Integracija modela, logike i uređaja u funkcionalno okruženje

Tri sloja koja treba spojiti

Do ove jedinice nastali su odvojeni dijelovi: modeli iz prvog modula, rig s kamerom, kontrolerima i rukama, hvatanje i točke interesa te kretanje. Integracija je trenutak u kojem oni postaju jedna aplikacija. Korisno je razlikovati tri sloja:

• Modeli — geometrija, materijali, razine detalja, kolizijski oblici i ishodišta. Dolaze iz lanca CAD sustav → program za obradu mreže (npr. Blender) → razvojno okruženje.
• Logika — nacrti ili skripte: hvatanje, priklapanje, točke interesa, kretanje, izbornik i veza prema vanjskim programima.
• Uređaji — pokretač OpenXR, rig za ciljnu opremu, ulazne akcije i postavke izgradnje za ciljnu platformu.

Pravilo koje štedi najviše vremena: slojevi se spajaju tako da se svaki može zamijeniti bez diranja drugih. Točka interesa ne zna koji ju je ulaz odabrao (miš, pogled, kontroler ili gesta), dio robota ne zna na kojim naočalama se prikazuje, a simulator ne zna da ga netko gleda kroz naočale. Tako se isti projekt gradi za tri platforme i povezuje sa simulatorom bez prepravljanja.

Uvoz modela robota i provjera nakon uvoza

Model robota MR-1 stiže kao datoteka glTF od 3,2 MB s 12 dijelova i tri razine detalja (LOD0 28 000, LOD1 9 000 i LOD2 2 500 trokuta). Prva radnja nakon uvoza nije sklapanje, nego provjera, jer se pogreška iz ove faze kasnije pojavljuje u svakom sljedećem koraku:

Mjerilo se najbrže provjerava tako da se u scenu stavi kocka brida 1 m i pogleda uz robot, a zatim i u naočalama: robot od 22 cm na stolu visine 750 mm odmah otkriva pogrešku mjerila koja se na zaslonu računala lako previdi. Točke interesa postavljene u programu za obradu mreže kao prazni objekti s jasnim imenima dolaze u razvojno okruženje kao prazni objekti na točnim položajima. Na njih se zatim dodaje komponenta točke interesa i kolizijski oblik iz jedinice 3.4.

Sklapanje rukama: utori i priklapanje

Korisnik u VR-1 uzima dijelove sa stola i slaže ih na šasiju. Aplikacija ne može očekivati da će dio biti postavljen točno na milimetar, pa se sklapanje izvodi priklapanjem (engl. snapping). Na šasiji je za svaki dio jedan utor (engl. socket, attach point): prazni objekt čije se ishodište i orijentacija poklapaju s ishodištem dijela u sklopljenom stanju.

1. Dok korisnik drži dio, aplikacija računa udaljenost ishodišta dijela od pripadnog utora i razliku zakreta.
2. Kada su obje unutar tolerancije, prikazuje se prozirni „duh" dijela na konačnom mjestu i utor se ističe.
3. Kad korisnik pusti dio, on se glatko, u desetinki-dvije, premjesti na utor, postaje dijete šasije u hijerarhiji i prestaje biti fizički slobodan.
4. Stanje sklopa (koji su utori popunjeni) sprema se u varijablu. Utora je 11: dvanaesti dio je sama šasija, koja nosi utore i od početka se računa kao postavljena, a kotači sjedaju na utore motora. Kad je svih 11 dijelova na svojim utorima, brojač pokazuje 12 / 12 i aplikacija omogućuje vožnju.

Tolerancije su projektna odluka koja se potvrđuje ispitivanjem; u VR-1 iznose 15 mm i 10° za sve dijelove. Za dijelove koji stoje blizu jedan drugome (pločica, senzori) treba provjeriti da se područja tolerancije susjednih utora ne preklapaju. Ako je tolerancija prevelika, dio „skoči" na krivo mjesto; ako je premala, korisnik se muči namještanjem. Redoslijed se može zadati (motor prije kotača, jer kotač sjeda na vratilo) ili ostaviti slobodnim tamo gdje ne smeta. Zadani redoslijed ujedno je i sadržaj učenja: korisnik doznaje zašto se nešto sklapa prije nečeg drugog.

Kolizije i fizika u sklopu

Za prikaz se koristi mreža od 28 000 trokuta, ali za sudare nikad. Kolizijski oblik (engl. collision shape) dijela je jednostavno tijelo: kutija za šasiju, bateriju i pločicu, valjak za motor i kotač, kugla za kuglični oslonac. Provjera sudara između nekoliko kutija i valjaka zanemarivo je jeftina, a provjera između dviju mreža od više tisuća trokuta može pojesti velik dio vremena okvira.

Važno je i tko se s kim sudara. Razvojna okruženja to rješavaju slojevima ili kanalima kolizija (naziv ovisi o alatu):

• ruka i dio: da, radi hvatanja;
• dio i stol: da, da dio ne propadne kroz stol kad se ispusti;
• dijelovi unutar sklopa međusobno: ne, jer bi se stalno odgurivali;
• zraka za točke interesa: samo kugle točaka interesa, da zraka ne zapinje za poklopac;
• luk teleporta: samo pod i stol, ne dijelovi robota.

