un — Robotics: Các Máy móc Di chuyển

un

khách

1 / ?

trở lại bài học

Chào mừng

Chào mừng đến với robotics — lĩnh vực kỹ thuật nơi cơ học, điện tử và phần mềm hội tụ để xây dựng các máy móc cảm nhận, quyết định và hành động.

Từ robot có nguồn gốc từ tiếng Séc robota, có nghĩa là lao động cưỡng bức. Karel Čapek đặt tên này trong một vở kịch năm 1920. Một thế kỷ sau, các robot hàn ô tô, thám hiểm sao Hỏa, thực hiện phẫu thuật và quét sạch phòng khách.

Không phải mọi máy tự động đều là robot. Lò nướng có tính tự động — nó làm nóng và bật ra — nhưng nó không thể cảm nhận môi trường hoặc thích ứng. Một robot có ba khả năng thiết yếu:

- Cảm nhận — thu thập thông tin về thế giới qua các cảm biến

- Quyết định — xử lý thông tin đó và chọn một hành động

- Hành động — di chuyển hoặc thao tác thế giới vật lý qua các bộ chấp hành

The Sense-Decide-Act Control Loop

Vòng lặp cảm nhận-quyết định-hành động này chạy liên tục. Một cánh tay công nghiệp kiểm tra vị trí khớp của nó hàng nghìn lần mỗi giây. Một tàu thám sát sao Hỏa phân tích hình ảnh địa hình trước mỗi lệnh bánh xe. Tốc độ và độ phức tạp của vòng lặp khác nhau, nhưng cấu trúc là như nhau.

Các robot tồn tại trên một phổ tự chủ. Một robot xử lý bom được điều khiển từ xa có tính tự chủ bằng không — con người quyết định mọi hành động. Một robot kho lưu trữ có khả năng điều hướng các hàng và tránh chướng ngại vật có tính tự chủ một phần. Một chiếc ô tô tự lái nhắm mục tiêu toàn tự chủ, mặc dù đó vẫn còn là một thách thức kỹ thuật mở.

Các loại robot chính:

- Robot công nghiệp — những cánh tay cố định hàn, sơn, lắp ráp và xếp kho trong các nhà máy

- Robot phục vụ — hỗ trợ con người trong các môi trường không phải sản xuất: robot phẫu thuật, robot giao hàng, robot dọn vệ sinh

- Robot di động — di chuyển qua thế giới: bánh xe, chân, xích, trên không (máy bay không người lái) và dưới nước (ROV và AUV)

Bài học này bao gồm các khối xây dựng cốt lõi mà mọi nhà robot học cần phải hiểu: bộ chấp hành, cảm biến, hệ thống điều khiển, khái niệm lập trình và con đường sự nghiệp.

Khởi động

Kiểm tra nhanh

Hãy xem bạn đang bắt đầu từ đâu.

Bạn có bao giờ xây dựng, lập trình hoặc làm việc với bất kỳ loại robot hoặc hệ thống tự động nào không? Nếu có, hãy mô tả những gì bạn đã làm. Nếu không, những gì tò mò bạn khi nghĩ về robot?

Động cơ và Di chuyển

Bộ chấp hành: Cách Robot Di chuyển

Một bộ chấp hành là bất kỳ thiết bị nào chuyển đổi năng lượng thành chuyển động vật lý. Bộ chấp hành là cơ bắp của robot.

Động cơ DC — Động cơ điện đơn giản nhất. Áp dụng điện áp, trục quay. Đảo ngược điện áp, nó quay theo cách khác. Tốc độ tỷ lệ với điện áp. Động cơ DC rẻ và nhanh, nhưng chúng không có cách tích hợp để biết vị trí của chúng. Chúng thường được sử dụng trong robot bánh xe và các cơ cấu đơn giản.

Động cơ Bước — Di chuyển theo các bước rời rạc, thường là 1,8 độ mỗi bước (200 bước mỗi vòng quay). Bạn lệnh cho động cơ một số bước cụ thể, và nó di chuyển chính xác khoảng cách đó. Động cơ bước cung cấp điều khiển vị trí vòng mở chính xác mà không cần cảm biến, nhưng chúng có thể bỏ sót các bước dưới tải nặng. Phổ biến trong máy in 3D, máy CNC và gimbal máy ảnh.

