Forum 10 05.indd - Pomiary - Automatyka, Ćwiczenia z Automatyka

Pobierz Forum 10 05.indd - Pomiary - Automatyka i więcej Ćwiczenia w PDF z Automatyka tylko na Docsity!

Nr 5/ Pomiary Automatyka Robotyka 5/

ozwój nowoczesnych technologii przekłada się na ich stosowanie w coraz to nowych obszarach ludzkiej dzia- łalności. Mimo to wciąż pozostają obszary, w których domi- nuje metodyka opracowana na początku XX, a nawet w XIX wieku. Jedną z takich dziedzin jest antropometria – technika pomiarów ludzkiego ciała. Zakres zastosowań antropometrii jest bardzo szeroki: po- cząwszy od wzornictwa przemysłowego przez badania antro- pologiczne, systemy monitoringu, a skończywszy na medy- cynie. Zwłaszcza ta ostatnia dziedzina zawiera duży potencjał dla zastosowania inżynierii komputerowej. Na pograniczu medycyny i informatyki prowadzi się badania dotyczące oce- ny wad postawy i jej zmienności w ciągu życia czy diagno- zowania problemów zdrowotnych m. in. związanych z dzia- łaniem górnych dróg oddechowych. Prace na temat związku między rynometrią (pomiarami nosa) a kwestiami zdrowot- nymi prowadzone są na Warszawskim Uniwersytecie Me- dycznym [1]. Wiadomo, że na wyniki diagnoz dotyczących nosa wpływ ma nie tylko stan zdrowia osoby badanej ale rów- nież jej budowa antropologiczna [1]. Pozyskanie takiej wie- dzy jest niezwykle ważne w celu uwzględnienia jej wpływu na wynik badania. W tradycyjnej antropometrii stosuje się wciąż najprostsze narzędzia, jednak prowadzi się prace nad użyciem technik komputerowych w połączeniu ze znacznie bardziej rozwi- niętym instrumentarium. Współczesne skanery powierzch- ni 3D stwarzają nowe możliwości. Stosowa- nie nowych technologii wiąże się z licznymi problemami (za [2]): istniejące rozwiązania są bardzo drogie i niedoskonałe, brakuje też opracowań (zwłaszcza algorytmów analizy) na ten temat. Metodą zajmuje się stosunkowo niewielka grupa firm i ośrodków naukowych. Technika automatycznych pomiarów an- tropometrycznych leży na pograniczu antro- pologii, mechatroniki i informatyki. Kolejne aspekty, które należy rozważyć i opracować projektując system realizujący takie zadanie to: określenie stanu istniejącej wiedzy na temat antropometrii, która umożliwi dobór cha- rakterystycznych punktów twarzoczaszki i mierzonych parametrów; dane a priori dotyczące tych wymiarów mogą znacznie ułatwić projektowanie algorytmów auto- matycznego pomiaru

System automatycznych pomiarów

rynometrycznych (1)

Tomasz Kuśmierczyk – Studenckie Koło Naukowe Cybernetyki

przegląd i analiza działania istniejących rozwiązań w za- kresie skanningu 3D, co pozwoli na zapoznanie się z ko- rzyściami i wadami takiego podejścia w zastosowaniu do antropometrii opracowanie algorytmów wstępnego przetwarzania da- nych pozyskiwanych ze skanera 3D (adaptacja istnieją- cych lub opracowanie nowych) opracowanie nowych metod i algorytmów analizy danych i poszukiwania punktów charakterystycznych ciała ocena i weryfikacja uzyskanych rozwiązań.

