FUNDAMENTOS DE ROBOTICA Dr: Danilo Bassi Héctor Reyes Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Informática

FUNDAMENTOS DE ROBOTICA

Dr: Danilo Bassi Héctor Reyes

Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Informática

INDICE DEL CURSO

Concepto de Proceso Productivo Concepto de Automatización Concepto de Robotica Antecedentes historicos de la robotica Clasificación de robot y aplicaciones Nomenclatura Basica de un Robot Estudio Mecánico de la Robotica Sistema Sensorial Sistema de Actuadores Sistema de Control Sistema de Programación Robot Móviles

Concepto de Proceso Productivo

Un sistema productivo permite la realización de un conjunto de procesos, transformaciones u operaciones materiales para obtener un resultado útil y valorado llamado producto.

EMPRESA(Proceso

Productivo)

MateriasPrimas

PersonasProductos

Componentes de los Sistemas productivos

Proceso: fenómeno natural que modifica las características de la materia (físicas o químicas)

Recurso: Elemento que se consume o limita la realización de un proceso

Agente: Elemento activo que interviene en los procesos (incluye actuador y sensor)

Infraestructura: Elemento pasivo de apoyo para que los agentes puedan actuar en los procesos

Sistemas productivos

ProcesosRecursos Productos

Función Productiva

Función Tecnológica

Agentes Infraestructura

Concepto de Automatización

Definición:Técnicas aplicadas a los procesos que permiten la optimización de recursos humanos y materiales, empleando los avances tecnológicos de los diversos campos de la computación, mecánica, informática, robótica, etc.

Objetivos:- Aumento en la productividad y disminución de costos.- Mejor calidad y uniformidad de productos.- Mejorar la seguridad.- Reducción de tiempos e inventarios.

COMPONENTES DE LA AUTOMATIZACION

Actuador: Dispositivo que usa algun tipo energía con el objetivo de realizar alguna acción.

Control: Comandos programados que especifican una acción o secuencia logica particular a realizar.

Sensor: Dispositivo encargo de extraer información del sistema y retroalimenta al control.

Controlador: Dispositivo fisico que ejecuta el control logico.

Estrategias de la Automatización

Especialización de las operaciones Combinación de las operaciones Simultaneidad de las operaciones Integración de las operaciones Mayor flexibilidad Mejorías en el manejo de materiales (movimiento

y almacenamiento) Inspección en línea Control de procesos y su optimización Control de operaciones de plantas Manufactura integrada por computador (CIM)

Robótica y Automática

Relación Automática y Robótica

Tecnología Robótica:subconjunto de la automática que aporta la movilidad, versatilidad, percepción y autonomía necesarias a los sistemas automatizados

Automática: se puede considerar, en forma recíproca, que la robótica engloba todos los conceptos y problemas de la automática, en todos los niveles

Antecedentes Históricos

Leyes de la Robótica (Isaac Asimov 1944):

1. Un robot no deberá causar ningún daño al ser humano, ni permitir, a través de su inactividad, que algo o alguien lo haga.

2. Un robot deberá obedecer siempre las órdenes humanas, a menos que se contravenga la primera.

3. Un robot deberá autoprotegerse de cualquier daño a menos que se contravengan las dos primeras.

Fines de los 50´s aparecieron en E.U.los predecesores de los robots modernos:

manipuladores mecánicos de control manual,empleados en el manejo de materiales

radioactivos peligrosos para el operados.

En 1960, George Devol (Unimation), diseñóy fabricó un dispositivo que combinaba unmecanismo articulado de un manipuladorde control manual con los servocontroles

de una máquina-herramienta de control numérico


En los 70´s, la Universidad de Stanford y el Instituto Tecnológico de Massachusetts, inician formamente

la investigación en robótica.

Los países en la actualidad muestran mayordesarrollo en robótica son E.U., Japón y Suecia


¿Qué es un Robot?Un robot es cualquier estructura mecánica que opera con un cierto grado de autonomía, bajo el control de un computador, para la realización de una tarea, y que dispone de un sistema sensorial más o menos evolucionado para obtener información de su entorno.

