Univerza v Ljubljani

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Aškerčeva 5, Ljubljana

ROBOTI V ANALITIKI

Martin Gašper

mentor: dr.Boris Pihlar

Ljubljana, 2004

roboti v analitiki

1

1 UVOD Avtomatizacija pomeni veliko več kot opremiti laboratorij z računalniki. V preteklosti so se osredotočili na zajetje, ravnanje in distribucijo podatkov v elektronskem laboratoriju, vse je bilo povezano z računalniki. Avtomatizacija pa je problem povezan z gibanjem in ravnanjem z vzorcem. Predpriprava vzorca predstavlja velik del stroškov analize in zahteva veliko analitikovega časa. Industrija se je odzvala z računalniki, ki vidijo, slišijo, se dotikajo in celo govorijo – ROBOTI. Z namestitvijo robotov v industriji, ki so sposobni identificirat predmete, vlagati dele, brusiti, variti, barvati, se povečuje kvaliteta produktov, zmanjšajo se stroški dela, saj človek v laboratoriju stane $20/h, robot pa $5/h. Analizni laboratorij je pridelovalno okolje, kjer je nujno identificirat vzorce in potem razdeliti, razredčiti, koncentrirati, ekstrahirati, zmleti ali zdrobiti, filtrirati ali jih pomakniti direktno k analizi. Analogija očitna. To besedilo bo predstavilo besednjak robotike, diskutiralo različne možne geometrije, skupne gonilne sisteme, razburljiv svet rok, kako so roboti programirani in kako vidijo.1 2 OSNOVNI POJMI Pojem robot izhaja iz češke besede »robota« katera pomeni delo ali službo. Glavne odrednice robota so mehanična izpopolnjenost in intelegenca. Definicija robota pravi, da je robot manipulator, ki ga običajno krmilimo bodisi glede na položaj bodisi glede na silo dotika med robotom in okoljem. Lahko opravlja različne, ki obsegajo predvsem manipulacijo z materiali in predmeti ter različnimi orodji in specialnimi napravami. Robot je reprogramabilen in njegovo gibaje obsega več prostostnih stopenj.2,3 Delo robotov je globoko povezano z njihovo prostorsko geometrijo. Glavni deli robota so trup, roka in prijemalo (končni izvajalniki). Trup in roka se gibljeta in tako konica prijemača naredi kretnjo po prostoru, kar je lahko kartezično, cilindrično ali sferično (polarno). Poleg teh osnovnih tipov robotov, pa poznamo tudi kombinirano zgradbo, ki jo dobimo, če roki dodamo zgib (sestav). Zapestni sestav je sposoben rotacije, odklona od ravne smeri in nastavitve po višini. Prijemalo je v svoji najbolj primitivni obliki sestavljen iz para prstov, ki

roboti v analitiki

2

se zapreta in tako primeta predmet. Te prostostne stopnje omogočijo enostavnemu robotu, da izvaja mnoge operacije, ki jih ljudje naredimo z eno roko in dvema prstoma. Komercialni roboti so na voljo v vsaki od teh prostorskih kategorij in bodoči uporabnik naj pazljivo oceni geometrijske ocene. Kartezični sistem deluje dobro v planarno orientiranih aplikacijah. Ostali sistemi služijo dobro v statičnem okolju, kjer je potrebna spretnost okoli trupa. Cilindrično in sferično orientirani sistemi dosežejo predmete, ko gredo proti njim (ravno), upognjena konfiguracija pa doseže od zgoraj in naokoli.1

Pomemben je delovni prostor. Vse točke, ki jih dosežemo s konico manipulatorja, predstavljajo delovni prostor.1 Oblika delovnega prostora spada med osnovne in pomembne podatke, zato mora prodajalec priskrbeti za 3D slike dosegljivega delovnega prostora. Za delo v tridimenzionalnem prostoru mora imeti robotska roka vsaj tri prostostne stopnje, če pa želimo še kontrolo nad smerjo, od koder je treba predmet prijeti, potrebujemo še nadaljne tri prostostne stopnje. Mnogim industrijskim robotom zadošča štiri do pet prostostnih stopenj.4

slika 1: konstrukcijski tipi robota (Vir: Pawson R., Knjiga o robotih, Mladinska knjiga, Ljubljana, 1986)

roboti v analitiki

3

3 GONILNI SISTEMI Hitrost, natančnost in resolucija robota so povezani z uporabo gonilnih sistemov. Pomembna sta tako fizična lokacija in nagibna moč. .1 Servomotor

Servomotor je enosmerni električni motor, katere uporabljajo večina komercialnih robotov. Uporabljajo se predvsem za zmerne premike in hitrosti. Vir napetosti je baterija ali pa izmenični tok z vgrajenim usmernikom, ki izmenično napetost spremeni v enosmerno in ta potem poganja motor. Iz razlik v načinu delovanju enosmernega motorja in robota, ki ga poganja, izhaja tudi več neločljivo povezanih pomanjkljivosti. Enosmerni elektromotor se vrti okoli svoje osi z nekaj sto obrati na minuto; komolec robotske roke pa se lahko zavrti v najboljšem primeru za 160 stopinj. Elektromotor se vrti z veliko hitrostjo, vendar z zelo majhnim vrtilnim momentom, robotska roka pa se premika relativno počasi, za dvigovanje težkih predmetov pa potrebuje zelo velik vrtilni moment. In čeprav je mogoče hitrost elektromotorja zelo natančno nadzorovati, je nemogoče ustaviti njegovo os v točno določeni legi, kar je pri vodenju robotov ena glavnih zahtev. Prvi dve težavi je mogoče rešiti z menjalniški sistemi. Če z menjalnikom zmanjšamo hitrost vrtenja in ohranimo moč, se bo sorazmerno povečal vrtilni moment (avto). Pri robotih je potrebno zmanjšati hitrost elektromotorjev vsaj v razmerju sto proti ena. To lahko dosežemo s celo vrsto reduktorjev, kar prinese tudi nekaj tolerance (mrtvega hoda), kar pa lahko ima katastrofalne posledice. Rešitev je v harmonskem prenosu, posrečeni redukcijski enoti, ki jo uporablja večina robotskih rok z enosmernimi motorji. Problem pozicijske kontrole je mogoče rešiti samo s povratno informacijo – meriti je treba učinek delovanja in informacijo vrniti napravi, ki vodi delovanje. .2 Koračni motorji