Dio koji se drži u ruci obično je kinematički: prati ruku, a gravitacija na njega ne djeluje. Kad se pusti izvan utora, postaje fizički slobodan i pada na stol. Masa sklopa od 1,2 kg u sceni služi samo simulaciji padanja i vožnje, a ne osjećaju težine, jer kontroler ne može prenijeti težinu u ruku.

Veza sa simulacijom robota

Kada je robot sklopljen, korisnik ga pušta da vozi. Vožnju može izvoditi i sama fizika razvojnog okruženja, ali vjernije je prepustiti je simulatoru robota (npr. CoppeliaSim) koji radi na istom računalu i računa kinematiku, pogone i senzore. Razvojno okruženje tada je prikaz i sučelje, a simulator je model ponašanja.

Tok je dvosmjeran. Klik na točku interesa ili gumb šalje simulatoru poruku (npr. identifikator točke interesa i naredbu „kreni" ili „vozi po liniji"). Simulator izvodi naredbu i vraća kutove zglobova, za MR-1 kutove dvaju kotača i položaj šasije, po kojima aplikacija pomiče model. Veza se ostvaruje npr. knjižnicom za razmjenu poruka ZMQ, programskim okvirom ROS 2 ili, za početak najjednostavnije, malim mostom u Pythonu koji s jedne strane prima poruke aplikacije, a s druge poziva sučelje simulatora.

Primjer kostura mosta (načelo i primjer za provjeru u vlastitoj inačici; koje klijente i pozive nudi vaš simulator, provjerite u njegovoj dokumentaciji):

# most: prima naredbu iz VR aplikacije, vraća kutove kotača i položaj šasije
import zmq

def simulator_korak(poruka):
    # ovdje se poziva sučelje simulatora; zamjenska vrijednost za probu
    return 0.0, 0.0, [0.0, 0.0, 0.0]      # kut L, kut D [°], šasija [x, y, kut]

ctx = zmq.Context()
s = ctx.socket(zmq.REP)                   # zahtjev-odgovor: jedan odgovor na svaki zahtjev
s.bind("tcp://*:5555")
while True:
    poruka = s.recv_json()                # npr. {"poi": "POI_motor", "naredba": "kreni"}
    kut_l, kut_d, sasija = simulator_korak(poruka)
    s.send_json({"kotac_L": kut_l, "kotac_D": kut_d, "sasija": sasija})

Obrazac zahtjev-odgovor prikladan je za pojedinačne naredbe. Za stalni tok kutova tijekom vožnje bolji je obrazac objavi-pretplati, u kojem simulator šalje stanje stalnom frekvencijom, na primjer 50 puta u sekundi, a aplikacija uvijek uzima najnovije. Budući da aplikacija iscrtava 90 okvira u sekundi, između dviju poruka prođu prosječno 1,8 okvira; položaj se zato interpolira između zadnje dvije primljene vrijednosti, inače robot vozi u trzajima.

Izgradnja za računalo, PC-VR i samostalne naočale

Isti projekt gradi se za tri cilja. Mijenjaju se samo XR oprema u sceni (rig i ulazi) i ciljna platforma u postavkama izgradnje, a scena, modeli i logika točaka interesa ostaju isti. Preporučeni redoslijed rada: najprije inačica za računalo s mišem, dok logika točaka interesa i sklapanja ne radi, pa tek onda XR oprema. Tako polaznici mogu raditi i bez naočala, a pogreške u logici ne miješaju se s pogreškama u postavkama uređaja.

Uređaj B računa sliku na vlastitom mobilnom procesoru, pa su njegova ograničenja znatno stroža. Za njega se u postavkama izgradnje obično odabire drugačija kompresija tekstura, niža kvaliteta sjena i jednostavniji materijali, a naknadna obrada slike se isključuje. Neka razvojna okruženja to rješavaju profilima kvalitete po platformi, što je bolje od održavanja dviju scena. Izgradnja za B zahtijeva i alate za ciljni mobilni operacijski sustav te uključen razvojni način rada na naočalama; točni koraci ovise o proizvođaču i inačici.

Vožnja robota i starost podataka iz simulatora

Brzina robota slijedi iz okretaja i promjera kotača, v = π · D · n / 60. Kutni pomak kotača po poruci je 360° · n / (60 · f_s). Najveća starost podatka koji korisnik vidi zbroj je kašnjenja mosta, razmaka između dviju poruka simulatora i jednog okvira prikaza:

t_st = L + 1000 / f_s + 1000 / f_p   [ms]

Uz primjer od 100 o/min i kotač Ø65 mm robot vozi 0,34 m/s i prijeđe radni stol duljine 1600 mm za 4,7 s. Pri 50 poruka u sekundi kotač se između dviju poruka zakrene za 12°, a pri 90 Hz prikaza između dva okvira za 6,7°; zato se kut interpolira. Najveća starost podatka iznosi 10 + 20 + 11,1 = 41,1 ms. To je prihvatljivo za robota koji vozi po stolu, jer ga korisnik samo promatra, ali bilo bi neprihvatljivo za glavu ili ruke; zato praćenje ostaje lokalno i ne ide kroz most. Ako se simulator uspori na 20 poruka u sekundi, starost naraste na 71,1 ms, a zakret po poruci na 30°, što se bez interpolacije jasno vidi kao trzanje.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V14 Uvoz i sklapanje mobilnog robota u sceni · 2 sata