SCORE!

Smartphone Controlled Robots for Education and !ndustry

Die Idee

Um Roboter oder Produktionsanlagen für komplexe Aufgaben auszustatten, ist es unumgänglich Methoden der Künstlichen Intelligenz zu verwenden. Dabei entwickeln Software-Agenten durch Wissen über die Anwendungsdomäne und die eigenen Fähigkeiten Strategien zur Erreichung komplexer Aufgaben.

Jedoch stellt das dynamische Verhalten solcher autonomer Systemen eines der größten Hindernisse für ihre breitere Akzeptanz dar. Anwender werden nur dann Vertrauen in ein intelligentes, flexibles System setzen, wenn das Verhalten für diese nachvollziehbar ist. Dazu ist es notwendig, das Verhalten der einzelnen Agenten und des Gesamtsystems durch Softwarevisualisierung sichtbar zu machen.

FFG Logo

Das Projekt beschäftigt sich damit, die Vorteile mobiler Geräte zu nutzen, um beispielsweise mittels verbauter Kamera und Touchscreen Augmented-Reality zu realisieren und damit die Interaktion zwischen Mensch und Maschine zu vereinfachen. Damit soll einerseits eine leichtere industrielle Anwendung der Agententechnologie ermöglicht werden und andererseits das komplexe Gebiet der Robotik durch intuitive Benutzeroberflächen für den Einsatz in der Ausbildung Jugendlicher vereinfacht werden.

Hardware-Plattform

Im SCORE!-Projekt wurde unter anderem ein Roboter-Controller für den Einsatz in Ausbildung und Industrie entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Computer, der Anschlüsse für eine Vielzahl verschiedener Aktoren, Sensoren und Module bietet, sowie die notwendigen Software-Bibliotheken zu deren Ansteuerung bereitstellt. Aus der Zielsetzung des SCORE!-Projekten ergaben sich für diesen einige Anforderungen:

  • Leistungsstärke: genügend Rechenleistung und Speicher für komplexe Forschungsanwendungen
  • Benutzerfreundlichkeit: einfache und intuitive Bedienung, um die Anwendbarkeit in der Ausbildung zu gewährleisten
  • Leistbarkeit: kostengünstig in der Anschaffung und Nutzung

Im Laufe der Projektlaufzeit sind mehrere Versionen des Controllers entstanden, die hier kurz vorgestellt werden sollen.

AndriX v1

Die erste Version unseres Controllers wurde unter dem Namen „AndriX“ entwickelt. Zentraler Bauteil der ersten Version ist eine Arduino Mega ADK Platine, die über einen USB-Anschluss mit Android-Smartphones kommunizieren kann. Neben den SCORE!-Zielen sollte durch die Nutzung von Smartphones der Einstiegspreis gesenkt werden, da auf die Rechenleistung, Kamera, etc. des Smartphones zurückgegriffen werden kann.

Vom Benutzer geschriebene Programme werden direkt auf dem Smartphone ausgeführt und nur einzelne Befehle bzw. Antworten zwischen dem Smartphone und dem Controller übertragen. Die Kommunikation ist noch auf Android-Smartphones beschränkt.

Technische Daten des AndriX v1-Controllers

  • Arduino MEGA ADK
  • 10 analog Sensor Eingänge
  • 16 digital Sensor Eingänge
  • 4 Motor Ausgänge
  • 6 Servo Ausgänge
  • USB-Anschluss für Android Smartphones

AndriX v2

Die neue Version des Controllers entstand in einem Diplomprojekt am TGM. Ein Team der höheren Abteilung für Elektronik setzte dabei einige Verbesserungen und neue Features um. Auch das Layout des Controllers wurde dazu überarbeitet.

Anstatt einer großen Platine verwendet AndriX v2 mehrere kleine Platinen, die platzsparend zu einem Gehäuse zusammengesteckt werden. Für die Rechenpower sorgt nach wie vor das Arduino MEGA ADK, jedoch verfügen die Nebenplatinen über zusätzliche Mikrocontroller, die neue Features wie die verbesserte Motorsteuerung umsetzen.

Die Smartphone-Steuerung über USB blieb gleich, hinzugefügt wurde unter anderem eine Ladeeinheit, um den Akku im Gehäuse aufladen zu können. Außerdem wurde die Anzahl an Anschlüssen aufgestockt. Wie sich jedoch herausstellte, war das Arduino MEGA ADK für die vielen neuen Aufgaben unterdimensioniert, wodurch schnell eine neue Version notwendig wurde.

Technische Daten des AndriX v2-Controllers

  • Arduino MEGA ADK + 3x Atmega 8
  • 16 analog Sensor Eingänge
  • 16 digital Sensor Eingänge
  • 6 Motor Ausgänge
  • 6 Servo Ausgänge
  • Akku-Ladeeinheit
  • Back-EMF
  • USB-Anschluss für Android Smartphone

Hedgehog (AndriX v3)

Aus den Erfolgen und Fehlern der Vorgängerversionen wurde vieles gelernt. Für den AndriX v3, der später in „Hedgehog“ umbenannt wurde, waren Flexibilität und Modularität von Anfang an zentrale Überlegungen. Begonnen wurde die Entwicklung des neuen Controllers wieder von einer Diplomarbeitsgruppe des TGM. In folgenden Projekten arbeiteten die ehemaligen Schüler sowie weitere PRIA-Mitarbeiter weiter an Hedgehog.

