Izogibanje trkov in koordinacija robotov v industrijski celici z več roboti

Pretnar, Katja (author), Mihelj, Matjaž (mentor)

UVOD V industrijskih celicah dandanes si roboti delijo delovni prostor, kar privede do problema trkov. Roboti so programirani v programskih paketih (angl. offline) in program za vsakega robota je naˇcrtovan neodvisno od ostalih. Po konstrukciji celice v tovarni, se robotski programi izvedejo pri nizkih hitrostih. Programer celice opazuje izvajanje in uvede potrebne mehanizme za izogibanje trkov. Celotna celica je pod nadzorom programabilnega logiˇcnega krmilnika (angl. PLC). Ta poskrbi za ustrezno komunikacijo med roboti z izmenjavo signalov. Signali, ki omogoˇcajo deljenje skupnih obmoˇcij (angl. shared spatial zones), se imenujejo zaklopi (angl. interlocks). Zaklop je sestavljen iz dveh signalov; alokacije (angl. allocation) in sprostitve (angl. release). ˇCe se nek robot ˇzeli premakniti v skupno podroˇcje, se najprej preveri, ali je obmoˇcje prosto ali zasedeno. V prvem primeru robot lahko nadaljuje z izvrˇsevanjem ukazov, vendar je cona zasedena za vse ostale robote. Ko obmoˇcje zapusti, se izmenja signal sprostitve. Pri vizualnem in roˇcnem pregledovanju celice obstaja moˇznost spregledanih trkov, na drugi strani pa uvedba preveˇc konzervativnih varnostnih mehanizmov, kar upoˇcasni delovanje celice. Zavedati se je potrebno tudi situacij zastoja (angl. deadlocks), kjer roboti blokirajo drug drugega. V teh primerih je nadaljnje izvajanje programov nemogoˇce. Vizualna detekcija takih stanj je zelo kompleksna. To je priloˇznost in potreba za uvedbo avtomatske reˇsitve. Le ta kot vhod sprejeme robotske programe z ozirom na konˇcno postavitev celice v tovarni. Predlagati mora zaklope, ki bodo zagotovili delovanje celice brez trkov in zastojev, pri tem pa upoˇstevati dejstvo, da se roboti lahko zaˇcnejo premikati ob poljubnih ˇcasih (npr. varjenje lahko traja dlje kot obiˇcajno, ˇcakanje na material itd.). Pregled področja Metode za koordinacijo robotov so razdeljene v dve skupini [1] [2] [3]. Prve, centralne, obravnavajo celico z veˇc roboti kot en sistem in naˇcrtajo poti za vse robote v skupnem (sestavljenem) konfiguracijskem prostoru. Druge, imenovane tudi koordinacija poti, razdelijo problem v dve fazi. V prvem koraku neodvisno naˇcrtajo poti za vsakega robota, v drugi fazi pa uskladijo izvajanje z uvedbo urnika (angl. schedule). Slednje so dober pribliˇzek naˇsega problema. V [4] predlagajo modeliranje problema s prostorom koordinacije. To je prostor stanj, ki omogoˇca hkratni prikaz trkov, zastojev in naˇcrtovanje urnika. Ker gre za problem izogibanja trkov, morajo le ti biti najprej zaznani. S to tematiko se ukvarja ˇsiroko podroˇcje detekcije trkov (angl. collision detection). Za naˇs problem sta primerni dve strategiji; presek delovnih prostorov robotov (angl. swept volume) ali vzorˇcenje poti in izvedba klasiˇcnih poizvedb za vse vzorce poti (npr. za problem dveh poti z m in n vzorci je potrebno m × n preverb). Poseben primer metod vzorˇcenja je kontinuirano (zvezno) preverjanje poti (angl. continuous collision checking). S to metodo se preveri celotna pot robota glede na statiˇcne ovire. Glavna prednost je, da se ne preverjanja le posameznih vzorcev poti, ampak celotne segmente. S tem se izloˇci moˇznost nezaznanih trkov. REŠITEV Reˇsitev je sestavljena iz veˇc delov in algoritmov. Glavna delitev reˇsitve je na del, ki detektira trke in na del, ki tako dobljene rezultate ustrezno modelira v prostoru koordinacije. Prostor koordinacije omogoˇca kasnejˇse iskanje ustreznega urnika in uvedbo signalov zaklopa. Kontinuirano preverjanje poti za veˇc robotov Naˇse delo predlaga izvirno metodo za kontinuirano preverjanje dveh robotskih poti. Ideja zanjo je, da uporabimo zvezno preverjanje poti za enega robota (vpeljemo poimenovanje dinamiˇcna pot), medtem ko pot drugega robota vzorˇcimo (imenujemo jo statiˇcna pot). Ker vzorˇcenje statiˇcne poti znova predstavlja problem moˇznih nezaznanih trkov, omejimo gibanje robota med dvema vzorcema s pragom v karteziˇcnem prostoru1. Nato karteziˇcno razdaljo med prejˇsnjim in trenutnim statiˇcnim vzorcem dodamo k varnostni razdalji2, ki prepoznava trke. 1karteziˇcna razdalja: ocena koliko se robot premakne med dvema konfiguracijama v realnih enotah (karteziˇcni prostor). Izraˇcuna se kot maksimalna prepotovana razdalja; uteˇzena razdalja Manhattan s primerno izbranimi uteˇzmi. 