Kort historik. Introductory Course Robotics. Kort historik (3) Kort historik (2) Ordet robot. Isaac Asimov

Transkript

1 Kort historik Introductory Course Robotics Lars Asplund 425 F.K. Archytas flygande duva ~ 200 F.K. Ctesibus Vattenklockor 1495 Leonardo avinci Mekanisk riddare 1738 Jacques de Vaucanson, dockor+djur 1822 Charles Babbage differensmaskin 1847 George Boole Boolesk Algebra Kort historik (2) 1921 Karel Capek Pjäsen R.U.R 1926 Fritz Langs Metropolis, roboten Maria 1936 Alan Turing Turingmaskinen 1940 Isac Asimov Robbie 1961 Heinrich Ernst MH-1 robotarm 1962 GM Unimate första industriroboten Kort historik (3) 1996 Honda P3 humanoid 1997 Sojourner marsrobot 1998 Lego robotics invention system 1999 Sony Aibo 2000 Honda Asimo Ordet robot En tjeckisk pjäs från 1920 Rossums Universal Robots av Karel Capek Robota, träl eller tvingad arbetskraft Handlingen utspelar sig 1960 och robotarbetarna gör uppror och tar över allt liv på jorden. Isaac Asimov Ryskfödd författare Science fiction Robbie från 1940 Novellsamlingen Jag Robot The Foundation Robotlagarna 1

2 Robotlagarna Isaac Asimov 1. En robot får inte skada en människa, eller genom att vara overksam, tillåta att en människa kommer till skada. 2. En robot måste alltid lyda order givna av en människa utom när det är bryter mot den första lagen 3. En robot måste alltid skydda sin egen existens så länge det inte strider mot de två första lagarna. Sumo Jämfört med Lego Mindstorm Ingångar 1,2,3 och utgångarna ABC Analoga 0-7 och digitala 0-7 och fyra motorer Lego programmeras i ett derivat av LabView (finns C och Ada-kompilatorer) Sumo-kortet programmeras i Java (det finns även en Ada) et finns mycket stora möjligheter med Sumo-kortet. Generellt Robotik Känna Planera - Agera Vi står inför den 3:e industriella revolutionen, och ska möta den med en kunskapsoffensiv 1:a Mekaniseringen på 1800-talet 2:a IT revolutionen under 1900-talets senare del en 3:e även en syntes av de två första Generellt Robotik En robot är ett system med Sense Känna Sensorer/Givare Plan Planera AI Act Agera Actuatorer/Ställdon Sense Känna Hur ser omgivningen ut. Var är jag, var kan jag gå, var är verktygen, var är andra robotar, var är de människor som jag ska serva, var behöver det dammsugas, var är gräset långt Plan Tänka Informationen från de olika sensorerna stämmer inte ihop. Vad är det som gäller? Har någon ändrat i omgivningen, uppgiften är att klippa, men det kommer fullt med folk och hundar, antingen går jag åt vänster eller åt höger AI - Hur hantera situationer, som programmeraren inte hade tänkt på 2

3 Act Agera Vi har fått in information om omgivningen, och AI-delen har kommit fram om en action et tredje steget ska se till att det blir gjort. Om vi ska gå till vänster, så ska vi se till att det blir rulle under fötterna Känna Sensorer eller givare Mäta sin omgivning, eller den del av hela systemet, som man inte kontrollerar Avstånd Rörelse Våra sinnen Syn eller vision mest spännande Exempel En dammsugare Kan inte programmeras av användaren För att veta hur det är möblerat måste man finna möblerna Räcker med enkla avståndsmätare Tänka / Besluta en ska klara att dammsuga oavsett möblering Vad händer om man möblerar om? Typiskt är att programmet ska klara en stor mängd med situationer, som programmeraren inte känner till i förväg Artificiell Intelligens Agera En webbkamera kopplad till en dator är ingen robot En robot måste göra något i den verkliga världen Exempel: ammsugare Gräsklippare Snöskottare Äppelträdsbeskärare Betongplanare Gruvlastare Första industriella revolutionen Under 1800-talet Maskiner ersatte muskelkraften Startade med ångmaskiner Idag Bensin/iesel Elmotorer Wankel, Stirling etc 3

