Robótica Móvil - eva.fing.edu.uy
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Robótica Basada en Comportamientos
Facultad de IngenieríaInstituto de Computación
Robótica Móvil
Caso de estudio: Sistema constructivo LEGO
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Agenda
Introducción Sensores Actuadores Dispositivos de control Mecánica
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Introducción 1/2
¿Qué es un robot?
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Introducción 1/2
¿Qué es un robot?Una máquina que sensa, “piensa” y actúa.
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Introducción 1/2
¿Qué es un robot?Una máquina que sensa, “piensa” y actúa.
Debe tener: Sensores Procesar información (habilidades cognitivas) Actuadores
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Introducción 1/2
¿Qué es un robot?Una máquina que sensa, “piensa” y actúa.
Debe tener: Sensores Procesar información (habilidades cognitivas) Actuadores
La definición contempla: Robots manipuladores industriales• Robots móviles
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Introducción 2/2
El robot se encuentra en un entorno
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Introducción 2/2
El robot se encuentra en un entornoEl entorno influye sobre el robot sensoresEl robot procesa la información computadorEl robot influye sobre el entorno actuadores
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Introducción 2/2
El robot se encuentra en un entornoEl entorno influye sobre el robot sensoresEl robot procesa la información computadorEl robot influye sobre el entorno actuadores
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Introducción 2/2
El robot se encuentra en un entornoEl entorno influye sobre el robot sensoresEl robot procesa la información computadorEl robot influye sobre el entorno actuadoresEl robot tiene una estructura mecánica
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Introducción 2/2
El robot se encuentra en un entornoEl entorno influye sobre el robot sensoresEl robot procesa la información computadorEl robot influye sobre el entorno actuadoresEl robot tiene una estructura mecánica
ENTORNO ROBOT“API”
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Sensores
DefiniciónClasificaciónUsosConsideracionesEjemplos
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Definición
Dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc.
Es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida.
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Clasificación
Permiten obtener información del entorno.Los sensores pueden clasificarse en:
Internos / Externos Activos / Pasivos Globales / Locales Analógicos / Digitales
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Usos
ENTORNO ROBOT“API”
Son la “operación de lectura” de la API robot-entorno.
Magnitudes interesantes de sensar: Temperatura Intensidad lumínica Sonido Orientación
Deformación Distancia Inclinación etc.
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Elementos a considerar
Rango de medición: Rango de temperatura Longitud de onda de la luz incidente Frecuencias de los sonidos a escuchar Rango de distancias
Tecnología de la interfaz Precisión vs. Precio y Disponibilidad ¡¡¡ Ruido !!!
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Ruido en el robot Khepera
Claude Touzet, Neural reinforcement learning for behaviour synthesis, Robotics and Autonomous Systems, 1997.
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NXT: Sensores (1/3)
Contacto Distancia 0 press/release/bump
Ultrasonido Distancias 0-255cm +/- 3cm
Sharp (infrarrojo) Medium
Distancia 10-80cm Long
Distancia 30-150cm Mayor precisión
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NXT: Sensores (2/3)
Color Luz ambiente y reflejada Color
Luz Luz ambiente y reflejada Monocromático
Cámara 8 objetos o líneas 30fps NO conectar a puerto de motores!
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NXT: Sensores (3/3)
Compás Mide campo magnético de la tierra Calcula orientación relativa 0-360° 100mps
Giroscopio Cantidad de °/s de rotación Sentido (+/- 360° por seg.) Mantener el equilibrio, oscilación de un péndulo, etc.
Angular Posición angular (0-359°) Velocidad angular (10-1500rpm) W > 1500rpm puede dañar el sensor!
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NXT: Multiplexores
Multiplexor de botones• 4 sensores de contacto
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Actuadores
PrincipiosClasificaciónMotores
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Principios de actuación
Permiten que el robot interactúe con el entorno, modificándolo Son la “operación de escritura” de la API robot-entorno Transforman energía
Neumática: (movimiento o compresión de un gas) en fuerza.
Hidráulica: (movimiento o compresión de un líquido) en fuerza.
Eléctrica: (voltaje e intensidad) en energía cinética (velocidad angular (rpm) y torque) o en energía térmica (temperatura)
ENTORNO ROBOT“API”
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Clasificación Tipos de motores
Revoluta Prismático
Motores eléctricos Corriente continua Paso a paso Servo
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Motor de corriente continua (DC)
Accionar un motor DC es muy simple y sólo es necesario aplicar la tensión de alimentación entre sus bornes. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto. No pueden ser posicionados y/o enclavados en una posición específica. Estos simplemente giran a la máxima velocidad y en el sentido que la alimentación aplicada se los permite.
Rotor Estator
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Motores Paso a Paso
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°
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Motores Servo
Un servo motor puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Mientras una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje.
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NXT: Actuadores 1/2
Servo Motores Forma rara Reducción integrada Control: respuesta lineal
Velocidad Posición
Medidor de rotación integrado (1° precisión)
170RPM, 60mA Hasta 50 N/cm, con 2A (!)
