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
Antecedentes Históricos
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
Antecedentes Históricos
¿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
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.
• Campo de Aplicación
32,7
56,4
MAQUINARIA DE PROCESO
• Soldadura de Puntos
• Soldadura Contínuaón
• Pintura y Estampado
• Otros
• Campo de Aplicación
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
Algoritmo Denavir-Hartenberg
Algoritmo Denavir-Hartenberg
Algoritmo Denavir-Hartenberg
Algoritmo Denavir-Hartenberg
Algoritmo Denavir-Hartenberg
Algoritmo Denavir-Hartenberg
Algoritmo Denavir-Hartenberg
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
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.
PROGRAMACION DE ROBOT
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.
PROGRAMACION DE ROBOT
Según lo anterior se pueden mencionar dos formas de programación.
1.- Programación Gestuali
2.- Programación Textual
PROGRAMACION DE ROBOT
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.
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”.
Configuración diferencialRobots con ruedas
t
lr tttvtvty0
)](sin[)]()([2/1)(
t
lr tttvtvtx0
)](cos[)]()([2/1)(
t
lr ttvtvdt0
)]()([/1)(
Configuración diferencialRobots con ruedas
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
. . .
Control Reactivo Basado en Conductas
• 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:
Control Reactivo Basado en Conductas
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
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.
Control Reactivo Basado en Conductas
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