V nasprotju z enosmernim elektromotorjem, pri katerem se gonilna gred enostavno vrti, se koračni motor obrača samo za majhne in točno določene stopnje. Če zmore motor 12 korakov na obrat, bo vsak gib predstavljal natančno 30 stopinj. Vrhunski koračni motorji imajo do 240 stopenj na obrat, kar pomeni korake po 1,5 stopinje. Krmiljenje motorja omogočajo posebna zunanja elektronska vezja, ki pa jih sedaj lahko kupimo že na enem samem silicijevem čipu. Kontrolni čip je neposredno povezan z računalnikom, zato lahko programer določi število korakov, za katero se mora motor zavrteti, kar je glavna prednost koračnega motorja. Koračnega motorja ne moremo nastaviti na želeno hitrost vrtenja in počakati, da jo bo s

roboti v analitiki

4

pospeškom sam dosegel, kot to lahko naredimo z običajnim enosmernim elektromotorjem. Hitrost (koračna hitrost) moramo do želene hitrosti sami postopno povečevati. Uporablja se za lažje tovore in krajše razdalje. Najdemo jih predvsem tam, kjer je treba premikanje zelo natančno voditi (tudi v tiskalniku za pomik papirja in glave). Koračni motorji zaradi svoje natančnosti delujejo na principu odprte zanke, zardi tega so sistemi s koračnimi motorji cenejši, saj nimajo vgrajenega zelo dragega kodirnika, ki je potreben pri zaprti zanki. Z verigami ali drugimi sistemi prenosa lahko pretvorimo korake motorjeve osi v zelo uporaben pogonski vir. V primerih, ko je potreben velik vrtilni moment, izgubijo koračni motorji na natančnosti in postanejo manj ekonomični od enosmernih elektromotorjev in se jih zlasti v industriji ne uporablja.4 .3 Hidravlika

Pri težkih predmetih uporabljamo hidravliko. To so sistemi pri katerih prenaša mehansko silo tekočina pod pritiskom. Velik kompresor, ki ga poganja elektromotor ali motor z notranjim izgorevanjem, poganja tekočino s stalnim pritiskom po eni sami cevi do »delovnega« konca robota. Tam povezujejo manjše cevke to dovodnico s posameznimi izvajalniki, ki so lahko glede na konstrukcijo robota linearni ali krožni. Med dovodno cevjo, ki dovaja tekočino pod pritiskom, in izvajalnikom je električno krmiljeni ventil, imenovan tudi servoventil, ki je povezan z nadzornim računalnikom. Ko je treba ta sklep premakniti odpre servoventil, ta pa sprosti pritisk v izvajalniku. Hidravlika ima več prednosti. Povezave so upogljive zato lahko hidravlične cevi brez težav napeljemo okrog ovir, kar omogoča gibljivost med osnovnimi in pomožnimi deli stroja. Ni izgub, kot jih poznamo pri pretvarjanju električne energije v mehansko. Učinek delovanja vzvoda, ki uporabljeno silo na drugem koncu ojača (zavorne čeljusti pri avtomobilu se premaknejo samo za delček, pa s toliko večjo silo). Moč je sorazmerno lahko generirat in težke hidravlične črpalke in rezervoarji, ki so potrebni za delovanje hidravlike so lahko oddaljene od aktivnega hidravličnega cilindra, kar zmanjša težo roke, ki mora biti podprta. Pri večjih sistemih je lahko motor drag in bučen, zaradi visokih pritiskov bo skozi tesnila nekaj olja vedno uhajalo, težka roka se giblje z veliko hitrostjo, kar predstavlja potencialno nevarnost. Vsi servoventili, tudi majhni so tudi zaščiteni, da če pride do težav z vodom električnega toka se roka v trenutku blokira in tako prepreči padec težkega tovora na tla.

roboti v analitiki

5

.4 Pnevmatika Pnevmatiko uporabljamo pri hitrostnih premikih, roke so večkrat kontrolirane pnevmatično. Pnevmatične stroje poganja stisnjeni zrak. Mehanska energija pri tem prihaja iz drugega vira, največkrat iz elektromotorja, zrak sam pa potem prenaša gonilno silo tja, kjer je potrebna. Plin v pnevmatičnem sistemu je bistveno lažji od tekočine v hidravličnem, poleg tega deluje z nižjimi pritiski, zato so lahko sestavni deli iz mnogo lažjih materialov. S tem so povezani tudi nižji proizvodni stroški, saj ni potrebno tolikšno tesnenje med valji in gibljivimi bati. Pnevmatični sistemi lahko razvijejo bistveno manjšo silo kot hidravlični, vendar so kljub temu zelo zanimivi za robotiko. Imajo pa zelo veliko pomanjkljivost. Plini so v nasprotju s tekočinami zelo stisljivi. Ta lastnost pa otežuje natančno vodenje, saj je npr premik podlahti pri pnevmatičnem sistemu odvisen od teže bremena, ki ga prenaša; ko bo roka tovor spustila bo seveda planila kvišku. Zato je pnevmatika uporabna predvsem tam, kjer je linearna kontrola gibanja nepotrebna; v prijemalu, ki ima samo dva položaja: odprto in zaprto.4 4 KRMILJENJE Glavna dva načina krmiljenja, s katerima dosežemo, da se robot giblje po želeni krivulji, sta odprtozančno, ki se uporablja le v najenostavnejših sistemih, in zaprtozančno krmiljenje. .1 Krmiljenje z odprto zanko