4 Vissa problem Helt nytt för samhället Svårt att förstå vidden i det initiala skedet Vissa demonstrationer Idag sitter det motorer överallt Minst 100 motorer per person i I-världen Informationsteknologin en Andra Industriella Revolutionen Startade med de elektroniska hjärnorna Lite av Science Fiction Under 60-talet fanns stora datorer, som kostade mycket Sköttes av män i vita rockar Svårt att förstå att datorer skulle kunna vara till någon nytta Vissa problem ABC80 kom i slutet av 70-talet Apple II och framförallt PC n i början av 80 I vissa debattprogram diskuterades införandet av datorer Striden PC Mac Internet et är en fluga som går över Mer än 100 datorer/person i I-världen Några citat Två-tre datorer borde räcka för Sveriges räknebehov inom överskådlig tid! Svensk professor 1940-talet Hur kan ni tro att ni kan få ihop 30 personer som vill flyga till samma ställe? Resebyråchef om idén att börja flyga charter till Mallorca 1950-talet Ska kunderna montera möblerna själva? et var den dummaste affärsidé vi hört! Bankkamrer i Älmhult, 1940-talet, som nekade Ingvar Kamprad att låna pengar. Internet är en fluga som snart går över! Inez Uusman,"dataminister?" 1990-talet Robotik en Tredje Industriella Revolutionen Robotar är Science Fiction Robotar kostar idag mycket pengar Robotteknologin idag motsvarar atatekniken på 70-talet Robottekniken är en syntes av de två tidigare industriella revolutionerna Antalet är mindre än en per person Vision - Goals Svinuppfödning Stallar med 8 veckors intervall Cirka 5 cm på väggar och golv Rymddräkt Röda ögon och Frossa 4

5 Robotdalen Fokusområden Vinnova Vinnväxt 159 ansökningar -> 3 vinnare Örebro / MdH (/KTH) Samhälle / näringsliv / högskolan Tillväxtprogrammet Industrirobotar Inom den traditionell verkstadsindustri krävs i framtiden: Fältrobotar Genom en syntes av Sveriges starka skogs- och gruvindustri och tillverkning av entreprenadfordon (lastbilar etc.) skapa nya produkter Vård&omsorg Effektiviteten i vård och omsorg måste öka för att erbjuda samma sociala standard i framtiden Robotdalens aktörer Triple Helix Robotdalens Aktörer 1. e offentliga aktörerna 2. Akademiska aktörer ÖREBRO Kommuner Länsstyrelse Landsting VÄSTMANLAN Kommuner Länsstyrelse Landsting 3 1 Kommuner SÖERMANLAN Länsstyrelse Landsting STOCKHOLM ÖREBRO UNIVERSITET Västerås 3 2 Eskilstuna MÄLARALENS HÖGSKOLA KTH Tekniska Museet 5

6 Esab Welding Eq. Specma Atlas Copco Tritech Optab Net City Örebro SAAB Bofors Robotdalens Aktörer 3. Näringslivsaktörer och institut ABB CC Systems MEE Metior CIM Skills Zealcore Ramsta Robotics Aerotech Telub Logic esign Hök Instrument Realfast SMT Tricept 3 3 Volvo CE SweRob Calix Paint Mate Robotics Electrolux elaval Tritech Lynson Machine SAABTECH SICS Robotdalens Aktörer Samverkan med övriga innovationsaktörer Västmanlands FoU-råd Idélab MdH Aroslotsarna Kista applications Företagsgenerator Connect ALMI/NUTEK Teknikbrostiftelsen CEF Affärsänglar/Entreprenörer Forsknings institut CRC Uppfinnarföreningen Industriellt utvecklingscentrum Teknikhöjden techni Stiftelsen innovationcentrum Örebro Innov. Center Teknikbyn Skogforsk... Sumo kortet Blockschema AVR En Java-processor (ajile java) En mikroprocessor (Atmel Mega16 C) USB-controller (FT232BM) Fyra stycken H-bryggor (Allegro) MOSI MISO SPI Flash CPU Timer0 Timer1 AC Timer2 Analog signal Alla värden möjliga inom ett intervall Icke-elektriska xempel : en temperatur eller en hastighet Elektrisk spänning Elektrisk ström Elektrisk resistans (en potentiometer) igital signal Har endast två värden 0 eller 1 Faktiska fysiska representationen varierar Exempel: 0 1 logisk 0V 5V 5V-logik 0V 3.3V 3V-logik N-S S-N magnet Slät bula C Laddn tom EPROM Aktiv inaktiv Avbrott 6