Manipuladores Roboticos Robot Móviles

http://www.kcpd.org/images/bombarson/Robot.jpg

Atributos de un Robot

Movilidad:– movimientos finos (manipuladores) y transportabilidad (móviles)

Versatilidad:– flexibilidad, re-programable

Percepción:– capacidad de procesamiento con sensores

Autonomía:– realización de tareas sin la intervención humana, por medio de la

percepción y el procesamiento

Objetivos de la Robotica Automatización de los procesos productivos Aumento de la Productividad Disminución del precio del los productos Aumento de la calidad de los productos Producción Flexible

Carga y descarga de materiales Soldadura de precisión Tareas de manipulación Tareas de Exploración Paletización

Aplicación de la Robotica

• Campo de Aplicación

56,4

CARGA, DESCARGA Y SERVICIO A LA MÁQUINA

• Moldeo• Estampado• Fundición• Torno• Tratam Térmico• Paletización• Etc.


32,7

56,4

MAQUINARIA DE PROCESO

• Soldadura de Puntos

• Soldadura Contínuaón

• Pintura y Estampado

• Otros


10,9

32,7

56,4 MONTAJE

• Estado Actual y Tendencias

• En Japón aumentó de14,246 en los 80´s a 650,000 en el 2000.

• En E.U. Pasó de 4,700 a 500,000

• En Europa pasó de 4,173 a 250,000

• En México, actualmente existen 100,000 aprox.

• Estado Actual y Tendencias

El sector que emplea mayormente a los robotses la industria automotriz.

58% en Europa

40% en Japón

13.8% en E.U. (el sector electromecánico es mayoritario con 20.1%)

Clasificación de los RobotSegún su Geometría Según su Programación

- Cilindricos - De repetición y Aprendizaje- Esfericos - Robot Inteligentes- Paralelogramo- Cartesianos

Según su Control Según su Complejidad- Manuales - De 1° generación- De secuencia Fija - De 2° generación- De secuencia Variable - De 3° generación- Control por Computadora

Según su Aplicación- Robot Industriales- Robot Educacionales- Robot de Exploración- Robot de Biomedicos

Modelos Basicos de Configuraciones Geométrica de Robot

Elementos de un Robot

MANIPULADOR(Brazo,Transmisión,

Articulaciones)

SISTEMA DE CONTROL

(Control Automatico)

ACTUADORES(Motores, cilindros)

ELEMENTOSTERMINALES(Herramientas)

SISTEMA SENSITIVO

(Internos, Externos)

PROGRAMACION(Textual, Objetos)

RELACION DE LOS ELEMENTOS DE UN ROBOT

Nomenclatura Basica Grado de Libertad: N° de Variables independientes que es preciso conocer

para determinar la posición del robot.

Precisión de Repetición de Movimientos: Es el nivel minimo de precisión de movimientos repetitivos que se permiten (0,3 mm)

Capacidad de Carga: Capacidad de transporte y trabajo que moviliza el robot, se mide en Kg.

Sistema de Coordenada a Utilizar: Se utiliza para especificar la posición y movimientos (Cartesiano, Cilindrico, Polar)

Programación: Modo de programación (manual, de aprendizaje, etc)

Accesibilidad: Capacidad del manipulador para acceder a un punto terminal del espacio.

Estudio Mecanico De La Robotica

ESTUDIO CINEMATICOSe encarga del estudio de las posiciones, movimientos, velocidades, aceleraciones de articulaciones y sistema mecanico de un robot

ESTUDIO DINAMICOSe encarga de estudiar las fuerza, momentos, cargas que se generan en las estructuras y sistemas de actuadores

ESTUDIO DE LA CINEMATICA DEL

ROBOT

Estudio de la CinematicaNos interesan dos problemas cinemáticos:

Cinemática directa (de los ángulos a la posición)Dados: Largos y configuración de cada segmento. El ángulo de cada unión.