Odprtozančno krmiljenje uporabljamo v primerih, ko se robot giblje le med dvema točkama. Ko gib začnemo, aktiviramo gonilnike vseh segmentov hkrati. Ko segmenti dosežejo točke svojih krivulij, aktivirajo vgrajene senzorje, delovanje motorjev se zavre, robot se ustavi. Takšno preprosto krmiljenje se uporablja večinoma pri manjših robotih, predvsem s pnevmatskimi motorji. Prednosti takega krmiljenja so velika hitrost delovanja, zadovoljiva ponovljivost in natančnost gibov in ugodna cena. Glavna slabost je seveda v tem, da dosežemo lahko le dve točki. Kadar želimo spremeniti začetno ali končno točko gibanja, moramo spremeniti položaj senzorja.3 .2 Krmiljenje z zaprto zanko

Za učinkovito kontrolo robotovega gibanja, moramo računalniku povedati kaj se je zgodilo kot rezultat ukaza, ki ga je dal. To krmiljenje deluje na principu povratne informacije, ki

roboti v analitiki

6

deluje takole: meriti je treba izhodne količine sistema ali njegove učinke, potem pa podatke vračamo vhodni enoti. Vsi sistemi s sistemom povratne informacije imajo zaprto zanko, po kateri tečejo informacije. Ko je servo motor kontroliran z računalnikom, signal delovanja proizvaja digitalno analogni (DAC) transformator, ki spremeni binarno izhodno številko iz računalnika v napetost. Signal, ki sledi poziciji gredi, lahko proizvedemo na dva načina, potenciometer pripet na gred, ki funkcionira kot razdeljevalec napetosti ali pa sinhro razdeljevalec, ki proizvede signal proporcionalen pozicije gredi. Za računalniško kontrolo zaprte zanke enostavni analogno-digitalni transformator (ADC) sprejema povratno informacijo in jo nato v obliki binarnega zapisa posreduje računalniku, skozi paralelno vstopno odprtino. Alternativno se lahko uporablja tudi sinhro razdeljevalec. Digitalni/sinhro ali sinhro/digitalni transformator spremeni binarno informacijo in signal je sorazmeren sinusu ali kosinusu kota obrata. Za digitalno kontrolo zaprte zanke se veliko uporablja digitalni gredni kodirnik. Ta kodirnik vsebuje enostavne zareze, ki so izrezane radialno v kolo, z svetlobno emitirano diodo (LED) na eni strani in fotodetektorejem na drugi strani. Ko se gred in skupno kolo obračata, se ustvarjajo pulzi, ki jih lahko preštejemo z računalnikom ali z digitalnem integriranem vezjem. Ker nam to omogoča kotno informacijo glede na neko začetno pozicijo se imenuje tudi relativni gredni kodirnik. Bolj zapleteno digitalne pozicije gredi kazalec kodira binarne številke vzdolž številnih radiev koles. Te številke prebere multipli LED detektorjev par, ki se nahaja na nasprotnih straneh kolesa. To nam zagotavlja absolutno informacijo pozicije in se imenuje absolutni gredni kodirnik. Obe napravi potrebujeta paralelni vhod za odziv računalniške zaprte zanke. Hitrost rotacije je še en element, ki ga moramo spremljati z računalnikom v sistemu zaprte zanke. Za kontrolo hitrosti uporabljamo na gred pritrjen tahometer, ki lahko proizvede napetost, ki je premo sorazmerna hitrosti. Računalnik lahko zazna napetost preko ADC. Digitalni tahometri vsebujejo obe lastnosti v enem paketu in uporablja sekundarni paralelni vhod za odziv podatkov. Za izračun hitrosti se lahko uporablja gredna kodirna naprava.1

roboti v analitiki

7

slika 2: kontrola s povratno zanko (Vir: Dessy R.: Robots in the laboratory: part I, Anal. Chem. 55 (1983))

5 ROKE Robotske roke so navadno opremljene z enim od treh tipov izvajalnikov: z univerzalnimi kremplji, s prijemalom za delo natančno določeno vrsto predmetov ali s posebnim delovnim orodjem (slika3). Velika večina industrijskih robotov opravlja transportno funkcijo – od prenašanja epruvet z vzorci do nalaganja pivskih sodov. Ti roboti uporabljajo prijemala ali kremplje, prav tako nekateri roboti v montaži. Za bolj specifično dela je potrebno specializirano orodje pritrditi neposredno na konec roke, npr; brizgalka za injiciranje vzorca, varilec, pištola za barvanje,… Proizvajalci robotov izdelujejo veliko število prijemal, kljub temu pa velikokrat naletimo na aplikacije, kjer moramo prijemala zgraditi sami.

roboti v analitiki

8

slika 3: končni tipi izvajalnikov (Vir: Pawson R., Knjiga o robotih, Mladinska knjiga, Ljubljana, 1986) Najbolj pogosto večnamensko prijemalo ima samo dva prsta, ki sta zaradi dela z občutljivimi predmeti lahko zelo drobna. Prsti prijemala so navadno togi in rahlo zakrivljeni, da so lažje kos okroglim in oglatim predmetom. Gibanje dveh prstov lahko vključuje vzdrževanje paralelno zvezo med kontaktno površino ali razvije zapiralni kot (slika 4). Kadar ima roka več prstov (navadno tri,) so le ti enaki in neenakomerno razporejeni, ali pa je »palec« postavljen nasproti preostalim prstom. Konstrukcija rok z več prsti mora biti natančno zasnovana, da vsi prsti pritiskajo z enako močjo.4 Eden iznajdljiv poskus uporablja skupino spetih prstov prikazuje slika 5. Pritisk lahko uravnavamo da prilagodimo krhkost uporabljenega materiala.