Động cơ Servo — Một động cơ kết hợp với cảm biến vị trí (bộ mã hóa) và một bộ điều khiển trong một hệ thống vòng kín. Bộ điều khiển liên tục so sánh vị trí được lệnh với vị trí thực tế và sửa chữa bất kỳ lỗi nào. Các servo cung cấp sự kết hợp tốt nhất về tốc độ, mô men xoắn và độ chính xác. Các cánh tay robot công nghiệp gần như độc quyền sử dụng động cơ servo.

Bộ chấp hành Khí nén — Sử dụng không khí nén để tạo chuyển động tuyến tính hoặc quay. Nhanh chóng và mạnh mẽ theo kích thước của chúng, nhưng khó kiểm soát chính xác vì không khí có thể nén được. Phổ biến trong các máy gắp kẹp nhà máy và máy nhặt-đặt.

Bộ chấp hành Thủy lực — Sử dụng chất lỏng được gia tăng áp suất (dầu) thay vì không khí. Bởi vì chất lỏng gần như không thể nén được, thủy lực cung cấp lực khổng lồ với kiểm soát chính xác. Thiết bị xây dựng hạng nặng, máy ép công nghiệp lớn và một số robot chân (như Atlas đầu tiên của Boston Dynamics) sử dụng thủy lực. Sự đánh đổi là trọng lượng, độ phức tạp và nguy hiểm rò rỉ chất lỏng.

Độ tự do (DOF) — Mỗi trục chuyển động độc lập là một bậc tự do. Một cánh tay robot công nghiệp điển hình có 6 DOF: ba để định vị bộ chấp hành cuối cùng trong không gian (X, Y, Z) và ba để định hướng nó (lăn, sân, yaw). Cánh tay con người có 7 DOF. Các bậc tự do nhiều hơn có nghĩa là linh hoạt hơn nhưng phức tạp hơn trong điều khiển và lập trình.

Actuator types: DC motor, stepper, servo, hydraulic, and DOF comparison

Chọn Bộ chấp hành Đúng

Khớp Bộ chấp hành với Công việc

Chọn bộ chấp hành đúng yêu cầu hiểu các yêu cầu ứng dụng: tốc độ, độ chính xác, lực và môi trường.

Một kỹ sư đang thiết kế một cánh tay robot cho hệ thống phẫu thuật. Cánh tay phải định vị một dao phẫu trong vòng 0,1 milimet và giữ nó ổn định trong khi cắt. Bạn sẽ chọn loại bộ chấp hành nào và tại sao? Tại sao những lựa chọn thay thế lại tồi tệ hơn?

Robot Cảm nhận Thế giới Như Thế nào

Cảm biến: Các Giác quan của Robot

Nếu không có cảm biến, robot bị mù và điếc. Cảm biến cung cấp dữ liệu thô thúc đẩy mọi quyết định.

Bộ mã hóa — Đo lường quay. Một bộ mã hóa quang học có một đĩa có các khe hở; một chùm sáng chiếu qua và một bộ dò đếm các xung khi đĩa quay. Điều này cho biết bộ điều khiển chính xác một khớp đã di chuyển bao xa. Bộ mã hóa tăng dần đếm chuyển động tương đối; bộ mã hóa tuyệt đối báo cáo góc chính xác khi bật lên. Mọi động cơ servo đều có bộ mã hóa.

IMU (Đơn vị Đo Quán tính) — Kết hợp gia tốc kế (đo gia tốc tuyến tính), con quay hồi chứng (đo vận tốc quay) và đôi khi từ kế (đo hướng từ). Một IMU cho robot biết hướng của nó và cách nó di chuyển qua không gian. Quan trọng đối với máy bay không người lái, robot chân và bất kỳ nền tảng di động nào cần giữ thăng bằng.

LIDAR (Phát hiện và Đo Khoảng cách bằng Ánh sáng) — Bắn xung laser và đo thời gian để mỗi xung quay lại. Điều này tạo ra một bản đồ chi tiết 2D hoặc 3D của xung quanh. Ô tô tự lái và robot kho sử dụng LIDAR để phát hiện chướng ngại vật và lập bản đồ. Một LIDAR quay có thể tạo ra hàng trăm nghìn phép đo khoảng cách mỗi giây.

Máy ảnh — Cung cấp dữ liệu hình ảnh phong phú nhưng yêu cầu tính toán đáng kể để giải thích. Một máy ảnh duy nhất cung cấp một hình ảnh 2D; máy ảnh nổi (hai máy ảnh có độ tách biệt đã biết) cung cấp thông tin độ sâu. Các thuật toán thị giác máy tính xử lý dữ liệu camera để nhận dạng đối tượng, theo dõi dòng và SLAM hình ảnh (Bản đồ và Định vị Đồng thời).

