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

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) Materias Primas Personas Productos

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

Agentes Infraestructura Sistemas productivos Función Productiva Procesos Productos Recursos Agentes Infraestructura Función Tecnológica

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)

Relación Automática y Robótica 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): 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.

Antecedentes Históricos 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), diseñó y fabricó un dispositivo que combinaba un mecanismo articulado de un manipulador de 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 mayor desarrollo 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

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 CARGA, DESCARGA Y SERVICIO A LA MÁQUINA Moldeo Estampado Fundición Torno Tratam Térmico Paletización Etc.

Campo de Aplicación MAQUINARIA DE PROCESO Soldadura de Puntos Soldadura Contínuaón Pintura y Estampado Otros

Campo de Aplicación 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 robots es 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 Robot Según 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 PROGRAMACION (Textual, Objetos) SISTEMA DE CONTROL (Control Automatico) ELEMENTOS TERMINALES (Herramientas) SISTEMA SENSITIVO (Internos, Externos) MANIPULADOR (Brazo,Transmisión, Articulaciones) ACTUADORES (Motores, cilindros)

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 CINEMATICO Se encarga del estudio de las posiciones, movimientos, velocidades, aceleraciones de articulaciones y sistema mecanico de un robot ESTUDIO DINAMICO Se 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 Cinematica Nos 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 Espacial Obj: Determinar el movimiento Espacial del manipulador, se estudia utilizando el algebra vectorial y matrices. Representación Espacial de un Punto en el Espacio.

Traslaciones Corresponde a Movimientos y cambio de coordenadas X Z N A Traslación pura

Rotaciones Y w v X Z u Se genera el Movimiento Con respecto A un eje

Combinación de rotaciones y traslaciones Se pueden realizar Combinaciones basicas De traslaciones y Rotaciones Multiplicando la Matrices, verificando El orden del movimiento 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-Hartenberg RESUMEN 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 Dinamico Dinámica 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 las Coordenadas Articulares y sus Derivadas (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- EULER Esta formulación esta basada en el principio de equilibrio de fuerzas y pares.

Estudio Dinamico Formulación 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 Dinamico Formulación de LAGRANGE - EULER

Estudio Dinamico Modelo Basico de Estudio Formulación 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. Modelo Basico de Estudio

Estudio Dinamico

Estudio Dinamico

Estudio Dinamico

SISTEMA SENSORIAL

SISTEMA SENSORIAL SENSORES EXTEROCEPTICOS 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 robot Dos 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 Neumatico Actadores Hidraulicos Actuadores Electrico Las propiedades que se deben considerar para elegir el actuador son: Potencia Controlabilidad Peso y Volumen Precisión Velocidad Costo 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 Hidraulicos Estos 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 ACTUADORES Actuadores 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 Motores CC Motores paso a paso servomotores

Caracteristicas de los Actuadores   NEUMATICO HIDRAULICO ELECTRICO Energía Aire a Presión Aceite Mineral Corriente Eléctrica Opciones -         Cilindros -         Motores de paletas -         Motores de pistón -         Motores de pistones axiales -         Corriente continua -         Corriente Alterna -         Motor paso a paso Ventajas -         Baratos -         Rápidos -         Sencillos -         Robustos -         Alta relación potencia-peso -         Alta capacidad de carga -         Precisos -         Fiables -         Fácil control -         Silenciosos Desventajas -         Dificultad de control continuo -         Accesorios -         Ruidoso -         Difícil mantenimiento -         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 servocontrol 2.- Robot Punto a Punto con servocontrol 3.- Robot de control continuo, para seguimiento de trayectorias 4.- Robot con capacidad de generación de trayectorias

SISTEMA DE CONTROL Robot 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 Movimiento Amplificador Sistema de control Actuador

SISTEMA DE CONTROL Robot 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 CONTROL Otros 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 Manipulador Robotico experimental Prototipo de articulaciones Inferiores 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 Gestual i 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 ROBOT Programación 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

SECUENCIA DE TRABAJO DE UN PROGRAMA Programa Control y Cómputo Preactuadores Actuadores Dispositivo Terminal Realimentación Sensores Objeto

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. r Desplazamiento neto Opt. Encoder

Robots con ruedas 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. Centro Instantáneo de Curvatura o rotación ICC, ICR

Configuración diferencial Robots con ruedas 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 ICC R D: Largo de la curva Descrita por el centro del robot.

Robots con ruedas Configuración diferencial 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’

Robots con ruedas Configuración diferencial Constricción No-Holonómica: Imposibilidad de llegar a un punto en forma “directa”.

Robots con ruedas Configuración diferencial 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=V X’ = x+v*cos(f)dt Y’ = y+v*sin(f)dt F’ = f Caso especial 2: -Vl = Vr =v X’ = x Y’ = y F’ = 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: Desventajas: No resbala Restricciones en la trayectoria

Ackerman Ventajas: Simple de implementar Mecanismo 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 Síncrona Tipo oruga Otra

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 Integrador + - Cinemática de la silla Generador de trayectorias Control de bajo nivel Control V y  CONTROL DE POSICIÓN

Plan: trayectoria en el espacio libre Q2 Q1

Esquema Clásico También llamado Algorítmico o deliberativo. SPA. (Sensa – Planea – Actúa.) SMPA. (Sensa – Planea – Modela – Actúa.) Descomposición Funcional Clásica de un robot móvil: Percepción Modelo Plan Ejecución Control motriz. Se emplea un conjunto discreto de acciones, tiempos y eventos.

Esquema Clásico 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: Control Jerárquico. 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 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.

Críticas a los Esquemas Clásicos. 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.

Esquemas Clásicos, No todo es malo Son relativamente buenos en ambientes bien estructurados. Robots industriales que operan en ambiente controlado.

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 Conductas El 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.

Control Reactivo Basado en Conductas; Ideas de Brooks 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 Ejemplo: Manipular el mundo Construir mapas Explorar Evitar obstáculos Desplazarse

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. Avoid Obstacle Follow Path Coordination . . . Keep Balance selected action Sensory data

Control Reactivo Basado en Conductas Existe la necesidad de coordinar los comportamientos, ejemplo: robot objetivo

Control Reactivo Basado en Conductas 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; Mecanismos de selección (estado del arte):

Control Reactivo Basado en Conductas 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.

Ventajas del Control Reactivo 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.