slika 4: dvoprstno prijemalo (Vir: Dessy R.: Robots in the laboratory: part I, Anal. Chem. 55 (1983))

roboti v analitiki

9

slika 5: prijemalo s spetimi prsti (Vir: Dessy R.: Robots in the laboratory: part I, Anal. Chem. 55 (1983)) Slika 6 kaže različna multispojna prijemala. Ukrivljeni multispojni prsti (slika 5a) imajo prvi spoj upognjen, kot človeška roka. Spoji so aktivirani z kablom, ki ga poganja motor, kar jim omogoči da se zaprejo okoli predmeta. Mehki prijemalniki (slika 5b) primejo predmet nežno in previdno, vendar dovolj krepko in po celi površini ne glede na obliko. Tipalke so sestavljene iz verižnih členov, v vsakem pa je majhno, škripcu podobno kolesce, okrog njih pa je napeljana tanka veriga, s katero upravlja zunanji robot. Ko se vrvica napne se tipalke razvijejo in objamejo predmet. Razvili so tudi mikromanipulatorjev, po večini so sestavljeni iz anorganskih ali polimernih organskih piezoelektričnih materialov. Piezoelektrični materiali imajo sposobnost, da spreminjajo svojo obliko in pozicijo kot rezultat električnega polja naperjenega proti njim. En majhen izbočen krempeljski prijemač uporablja dc signal da premakne ščipalko proti parnemu prstu. Ac signal se uporablja da zaznava silo, nudi odlično silno zaznavo prijemača za ravnanje z zelo majhnimi predmeti. Polimerni plastični film se prav tako lahko uporablja za ustvarjanje majhnih votlih cilindrov, ki kontaktirajo radialno ko se potencial pojavi.1

roboti v analitiki

10

slika 6: robotske roke s multispojnimi prsti (Vir: Dessy R.: Robots in the laboratory: part I, Anal. Chem. 55 (1983)) Pri nekaterih opravilih prijemala priredimo. Pri upravljanju z velikimi in težkimi predmeti hidravlične valje postavimo v bližino prstov, ki tako razvijejo več moči. Prijemala za prijemanje vročih predmetov, so prirejena tako, da namestimo motorje daleč stran od prstov, da se ne bi uničili zaradi visoke temperature. Napeljemo lahko tudi hlajenje z zrakom ali pa namakanje prstov v hladno vodo. Pri delu z zelo občutljivimi predmeti so na prijemalih vgrajeni tipalni senzorji, ki ugotavljajo velikost in obliko telasa in pritisk, ki je potreben za prijem. Po občutljivosti se ta prijemala že približujejo človeški roki. Pri predmetih, kjer je značilnost kaka odprtina, uporabimo prijemala z nekakšnim balonom. Ko ga vtaknemo v odprtino predmeta, katerega želimo prenesti, balon napihnemo in s tem držimo predmet. Uporabimo lahko tudi druga prijemala, kot so vakuumska, magnetna, perforacijska (s prebadanjem) prijemala.3

Celotni sestav je lahko v funkciji ene roke, lahko pa je robot konstruiran z zamenljivo roko. V tem primeru je vsaka roka konstruirana tako, da opravi določeno funkcijo. Brizgalka, ki jo poganja koračni motor lahko injicira reagent v različne prejemnike. Če je robot skonstruiran z zamenljivo roko, lahko parkira trenutno roko in jo zamenja z drugo, ki je narejena, da izvede brizgalno funkcijo, medtem ko ima prva roka sesalno funkcijo.1

roboti v analitiki

11

6 POGLED Če hočemo omogočiti robotu vizualno razpoznavanje moramo rešiti dva popolnoma ločena procesa. Prvič, vizualno sliko je treba pretvoriti v obliko, ki jo bo prebral robotov kontrolni računalnik. Za to nalogo uporabljamo svetlobne celice, kamere in stopnje sivine. Drugič, mora računalnik sliko interpretirati, saj se le tako lahko odloči, kaj je treba storiti. Ta proces pa je sestavljen iz dveh stopenj: obdelava slik in prepoznavanje vzorcev. Ta stopnja predstavlja večjo težavo in je v robotika predmet največjega števila raziskav. Sisteme za vidno prepoznavanje imajo le redki roboti, zato je uporaba tega sistema za zdaj še omejena. .1 Svetlobne celice

Fotocelica oddaja pod vplivom svetlobe električne signale. Aktivne celice same proizvajajo električni tok in jih zato uporabljajo kot vir energije. Svetlobni senzorji robotov pa so pasivni. Električni tok jim je potrebno dovajati, tok, ki bo šel skozi njih, pa je odvisen od intenzivnosti svetlobe. Npr. svetlobni senzor je treba postaviti na konec cevi, potem pa s cevjo, ko jo vodijo servomotorji, »prečesati« zaželeno področje v vodoravni in navpični smeri. Postopek je počasen in nenatančen, vendar lahko na tak način zgradimo v računalnikovemu polnilniku celo sliko. .2 Kamere

Za resnejšo uporabo je treba zajeti celotno sliko naenkrat. Najenostavnejše je vzeti običajno televizijsko kamero in jo opremiti s posebnim vmesnikom, ki pretvori izhodne signale kamere v digitalne vzorce, te pa lahko shranimo v računalniku. Elektronska CCD (Charge Coupled Device) kamera, ki deluje na principu električnih nabojev, doseže enak rezultat z enim samim korakom, zato je hitrejša in cenejša. CCD je miniaturno polje fotocelic, vgrajenih na kristal silicija, ki je manjši od enega kvadratnega centimetra. Če primerno osvetljeno sliko pomanjšamo in osredotočimo na to integrirano vezje (čip), bomo dobili elektronski vzorec enic in ničel, ki bo predstavljal svetle in temne delčke slike. CCD vezje lahko razdeli sliko na 512 x 512 slikovnih celic (pixel), cela kamera pa kljub temu ne bo večja od vžigalične škatlice.