2varnostna razdalja za zaznavanje trkov: minimalna razdalja med objekti, ki bo stanje razpoznala kot trk. Prostor koordinacije Problem koordinacije za m robotov lahko opiˇsemo v koordinacijskem prostoru z m dimenzijami. Vsako pot parametriziramo s parametrom τ ∈ [0, 1], tako da γ(0) = qinit in γ(1) = qgoal. Za primer dveh robotov je prostor koordinacije dvo-dimenzionalna ravnina, imenovana tudi zemljevid (angl. coordination map), slika 1. Vsaka os predstavlja evolucijo parametra poti τ . V stanju (0,0) sta oba robota v zaˇcetnih konfiguracijah in v stanju (1,1) v konˇcnih konfiguracijah. Ker je pot obiˇcajno sestavljena iz zaporedja toˇck (in segmentov med njimi), je zemljevid predstavljen z mreˇzo. Zemljevid koordinacije omogoˇca oznaˇcevanje konfiguracij, ki rezultirajo v tr- kih. Ta stanja so ovire v koordinacijskem zemljevidu, na sliki 1 predstavljena kot senˇcena obmoˇcja. Problem koordinacije se prevede v iskanje poti skozi zemljevid od spodnjega levega do zgornjega desnega kota. Strategija, ki opiˇse realno obnaˇsanje robotske celice je lokalna metoda pohlepnega naˇcrtovanja poti (angl. Greedy Planner). Roboti tako navadno istoˇcasno izvajajo programe (diagonalni prehod v celici). V izogib trkom pa mora biti eden ali drugi zaustavljen, kar se odrazi v vodoravnih ali navpiˇcnih prehodih. Na sliki 1 opazimo problem, ko opisana metode ne more doseˇci cilja. Stanja, v katerih se lahko “ujame” so stanja zastojev. Naˇsa reˇsitev predvidi algoritem za primerno poveˇcanje ovir (angl. Deadlock Remover). Mreˇza zemljevida prikazuje toˇcke v programu robota, ki so kandidati za uvedbo signalov zaklopov. Avtomatski izraˇcun tako predstavlja le projekcijo ovir koordinacijskega prostora na obe osi zemljevida. REZULTATI Razvita metoda je uspeˇsno preverjena v simulacijskem okolju. Uporabljena je tudi na podatkih realne varilne celice, ki je vsebovala predhodno (roˇcno) programirane zaklope. Naˇsa reˇsitev poda predloge za izboljˇsano postavitev signalov zaklopov. Za boljˇso predstavitev koordinacijskega problema smo razvili tudi veˇc uporabni ˇskih orodij. Najbolj neposredna predstavitev je prikaz skupnih (deljenih) obmoˇcij v 3D. Gre za presek delovnih prostorov posameznih robotov. Druga moˇznost je prikaz koordinacijskega zemljevida. Optimalna postavitev zaklopov je ˇse vedno velikokrat prepuˇsˇceno presoji PLC programerja, saj je potrebno upoˇstevati tudi praktiˇcni vidik izvedbe (npr. laˇzja izvedba manj PLC signalov kot veˇc, nekatere kombinacije so bolj primerne inp.). Uporabniku se tako lahko ponudi prikaz zemljevida, kjer lahko s preprostim “risanjem pravokotnikov”, ki prekrivajo podroˇcja ovir, uvede potrebne zaklope. Naˇsa reˇsitev ponudi tudi prikaz povezave med prostorom koordinacije in 3D sceno oziroma robotskimi programi. Gre za grafiˇcni vmesnik (angl. GUI), kjer uporabnik lahko izbira poljubna stanja v zemljevidu koordinacije, na sosednjem prikazu pa roboti zavzemajo ustrezne konfiguracije.

• Language: English
• Keywords: problem koordinacije več robotov, koordinacija poti, prostor koordinacije, zastoj, zaklop, kontinuirano (zvezno) preverjanje poti
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2015
• PID: 20.500.12556/RUL-73441
• Publication date in RUL: 13.11.2015

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Collision Free Coordination of Robot Paths in Multi-Robot Worcells

Abstract

The problem of robot coordination arises in workcells, where robots are working in close proximity. We study the multi robot system with preprogrammed paths for the robots, but during the execution they can get delayed at arbitrary times. Crashes are avoided with the help of a central PLC (Programmable Logic Controller) that issues signals, called interlocks, allowing unique allocation of shared zones. We present a solution that automatically suggests necessary and sufficient interlock signals. Besides avoiding collisions, it also avoids deadlock situations i.e. robots blocking each other way. We develop a method for continuous collision checking of multiple robot paths and model the coordination problem in a coordination space. The solution was tested in a simulation and applied to a real industrial use case, where several advantages over a manual solution are presented. The method is accompanied with visualization tools for the user. They can display collision zones in a 3D space or show the connection between the coordination and the Cartesian space.

• Keywords: multiple robot coordination, path coordination, coordination space, deadlock, interlocks, continuous collision checking, swept volumes