Schachspiel mittels kollaborierendem UR-Roboter unter ROS

Autoren: Manfred Listner, Benjamin Reuter

Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel & Marc Ebmeyer

Wintersemester: 2021/2022

Fachsemester: 7

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Einleitung

Als Teil des Bachelorstudiengangs Mechatronik an der HSHL, wird im siebten Semester das Fach Produktiontechnik VII unterrichtet. Semesterbegleitend wird dieses Fach als Praktikum durchgeführt. In diesem Praktikum sollen die Studierenden ein mechatronisches Projekt in kleinen Gruppen selbstständig bearbeiten. Das hier beschriebene Projekt handelt vom Schachspiel eines Roboterarms (UR3) unter ROS.

Aufgabenstellung

Aufgabe ist es, dem von der HSHL bereitgestellten Roboterarm UR3 das Schachspielen beizubringen. Dazu soll die Software "Robot Operation System" (ROS) verwendet werden. Das System soll letzten Endes dazu in der Lage sein gegen einen menschlichen Gegenspieler anzutreten. Dazu benötigt das System eine Möglichkeit zur Erkennung des Spielfelds und eine Positionserkennung der einzelnen Spielfiguren. Zusätzlich muss das System dazu in der Lage sein, das Spielfeld auswerten und korrekte Spielzüge ausführen zu können.

Vorgehensweise nach V-Modell

Abbildung 1: V-Modell2020.png

Zur strukturierten Bearbeitung des Projektes wird nach dem V-Modell vorgegangen (vgl. Abbildung 1). Durch dieses vorgehen kann sichergestellt werden, dass alle notwendigen Schritte die zur erfolgreichen Bearbeitung eines Projektes benötigt werden auch durchgeführt werden.
Die Verwaltung der verschiedenen erstellten Dokumente wird über das Programm TortoiseSVN gewährleistet. Nachfolgend werden die Dokumente unter den jeweiligen Punkten des V-Modells als Link zum Download bereitgestellt.Unser Hauptprogramm ist aufgeteilt in 3 Unterprogramme die gleichzeitig ausgeführt werden. Diese Unterprogramme sind die Längsregelung, die Querregelung und die Ausführung der Kamera.

Anforderungsdefinition

Die an das Projekt gestellten Anforderungen werden im ersten Schritt, der Anforderungsdefinition, des V-Modelles in der Anforderungsliste definiert. Dabei wird die Anforderungsliste in verschiedene Kategorien unterteilt:

• Anforderungen an das System
• Sicherheit
• Schnittstellen
• Software / Werkzeuge
• Dokumentation

Funktionaler Systementwurf

Abbildung 2: Nodestruktur.JPG

Der funktionaler Systementwurf, zeigt in einer schematischen Darstellung die Struktur und Verknüpfung der einzelnen in ROS zu programmierenden Nodes (vgl. Abbildung 2). Der Aufbau der vier geplanten Nodes lässt sich wie folgt beschreiben:

• Node 1: Sendet die Befehle 0x08 & 0x42 an das Smart Board um die Spielfeld- und Spielerinformationen anzufordern
• Node 1: Sendet die erhalten Spielfeldinformationen über ein Topic an Node 2.
• Node 2: Wertet über die Einbindung der Stockfish-Schachengine die Spielfeldinformationen aus und ermittelt den Zug den der Roboter ausführen muss.
• Node 2: Sendet den ermittelten Spielzug (Figur, von Feld XY, nach Feld YZ) an Node 3.
• Node 3: Ermittelt die Koordinaten die dem Roboter zur Bewegungsausführung bereitgestellt werden müssen.
• Node 3: Sendet die Befehle über Topc an Node 4.
• Node 4: Verantwortlich für die auszuführenden UR_Befehle

Zusätzlich findet sich unter dem o.g. Link ein Programmablaufplan (PAP) der Auskunft über den generellen Ablauf und Rahmenbedingungen die bei der Zugdurchführung zu beachten sind.

Technischer Systementwurf

Im technischer Systementwurf werden die verwendeten Komponenten und deren Schnittstellen übersichtlich dargestellt. Gleichzeitig wird hier gezeigt, wie die Komponenten untereinander verbunden sind.