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NXT: Actuadores 2/2
Actuador Lineal Desplazamiento 100mm Fuerza 25N Conectar a puerto de motores
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Otros actuadores
Músculos artificiales Aleaciones que se contraen al electrificarse Polímeros
Actuadores neumáticos e hidráulicos Estos no son prácticos en “microrobótica”
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Control
En nuestras vidasEjemplosFirmware
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En nuestras vidas
Televisión Equipo de audio Control remoto Microondas Teléfonos Autos PC Teclados
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NXT: Controlador Microcontrolador ARM7 32-bit, a 48MHz
Uso general 256Kb FLASH, 64Kb RAM
Microcontrolador AVR 8-bit a 8MHz Control de los motores (modulación PWM) 4kB FLASH, 512B RAM
Bluetooth (SPP) + USB 2.0 3 Salidas 4 Entradas LCD, botones, parlante 6 pilas AA o baterías
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Programación
Onboard o programación embebidaRobotCLeJOSNXC/NBC
Control RemotoICommand (Java)NXT_Python
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LeJOS 1/2
Implementación de una JVM para NXTFuncionalidades razonables
ThreadsAlgunas estruturas de datosGarbage collectorEclipse plug-in Posible control por manejo de eventos
Requiere “quemar” un firmware nuevoSoftware libre
http://lejos.sourceforge.net/
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LeJOS 2/2
Ejemplo de programa sonar = new UltrasonicSensor(SensorPort.S4);
Motor.A.forward();
Motor.B.forward();
while (true) {
if (sonar.getDistance() < 25) {
Motor.A.forward();
Motor.B.backward();
} else {
Motor.A.forward();
Motor.B.forward();
}
}
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Mecánica
IntroducciónGeneralidadesAlgunos ejemplos
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Introducción
El diseño y la construcción son por lo general procesos iterativos, con prototipos intermedios (¿descartables?) $$$
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Introducción
El diseño y la construcción son por lo general procesos iterativos, con prototipos intermedios (¿descartables?) $$$
Cumplir objetivos particularesDesarrollo en etapas
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Proceso
Requerimientos (¿qué tiene que hacer?)● Parte de la letra
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Proceso
Requerimientos (¿qué tiene que hacer?)● Parte de la letra
Análisis (¿cuáles son los problemas?)
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Proceso
Requerimientos (¿qué tiene que hacer?)● Parte de la letra
Análisis (¿cuáles son los problemas?)Diseño (¿cómo se resuelven?)● Simulación● Síntesis de otros modelos (anteriores?)
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Proceso
Requerimientos (¿qué tiene que hacer?)● Parte de la letra
Análisis (¿cuáles son los problemas?)Diseño (¿cómo se resuelven?)● Simulación● Síntesis de otros modelos (anteriores?)
Implementación
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Ejemplos● Robot móvil con ruedas, terreno
continuo, entorno no accesible a humanos, tareas de duración corta (del orden de horas).
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Ejemplos● Robot móvil con ruedas, terreno
continuo, entorno no accesible a humanos, tareas de duración corta (del orden de horas).
● Manipulador, tareas repetitivas, herramienta industrial, montado sobre robot móvil. Varias articulaciones.
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Ejemplos● Robot móvil con ruedas, terreno
continuo, entorno no accesible a humanos, tareas de duración corta (del orden de horas).
● Manipulador, tareas repetitivas, herramienta industrial, montado sobre robot móvil. Varias articulaciones.
● Robot móvil, terreno discontinuo o con escaleras, entorno accesible a humanos, tareas supervisadas.
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Ruedas• Material: tracción, transmisión.
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Ruedas• Material: tracción, transmisión.
• Tipo: fija, directríz, loca y omnidireccionales.
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Ruedas• Material: tracción, transmisión.
• Tipo: fija, directríz, loca y omnidireccionales.
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Ruedas• Material: tracción, transmisión.
• Tipo: fija, directríz, loca y omnidireccionales.
• Tamaño– Más grandes → Mayor velocidad– Más grandes → Menor torque– Más grandes → Menor control sobre
la posición
• Precio y disponibilidad.
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Distribución de Ruedas• Diferencial• Triciclo• Ackerman• Omnidireccional• 4x4 Extensión de diferencial• Oruga
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Articulaciones• Articulación 1 G.L.
Visagra, ej. codo, rodillaControl 1 servomotor
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Articulaciones• Articulación 1 G.L.
Visagra, ej. codo, rodillaControl 1 servomotor
• Articulación 2 G.L.Cardan, ej. tobillo, muñeca
Control 2 servomotores
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Articulaciones• Articulación 1 G.L.
Visagra, ej. codo, rodillaControl 1 servomotor
• Articulación 2 G.L.Cardan, ej. tobillo, muñeca
Control 2 servomotores
• Articulación 3 G.L.Esférica, ej. cadera, hombro
Control 3 servomotores
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Transmisión• Correa, cadena, igual sentido de giro.
• Engranajes, invierte sentido de giro.
a) b)
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Transmisión• Correa, cadena, igual sentido de giro.
• Engranajes, invierte sentido de giro.
a) b) • Velocidad
a) El conducido gira mas lento que el motor.
b) El conducido gira mas rápido que el motor.
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Transmisión• Correa, cadena, igual sentido de giro.
• Engranajes, invierte sentido de giro.
a) b) • Velocidad
a) El conducido gira mas lento que el motor.
b) El conducido gira mas rápido que el motor.
• Para) Mas par en el conducido.
b) Menos par en el conducido.
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Referencias
Autonomous Robots: From Biological Inspiration to Implementation and Control, G. A. Bekey, 2005.
Germán López y Santiago Margni, Construcción de Robots a Bajo Costo, Reporte Técnico, Instituto de Computación, 2003.
Damián Lezama y Alexander Sklar, Construcción de Robots Bípedos, Reporte Técnico, Instituto de Computación & Instituto de Ingeniería Eléctrica,2004.
Gabriel J. Ferrer, Using Lego Mindstorms NXT in the Classroom, Hendrix College.
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Preguntas