Determinar: La posición de cada punto

(i.e. las coordenadas (x, y, z))

Cinemática inversa (de la posición a los ángulos)

Dados : Largos y configuración de cada segmento La Posición de algún punto del robot

Determinar : Los ángulos de cada unión necesarios para Determinar aquella posición.

MODELOS BASICOS DE ROBOT

Estudio de la Cinematica

Encontrar una matriz de transformación T, que relaciones posición y orientación del extremo del robot con respecto a un sistema de referencia fijo situado en su base.

Geometría EspacialObj: Determinar el movimiento Espacial del manipulador,

se estudia utilizando el algebra vectorial y matrices.

RepresentaciónEspacial de un

Punto en el Espacio.

Traslaciones

Traslación pura

P

Y

X

Z

O

N

A

Corresponde a Movimientos y

cambio de coordenadas

RotacionesY

X

Z

w

v

u

Se genera el Movimiento Con respecto

A un eje

Combinación de rotaciones ytraslaciones

Se pueden realizarCombinaciones basicas

De traslaciones y Rotaciones

Multiplicando laMatrices, verificando

El orden delmovimiento

Rotar y Trasladar=

Trasladar y Rotar

Modelo General de Traslación y Rotación Matrices Homogeneas

Algoritmo Denavir-Hartenberg

Es un metodo que sistematiza el proceso para determinar la matriz homegenea del modelo articulador.

Este metodo establece 4 parametros que modelan al sistema.

(άi, θi, ai, di)Estos parametros son particular, para cada

articulación.

Algoritmo Denavir-HartenbergRESUMEN DE PASOS








ESTUDIO DE LA DINAMICA

DEL ROBOT

Estudio de la Dinámica

Objetivo:

Determinar las fuerzas que deben ser aplicadas en las articulaciones para conseguir determinadas posiciones, velocidades y aceleraciones.

Problema Dinámico del Robot

Localizacion del robot definida por sus variables articulares o por las coordenadas de localización de su extremo, y sus derivadas: velocidad y aceleración.

Fuerzas y pares aplicados en las articulaciones o en el extremo del robot.

Parámetros dimensionales del robot, como longitudes, masas o enercias de sus elementos.

Utilidad del Estudio Dinámico

Simulación del movimiento del robot.Diseño y evaluación de la estructura

mecanica del robot.Dimensionamiento de los actuadotes. Diseño y evaluacion del control

dinamico del robot.

Estudio DinamicoDinámica directa

Expresa la evolución temporal de las coordenadas articulares y sus derivadas, en funcion de las fuerzas Y pares que intervienen.

Dinámica inversa

Expresa las fuerzas y pares que intervienen, en funcion de la evolución temporal de las coordenadas articulares y sus derivadas.

Relación entre dinámica Directa e Inversa

Evolución de lasCoordenadas

Articulares y susDerivadas(qi,qii,qiii)

Fuerzas y Pares Que intervienen

En el Movimiento(Fi, τi)

Formulaciones del modelo Dinámico

Existen dos Formulaciones matemáticas posibles de aplicar en el estudio dinámico

Formulación de NEWTON- EULER

Formulación de LAGRANGE - EULER

Estudio Dinamico

Formulación de NEWTON- EULEREsta formulación esta basada en el principio de equilibrio de fuerzas y pares.

v mF )( II

Estudio DinamicoFormulación de LAGRANGE – EULER

El enfoque de esta formulación se concentra en el analisis desde el punto de vista de la energias involucradas en el movimiento.Para el analisis se debe considerar:

Estudio DinamicoFormulación de LAGRANGE - EULER

Estudio DinamicoFormulación de LAGRANGE - EULER

El método de Lagrange requiere del calculo las energías Cinética (T) y Potencial (U). Conociendo las coordenadas de las masas m1 y m2 en función de los ángulos f1 y f2 derivando respecto del tiempo, obtendremos las velocidades de cada una de ellas.