Komponentenspezifikation

In der Komponentenspezifikation wird definiert, welche Komponenten konkret für die erfüllen der Aufgaben verwendet werden sollen. Dabei haben wir die Komponenten in Hardware und Software unterteilt.

Hardware

Komponenten	Beschreibung	Bild
UR3	Hauptakteur des Projektes ist der UR3 Roboterarm der Firma Universal Robots (UR). Der UR3 ist der kleinste der von UR angebotenen kollaborierenden Roboter. Dabei hat der UR3 ein Gewicht von 11 kg mit einer maximalen Traglast von 3 kg. Die Reichweite des Roboters beträgt bei voll ausgestrecktem Arm 500 mm. Alle Gelenke des UR3 lassen sich um +/- 360° drehen. Der Roboter benötigt eine Betriebspanung von 24 V im Schaltschrank und 12 V an der Werkzeugschnittstelle. Die Kommunikation des Roboters zu PC findet über einen Ethernet-Anschluss statt. Weitere Informationen sind dem Datenblatt zu entnehmen.	UR3Roboter
DGT Smart Board	Durch das freundlicherweise vom Hersteller Digital Game Technology (DGT) bereitgestellte "DGT Smart Board" wird üblicherweise zur Übertragung von Turnierspielen ins Internet verwendet. Das bedeutet das dieses Smart Board die Möglichkeit zum Auslesen der einzelnen Figuren auf den bestimmten Feldern bietet. Die Datenübertragung wird durch ein USB-Kabel sichergestellt. Gleichzeitig kann eine von DGT hergestellte Schachuhr an das Schachbrett angeschlossen werden. Weitere Informationen sind unter der Quelle zu finden.	DGT Smartboard
DGT 3000 Schachuhr	Die Schachuhr DGT 3000 kann über ein AUX Kabel mit dem DGT Smart Board verbunden werden. Diese Verbindung ermöglich eine Zeit- und Spielererkennung beim auslesen des Boards. Weitere Informationen zur Schachuhr sind unter der Quelle	DGT3000 Schachuhr

Software

Als Programmierumgebung wird das Robot Operating System (ROS) verwendet. ROS ist eine Softwareanwendung, die bei der Programmierung und Inbetrieb-nahme von mehrachsigen Greifrobotersystemen zur Anwendung kommt. Dabei besteht ROS aus mehreren Softwarebibliotheken. ROS bietet verschiedenste Werkzeuge. Von Treibern für diverse Roboter bis hin zur graphischen Simulation von Bewegungsabläufen durch RViz. Durch die höhere Verfügbarkeit von Bibliotheken unter dem Linux Betriebssystem (Ubuntu 16.04 bis 20.04) ist eine Nutzung von ROS unter Linux zu empfehlen.