7 Binära talsystemet Tal med basen 2 Möjliga siffror är 1 och 0 Alla talbaser har lika många siffror som basen (decimala har tio siffror 0..9) I ett digitalt system använder man det binära talsystemet. Varje position i talet har antingen en given plats i elektroniken eller sin tidslucka Exempel på 8bits tal Parallell-porten till en skrivare På en PC är det en 25-polig kontakt (sub), på en skrivare är det en annan kontakt. Kontakten har varit standard i närmare 30 år. Benämningen kommer av att kontakten har 8 bitar för att ange vilket tecken som ska skrivas ut Åtta bitars binärt tal Att det är 8 bitars binärt tal betyder att tal mellan 0000_0000 till 1111_1111 kan skrivas ut. Jämför med ett tresiffrors tal i det decimala systemet, där kan vi ha tal mellan 000 och 999. et är 1000 st = 10**3 Ett åtta bitars tal har 2**8 olika = 256 Parallellporten igen Bitarna i det digitala 8 siffrorstalet har var sin anslutning , där 0 är den minst signifikanta biten och 7 den mest signifikanta Varje bit n motsvarar värdet 2**n dvs = =255 Elektroniska kretsar Grindar Och, Eller, Exklusive Or samt Inverterare Statiska komponenter, dvs utgångarnas värde beror direkt på ingångarnas värden Elektroniska kretsar Vippor -vippor, JK-vippor, RS-vippor ynamiska komponenter, dvs utgångarna beror av ingångarnas värde vid tillfällen när klockan har läst av ingångarna Vi ska begränsa oss till -vippan 7

8 -vippan Utgångar samt Set och Reset S R S och R är statiska ingångar och är dynamiska ingångar och är utgångar S R Utgången / är inversen av En etta på S (Set) sätter till en etta (/ till 0) En etta på R (Reset) nollställer (/ till 1) e dynamiska ingångarna S R Givet att R och S är noll gäller att får det värde som har, när går från 0 till 1 (dvs vid positiv flank) in Skiftregister Antag att 2 = 0, 1 = 1, 0 = 0 Vidare att in = 1 när går från 0 till 1 Efter s positiva flank är 2 = 1, 1 = 0, 0 = 1 S/P Skiftregister till 7 är utgångarna 0 till 7 är ingångar som man med S/P kan ladda respektive vippa (med R och S) SPI Ett sätt att kommunicera mellan två enheter. Används mellan Java-processorn och AVR en Man har ett skiftregister i vardera enheten In- och utgångarna samt klockan finns tillgängliga utanför kretsen En av enheterna är Master och den andra Slav 8

9 Master i SPI atabuss MISO atabuss Slave i SPI MOSI MOSI MISO atabuss atabuss Master skapar klockan (8 klockpulser) MISO (Master In Slave Out) MOSI (Master Out Slave In) ata läggs först in i registret sen 8 klockpulser, slutligen läser man den andras data Sammankoppling SPI MISO Master MOSI Slave 1 USB 2 Sumo-kortet 3 * * * JTAG JStamp ajile80 RAM Flash H-brygga 2 H-brygga 5 BlueTooth 4 I vårt fall kommer ajile (javaprocessorn) vara Master AVR en Mega16 kommer att vara Slav Efter 8 klockpulser kommer data att ha bytt plats 9V 8 8 igital IO Analog IO AVR Mega16 RAM Flash H-brygga H-brygga 5 5 Placering på kortet Foto på Sumo-kortet M1 M2 G P M1 M2 +5V G P M1 M2 +5V G P M1 M2 +5V JTAG 2 Motor 4 5 Motor 3 5 Motor 2 RAM Flash * * * 5 Motor 1 Analog IO JStamp ajile80 RAM Flash USB V Gnd +9V Gnd igital IO +5V 9