roboti v analitiki

12

.3 Stopnje sivine Sistem, ki razdeli sliko zgolj na bela in črna polja, imenujemo sistem z dvema stopnjama sivine, ločnici pa pravimo tudi prag: vsi deli slike, ki so temnejši od praga, bodo označene črno, svetlejše pa belo. Zahtevnejši sistemi lahko razdelijo sliko na štiri, osem ali celo 256 različnih stopenj sivine, pri čemer zadnje ne moremo več ločiti od običajnega črnobelega televizorja. Število stopenj sivine je poleg ločljivosti – število točki, ki sliko sestavljajo (256 x 256) – eden najpomembnejših podatkov o robotskem sistemu za razpoznavanje. V primeru, da mora robot razpoznati samo obrise na ozadje, zadostujeta dve sivi stopnji; če mora prepoznati tridimenzionalne predmete, jih potrebuje več. .4 Obdelava slike

Obdelovanje slik predstavlja več postopkov, s katerimi lahko kadarkoli vplivamo na sliko v računalniškem pomnilniku. Z njimi izboljšamo vizualno kvaliteto slike in poudarimo pomembne poteze, da računalniku ni treba tratiti časa s pregledovanjem nepomembnih podrobnosti. Ena teh tehnik je izločanje šumov. Če na primer najdemo na črnem ozadju eno samo belo piko, navadno lahko sklepamo, da gre za lažen signal in ga lahko mirno odstranimo. Če dosežemo, da ima vsak slikovni element (pixel) povprečno vrednost vseh svojih sosedov (osmih pik), bo postala slika enakomernejša in jasnejša. Druga oblika slikovnih obdelav je občrtavanje, to je poudarjanje kontur, pri čemer gre za poenostavljanje in krčenje slike na linije, ki predstavljajo mejo med belimi in črnimi polji. Naprava mora pregledati celo sliko in primerjati vsak slikovni element z neposrednimi sosedi. Če se točka razlikuje od ostalih jo označi kot mejno. Nadaljnje obdelave skrčijo tako dobljene obrise na debelino ene same točke in odpravijo nepravilnosti na sicer ravnih črtah ali gladkih krivuljah. Glavna prednost občrtavanja je ta, da omogoča vektorsko metodo. Obrise, ki ločijo črna in bela področja shranimo kot vektorsko zaporedje. .5 Razpoznavanje vzorcev

Razpoznavanje vzorcev nastopi, ko je slika skrčena na najpomembnejše obrise. Računalnik mora primerjati opazovane predmete s tistimi, za katere program predvideva, da jih mora prepoznati, ali pa sporočiti, da predmet ne pozna. Najenostavnejši sistemi delujejo tako, da računalnik enostavno polaga čez sliko (v pomnilniku) šablone posameznih predmetov, eno za matico, drugo za vijak in tako naprej. Pri tem šteje število pik, ki padejo v masko ali izven

roboti v analitiki

13

nje, sliko, ki se najbolj ujema, pa prepozna kot pravo. V praksi lahko pridejo predmeti pod različnimi koti, kar lahko zmanjša prekrivanje. Zato to metodo uporabljamo tam, kjer se zorni kot na predmet nikoli ne spremeni. Širše uporabni sistem za vizualno razpoznavanje delujejo na principu adaptivnega ali algoritemskega razpoznavanja vzorcev. Eden od najboljših primerov adaptivnega sistema je elektronski živčni sistem, ki se lahko spoprime tudi s finesami človeškega obraza. Pri algoritemski metodi računalnik meri na občrtani sliki razne količine, na primer ploščino silhuete predmeta in njen obseg. Te mere se pri rotaciji bistveno ne spreminjajo. Za vsak predmet, ki si ga mora zapomniti računalnik shrani v pomnilniku celo listo takšnih značilnih količin. Če so v predmetu luknje računalnik izračuna pri analizi slike iste podatke za vsak »predmet« (luknja v ključu).4

slika 7: vizualno razpoznavanje robota (Vir: Pawson R., Knjiga o robotih, Mladinska knjiga, Ljubljana, 1986)

roboti v analitiki

14

7 TIP Pri roboti nadomeščajo čutilo za tip diskretni (nezvezni)senzorji, ki so nameščeni na strateške točke robotove konstrukcije. Mobilni roboti imajo vsi brez izjeme okrog osnovne enote razporejene senzorje dotika; v primeru, da se robot dotakne nepredvidenega predmeta, bo kontrolna enota takoj pritisnila na zavore. Robotske roke imajo navadno senzorje samo na končnem izvajalniku, kar jim olajša prijemanje predmetov. Tip obsega različne vrste zaznavanja: neposredno bližino, dotik, pritisk in razpoznavanje. Detektorji približevanja sporočajo nadzorniku robota, da se izvajalnik približuje predmetu ali obratno. Večina teh priprav uporablja pri svojem delu svetlobo; lahko so narejeni tako, da predmet tik pred prijemalnikom prekine mrežo svetlobnih snopov, ali pa uporablja šibek laser, s katerim osvetli površino predmeta in potem s svetlobnim detektorjem odkriva količino odbite svetlobe. Primer senzorja bližine je na sliki . Skupina v krog razvrščenih svetlečih diod (LED) oddaja nekaj centimetrov dolg stožec infrardeče svetlobe. Če kak predmet stožec preseka, pade nanj svetlobna pega, katere velikost je sorazmerna oddaljenosti predmeta do vrha stožca. V krogu med svetlečimi diodami je leča, ki projicira odbito pego svetlobe na posebno fotocelico (občutljivo na infrardečo svetlobo). Fotocelica proizvaja električni to, ki je sorazmeren jakosti svetlobe in s tem tudi velikosti pege. Senzorje bližine uporabljamo, kadar delajo roboti z zelo občutljivimi predmeti. Detektorji dotika imajo samo dve izhodni stanji, ki sporočata ali se predmet senzorja dotika ali ne. Pogosto so narejeni iz zelo enostavnih elektromehanskih stikal, imenovanih tudi mikrostikala, pri katerih je za sklenitev stikov potreben zelo šibek pritisk. Druga rešitev pa je v uporabi magnetnega hermetičnega kontaktnega releja. Ti se nahajajo v robotovih prstih in vsak od njih ima dva kontakta, ki jih lahko z magnetom sklenemo. Majhen paličast magnet je pritrjen na tanko ploščico penaste gume; ob pritisku prstov na predmet se magnet približa releje in sklene tokokrog. Detektorji za pritisk oddajajo električni tok, ki je sorazmeren pritisku, ki ga zaznavajo, zato gre v tem primeru za analogne senzorje. Osnova večine senzorjev je piezoelektrični kristal, ta ob deformaciji zaradi pritiska odda električni tok, tega pa lahko izmerimo, če namestimo kristal med dve kovinski ploščici. Primer je mikrostikalo. To je običajno električno stikalo, ki deluje tudi ob zelo lahnem pritisku ali majhnem pomiku. Na levi vidimo mikrostikalo s tremi izhodi; običajno sta sklenjena spodnja kontakta, če pa pritisnemo na gumb, se skleneta zgornja kontakta. Srednji kontakt je pritrjen na zelo tanko vzmet in se premika za manj kot en

