PDF de programación - Diseño y control de Kokone, un pequeño robot humanoide

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados

del Instituto Politécnico Nacional

Departamento de Computación

Diseño y control de Kokone, un

pequeño robot humanoide

Tesis que presenta:

Víctor Enrique González Hernández

Para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias

en Computación

Director de la Tesis:

Dr. José Gabriel Ramírez Torres

Cd. Victoria Tamaulipas, México

Noviembre, 2009

© Derechos reservados por

Víctor Enrique González Hernández

2009

Esta investigación fue financiada mediante el proyecto No. 231722 del Consejo Nacional de Ciencia

y Tecnología, Conacyt.

This research was funded by project number 231722 from Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología, Conacyt.

La tesis presentada por Víctor Enrique González Hernández fue aprobada por:

Dr. Luis Enrique Sucar Succar

Dr. Gregorio Toscano Pulido

Dr. José Gabriel Ramírez Torres, Director

Cd. Victoria Tamaulipas, México, 26 de Noviembre de 2009

A mi familia, soporte de mi vida

Agradecimientos

Gracias Dios, en ti, todo es posible.

Gracias a mi padres Víctor y Marlene, y a mis hermanos Oscar y Mary, por creer en mi y su
gran apoyo incondicional en mi vida.

Gracias a mi Dey, por estar siempre conmigo y brindarme momentos muy felices.

Quiero agradecer a mi asesor, Dr. José Gabriel Ramírez Torres, por darme la oportunidad de
realizar este trabajo y permitirme hacer lo que me apasiona.

Quiero agradecer a los profesores del Departamento de Computación y del Laboratorio de Tec-
nologías de Información, por sus grandes enseñanzas y marcar el camino de la investigación.

Gracias a mis amigos del Departamento de Computación y del Laboratorio de Tecnologías de
Información, por su compañía y momentos alegres, los estimo mucho.

Gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Conacyt, por la beca de manutención
durante mis estudios realizados.

Índice General

Índice General

Índice de Figuras

Índice de Tablas

Índice de Algoritmos

Publicaciones

Resumen

Abstract

1. Introducción

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Antecedentes históricos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Desarrollo de los robots
1.3. Robots humanoides
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Descripción del proyecto tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Organización de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Estado del arte en Robots humanoides

2.1.
2.2. Robots humanoides de tamaño real

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Robot ASIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Robot KHR-3: HUBO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3. Robot REEM-B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4. Robot HRP-3 Promet Mk-II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Robots humanoides medianos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Robot SDR-4X: Qrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Robot HOAP-3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Robots humanoides pequeños . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1. Robot Robonova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2. Robot KHR-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3. Robot HR-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4. Robot TWNHR-IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.5. Robot Tao-PIE-PIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.6. Robot ZORC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Robots humanoides en México . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I

V

VII

IX

XI

XIII

XV

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1
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23
24

I

3. Diseño de Kokone

3.1.
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Esquema general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Motorización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Electrónica y potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Estructura mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1. Grados de libertad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2. Diseño Asistido por Computadora, (Computer Aided Desing, CAD) . . . . .
3.5.2.1. Diseño de las piernas
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2.2. Diseño de los brazos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2.3. Diseño de la cabeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2.4. Diseño del cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3. Construcción de Kokone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Cinemática de Kokone

4.1.
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Representación de la posición y orientación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1. Posición y desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2. Orientación y rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Transformaciones homogéneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Representación geométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Cinemática directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1. Cinemática de Kokone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Cinemática inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1. Planteamiento de la cinemática inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2. AG para resolver la cinemática inversa de Kokone
. . . . . . . . . . . . . .

4.4.1. Representación geométrica de Kokone

5. Primeros pasos de Kokone

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.
5.2. Control de Kokone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Caminado bípedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Aplicación de caminado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Conclusiones

6.1. Kokone: plataforma robótica de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Futuras capacidades y aplicaciones
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A. Biblioteca de control

A.1. Funciones para resolver la cinemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2. Funciones para la configuración del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3. Aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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85

87
87
88
89

II

Bibliografía

93

III

Índice de Figuras

1.1. Autómatas famosos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Unimate, primer robot industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Dos robots de servicio en la actualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1. Robots ASIMO y HUBO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Robot REEM-B y HRP-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Robot Qrio y HOAP-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Robonova y Kondo KHR-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. HR-2 y TWNHR-IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Tao-PIE-PIE y ZORC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Esquema general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Servomotor BMS-380MAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Tarjeta de control de servos SSC-32 Lynxmotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. GDL del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Diseño en CAD de Kokone
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Servomotores virtual y real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Ensamble E1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8. Diseño de la pierna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9. Ensamble E2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10. sub-ensambles E2.1 y E2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11. Ensamble E3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12. Ensamble E4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.13. Brazo derecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.14. Ensamble E5 y E6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.15. Diseño de la cabeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.16. Cuerpo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.17. Realización de Kokone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1. Ejemplos de cadena abierta y cerrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Sistema de referencia y coordenadas Cartesianas . . . . . . . . . . . . . . . . . .