ModeloBasico deEstudio

Estudio Dinamico

Estudio Dinamico

Estudio Dinamico

SISTEMA SENSORIAL

SISTEMA SENSORIAL Son los sistemas encargado de capturar

información relevante para el robot. El sistema sensorial esta compuesto por dispositivos capaces de relacionar al robot con el medio ambiente o retroalimentarlo con información interna del sistema.

El sistema sensitivo se puede clasificar en:

SENSORES PROPIOCEPTICOS

SENSORES EXTEROCEPTICOS

SISTEMA SENSORIAL

SENSORES PROPIOCEPTICOS

- Contacto- Posición- Velocidad o Aceleración- Esfuerzo

SISTEMA SENSORIAL

SENSORES EXTEROCEPTICOS

- Visión- Tacto- Proximidad

SENSORES EXTEROCEPTICOS- Sensores de Visión

Lejos es el más importante sensor externo puesto que aporta gran cantidad de información que rodea el medio del robotDos grandes maneras de utilización:

‣ Retroalimentación Visual ‣ Identificación Visual de Objetos

- Sensores de Tacto ‣ Sensores Binarios de Contacto ‣ Sensores de desplazamiento ‣ Piel Artificial

- Sensores de Proximidad ‣ Proxímetros Ópticos ‣ Proxímetros Neumáticos ‣ Proxímetros Acústicos ‣ Proxímetros Magnéticos

SISTEMA DE ACTUADORES

SISTEMA DE ACTUADORES Son los elementos que proporcionan el movimiento al sistema

robotico, se clasifican en tres grupos de acuerdo a la energía que utilizan.

Actuadores NeumaticoActadores HidraulicosActuadores Electrico

Las propiedades que se deben considerar para elegir el actuador son:PotenciaControlabilidadPeso y VolumenPrecisiónVelocidadCosto y Mantenimiento

SISTEMA DE ACTUADORES Actuadores Neumático

Los actuadores neumaticos se clasifican en cilindros y motores neumatícos.

Cilindros: Poseen movimiento lineal debido a la diferencia de presión, existen de simple y doble efecto, control simple, repetitivida inferior a otros actuadores, adecuados para la manipulación de piezas pequñas.

Motores Rotativos: Son ligeros y compactos, poseen arranque y parada muy rapidas, velocidada y torque variable, control simple. Se clasifican en:- Motores de Aletas - Motores de Pistones

SISTEMA DE ACTUADORES

Actadores HidraulicosEstos actuadores tambien se clasifican en cilindros y motores.Su funcionamiento es similar a los actuadores neumatícos, tienen mayor presición y su caracteristicas principal es su elevada fuerza y torque, ademas poseen buena repetitividad,y un mantenimiento no complejo.No presentan problemas de refrigeración, y su control es simple.

SISTEMA DE ACTUADORESActuadores Eléctricos

Son los más utilizados en los robot industriales, son faciles de controlar, sensillo pero de contrucción delicada, precisos, alta repetitividad, mantenimiento complejo, buena relación peso-torque-fuerza.Los motores electricos utilizados pueden ser de corriente alterna y continua con algunas modificaciones en sus caracteristicas constructivas

servomotores

Motores CC

Motores paso a paso

Caracteristicas de los Actuadores NEUMATICO HIDRAULICO ELECTRICO

Energía Aire a Presión Aceite Mineral Corriente Eléctrica

Opciones - Cilindros- Motores de paletas- Motores de pistón

- Cilindros- Motores de paletas- Motores de pistones axiales

- Corriente continua- Corriente Alterna- Motor paso a paso

Ventajas - Baratos- Rápidos- Sencillos- Robustos

- Rápidos- Alta relación potencia-peso- Alta capacidad de carga

- Precisos- Fiables- Fácil control- Silenciosos

Desventajas - Dificultad de control continuo- Accesorios- Ruidoso

- Difícil mantenimiento- Accesorios- Fugas- Caros

- Potencia limitada

SISTEMA DE CONTROL

SISTEMA DE CONTROL

El sistema de control es fundamental en un dispositivo robotico, ya que en él se especifican las funciones a nivel de operatoria logica que debe realizar el robot.