Hedgehog unterstützt gegenüber dem Vorgänger viele neue Features. Die primäre Kommunikations-Schnittstelle wurde von USB auf WLAN geändert. Obwohl ein Großteil der Entwicklung immer noch auf Android-Smartphones ausgerichtet ist, kann der Controller nun auch mit anderen Mobile- und Desktop-Betriebssystemen arbeiten. Der Controller kann dabei sowohl ein eigenes Netzwerk aufspannen, als auch existierende Netzwerke benutzen.

Die WLAN-Verbindung bringt sowohl Möglichkeiten als auch Herausforderungen: Das Smartphone (oder Tablet, oder Laptop, …) ist jetzt ein vollwertiges Entwicklungswerkzeug und kann den Roboter perfekt überwachen, die direkte Steuerung über WLAN kann aber zu langsamen Reaktionen führen. Zur Lösung dieses Problems wird zusätzlich ein Raspberry Pi verbaut, der alternativ zum Smartphone die Programme des Benutzers ausführen kann. Das Resultat ist eine flexible, modulare Architektur mit vielen neuen Möglichkeiten.

Hedgehog Concept

Der Hedgehog ist außerdem unser erster Controller, der über eine zusätzliche serielle Schnittstelle verfügt. Über diese kann externe Hardware angeschlossen werden, die über USART kommunizieren kann – beispielsweise ein iRobot Create. USART ist eine verbreitete, einfach zu verwendende Schnittstelle, und deshalb auch sehr gut für eigene Erweiterungen für den Hedgehog geeignet.

Auch in Sachen Software gibt es viel neues. Neben der Öffnung hin zu neuen Plattformen verwendet Hedgehog bei allen Schnittstellen ein einheitliches, offen spezifiziertes Protokoll. Die Hedgehog App ist eine vollwertige Entwicklungsumgebung, mit der man Hedgehog-Anwendungen auch debuggen kann. Breakpoints, manuelles unterbrechen und Einsehen von lokalen Variablen ist möglich. Dadurch fällt es leichter, Fehler in Hedgehog-Programmen zu finden, als es bei AndriX oder vielen anderen Roboter-Controllern wäre.

Technische Daten des Hedgehog-Controllers

  • STM32 F3 + Raspberry Pi
  • WIFI
  • 16 Analog-Eingänge
  • 16 Digital-Eingänge
  • 6 Motor Ausgänge
  • 6 Servo Ausgänge
  • Akku-Kontrolleinheit
  • USART
  • Back-EMF

Hedgehog Light

Der Hedgehog-Controller besaß noch eine entscheidende Schwachstelle: mit dem eingebauten Raspberry Pi verfügt er zwar über einen vollwertigen Linux-Rechner, was jedoch fehlte war der Internet-Zugang. Die zur Zeit der Entwicklung verfügbaren Raspberry Pis (sowie vergleichbare Rechner im angestrebten Preissegment) verfügten noch nicht über eingebautes WLAN, und das WLAN-Modul war auf das Hedgehog-Protokoll beschränkt.

Durch die gefallenen Preise war klar, dass ein Upgrade auf einen moderneren Raspberry Pi sich lohnen würde. Unter dem Namen „Hedgehog-Light“ wurde und wird ein deutlich kleinerer Controller entwickelt, der vor Allem für den Ausbildungs- und Forschungs-Bereich neue Vorteile bringt.

Viele Teile der Software wurden an die neuen Möglichkeiten angepasst, etwa wurde auf die Update-Fähigkeit aller Software-Komponenten geachtet, und die flexiblere Netzwerk-Konnektivität wo sinnvoll genutzt. Benutzer-Programme können auf beliebigen Geräten ausgeführt werden und sogar mehrere Controller gleichzeitig ansteuern. Die immer noch offen spezifizierten Protokolle erlauben die einfache Entwicklung neuer Anwendungen, etwa grafischer Entwicklungswerzeuge.

Technische Daten des Hedgehog Light-Controllers

  • STM32 F4 + Raspberry Pi 3 Model B (inkl. WIFI)
  • 8 Analog-Eingänge/Digital-Ein-/Ausgänge
  • 8 Digital-Ein-/Ausgänge
  • 4 Motor Ausgänge
  • 4 Servo Ausgänge
  • externer Akku
  • USART, SPI, I²C

Stay Tuned!

Die Weiterentwicklung von Hedgehog Light ist natürlich immer noch in vollem Gange. Wir arbeiten unter Hochdruck an Hardwareerweiterungen und an der Entwicklung der Apps für alle gängigen Betriebssysteme und mobilen Betriebssysteme (Android, iOS, Windows Phone 8).

Dir gefällt Hedgehog? Wir freuen uns über jede Form von Unterstützung!

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