Tradycyjne pomiary antropometryczne

Definicje, podstawowe pojęcia i stosowane na-

rzędzia

Antropometria to technika stosowana w antropologii. Polega na liczbowym opisie wymiarów ciała ludzkiego. Jej nazwa wywodzi się z greckich słów: anthropos – człowiek i me- trikos – pomiar. Metoda ta rozwijana jest od ponad 200 lat. W wersji klasycznej dokonuje się pomiarów statycznych za pomocą elementarnego zestawu narzędzi [2, 7, 9]: waga – pomiar ciężaru aparat fotograficzny – utrwalanie wyglądu części ciała taśma pomiarowa – długość krzywizn i obwody części ciała antropometr (ang. anthropometer ) – pomiar odległości między punktami na ciele

Rys. 1. Podstawowy zestaw narzędzi do pomiarów antropometrycznych

Rys. 2. Płaszczyzny ciała: PF - płaszczyzna czołowa główna, PN - płaszczyzna poprzeczna, PSM - płaszczyzna strzałkowa

Forum Młodych

Pomiary Automatyka Robotyka 5/2010 Forum Młodych

Rys. 3. Punkty pal - pal

Rys. 4. Punkty sn-prn

Rys. 5. Punkty al-al

suwak (cyrkiel liniowy, ang. spreading caliper) – pomiar średnic goniometr – pomiary kątów cyrkle kabłąkowe.

Zarys metodyki

pomiarów

antropometrycznych

Podstawowymi pojęciami z za- kresu antropometrii są rzuty, płaszczyzny i linie ciała (rys. 2). Najważniejszą płaszczyzną do- tyczącą głowy jest płaszczyzna frankfurcka. Odpowiada ona ta- kiemu ułożeniu głowy, w którym najniższy punkt kostnej krawę- dzi oczodołu i najwyższy punkt na kostnej krawędzi kanału słu- chowego znajdują się w jednej płaszczyźnie (poziomej). Drugim pojęciem potrzebnym do defi- niowania punktów pomiarowych antropometrii są linie – ślady, ja- kie pozostawiają płaszczyzny na powierzchni ciała [7]. Istotną jest linia pośrodkowa przednia, która przechodzi przez środek czoła, środek wcięcia szyjnego ręko- jeści mostka, aż do środkowego punktu dolnego brzegu spojenia łonowego. Pomiaru [3] należy dokonywać w ułożeniu maksymalnie zbliżonym do pozycji anatomicznej: stojąc wyprostowanym, pięty złączone, pośladki, tył głowy i łopatki dotykają ściany za plecami osoby, na której dokonywany jest pomiar. Ramio- na i palce powinny być wyprostowane. Głowa powinna być nieskręcona i ułożona w płaszczyźnie frankfurckiej. Głównymi źródłami błędów i niepowtarzalności pomiarów dokonanych za pomocą tej metody są: subiektywność ustalenia punktów charakte- rystycznych ciała – różne osoby różnie oce- niają spełnienie kryteriów określających ich położenie niedokładność ułożenia ciała przy pomiarze niedokładność narzędzi. Poprawę wyników można uzyskać poprzez zwiększenie liczby osób dokonujących subiek- tywnej oceny pomiaru i uśrednienie wyników.

Punkty charakterystyczne

i parametry twarzy

Podstawowym zagadnieniem antropometrii jest wybór punktów lub obszarów charaktery- stycznych (ang. landmarks ) na ciele, pomiędzy którymi dokonywane są pomiary. Punkty te po- winny spełniać następujące kryteria:

być jednoznacznie określone i łatwe do identyfikacji znajdować się w obszarach łatwo dostępnych dobrze różnicować i charakteryzować osoby. Z punktu widzenia wrażliwości na błędy, wskazane jest, by małe przesunięcie punktu charakterystycznego w nieistotnym stopniu wpływało na wartość zmierzonego parametru. Medycyna definiuje wiele punktów charakterystycznych dla twarzy (cefalometrycznych czyli rozmieszczonych na czaszce ale rzutowanych na powierzchnię miękką), jednak nie wszystkie są użyteczne dla pomiarów antropometrycz- nych w każdym zastosowaniu. Dzieli się je na parzyste, dla których istnieją dwa punkty na ciele spełniające kryterium oraz nieparzyste – pojedyncze. Są to m.in. [1, 2, 7, 9]: vertex (v) – punkt najwyżej położony na szczycie głowy ustawionej w płaszczyźnie frankfurckiej glabella (g) – punkt na kości czołowej, najbardziej wysu- nięty ku przodowi, znajdujący się na przecięciu linii po- środkowej ciała z linią przeprowadzoną przez wyniosłości nadoczodołowe gnathion (gn) – punkt położony na krawędzi dolnej żuchwy (czaszka w płaszczyźnie frankfurckiej), zwykle punkt naj- niższy na żuchwie opisthocranion (op) – punkt na kości potylicznej najbar- dziej odległy od punktu glabella w płaszczyźnie pośrod- kowej zygion (zy) – najdalej bocznie wysunięty punkt łuku jarz- mowego. Punkty dotyczące nosa to: subnasale (sn) – punkt leżący w linii pośrodkowej ciała, na połączeniu słupka nosa i rynienki podnosowej wargi gór- nej; położony jest na szczycie kąta, jaki tworzy dolna kra- wędź przegrody nosowej i rynienka wargowa alare (al) – najbardziej bocznie wysunięty punkt skrzydeł- ka nosowego pronasale (prn) – punkt w linii pośrodkowej, w najbardziej wysuniętym ku przodowi punkcie końca nosa, przy usta- wieniu głowy w płaszczyźnie uszno-ocznej stomion (st) – punkt leżący na przecięciu linii pośrodkowej ciała ze szparą ust supraalare (sala) – punkt położony jest w miejscu najwyż- szym na bruździe skrzydła nosa

Rys. 6. Punkty antropologiczne twarzy, widok z boku [7]

Rys. 7. Punkty antropologiczne głowy, widok z przodu [7]

Pomiary Automatyka Robotyka 5/2010 Forum Młodych

grzbiet nosa (dorsum nasi) – składa się z dwóch części: górnej (opartej wewnętrznie na kości czaszki) i dolnej, za- kończonej wierzchołkiem nosa (opartej wewnętrznie na chrząstce); w zależności od kształtu grzbietu nosa wyróż- nić można nos prosty, wypukły, wklęsły oraz postacie mie- szane wierzchołek lub koniec nosa (apex nasi) – może być szero- ki, wąski, rozlany lub zaostrzony skrzydła nosa (ala nasi) – z boku przechodzą w policzki, a do dołu i przyśrodkowo w wargę górną; ogranicza je ro- wek skrzydłowy, mogą być wąskie lub szerokie, owalne, okrągłe lub zaostrzone nasadę nosa (radix nasi) – miejsce, gdzie grzbiet nosa prze- chodzi w czoło, w tym miejscu powstaje różnej wielkości zagłębienie.

Statystyki parametrów

antropometrycznych

Parametry charakteryzujące twarzoczaszkę jak i nos przedsta- wiono wcześniej, jednak dla opracowania systemów pomia- rowych pomocna jest wiedza na temat oczekiwanych wy- ników. Zestawienie wartości średnich wraz z odchyleniami standardowymi wartości pomiarów przedstawiają tabele.

Podsumowanie

W części tej omówione zostały tradycyjne pomiary antropo- metryczne. Pokazane zostały wady stosowanej obecnie me- tody jak i narzędzi. Dodatkowo scharakteryzowano budowę twarzoczaszki i nosa. Wyszczególnione zostały punkty cha- rakterystyczne tych obszarów jak również ich parametry. Za- łączono również informację o rozkładzie statystycznym tych wartości. Wiedza w przedstawionym zakresie daje dobry obraz dzie- dziny nauki, jaką jest antropometria i pozwala na dalsze prace w jej obszarze. Kolejnym aspektem w dążeniu do stworzenia

w pełni automatycznego systemu pomiarowego jest rozważe- nie aspektów technicznych, co zostanie zrobione w kolejnej części.