Cảm biến Lực/Mô men xoắn — Đo lực và mô men xoắn được áp dụng tại một điểm, thường ở cổ tay hoặc bộ chấp hành cuối cùng của robot. Thiết yếu cho các tác vụ yêu cầu liên hệ được kiểm soát: lắp ráp (chèn một chốt vào một lỗ), đánh bóng và robot hợp tác phải phát hiện tiếp xúc với con người và dừng lại ngay lập tức.

Tích hợp Cảm biến — Không có cảm biến đơn lẻ nào là hoàn hảo. LIDAR cung cấp khoảng cách chính xác nhưng không màu. Máy ảnh cung cấp hình ảnh phong phú nhưng gặp khó khăn trong bóng tối. IMU trôi theo thời gian. Tích hợp cảm biến kết hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến để tạo ra một bức tranh chính xác và đáng tin cậy hơn bất kỳ cảm biến nào một mình. Một chiếc ô tô tự lái tích hợp LIDAR, máy ảnh, radar, GPS và dữ liệu IMU liên tục.

Robot sensor types: encoder, IMU, LIDAR, camera, force/torque, and sensor fusion

Chọn Cảm biến cho Một Nhiệm vụ

Khớp Cảm biến với Nhiệm vụ

Lựa chọn cảm biến phụ thuộc vào những gì robot cần biết, môi trường và ngân sách tính toán.

Một công ty đang xây dựng một chiếc xe nâng tự động hoạt động trong một kho. Nó phải điều hướng giữa các hàng kệ, tránh con người đi bộ gần đó và nhặt các pallet ở các vị trí chính xác. Bạn sẽ trang bị cho nó những cảm biến nào và tại sao? Hãy cân nhắc những gì mỗi cảm biến đóng góp mà những cảm biến khác không thể.

Vòng mở so với Vòng kín

Điều khiển: Làm cho Robot Hoạt động Đúng cách

Một robot không có kiểm soát chỉ là một bộ sưu tập các bộ phận. Hệ thống điều khiển là lớp ra quyết định — chúng lấy dữ liệu cảm biến và tính toán các lệnh thúc đẩy bộ chấp hành.

Điều khiển Vòng mở — Gửi một lệnh và hy vọng điều tốt nhất. Một động cơ bước được lệnh chạy 200 bước sẽ cố gắng, nhưng nếu nó bỏ sót một bước dưới tải, không có gì phát hiện lỗi. Vòng mở là đơn giản và rẻ, nhưng nó không thể sửa chữa các rối loạn. Lò vi sóng là vòng mở: nó chạy trong thời gian bạn đặt, bất kể thực phẩm có thực sự nóng hay không.

Điều khiển Vòng kín — Đo lường đầu ra, so sánh nó với giá trị mong muốn và sửa chữa sự khác biệt. Đây là điều khiển phản hồi, và nó là nền tảng của tất cả robot nghiêm túc. Một động cơ servo là vòng kín: bộ mã hóa đo vị trí thực tế, bộ điều khiển so sánh nó với vị trí được lệnh và điều chỉnh điện áp động cơ để đóng khoảng cách.

Điều khiển PID — Bộ điều khiển phản hồi được sử dụng rộng rãi nhất. PID viết tắt của Tỷ lệ-Tích phân-Đạo hàm.

- P (Tỷ lệ): Sự sửa chữa tỷ lệ với lỗi hiện tại. Lỗi lớn, sửa chữa lớn. Nhưng P một mình thường vượt quá mục tiêu hoặc ổn định với một lỗi nhất định kéo dài.

- I (Tích phân): Tích lũy lỗi quá khứ theo thời gian. Nếu hệ thống đã lệch một chút trong một thời gian, I xây dựng và đẩy mạnh hơn. Điều này loại bỏ lỗi ổn định nhưng có thể gây ra dao động nếu được đặt quá cao.

- D (Đạo hàm): Phản ứng với tốc độ thay đổi của lỗi. Nếu lỗi đang giảm nhanh chóng (hệ thống đang tiến gần đến mục tiêu), D làm giảm sửa chữa để ngăn chặn vượt quá mục tiêu. D hoạt động như một bộ tắt chấn.