El control de un robot, se desarrolla en distintas áreas (control de posición, control cinematico, dinamico y adaptativo)

El control automatico es basico en un sistema automatizado, por lo tanto se debe diseñar en forma eficiente y adecuada.

SISTEMA DE CONTROL

Niveles de Control por Computadora

1.- Robot Punto a Punto sin servocontrol2.- Robot Punto a Punto con servocontrol3.- Robot de control continuo, para

seguimiento de trayectorias4.- Robot con capacidad de generación de

trayectorias

SISTEMA DE CONTROLRobot Punto a Punto sin servocontrol

No existe retroalimentación de la información del estado actual de los componentes del móvil, el control solo se hace posible utilizando topes mecánicos o finales de carrera, en conjunto con los actuadotes (motores paso a paso), cuya posición se conoce con la secuencia de impulsos que se generan.

Referencia

Amplificador Sistema de control

Actuador

Movimiento

SISTEMA DE CONTROLRobot Punto a Punto con servocontrol

Este tipo de control se incorpora la retroalimentación en lazo cerrado, proporcionando en todo momento una información precisa del estado del actuador (posición, velocidad, aceleración, etc). La señal retroalimentada se compara con la referencia de entrada, obteniendose un error que determina la actuación del elemento a controlar.

SISTEMA DE CONTROL

Robot Punto a Punto con servocontrol

Con relación al algoritmo de control encargado del tratamiento del error, se pueden clasificar en tres tipos principales.

Proporcional: Donde la salida del controlador es proporcional a la magnitud del error o diferencia entre la salida y la entrada

Integral: Donde la salida del controlador varia proporcionalmente a la integral del error.

Derivativo: Donde la salida del controlador varia proporcionalmente a la variación en el tiempo de a señal del error.

SISTEMA DE CONTROLOtros Algoritmos de Control

- Control Difuso- Control Inteligente- Control Concurrente- Herramientas basadas en Inteligencia

Artificial- Control Mixto

Ejemplo de Control Fisico por Computadora

Ejemplo de Control por Radiofrecuencia

APLICACIONES EXPERIMENTALES DE CONTROL DE ROBOT

Prototipo de ManipuladorRobotico experimental

Prototipo de articulacionesInferiores de robot humanoide

PROGRAMACION DE ROBOT


Definición:

La programación de u robot es el proceso mediante el cual se indica la secuencia de acciones que deberá llevar a cabo durante la realización de su tarea o misión.


Acciones que realiza el programa

- Lee y actualiza las variables utilizadas en el programa.

- Interacciona con el control cinematico y dinamico del robot encargado de dar la señal de mando a los actuadores a partir de las especificaciones de movimiento que les proporciona.

- Interacciona con las entradas y salidas para la sincronizacion del robot con el resto de las maquinas y elementos que componen su entorno.

PROGRAMACION DE ROBOT Caracteristicas de la Programación de robot

- Programar un robot consiste en indicar paso a paso las diferentes acciones (moverse a un punto, abrir o cerrar la pinza, etc.)

- En la actualidad no existe un norma de procedimiento de programación de robot. Cada fabricante desarrolla su metodo particular, valido unicamente para sus propios robot. No obtante en todos se dan las siguientes caracteristicas comunes.

1.- Se realiza el movimiento fisico del robot y se almacenan en la memoria dichos movimientos para luego repetirlos.

2.- Se utiliza un lenguaje de programación que especifica los movimientos.


Según lo anterior se pueden mencionar dos formas de programación.

1.- Programación Gestuali

2.- Programación Textual


Programación Gestual

La programación gestual o por aprendizaje, consiste en hacer realizar al robot la tarea (por ejemplo manualmente), al tiempo que se registran las configuraciones adoptadas, para porterior repetición en forma automatica.En este tipo de programación se indentifican dos clases:

1.- Aprendizaje directo motorizado: Se realiza por medio de aparato o mando (joystick) que controla los motores en movimientos punto a punto.

2.- Aprendizaje directo Manual: Se realiza el movimiento fisico del brazo guiando la trayectoria del manipulador. El ciclo de movimientos se divide en miles de puntos muy cercanos entre sí, que son registrados en la memoria del computador.