Bibliografia

1. Szczęsnowicz-Dąbrowska P.: Związek Pomiędzy Wyni- kami Rynometrii Akustycznej a Parametrami Antropo- metrycznymi u Zdrowych Osobników. Rozprawa na sto- pień doktora, Akademia Medyczna w Warszawie: Zakład Profilaktyki Zagrożeń Środowiskowych Wydziału Nauki o Zdrowiu, Warszawa 2006.
2. Peavy Simmons K.: Body Measurement Techniques: A comparison of three-dimensional body scanning and physical anthropometric methods. North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, January 12, 2001
3. Kroemer K.H.E., Kroemer H.J., Kroemer-Elbert K.E. En- gineering physiology: Physiologic bases of human fac- tors/ergonomics. Amsterdam, Elsevier, 1986.
4. Montagu, M.F.A., A handbook of anthropometry. Spring- field, IL: Charles C. Thomas, 1960
5. J. Young, Head and Face Anthropometry of Adult U.S. Ci- vilians, Final Report, July 1993.
6. A. Raouzaiou, S. Ioannou, G. Akrivas, K. Karpouzis and S. Kollias, Adaptation of expression analysis based on evaluation principles , National Technical University of Athens
7. Napoleon Wolański przy współautorstwie Stanisła- wa Niemca i Miry Pyżuk, Antropometria inżynieryj- na: Kształt i wymiary ciała, a wzornictwo przemysłowe , Książka i Wiedza, Warszawa 1975
8. Malinowski A., Wolański N.: Metody Badań w Biologii Człowieka: Wybór metod antropologicznych , PWN, War- szawa 1988
9. [http://www.archeointernet.pl/antropologia.html] – An- tropologia fizyczna.

Studenckie Koło Naukowe Cybernetyki działa od 2008 roku z ramienia Instytutu Systemów Elektronicznych Wydziału Elektro- niki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Należy do grupy badawczej Zespołu Aparatury Biocybernetycznej, kierowa- nego przez prof. nzw. dra hab. Antoniego Grzankę. Wraz z innymi zespołami naukowymi współtworzy międzyuczelnianą grupę Neu- roscience. Tematyka prac Koła jest zróżnicowana, mimo to główny nacisk zo- stał położony na połączenie osiągnięć z dziedziny medycyny i elek- troniki, w celu rozwoju diagnostyki, modelowania oraz monitoro- wania stanu organizmu biologicznego. Wśród swych członków Koło skupia studentów Politechniki War- szawskiej, a także Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie i Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego. Łączy ich wspólna pa- sja tworzenia i wcielania w życie nowych pomysłów, propagowania korzystnych rozwiązań technicznych. Do największych sukcesów należą projekty Brain Computer Interfa- ce oraz Inteligentny dom, opierające się na odpowiedniej akwizycji, przetwarzaniu sygnałów z wykorzystaniem technik komputero-

wych oraz sieci neuronowych. Ponadto już we wrześniu 2008 roku Koło miało okazję zaprezentować swój dorobek na Festiwalu Nauki, organizując seminaria młodzieżowe pod tytułem Biocybernetyka w służbie ludzkości. W obecnej chwili równolegle prowadzonych jest dziesięć różnych projektów dotyczących różnych obszarów, od zagadnień militar- nych począwszy, na aspektach fizjologii człowieka skończywszy. Więcej informacji na temat Koła Biocybernetyki można znaleźć na stronie internetowej http://cyber.ise.pw.edu.pl/.

Dane kontaktowe: SKN CYBERNETYKI Politechnika Warszawska, Wydział EiTI Instytut Systemów Elektronicznych, ul. Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa

Nr 5/ Pomiary Automatyka Robotyka 5/

OPOLCHESS – robot do gry w szachy (3)

Układ sterowania

Krzysztof Gawlik, Radosław Gruszka, Krzysztof Galeczka, Marcin Hnatiuk, Marcin Kupczyk, Michał Tomczewski, Krzysztof Tomczewski – SKN Spektrum

odstawą układu sterowania robota jest komputer PC z programem rozgrywającym partie w szachy, który decyduje o wykonywanych ruchach. Komputer ten poprzez łącze szeregowe komunikuje się z mikroprocesorami umiesz- czonymi w złączach manipulatora, chwytaka i szachownicy. Położenie złącz manipulatora napędzanych serwomecha- nizmami modelarskimi zadawane jest w postaci impulsów prostokątnych o ustalonej szerokości. Do ich generowa- nia wykorzystano sprzętowe generatory PWM procesorów rodziny ATmega. Przyjęto koncepcję jednoczesnej realizacji ruchów niezależnie wszystkimi przegubami. Przyjętą struktu- rę układu sterowania robota pokazano na rys. 1.