roboti v analitiki

15

milimeter. Mikrostikala lahko uporabimo kot zelo enostavne tipalne senzorje in senzorje dotika na odbijačih mobilnih robotov. Senzorji tipa namenjeni razpoznavanju predmeta, ki ga robot prijema so šele v razvoju. Z večjim številom v mrežo razporejenih senzorjev lahko približno določimo obrise predmetov, zato pa je toliko težje izmeriti njegovo površinsko strukturo. Pri relativno gladkih površinah lahko določimo strukturo površine s posebnim peresom, ki ob potegu čez površino glede na njeno hrapavost oddaja tok različne jakosti.4

slika 8: različni senzorji tipa (Vir: Pawson R., Knjiga o robotih, Mladinska knjiga, Ljubljana, 1986)

8 ZVOK Glavna spodbuda za opremljanje robota z »ušesi« je posnemanje še ene človekove sposobnosti-sprejemanje govornih ukazov. Za vnos govora v računalnik zadostuje mikrofon,

roboti v analitiki

16

ki prevaja valove v električne impulze, in analogno-digitalni pretvornik, ki pretvori te zvezne signale v diskretne enote, ki jih procesira računalnik. Večina sistemov za razpoznavanja govora ima tri omejitve. Sistem je treba navaditi na glas enega samega operaterja (traja nekaj minut), besede je potrebno izgovarjati tako, da je med njimi kratek, vendar jasen presledek in pa večina sistemov lahko naenkrat razpozna majhno število besed (navadno 64 ali manj). Po sprejetju glasovnih ukazov mora računalnik primerjati sprejeti glas z vzorci, ki jih ima v pomnilniku. S primerjalnim postopkom najprej oceni glede na podobnost vsako besedo, ki bi lahko bila v tem vzorcu, najboljšo pa izpiše na zaslon, operater pa jo lahko po potrebi spremeni ali popravi. Sistemov za razpoznavanje govora, ki bi prepoznali glas vsakega človeka, besede tekočega stavka v govoru in ki bi imeli v besednjaku vse besede običajno pogovornega jezika, še ni. Nobenega dvoma pa več ni, da bo do tega zagotovo prišlo.4 9 PROGRAMIRANJE Ena poglavitnih prednosti robota pred drugimi oblikami avtomatizacije je gotovo tudi možnost programiranja. Lahko ga naučimo opravljati natančno predpisano zaporedje operacij, če pa ga želimo kasneje uporabljati v druge namene, ga lahko enostavno reprogramiramo. Programiranje se bomo posebej ogledali pri robotih, ki jih krmilimo iz točke na točko in posebej pri vodenju po zvezni krivulji. Programiranju po zvezni krivulji rečemo tudi programiranje z vzgledom. To programiranje je primerno za opravila, kjer naj bi robot enostavno zamenjal človeškega delavca, npr. barvanje s razpršilno pištolo. Tak robot ima za izvajalnik običajno razpršilno pištolo z ročajem in sprožilcem. Operater uči robota tako, da enostavno pobarva predmet, ki ga bo odslej barval robot. Robotova roka je pri tem »mehka« in ne nudi odpora, njeni notranji pozicijski senzorji pa prenašajo podatke o gobih posameznih sklepov računalniku. Izvajalniki robotske roke potem sami reproducirajo shranjeno zaporedje gibov. Računalnik prikaže na zaslonu spisek predpisanih toč v postopku, ki jih lahko programer po potrebi dodatno uredi, predpiše hitrost posameznega giba, itd. Računalnik sam izračuna optimalno pot, da lahko opravi delo v najkrajšem času. To programiranje je uporabno pri robotih, ki morajo zgolj začeti in končati določeno nalogo, ni pa mu treba reagirati na različne zunanje vplive. 1,3

roboti v analitiki

17

V primeru, ko programiramo iz točke na točko, mora biti program v celoti formalno napisan, vtipkan v nadzorno enoto in shranjen na disku. V nedvoumnem programiranju se zapiše več ukazov v jeziku, ki ga robot razume, ki jih nato robot tudi izvrši. Najboljši jezik je vzajemen in takojšen med razvojem in sestavljen za čas delovanja. Da je programiranje enostavnejše obstajajo makro ali subroutine knjižnice. Na voljo so tipični ukazi kot so premakni se k, poberi, odloži, zavrti, in dvigni. Položaji v prostoru so definirani in poimenovani. Pri programiranju poznamo več programskih jezikov. Forth jezik je idealen za to okolje. Prej omenjene parametre lahko uporabimo kot argument za besede, ki so definirane v Forth slovarju. Drug zanesljiv pristop uporablja vpise slovarjev v katerem so parametri shranjeni skupaj z imenom funkcije. Vsak vpis v slovar pripada predhodno definiranemu tipu, ki uporablja parametre v predpisanem načinu, da povzroči izvršitev gibanja robota. Vsi programerji vedo, da noben program ne deluje prvič, kot je treba. Zato so programerji razvili simulacijske programe. Ti programi nam omogočijo preizkus celotne naprave, robota, obdelovancev in pomožne opreme s simulacijo na računalniku. Vtipkati je potrebno progam, ki ga želimo testirati, nato pa si na monitorju ogledamo rezultate. Tako lahko odkrivamo in odpravljamo napake. 4