Điều chỉnh bộ điều khiển PID — tìm các giá trị P, I và D phù hợp — là một phần khoa học và một phần thủ công. Quá nhiều P và hệ thống dao động. Quá nhiều I và nó lộn xộn lên và vượt quá mục tiêu. Quá nhiều D và nó phản ứng với tiếng ồn. Các robot thực có thể cần điều chỉnh PID cho mỗi khớp.

Sự ổn định — Một hệ thống điều khiển là ổn định nếu nó hội tụ đến trạng thái mong muốn. Một hệ thống không ổn định dao động với biên độ tăng — robot tự rung sập. Phân tích ổn định là một kỹ năng cốt lõi trong kỹ thuật điều khiển.

PID closed-loop feedback diagram with P, I, and D term explanations

Áp dụng Khái niệm Điều khiển

Suy nghĩ Như Một Kỹ sư Điều khiển

Hiểu phản hồi và PID không chỉ là lý thuyết — nó giải thích tại sao robot lại hoạt động theo cách chúng hoạt động.

Một máy bay không người lái đang bay lơ lửng ở độ cao 10 mét. Một cơn gió mạnh đẩy nó xuống 9,5 mét. Đi qua cách một bộ điều khiển PID sẽ phản ứng để đưa nó trở lại 10 mét. Từng thành phần (P, I và D) đóng góp gì vào sự sửa chữa?

Máy trạng thái và ROS

Phần mềm: Bộ não của Robot

Phần mềm robot về cơ bản khác với phần mềm web hoặc kinh doanh. Nó chạy trong thời gian thực, tương tác với phần cứng vật lý và phải xử lý các tình huống bất ngờ một cách duyên dáng — một vật rơi, một khớp bị kẹt, một người bước vào không gian làm việc.

Máy trạng thái — Mô hình lập trình phổ biến nhất trong robot. Một máy trạng thái xác định một tập hợp các trạng thái (như IDLE, MOVING, GRIPPING, ERROR) và các chuyển đổi giữa chúng. Robot luôn ở chính xác một trạng thái. Các sự kiện kích hoạt chuyển đổi.

Ví dụ, một robot nhặt và đặt:

- IDLE: chờ một lệnh

- MOVING_TO_PICK: đi đến vị trí nhặt

- GRIPPING: đóng bộ gắp trên vật thể

- MOVING_TO_PLACE: mang vật thể đến đích

- RELEASING: mở bộ gắp

- ERROR: điều gì đó đã xảy ra sai (vật thể bị thả, lỗi khớp, phát hiện chướng ngại vật)

Mỗi trạng thái có các hành động vào xác định, hành động thoát và điều kiện chuyển đổi. Máy trạng thái ngăn chặn robot thực hiện những điều vô nghĩa — bạn không thể thả một vật thể mà bạn chưa bao giờ gắp.

ROS (Hệ điều hành Robot) — Không thực sự là một hệ điều hành. ROS là một khung công tác middleware cung cấp cơ sở hạ tầng giao tiếp, trừu tượng hóa phần cứng và một thư viện khổng lồ các gói có thể tái sử dụng. Nó chạy trên Linux. Các robot được xây dựng với ROS sử dụng kiến trúc xuất bản-đăng ký: các nút cảm biến xuất bản dữ liệu trên các chủ đề và các nút điều khiển đăng ký các chủ đề họ cần. Thiết kế mô-đun này có nghĩa là bạn có thể hoán đổi cảm biến LIDAR mà không cần viết lại mã điều hướng.

Lập kế hoạch Đường đi — Cách robot quyết định tuyến đường từ điểm A đến điểm B trong khi tránh chướng ngại vật. Các phương pháp đơn giản bao gồm điều hướng điểm dừng (theo một series các điểm được xác định trước) và trường tiềm năng (chướng ngại vật đẩy lùi, mục tiêu thu hút). Các phương pháp nâng cao như A* và RRT (Cây ngẫu nhiên tìm kiếm nhanh) tìm kiếm các đường đi tối ưu hoặc khả thi thông qua các môi trường phức tạp. Ô tô tự lái lập kế hoạch lại con đường của chúng nhiều lần mỗi giây khi thế giới thay đổi.

Robot state machine, ROS publish-subscribe architecture, and A* path planning

Thiết kế Hành vi Robot

Suy nghĩ Qua Phần mềm Robot

Phần mềm robot tốt dự đoán trước sự cố và xử lý nó một cách duyên dáng.