10 Foto på JTAG-modul Foto på JTAG uppkopplad Foto på kort med JStamp C miljön Gnu gcc för AVR En Makefile för att kompilera och länka programmet, samt att skapa en hexfil Med ett program i JStamp kan man programmera AVR en Kommunikation JStamp AVRen : SPI JStamp Blåtand : COM1 JStamp USB : COM2 JStamp analoga signaler in : via AVR JStamp digitala in/ut : A0-A4; B4,B5,E7 Kontroll av AVR och BT JStampen används för att slå på AVRen och Blåtand GpioPin AVR_Power = new GpioPin(GpioPin.GPIOE_BIT4); GpioPin BT_Power = new GpioPin(GpioPin.GPIOE_BIT3); vs AVR styrs av PortE, pin 4 och Blåtand av PortE, pin3 10

11 T1 H-brygga T3 +9V T1 H-brygga T3 +9V T2 M T4 T2 M T4 Gnd Gnd Logiska signaler styr vilken eller vilka transistorer som leder Observera att motorn inte får anslutas till jord eller någon matningsspänning direkt Om ingen transistor leder => ingen ström T1 och T4 leder Insignalen till kretsen Allegro3949 är en nolla T1 T2 H-brygga M Gnd +9V T2 och T3 leder Insignalen till kretsen Allegro3949 är en etta T3 T4 Gammal skåpmat Resistans U = R * I vs spänningen över en resistans är lika med strömmen genom den * dess resistans Hur ser motsvarande ut för en kondensator? Eller för en induktans? Konstant spänning En konstantspänningsgenerator ger samma spänning ut oavsett hur mycket ström man tar ut. Om man kopplar en resistans till den kommer strömmen I = U/R att gå genom resistansen Konstant ström En konstant strömgenerator, ger en konstant ström ut. Utspänningen kan bli hur hög som helst. Kopplar man en resistans R till den får man spänningen U = R*I 11

12 Om signalen är 50% Om signalen är 75% 16us 16us 16us 16us Nettoströmmen (likströmmen) kommer att vara 0. Spänningen över respektive transistor när noll, dvs inga större förluster 8us 24us 8us 24us Nettoströmmen (likströmmen) kommer att gå åt vänster. Spänningen över respektive transistor när noll, dvs fortfarande inga större förluster Motsvarande när signalen är 25% (ström åt höger ) PWM signal Signalen som styr H-bryggorna kallas PWM (Pulse Width Modulation) et är med bredden (width) av signalen som vi styr hur mycket motorn ska röra sig samt i vilken riktning. 50% betyder 0, dvs stillastående >50% går motorn åt ett håll <50% går motorn åt andra hållet Hur skapas denna signal? I AVR en finns tre räknare, de kallas Counter0, Counter1 och Counter 2 Counter0 och Counter2 är 8-bitars räknare och Counter1 är en 16 bitars (fast vi utnyttjar den som en 8-bitars) En räknare är i princip ett antal -vippor som är kopplade enligt följande -in Räknare med -vippor Antag att 0 till 2 alla är 0 Vid första positiva flank på -in kommer 0 att få värdet av (som är /), dvs 1 Nästa gång går 0 från 1 till 0. / går då från 0 till 1 dvs positiv flank => 1 blir 1 Binärräknaren -in 0 /0 1 /1 2 /2 Nr Nr Nr Nr Nr Nr Nr Nr Nr

