Robótica Modular y Locomoción. UCA 2006

8/14/2019 Robtica Modular y Locomocin. UCA 2006

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III Jornadas de robtica en la UCA

Semana de la ciencia y la TecnologaNoviembre 2006

Escuela Politcnica Superior

Universidad Autnoma de Madrid

Juan Gonzlez Gmez

Robtica modular y Locomocin


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ndice

Introduccin

Mdulos Y1

Robtica modular y locomocin

Configuraciones mnimas

Configuraciones superiores

Conclusiones y trabajos futuros

Vdeos


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Areas principales de investigacin en

robtica

Manipulacin: Robots quepueden interactuar con objetos

Locomocin:Capacidad de los robots

para desplazarse de un lugar a otro.

Robots industrialesRobots de servicio Robots mviles


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Los robots mviles se pueden clasificar segn los elementosque emplean para realizar la locomocin:

Locomocin(I): Clasificacin de los

robots mviles

Ruedas

Orugas

Patas

Otros


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Alto consumo

Ms complejos

Problema de la coordinacin

Locomocin (II): Robots con patas

8 patas 6 patas 4 patas

2 patas

Por qu la mayora de animales en lanaturaleza tienen patas?

Vdeo


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Locomocin (III): Diferentes niveles

El estudio de la locomocin se aborda desde diferente niveles:

Incremento enlnea recta

Nivel 1 Robot

Desplazamientoen un planoNivel 2

Planificacin,Navegacin

NivelesSuperiores


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Locomocin (IV): Problema de la

locomocin

Enunciado:Robot mvil capaz de moverse por cualquier tipo de entorno, por muy

escarpado que sea.

Nasa interesada en este problema.

Exploracin de marte

3.5 x 3 m

Nunca fue enviado...

Exploracin de volcanes

Utiliza un cable de sustentacin

Al quinto da volc

CMU AMBLER (89) DANTE II (94)


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Robtica modular reconfigurable(I)

En 1994, Mark Yim ,en su tesis doctoral introdujo una nueva idea paraabordar el problema de la locomocin: los robots modulares yreconfigurables.

Construir robots a partir de mdulos sencillos

Estos robots pueden cambiar de forma para adaptarse al terreno Los robots modulares ms avanzados actualmente son:

POLYBOT (USA) M-TRAN (Japn) YAMOR (Suiza)


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Robtica Modular reconfigurable (II)

El diseo se centra en el mdulo y no en un robot particular Las diferentes combinaciones de mdulos se llaman configuraciones

Se clasifican en automtica y manualmente reconfigurables

Ventajas:

Versatilidad

Prototipado rpido

Prueba de nuevas ideas

Muy buenas plataformas parael estudio de la lomocin


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Diseo especfico

Robtica:

Clasificacin segn la estructura

Diseo modular


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Mdulos Y1


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Vdeo

Misma orientacin: Rotacin de 90 grados:

Caractersticas

Material: Plstico de 3mm

Servo: Futaba 3003

Dimensiones: 52x52x72mm

Rango de rotacin: 180 degreesDos tipos de conexin:


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Construccin en 6 pasos...


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Robtica modular y locomocin

Estudio de la locomocin de la robtica modular en general:

1. Existe un mtodo general vlido, independiente de la forma del robot,para realizar la locomocin ?

2. Potencialmente existen infinitas configuraciones. Cmo abordar elestudio de la locomocin en general?

Retos:

Problema 1:


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Vamos a inspirarnos en la naturaleza: tomaremos ideas de la

Biologa

Los vertebrados tienen en la espina dorsal un conjunto deneuronas llamadas CPGs

Los CPGs son unos osciladores neuronales que generan

seales periodicas que se aplican a los msculos, haciendo que losanimales se muevan

CPGs

Espina dorsal

Problema 1:

Generadores centrales de patrones (CPGs)


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Problema 2:


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Problema 2:

Clasificacin

Topologas 1D: cadenas demdulos (gusanos,

serpientes, brazos, patas...)

Topologa 2D. Dos oms cadenas demdulos conectadasen diferentes ejes

Topologas 3D. Resto deconfiguraciones

Potencialmente hay infinitas configuraciones que se pueden construir Hay que establecer clasificaciones y estudiar los diferentes grupos

Un criterio podra ser la topologa de los robots:

Problema de las configuraciones


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Problema de las configuraciones

mnimas

Para el estudio, hay que empezar eligiendo un representante de cada grupo La eleccin menos compleja: las configuraciones mnimas

Topologas 1D Topologas 2D Topologa 3D

Representante Representante Representante

Problema de las configuraciones mnimas: Encontrar cuales son losrobots con el menor nmero de mdulos y que se pueden desplazar


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Evaluacin y Bsqueda de soluciones

Para evaluar las configuraciones y los parmetros de la coordinacinnecesitamos un SIMULADOR.

Para encontrar las soluciones necesitamos un algoritmo debsqueda: ALGORITMOS GENETICOS.

Usamos el Open Dynamics Engine (ODE).

Es un motor fsico

Cromosomas

Topologas 1D y


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Topologas 1D y


Cual es la configuracinmnima que se mueve en lnea

recta? Cmo hay que coordinar susarticulaciones para lograrlo?