Bạn đang lập trình một robot di động trong kho nhặt hộp từ kệ và giao chúng đến trạm đóng gói. Thiết kế một máy trạng thái đơn giản cho công việc này. Liệt kê các trạng thái và đối với mỗi trạng thái, mô tả những gì kích hoạt chuyển đổi đến trạng thái tiếp theo. Bao gồm ít nhất một trạng thái lỗi và giải thích những gì kích hoạt nó.

Các Sự nghiệp trong Robotics

Xây dựng Một Sự nghiệp trong Robotics

Robotics đang phát triển nhanh chóng trên các lĩnh vực sản xuất, hậu cần, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp và quốc phòng. Dưới đây là các con đường sự nghiệp chính.

Kỹ thuật viên Robotics — Cài đặt, bảo trì, khắc phục sự cố và sửa chữa các hệ thống robot. Đây là điểm vào dễ tiếp cận nhất. Bạn làm việc thực hành với phần cứng — thay thế động cơ, hiệu chỉnh cảm biến, nối dây lại bộ điều khiển và chẩn đoán sự cố. Các chương trình cao đẳng và chứng chỉ của nhà sản xuất (FANUC, ABB, KUKA) có thể giúp bạn bắt đầu. Mức lương khởi điểm điển hình: $45.000-$65.000.

Kỹ sư Điều khiển — Thiết kế và điều chỉnh các hệ thống điều khiển làm cho robot hoạt động chính xác. Vai trò này yêu cầu toán học mạnh mẽ (đại số tuyến tính, phương trình vi phân) và kỹ năng lập trình. Các kỹ sư điều khiển làm việc với điều chỉnh PID, hình thành chuyển động, tích hợp cảm biến và các hệ thống an toàn. Bằng cấp cử nhân về kỹ thuật điện, cơ khí hoặc mechatronics là điển hình. Khoảng lương: $75.000-$120.000.

ROS Developer / Kỹ sư Phần mềm Robotics — Viết phần mềm phối hợp nhận thức, lập kế hoạch và điều khiển. Các nhà phát triển này làm việc trong C ++ và Python, xây dựng các nút ROS, triển khai các thuật toán lập kế hoạch đường đi và tích hợp các mô hình học máy cho nhận thức. Các kỹ năng khoa học máy tính mạnh mẽ là thiết yếu. Vai trò này có nhu cầu cao đối với ô tô tự lái, robot kho và các hệ thống máy bay không người lái. Khoảng lương: $90.000-$150.000.

Nhà tích hợp Tự động hóa — Thiết kế và triển khai các ô tô robot hoàn chỉnh cho nhà máy. Một nhà tích hợp giải quyết một vấn đề sản xuất (hàn hai bộ phận này với 60 đơn vị mỗi giờ), chọn robot, bộ chấp hành cuối cùng, hệ thống an toàn và băng tải, lập trình toàn bộ ô tô và đưa nó vào hoạt động trên sàn nhà máy. Nhà tích hợp cần kiến thức rộng trên toàn bộ cơ học, điện và phần mềm. Nhiều người làm việc cho các công ty tích hợp hệ thống. Khoảng lương: $70.000-$110.000.

Các Con đường khác — Các nhà thiết kế cơ khí tạo ra các cấu trúc và cơ cấu robot. Các kỹ sư điện thiết kế các hệ thống điện và bảng mạch. Các nhà khoa học nghiên cứu đẩy giới hạn của thao tác, chuyển động và học máy cho nhận thức. Các kỹ sư robot thực địa triển khai robot trong các môi trường cực đoan — dưới nước, dưới lòng đất hoặc trong không gian.

Chủ đề chung: robotics thưởng những người có thể suy nghĩ trên các ngành. Một người hoàn toàn cơ khí đấu tranh mà không có kỹ năng phần mềm. Một người hoàn toàn phần mềm đấu tranh mà không hiểu vật lý. Các robot học tuyệt vời nhất là hình T — chuyên môn sâu trong một lĩnh vực với kiến thức làm việc trên tất cả chúng.

Robotics career paths: technician, controls engineer, ROS developer, automation integrator

Hướng đi của Bạn

Suy tư

Bạn bây giờ đã bao gồm các khối xây dựng cơ bản: bộ chấp hành, cảm biến, hệ thống điều khiển, mô hình lập trình và con đường sự nghiệp.

Dựa trên những gì bạn đã học trong bài học này, lĩnh vực robotics nào quan tâm bạn nhất và tại sao? Một bước cụ thể bạn có thể thực hiện trong tháng tới để bắt đầu xây dựng kỹ năng trong lĩnh vực đó là gì?