10 ČAS Prejšnja poglavja so se osredotočila na učinek, ki ga jezik in operacijski sistem imata na hitrost izvrševanja programov in sposobnost, da koordiniramo nalogo. Krmiljenje robota zahteva obe področji. Celotna kontrola z programsko opremo, z urnim določanjem koraka, lahko samo podpre simultano aktivacijo motorja. Za izvršitev naloge v primernem času moramo imeti ustrezno podporo strojne opreme. V kontinuirnih operacijah odziv ponavadi vključuje popravke, ki so proporcionalni signalu za napake, kot tudi elementi, ki so funkcije integrala spreminjajoče napake (PI kontrola). Dodatna predhodna kontrola se je uspešno uporabljala da prepreči, da bi robot šel predaleč oz. prehitro (PIP kontrola). To zlahka vzame 10% CPU časa. Prava kontrola za multifunkcionalno roko vsebuje kompleksen niz nelinearnih diferencialnih enačb; skupne interakcije, trenj, stiction, resonanca in gonilna bo povzročil pomankanje kontrole, natančnost in točnost nista vključena v kontrolni algoritem. Rešitev kinetičnih enačb je časovna poraba. Zdaj je postalo že običajno, da industrijski roboti

roboti v analitiki

18

uporabljajo mikroprocesor za krmiljenje vsake vožnje skupaj s hitrim centralnim procesorjem, ki opravlja bolj univerzalne funkcije. Na pogled ločena procesorja se uporabljata da zbirata in obdelata podatke in dopuščata vizualno kontrolo v realnem času. ko je multipli robot uporabljen v pravem elektronskem laboratoriju, povezovanje v mreže je nujno za prenos podatkov in komand iz ene postajo na drugo.1 11 ROBOTIZACIJA ANALIZNEGA LABORATORIJA Glede na definicijo robota, se lahko laboratorijskega robota jemlje kot podaljšanje računalnika, ki omogoča izvajanje fizičnega dela kot dodatek k pridobivanju in obdelovanju podatkov. Potrebno je poudariti, da robota v laboratoriju ne moremo smatrati v izolaciji, kot samska mehanska roka, ampak kot pomemben del celotnega sistema, ki ga nadzoruje računalnik. Robotska postaja vsebuje inštrumente, aparature in druge enostavne naprave, kot so kontejnerji, stojala in steklovino, da izvrši operacije v katerih roka služi kot transporter med različnimi enotami. Kot rezultat svoje merske strukture robotska postaja zagotavlja fleksibilno avtomatizacijo različnih procesov in metod. Najbolj štrleča prihodnost robota (kar ga dela različnega od ostalih avtomatiziranih alternativ) je njegova sposobnost, da posnema človeškega operaterja, čeprav to ni najbolj zaželjena modus operandi robota v analiznem laboratoriju. Čeprav je delo analitika zaporedno sledeče, ima robot sposobnost da dela sočasno z vzorci različne postopke in s tem skrajša čas analize. Robotska postaja je dokazala, da je ena od najbolj točnih in avtonomnih avtomatiziranih tehnik, ki hkratno vpliva na produktivnost in kvaliteto podatkov. Kakorkoli že, po desetletju kontinuirnih izboljšav, analitske robotske postaje še vedno vsebujejo veliko slabosti:

• Pomankanje standardov za primerjavo različnih enotnih operacij. Razvijanje standardov je obvezen korak, da se utrdijo uradne robotizirane metode, torej je tema raziskovalnih skupin, ki delajo na tem področju.

• Visoki namestitveni stroški so še vedno glavna ovira pri razširjanju te tehnike. • Naraščajoča zapletenost strojne, predvsem pa programske opreme, ki je nujna za

kontakt z dobro organiziranim profesionalnim timom z namenom, da obdržiš robotsko postajo delujočo.

roboti v analitiki

19

12 SEDANJI TRENDI ZA ANLITSKE ROBOTSKE POSTAJE Kljub današnjim omejitvam robotskih postaj, število tovarn, ki izdelujejo robote in njihova izvedba v laboratorijih po celem svetu kažejo direkten rezultat izboljšanja razširitve robotskih postaj. Lahko predvidevamo, da bodoprihodnji robotski analizni laboratoriji imeli dobro definirane oblike kot je na sliki 9. Trendi se razvijajo k miniranju robotske opreme. Glavni cilj je varčevanje z denarjem in prostorom. Uporaba manjših, kompaktnejših robotskih postaj zmanjšuje njihovo gibčnost, okretnost, vendar prestavljajo najboljšo verjetnost robotiziranja majhnih laboratorijev. Po drugi strani zmanjšanje velikosti vzorca, reagentov in povezanih materialov, ki so posledica zmanjšanih robotov, tudi zmanjšajo stroške analize. Skupen trend je povečanje robotskih delovnih postaj, ki naredijo omejeno število funkcij in so relativno poceni in enostavni za uporabo.