13 Räknare Räknar för varje klockpuls upp ett steg och när den har nått max (binärt 111 = 7) blir resultatet 0. En 8-bitars räknare räknar från 0 till (max binärt =255) och slår sedan runt. Generering av PWM Vi har en 8-bitars räknare Ett register med ett 8-bitars tal (0 till 255) En jämförare (dvs som jämför när räknaren och registret är lika) När räknaren slår om från 255 till 0 sätts PWM-signalen till 0 När räknaren är lika med talet i registret sätts PWM-signalen till 1 Klockan till AVRen En keramisk resonator avstämd till 16MHz driver AVR en en frekvensen delas med 2 innan den kan användas att driva räknaren. Räknaren drivs alltså av 8MHz = us Efter 256 klockpulser har räknaren gått ett varv (256*0.125 = 32us) Om man skriver in 128 i Registret får man 50% Tre räknare med fyra H-bryggor En av räknaren Counter1 har två stycken register en har två stycken PWM utgångar en för varje register A-omvandlare En A-omvandlare omvandlar en analog signal till ett digitalt värde. Viktiga data är referensen värde ( i vårt fall 5V) Antal bitar i det digitala värdet (i vårt fall 10 bitar) 0 V = V = analoga ingångar 1 AC et är 8 analoga ingångar på en AVR men endast en A-omvandlare (AC Analog to igital Converter). e åtta analoga ingångarna går till en multiplexer. Man väljer en av de åtta signalerna som sedan går till AC n 13

14 Javamiljön JCreator Eclipse för att editera javakoden JEMbuilder för att skapa det som ska laddas ner på kortet Charade för att ladda ner på RAM eller Flash. Charade för att starta och stoppa processorn Om programmet ligger i Flash kan man köra utan PCn Jcreator.com Java-miljön Eclipse Eller vilken java-miljö som helst Skapar.class (make once run multiple times) JEM-builder Makes a complete set of all required runtime classes Charade ownload and run / ebug Java Ett programmeringsspråk En omgivning (grafik, GUI, etc.) Ursprungligen framtaget för att programmera tvättmaskiner Flera färdiga miljöer, IE, med färdiga kopplingar till traditionell användning, dvs PC Miljön måste ändras för att passa vår miljö JEM Builder rullgardin Project Project Properties JStampFlashConfiguration JStampRamConfiguration Skapa JVMer (1 till 2) rivers Lägg till för varje hårdvara, som används Ange till vilken JVM JemBuilder Project OutputFiles Output irectory for the result Memory PLL Setup Pin Setup 1 Pin Setup 2 (av intresse; se nästa) Chip Select 14

15 Project; PinSetup2 PortC SPI Adress bus bit 24 UART Clock Port UART1 och UART0, CTS0 Port E Timer 0 och Timer 1 För varje JVM Main file (.class) Classpath Memory Interrupts (avbrott) Main arguments Ev rivers Com (redirect System.out) Embedded Systems Inbyggda system Minne IO Inga diskar Ingen bildskärm Nerladdningsprocess Watch dog Korsplåtar Vinkelkoppling plåtar T-plåtar Enkel klammer ubbel klammer Ändhylsor Koppling enligt fig 12 Koppling enligt fig 15 Enkelt lager ubbelt lager FAC-system Jämför med Mecano eller TeknikLego Standardkomponenter 3 mm skruv 3 mm stänger 5 mm axlar Modulsystem med delning 7 mm En grundsats med några grundkomponenter Komplettering kan göras hos FACSystem Standardlager kan användas Typiskt att man bygger med grunder i fackverkskonstruktioner. Billigt material för stängerna är att använda 4mm svetselektroder, 80 kr/kg 15

16 FACSystemets delar (1) FACSystemets delar (2) + Kugghjul etc. Sammankopplingar JTAG Ett standard gränssnitt för att både programmera och kontrollera olika elektroniska enheter. Man arbetar med en seriell kommunikation liknande den som vi använder med SPI I vårt fall har vi enbart JStampen på JTAGen. (et är iofs möjligt att även ansluta Mega16 till JTAG) USB Kretsen som används heter FT232BM Kontakten är en s.k. mini USB rivrutinen krävs i PC n Man kan antingen köra en drivrutin så att man får en serieport Eller att den blir en enhet kallad FT2XX, ett gemensamt namn för FT232 och FT245 USB (2) Vi har valt att köra den som FT2XX. Man gör program i PC n, som skrivs i C, C++ eller Ada Med biblioteket FT2XX.dll och motsvarande ftd2xx.h kan man öppna en enhet, läsa och skriva data FT232BM omvandlar detta till serieformat, som går in på JStampen 16

17 17