PROGRAMACION DE ROBOTProgramación Textual

Este tipo de programación consiste en indicar al robot por medio de un lenguaje de programación las tareas que debe realizar. Este programa contempla una serie de ordenes e instrucciones que son editadas y porteriormente ejecutadas por el procesador.Existe una variedad de lenguajes de programación.- AML, VAL II, V+, RAPT, AUTOPASS, LAMA, MAPLE, PAL, EMILY, RAPID.- C+, PASCAL, BASIC, ASAMBLER, FORTRAN

Programa

Control y Cómputo

Preactuadores

Realimentación

ObjetoSensores

Actuadores

DispositivoTerminal

SECUENCIA DETRABAJO DE UN

PROGRAMA

ROBOT MOVILES

Robot articulado:“Nomad”

Ventajas:• Relativamente simple excepto en los mecanismos de giro.

Desventajas:• Restricciones en la trayectoria

Vehículos acuáticos• Profundidad controlada principalmente al variar la

flotabilidad.

• Se impulsan desplazando el agua circundante.

• Algunos emplean un conjunto de varios propulsores.

• Desafíos:

• Visión se torna complicada en distancias mayores.

• Existe un fuerte corrimiento hacia el azul que aumenta con la profundidad.

• Material suspendido dificulta visión.

• Es imposible realizar estimaciones odométricas adecuadas.

• Comunicación, almacenamiento de energía.

Vehículos voladores• Emplean usualmente GPS.

• Vehículos de ala fija son económicos, pero poco maniobrables para la mayoría de las aplicaciones robóticas.

• Robots tipo helicóptero han sido los más explorados (son difíciles de controlar).

• También vehículos aerostaticos tipo zeppelin llamados aerobots. Presentan muchas ventajas.

Vehículos espaciales• Requieren de elevados niveles

de autonomía debido a los retardos en la comunicación.

• Trayectoria es modificada mediante el empleo de dispositivos impulsores.

• Energía es la principal limitación, masa de reacción.

• Es complicado mantener una orientación si existen cuerpos móviles en el interior.

http://www.angelfire.com/stars2/farid/ast01/imagenes/satelite.jpg

Robots con ruedas Basados en el principio de fricción. Odometría: Estimación del

desplazamiento en función de la medida de la rotación de las ruedas.

Simplista: 2pr por vuelta. Falso! Es muy difícil estimar el

desplazamiento real con precisión. Hay que considerar aceleraciones,

cargas, parámetros del terreno, etc. Puede mejorarse al emplear una rueda

pasiva de medida.

Desplazamiento neto

Opt. Encoder

r

Caso de varias ruedas: ICC punto de intersección

instantáneo de los ejes imaginarios de rotación.

Existen diversos métodos para cambiar el ICC.

Para que exista rotación también las velocidades de las ruedas deben ser consecuentes con la rotación rígida de todo el robot.

Cinemática de robot con ruedas: Estimar nueva pose del robot a partir del conocimiento de las acciones motrices y los sensores internos.

Robots con ruedas

Centro Instantáneo de Curvatura o rotación ICC, ICR

Configuración diferencial

Corresponde a la configuración más sencilla. Fácil de construir y económico.

Es difícil lograr buenos movimientos en línea recta.

Relaciones instantáneas: W(R+d/2) = Vl W(R-d/2) = Vr

despejando R y W tenemos:

R = d/2*(Vl + Vr)/(Vl-Vr)

W = (Vl - Vr)/d

rvdR )2/(

D: Largo de la curva Descrita por el centro del robot.

