah in lokalno uteženi regresiji.
Dinamika točkovnega atraktorja, ki se nanaša na način, na katerega dinamični
primitivi gibanja generirajo trajektorijo, je definirana, opisana in vizualizirana.
Opisana in matematično formulirana je metoda za prilagajanje algoritma
generiranja trajektorije s ciljem pravočasnega doseganja ciljne točke.
V nadaljevanju predstavimo posebnosti naloge, na kateri se metoda preizkuša in uporablja. Robotski manipulator s pomočjo kamere, pritrjene na vrh robota,
izvede lokalizacijo kolonij bakterij, ki se nahajajo v petrijevki. S pomočjo
predhodno demonstriranih in kodiranih dinamičnih primitivov gibanja nato
robot z uporabo igelne sonde zajame želeno kolonijo bakterij ter jo prenese
na ciljno ploščo za analizo. Glede na majhne dimenzije kolonij bakterij (v
primerjavi z dimenzijo robotskega manipulatorja), je za manipulacijo bakterij
potrebna visoka stopnja natančnosti, tako algoritma generiranja trajektorije kot
tudi robotskega regulacijskega sistema.
V prvem poglavju smo predstavili problem načrtovanja trajektorij in vodenja
robota, ki se opira na demonstracijo gibanja in lahko to gibanje tudi posploši
na različne scenarije. Pojasnili smo izvor in motivacijo uporabe metode v obliki
dinamičnih primitivov gibanja (DMP). Predstavili smo nalogo, ekstrakcije kolonij
bakterij, za katero je bila potrebna visoka stopnja natančnosti (manjša od milimetra vzdolž vseh treh kartezičnih osi). Opisali smo opremo, ki je bila uporabljena
za nalogo, in jo sestavljajo robotski manipulator ter industrijska kamera, linijski
laserski skener in igla za ekstrakcijo kolonije, ki so združeni v obliko orodja na
vrhu manipulatorja.
V drugem poglavju podrobno obravnavamo zasnovo DMP in temelje dinamike,
na kateri temelji pristop. Fiziko atraktorjev razložimo na modelu nihala, ki ga
obravnavamo v prostoru stanj. Modeliramo enega od možnih atraktorjev sistema,
ki je osrednja točka mirovanja nihala. Podrobno obravnavamo dinamične enačbe,
ki tvorijo DMP. Razložimo sistem transformacij, ki vodi vsako stopnjo prostosti
robotskega mehanizma glede na nelinearne aktivacijske funkcije ter začetne in
ciljne vrednosti. Kanonični sistem je predstavljen kot gonilni mehanizem za dinamične enačbe in kot metoda oblikovanja fazne spremenljivke, ki nadzoruje nelinearne aktivacijske funkcije mehanizma DMP. Nazadnje smo podrobno razložili
izpeljave nelinearnih aktivacijskih funkcij in matematične temelje, na katerih so
osnovane. To smo storili s sklicevanjem na primer modela nihala.
V tretjem poglavju smo predstavili začetno implementacijo DMP na robotskem
manipulatorju. Testna naloga je obsegala stik vrha robota s točkami na 3D
tiskanem modelu. Model je vseboval pet konic z dobro znanimi dimenzijami in
odmiki, ki smo jih uporabili kot točke dotika za iglo na vrhu robotskega manipulatorja. Pojasnili smo demonstracijo gibanja za učenje DMP, ki omogoča
približevanje koloniji bakterij, in generiranje DMP za odmik. Razložili smo nastavitve robotskega manipulatorja in opravili testiranje algoritma v simulaciji.
Nato smo izvedli preizkus algoritma na dejanskem robotu z implementacijo dinamičnih enačb DMP v obliki Simulink modela. Pojasnjena je arhitektura modela
vodenja in predstavljen je filter drugega reda, ki zagotavlja natančno približevanje
končni ročki. Rezultati gibanja so prikazani in na kratko analizirani.
V četrtem poglavju smo podrobno obravnavali nalogo ekstrakcije bakterijskih
kolonij. Razloženi sta motivacija za nalogo, pa tudi logistika pridobivanja kolonij
bakterij iz petrijevke. Pojasnjena je celotna postavitev naloge. Razčlenjeni so
posamezni koraki izvedbe. Prikazane so trajektorije postopkov zajema in odlaganja bakterijskih kolonij. Za vsak postopek je prikazana zmogljivost algoritma
DMP. Nazadnje je izveden in prikazan algoritem na dejanskem robotu. Prikazani
in analizirani so rezultati natančnosti vodenja robota z uporabo DMP.
V petem in zadnjem poglavju smo delo povzeli in bralcu predstavili kratek pregled.
|