Topologa 1D:

Locomocin en 1D: Locomocin en 2D:

Cual es la configuracinmnima que se mueve en un plano?

Cmo hay que coordinar susarticulaciones para lograrlo?


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Solucin 1: Configuracin Pitch-Pitch (PP)

Slo se necesitan dosmdulos para avanzar enlnea recta

1

A.sin(=2T

t )

2

A.sin( t+ )= 2T

Se aplican dos ondassinusoidales

La diferencia de fasedetermina la coordinacin

Vdeo

Topologas 1D y


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Topologas 1D y


Topologa 1D:

Locomocin en 1D: Locomocin en 2D:

Cual es la configuracinmnima que se mueve en un plano?

Cmo hay que coordinar susarticulaciones para lograrlo?

PP (Pitch-Pitch)

Solucin 2:


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Solucin 2:

Configuracin PYP (Pitch-Yaw-Pitch)

Pitch axis

Pitch axis

Yaw Axis

Son necesarios 3 mdulos

Puede moverse de cuatro maneras diferentes:

1

32

Lnea recta

Describir un arco

Desplazamiento lateral

Rodar

Configuracin II (PYP):


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Lnea recta y arco

1

A.sin(=2T

t )

3A.sin( t+ )= 2

T

2

=0 2

=0

Movimiento en lnea recta Movimiento en arco

El ngulo fijo del mdulo central determina si se avanza en lnearecta o en arco

La coordinacin es la misma que para la configuracin PP



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Desplazamiento lateral y rotacin

A.sin(2

T

t )

3

=1

=

2 A.sin( t+ )= 2T

2


A60

Se aplican tres ondassinusoidales

La del centro estdesfasada 90 gradosrespecto a las otras dos

Vdeo

Topologas 1D y


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Topologas 1D

Locomocin en 1D Locomocin en 2D

PP (Pitch-Pitch)

Topologas 1D y


PYP (Pitch-Yaw-Pitch)

Lnea recta

Arco


Rotacin lateral Lnea recta


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Configuraciones Superiores

Topologas 1D

Locomocin en 1D Locomocin en 2D

Conf. mnima 8 mdulos Conf. Mnima 8 mdulos

PP Cube Revolutions PYP Hypercube

Vamos a extender los resultados a otras configuraciones mayores


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Cube Revolutions

E t t i


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Estructura mecnica

Configuracin: 8 mdulos Y1 conectados con la misma orientacin

Dimensiones: 52x52x576mm:

C di i


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Coordinacin

Para moverlo podemos utilizar lo aprendido con la configuracinmnima PP: extender a 8 mdulos.

Es un mtodo slo vlidos para topologas de 1 dimensin

Slo son necesarios 4 parmetros, indpendientemente de la longitudde gusano:

Al tener ms mdulos, aparecen nuevas posibilidades: Utilizar ondasglobales

Longitud de onda

Amplitud

Periodo

Forma de la onda

Coordinacin II


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Coordinacin II

Las caractersticas del movimiento dependen de la onda usada:

Amplitud grande: pasar sobre obstculos

Amplitud baja: atravesar por un tubo

Semi-ondas: Movimiento tipo oruga

Propiedades de locomocin


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Propiedades de locomocin

Estos robots pueden cambiar su forma Se mueven de diferentes maneras

Vdeo


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Hypercube

Mecnica


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Mecnica

8 mdulos Y1 Conexin 90 grados desfasada

4 rotan paralelamente al suelo

4 rotan perpendicularmente

Coordinacin


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Coordinacin

Se usan 8 generadores sinusoidales, uno para cada articulacin

4 controlan los mdulos horizontales

4 controlan los mdulos verticales

Se emplean en total 8 parmetros:

AH

AV

,

OH

OV

,

H

V,

VH,

Amplitd:

Valor medio:

Diferencia de fases:

Periodo: T


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Hypercube:


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Resmen

Todos los movimientos se consiguen modificando los parmetros de

los generadores sinusoidales

Parece que el modelo de generador sinusoidal es bastante verstil

Hardware


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Hardware

Tarjeta Skypic basada en el PIC16F876A

Alimentacin y electrnica situada fuera del robot

Algoritmos de locomocin se ejecutan en el PC

El PC se comunica con la electrnica a travs de comunicacin serie

RS-232

Alimentacin

PC

RS-232PWM

Conclusiones


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Conclusiones

El modelo de generadores sinusoidales es prometedor

Solo es el comienzo de las posibilidades de la robtica modular

Una vez descubiertas las configuraciones y su coordinacin: es muysencillo implementar los dos primeros niveles de locomocin (1D y 2D)

Los modelos bioinspirados nos simplifican la vida

Trabajos futuros


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Trabajos futuros

Hemos diseado una nueva generacin de mdulos (ZG):

Con ellos es posible construir configuraciones ms complejas, como por ejemplohumanoides o cuadrpedos

Con ellos queremos construir ungusano trepador, que puedasubir por las paredes.


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Muchas gracias por vuestra atencin

Be modular my friend!

...and remember......and remember...

:-)

Robtica modular y Locomocin


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III Jornadas de robtica en la UCASemana de la ciencia y la Tecnologa

Noviembre 2006

Escuela Politcnica Superior

Universidad Autnoma de Madrid

Juan Gonzlez Gmez

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