slika 9: robotska postaja (Zymark Corp.) (Vir: M.D.Luque de Castro, P. Torres, Where is analytical laboratory going?, Trends in Anal. Chem., 14 (1995)) Povezovanje robotskih postaj z ostalimi kontinuirnimi in nekontinuirnimi avtomatiziranimi alternativami, ki so hitrejše in/ali cenejše od robotov samih, lahko pospeši amortizacijo in zmanjša pridobitvene stroške. Robotizirana superkritična tekočinska ekstrakcija, injekcijska analiza ali druga nekonvencionalni modul, kot je fokusirana mikrovalovna naprava, lahko

roboti v analitiki

20

dramatično zmanjša čas analize in se lahko izognemo uporabi dragih zunanjih naprav. Sedaj srečujemo povečanje števila veznih tehnik, kot so LC-MS-MS, ali LC-IR, ki so vključene v robotske postaje, kar nam daje polno avtomatizirano metodo z visoko selektivnostjo in občutljivostjo. Mobilni roboti ponujajo način olajšanja tehnologom od svetovljanskih nalogah, kot so razdeljevanje vzorcev in so cenovno primerljivi. Notranji ali zunanji senzorji so obvezni pri razvijanju mobilnih robotov. Optični, otipljivi, termični in masni senzorji, so tarče številnih raziskovalnih centrov, in se lahko uporabljajo v izolaciji, v smislu zagotavljanja sledljivosti rezultatov. Črke so v glavnem osnovane na dvodimenzionalnih kodah, ki premagajo omejenost linearnih simbolov in omogoča cele nove razrede uporabe. Zelo robotu prijazen modus operandi uporablja dodeljevanje, ki omogoča hkratno rokovanje večjih vzorcev in različne analitske postopke. Razširjena uporaba te metode zahteva globljo revizijo programske opreme, z uvajanjem matematičnih algoritmov za optimalno časovno distribucijo enotnih operacij, ki jih razvije robot. Predviden rezultat je dramatično zmanjšanje časa analize. Robot-uporabnik vmesniki bodo predmet raziskav naslednjih nekaj let zaradi dveh glavnih razlogov. Prvi vključuje razvoj bolj odprtih in vzajemnih programov, ki bodo lahko uporabni tudi za uporabnika, ki ni strokovnjak informatike. Ti programi, osnovani na jeziku z visoko vizualno vsebino ( visual basic), bodo naredili delo enostavno tudi nestrokovnjaku. Drugič bo bolj učinkovita kontrola robotske postaje, da povečamo fleksibilnost in okretnost, vendar s popolno kontrolo procesov skozi dobro definiranim upravljalnim sistemom. Druga možnost na tem področju je uporaba teh vmesnikov za internetne priročnike pomoči. Simulacijski programi predstavljajo področje povečevanja interesa v analitske robote na način razvoja skozi optimizacijo, pri čemer se izognemo osebnemu in laboratorijskemu tveganju. Drugi vidik interesa v te programe je osebni trening, čiščenje programa in odkrivanju napak in načrtovanje. Prava revolucija v analitski robotiki bo prišla iz razvijanja umetne inteligence. Sodobne robotske postaje so nič drugega kot sofisticirane aparature z enostavnimi odzivnimi sistemi in ti imajo zelo omejeno sposobnost odločanja v različnih korakih analitskega procesa. Prihodnji roboti bodo bili sposobni najti rešitev analitskega problema z uporabo začetno shranjenih

roboti v analitiki

21

informacij in informacij pridobljenih z procesom, ki ga je predhodno razvijal. Asimilacija nove informacije in vključitev v algoritem ekspertnega sistema (vajenstvo iz izkušenj) je ena od glavnih ciljev umetne inteligence. Ta izoliran modus operandi sedanjega ekspertnega sistema se bo spremenil v bližnji prihodnosti in bo vključen v analizno opremo, in tako dal inštrumentom z inteligenco da zavzamejo maksimalno prednost v svoji oblike. Robotski sistem bo integriran v inteligentno okolico in bo deloval kot klient in strežmik analitske laboratorijske mreže. Na kratko, ena najbolj razburljivih področij v prihodnosti robotike je uporaba umetne inteligence »živčno« nevronsko mrežo da sestavimo laboratorijsko avtomatizacijo. 13 ZAKLJUČEK Enaindvajseto stoletje bi moralo osnovati začetek skoraj znanstvene fantastike v analizni kemiji. Rastoče zahteve po hitrih in natančnih rezultatih, in tehnološki napredek, bo peljal k razvijanju in izvrševanju inteligentnih robotov v analiznem laboratoriju. Ta situacija se bo jemala kot razvitost avtomatizacije. Kakorkoli že, ta situacija zahteva klic po pozornosti. Kljub funkcionalni avtonomiji, okretnosti in kapacitete sprejemanja odločitev nove generacije analizne opreme, bo to zahtevalo, bolj kot kdajkoli, nadzor specializiranih oseb. Nove tehnologije ne bodo nikoli nadomestile analiznega kemika, ampak bodo pobuda spremembam v miselnosti in znanju, da se bomo uspešno soočali z izzivi nove dobe analiznih robotov.5

roboti v analitiki

22

14 VIRI:

1. Dessy R.: Robots in the laboratory: part I, Anal. Chem. 55 (1983) 1100A-1114A;

2. Potkonjak V., Savremeni roboti, Tehnička knjiga, Beograd, 1986, str. 20-33;

3. Kralj A., Bajd T., Industrijska robotika, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, 1985, str.31-55, 116-146, 159-168;

4. Pawson R., Knjiga o robotih, Mladinska knjiga, Ljubljana, 1986, str. 60-98;

5. M.D.Luque de Castro, P. Torres, Where is analytical laboratory going?, Trends in

Anal. Chem., 14 (1995) 492-495;

roboti v analitiki

23

15 VSEBINA: 1 UVOD 1 2 OSNOVNI POJMI 1 3 GONILNI SISTEMI 3 .1 Servomotor 3 .2 Koračni motorji 3 .3 Hidravlika 4 .4 Pnevmatika 5

4 KRMILJENJE 5 .1 Krmiljenje z odprto zanko 5 .2 Krmiljenje z zaprto zanko 5

5 ROKE 7 6 POGLED 11 .1 Svetlobne celice 11 .2 Kamere 11 .3 Stopnje sivine 12 .4 Obdelava slike 12 .5 Razpoznavanje vzorcev 12

7 TIP 14 8 ZVOK 15 9 PROGRAMIRANJE 16 10 ČAS 17 11 ROBOTIZACIJA ANALIZNEGA LABORATORIJA 18 12 SEDANJI TRENDI ZA ANLITSKE ROBOTSKE POSTAJE 19 13 ZAKLJUČEK 21 14 VIRI: 22 15 VSEBINA: 23