zadanego czasu transmisja jest ponawiana. Po sprawdzeniu poprawności otrzymanych danych komputer wysyła kolejny telegram zawierający rozkaz rozpoczęcia wykonania ruchu do modułu komunikacyjnego. Moduł komunikacyjny gene- ruje przerwania zewnętrzne INT0 w procesorach sterujących napędami przegubów, co powoduje jednoczesne rozpoczęcie wykonywania ruchów wszystkich przegubów. Zakończenie wykonania ruchu przez złącza zgłaszane jest do modułu ko- munikacyjnego liniami przerwań i dalej łączem RS-232 do komputera. Teraz jest kolej na ruch człowieka. W trakcie wykonywania ruchu przez człowieka moduł komu- nikacyjny kontroluje cyklicznie stan na szachownicy. W tym celu w module szachownicy zamontowano układy rejestrów wejściowych, do których podłączono czujniki hallotronowe oraz rejestry wyjściowe, do których podłączono podświetla- jące pola szachownicy diody LED (rys. 2.). Do komunikacji z szachownicą zastosowano interfejs SPI.

Rys. 1. Schemat blokowy układu sterowania robota

Algorytm działania

Komputer komunikuje się z robotem przez interfejs RS- [1], przesyłając rozkazy zawierające numery pól na szachow- nicach, z których i na które należy przesunąć bierki, bez in- formacji o rodzaju bierki. W pamięci mikroprocesorów, prze- znaczonych do sterowania złączami kinematycznymi, zapi- sane zostały tablice wartości odpowiadające wypełnieniom impulsów PWM, przy jakich chwytak osiąga położenie ba- zowe, dowolnego pola na szachownicy i polach dodatkowych oraz wrzutni zbitych bierek. Procedura komunikacyjna wy- konywana jest cyklicznie i obejmuje wysłanie rozkazu ruchu dla robota oraz zbieranie danych o ruchu przeciwnika, czyli człowieka. Wykonanie ruchu przez robota: komputer poprzez interfejs RS-232 wysyła 14-bajtowy telegram do modułu komunikacyj- nego umieszczonego przy szachownicy oraz modułów steru- jących pracą przegubów i chwytakiem. Po odebraniu danych moduły te za pośrednictwem czterowejściowej bramki AND uruchamiają przerwanie zewnętrzne INT0 procesora w mo- dule komunikacyjnym. Następnie moduł komunikacyjny od- syła do komputera odebraną ramkę sprawdzając poprawność transmisji. W przypadku błędów transmisji lub braku potwier- dzenia odebrania ramki przez dowolny procesor, po upływie

Rys. 2. Schemat blokowy układu kontroli stanu na szachownicy

Informacja o każdej zarejestrowanej zmianie ustawień bierek na szachownicach przesyłana jest do komputera. Roz- poznanie podniesienia bierki sygnalizowane jest człowiekowi podświetleniem pola, z którego bierka została zdjęta. Założe- niem projektu jest, że za kontrolę legalności ruchu odpowiada program komputerowy. Po rozpoznaniu wykonania legalnego ruchu podświetlenie pola jest wyłączane, co sygnalizuje czło- wiekowi, że jego ruch został zakończony.

Układy elektroniczne

Do realizacji przyjętego algorytmu opracowano układ elek- troniczny zgodny ze schematem blokowym (rys. 1). Ramię robota zostało wyposażone w moduły elektroniczne sterujące pracą serwomechanizmów (rys. 3). Podstawowymi elemen- tami tych modułów są mikrokontrolery ATmega8 [3]. Ich za-