Robots con ruedas

RICC

Cinemática directa Parámetros de control: Vr, Vl

Robot en instante t en pose (x,y,f)

ICC = [x-Rsen(f), y+Rcos(f)] Pose del robot en instante t+dt:

Integrando esta expresión desde un punto inicial es posible determinar la pose del robot en un tiempo t’

Configuración diferencialRobots con ruedas

tw

ICCy

ICCx

ICCyy

ICCxx

twtw

twtw

y

x

100

0)cos()sin(

0)sin()cos(

'

'

'

Constricción No-Holonómica:Imposibilidad de llegar a un punto en

forma “directa”.


t

lr tttvtvty0

)](sin[)]()([2/1)(

t

lr tttvtvtx0

)](cos[)]()([2/1)(

t

lr ttvtvdt0

)]()([/1)(


Imponiendo: vi(t) = vi:X(t) = d/2 * (Vr+Vl)/(Vr-Vl)*sin(t/d * (Vr-Vl))

Y(t) = -d/2 * (Vr+Vl)/(Vr-Vl)*cos(t/d * (Vr-Vl)) + d/2*(Vr+Vl)/(Vr-Vl)

F(t) = t/d*(Vr - Vl);

Caso especial 1: Vl=Vr=VX’ = x+v*cos(f)dtY’ = y+v*sin(f)dtF’ = fCaso especial 2: -Vl = Vr =vX’ = xY’ = yF’ = f+2vdt/d

Config. Síncrona

Ventajas:• El control es más sencillo.• Se garantiza el movimiento en línea recta.• R = 0;

Desventajas:• Diseño e implementación complejos

Ruedas omnidireccionales

Ventajas:• Permite movimientos complicados

Desventajas:• No existen restricciones mecánicas que garanticen movimiento

en línea recta• Difíciles de implementar

Triciclo

Ventajas:• No resbala

Desventajas:• Restricciones en la trayectoria

Ackerman Ventajas:Simple de implementarMecanismo sencillo en ruedas delanteras

Desventajas:Restricciones en la trayectoria

CINEMATICA DE ROBOT MOVILES

Configuraciones típicas de cinemática:

Tipo bicicleta

Tipo Ackerman o turismo

Tipo triciclo

CINEMATICA DE ROBOT MOVILES

Configuraciones típicas de cinemática:Tracción diferencial

Otra

Síncrona Tipo oruga

SISTEMA DE CONTROL DE ROBOT MOVIL

Ejemplo de sistema de posicionamiento en el lazo de control de un robot móvil:

Drivers

MOTORES

Encoders

Cinemática inversa

Cinemática inversaIntegradorIntegrador

+

-

Cinemática de la silla

Cinemática de la silla

Generador de trayectorias

Generador de trayectorias

deseadas

V

realesI

D

reales

y

x

deseadasI

D

reales

V

Control de bajo nivel

Control de bajo nivel

Control V y -

Control V y -

CONTROL DE POSICIÓN

+

-

P

P

P g

T IP O

1

2

Plan: trayectoria en el espacio libre

Q1

Q2

Esquema Clásico

También llamado Algorítmico o deliberativo. SPA. (Sensa – Planea – Actúa.) SMPA. (Sensa – Planea – Modela – Actúa.) Descomposición Funcional Clásica de un robot móvil:1. Percepción2. Modelo3. Plan4. Ejecución5. Control motriz.

Se emplea un conjunto discreto de acciones, tiempos y eventos.

En general entre los módulos existen redes de información con conexiones muy bien establecidas.

Una crítica general es la dificultad que estos sistemas presentan en reaccionar rápidamente. Dado que hay que pasar por toda la cadena se tiene un tiempo de latencia.

Esquema Clásico

Se asume que el mundo se mantiene estático entre activaciones sucesivas del módulo de percepción.

Generan la necesidad de organizar una gran cantidad de información.

Existen dos modelos estándar para organizar la información, que son el Jerárquico y el de Pizarrón.

Esquema Clásico

El proceso de control se divide en funciones. Hay funciones simples para procesos de bajo nivel, que se agrupan generando funciones más complejas que finalmente se encargan del control global del robot.

La idea es minimizar la comunicación existente entre las distintas unidades o módulos.

Existe un alto grado de encapsulamiento de la información.

Esquema Clásico: Control Jerárquico.

Esquema Clásico: Control tipo Pizarrón. Existe un repositorio común de información

(pizarrón) donde los distintos módulos intercambian información.