• ROS
  • Versionen: Durch die stetige Weiterentwicklung von ROS, finden sich diverse Versionen im Internet. Die aktuellen und noch durch einen Support unterstütze Versionen sind unter: https://docs.ros.org zu finden. Bei der Auswahl der ROS-Version ist unbedingt auf die Kompatibilität von ROS-Version und benötigter Ubuntu Version zu achten. Je nach Version werden verschiedene Bibliotheken angeboten. Daher sollte nach Möglichkeit im Vorhinein recherchiert werden, welche ROS-Version für die geplante Anwendung benötigt wird.
  • Installation: Nach Auswahl der gewünschten ROS-Version wird die Anwendung unter Ubuntu durch Terminalbefehle installiert. Zum Öffnen des Terminals ALT + STRG + T drücken. Hier die nötigen Befehle zur Installation nach und nach in das Terminalfenster kopieren und ausführen. Ebenfalls sollten alle Kommentare zwischen den Befehlen gelesen und befolgt werden. Je nachdem welche Version installiert werden soll ergeben sich ebenfalls andere Installationswege.
  • Funktionsweise: Unter https://docs.ros.org/en/foxy/Tutorials.html finden sich diverse Tutorials zur Funktionsweise von ROS2 Foxy. Die allgemeine Funktionsstruktur bleibt sowohl bei älteren als auch neueren ROS-Versionen grundsätzlich dieselbe. Nachfolgend werden die wichtigsten Grundlagen von ROS kurz erklärt
    • Nodes: Die sogenannten Nodes sind in ROS für die Abgrenzung von verschiedenen Modulen verantwortlich. Dabei haben in ROS die verschiedenen Module eine eigene Aufgabe (z.B. eine Node liest die Umdrehungsfrequenz eines Motors und eine Node ermittelt die Geschwindigkeit). Um einen Datenaustausch zu ermöglichen ist jede Node dazu in der Lage Informationen zu versenden und zu empfangen. Dazu werden allerdings weitere Funktionen innerhalb der Node benötigt: Die sogenannten Topics, Services und Actions.
    • Topics: Durch den modularen Aufbau von komplexen Systemen unter ROS muss eine Kommunikation unter den Nodes hergestellt werden. Dazu werden die ROS-Topics verwendet. Dabei sendet eine Node durch den sogenannten Publisher an den Subscriber einer anderen Node. Das Topic erfüllt hier den Zweck des Weiterleitens der Informationen an die dafür vorgesehene Node. Ein Topic kann dabei nicht auswerten, ob alle an das Topic angeschlossene Nodes die Information erhalten müssen, oder nur einzelne Nodes. Das bedeutet das jede Information mit allen Subscribern die an das Topic angeschlossen ist geteilt wird.
    • Services: Die sogenannten sevices sind eine weitere Art der Kommunikation von Nodes in ROS. Anders als beim Datenaustausch durch ein Topic, wird hier eine Information erst gesendet, wenn der Service Server eine Anfrage erhalten hat. Dazu wird eine Anfrage innerhalb des Service Clients einer Node an den Service gesendet. Die-ser Service unterscheidet dann zunächst, ob es sich bei der Information um eine Anfrage oder eine Antwort handelt. Sofern der Service die Information als Anfrage einstuft, wird diese an den Service Server weitergeleitet. Dabei ist wichtig zu erwähnen, dass es beim Datenaustausch über den ROS-Service immer nur einen Service Server, aber mehrere Service Clients geben kann. Erhält der Service eine Anfrage sendet dieser eine Antwort zurück an den Service. Dieser leitet die Antwort dann an den Service Client zurück.
    • Actions: Eine weitere Art der Kommunikation zwischen zwei Nodes ist die ROS-Action. Actions bestehen aus drei Teilen, dem Ziel, einem Feedback und einem Ergebnis. Gleichzeitig vereinen die Actions die Eigenschaften der Services und Topics miteinander. Hier sendet ein Action Client ein Ziel an den Action Server. Über den Feedback Publisher wird nach Annahme des Ziels ein durchgehender Strom aus Informationen an den Feedback Subscriber übermittelt. Dadurch kann der Action Client auswerten wie viel Abweichung noch zum Zielzustand besteht. So-bald der Zielzustand erreicht ist, wird durch den Action Server eine Antwort an den Client gesendet um beispielsweise eine Bewegung eines Roboters zu beenden.

• RViz

Programmierung/Entwicklung

In Schritt Entwicklung wird die notwendige Software programmiert.

Literatur

weitere nützliche sonstige Literatur ist unter diesem Punkt zu finden.

Ausblick

Da nicht alle Tätigkeiten die zur Umsetzung des Projektes benötigt waren umgesetzt werden konnten, werden nachfolgend einige noch offene Aufgaben aufgeführt und kurz erläutert.

• vorhandenes C++-Sktipt in ROS-Node umwandeln: Da ROS mit einzelnen Nodes arbeitet und diese mit der C++ Syntax programmiert werden können, muss das vorliegende und funktionstüchtige C++-Skript zum auslesen der Board- und Uhreninformationen in eine ROS-Node transferiert werden.
• Verbindung zwischen UR3 und RViz herstellen: Für die Bewegungsplanung über ROS/RViz muss die Verbindung zwischen UR3 und Computer über die Ethernet Schnittstelle hergestellt werden.
• Node 2 - 4 erstellen: Um das System zu vervollständigen muss die Schachengine "Stockfish" durch eine Node angesprochen und alle notwendigen Informationen der Schachengine zur Verfügung gestellt werden. Nachfolgend muss das mapping der Koordinaten durch eine Node und die Robotersteuerung durch eine Node programmiert werden.
• Weiterverfolgung des V-Modells: Nach Vervollständigung der Programmierung kann dann mit dem Intrgrations-, Systems- und Abnahmetest fortgefahren werden