En general los módulos son procesos independientes que actúan sobre el pizarrón.

El flujo de información es muy grande. Es fundamental contar con un sistema eficiente

de comunicación entre los módulos y el pizarrón.

Esquema Clásico: Control tipo Pizarrón.Claramente la información no esta

encapsulada.Pueden generarse cuellos de botella en el

procesamiento.Su naturaleza asíncrona puede hacer que el

desarrollo del software sea complejo, produciendo muchos errores de coordinación.

Intentan satisfacer solo un objetivo en un tiempo determinado.

Los sensores deben ser analizados en tiempo real, en general los esquemas clásicos no lo permiten. Si se consideran varios sensores no es posible considerar varios tiempos de latencia.

No son robustos, si se pierde una pieza de información (ej: falla en un sensor), toda la cadena se desploma.

No son flexibles.

Críticas a los Esquemas Clásicos.

Son relativamente buenos en ambientes bien estructurados.

Robots industriales que operan en ambiente controlado.

Esquemas Clásicos, No todo es malo

Control Reactivo

Se elimina el módulo de planeamiento, dejando los módulos de control conectados directamente con los sensores y actuadores.

El comportamiento global del robot se determina por sus conductas mas que por un proceso de razonamiento deliberativo.

Control Reactivo Basado en ConductasEl robot posee una colección de conductas

simples.La conducta global del robot emerge de la

interacción entre el ambiente y dichas conductas (Brooks 1986).

Un mecanismo de coordinación determina el peso relativo de las conductas en cada instante.

Rodney A. Brooks (MIT AI Lab.) es considerado el padre del control reactivo de robots. El lo denomina “Behavioral Robotics”.

Ideas centrales de Brooks: Habilidades sofisticadas del robot pueden construirse

sobre la base de habilidades simples (bajo nivel), esto se denomina “subsumption architecture” (arquitectura de agregación)

La percepción del robot y la acción pueden estar estrechamente relacionadas.

El conocimiento quedaría encapsulado en el comportamiento.

Control Reactivo Basado en Conductas; Ideas de Brooks

Control Reactivo Basado en Conductas

• Manipular el mundo

• Construir mapas

• Explorar

• Evitar obstáculos

• Desplazarse

Ejemplo:

selected action

Coo

rdin

atio

n

Sensory data

Avoid Obstacle

Follow Path

Keep Balance

. . .


• El control se distribuye en el conjunto de conductas.

• Cada conducta es responsable de un aspecto específico del control.

• Las conductas actúan sobre información inmediata local y selectiva obtenida de los sensores.

Existe la necesidad de coordinar los comportamientos, ejemplo:


robot objetivo

Métodos de coordinación:Competitivo: Solo una conducta afecta el

comportamiento motriz en determinado instante (ejemplo: subsumption-agregativo, Brooks 1986).

Cooperativo: Diferentes conductas afectan el comportamiento motriz en distintos grados (ejemplo: fusion via vector summation Arkin 1989.)


Control Reactivo Basado en Conductas;

Priority S tate-based W inner-take-all

A rbitration

Voting Fuzzy Superposition

Command fusion

Action selection mechanism s

Mecanismos de selección (estado del arte):

Diseño: Selección de conductas generada intuitivamente por el

diseñador. Generalmente mediante un proceso de prueba y error. A veces es posible probar las conductas en forma

independiente, evolucionarlas o ajustarlas independientemente.

El ambiente juega un rol fundamental al determinar el rol de cada comportamiento en cada instante.


Permite atacar múltiples objetivos en forma simultánea.

Permite manejar la información de múltiples sensores eficientemente, considerando sus respectivos tiempos de latencia.

Robusto, en general existe una mayor probabilidad de que el sistema continúe en operación frente a fallas en sensores o actuadores.

Permite una mayor flexibilidad en el diseño.

Ventajas del Control Reactivo

Documents

FUNDAMENTOS DE ROBOTICA Dr: Danilo Bassi Héctor Reyes Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Informática