PDF de programación - Paradigmas de Programación en Robótica: ¿ Existe un Paradigma Unificado ?

Paradigmas de Programacióón en Rob
Paradigmas de Programaci

n en Robóótica:
tica:

¿¿ Existe un Paradigma Unificado ?
Existe un Paradigma Unificado ?

Prof. Wílmer Pereira

Universidad Católica Andrés Bello

Universidad Simón Bolívar

Charlas de Robótica UCAB 2004

¿¿ QuQuéé es un robot ?
es un robot ?
Criatura mecánica que emula

funciones de un humano

Manufactura: manipuladores nucleares e industria automotriz, ...
Servicio usuario final: aspiradoras, guías de museos, mesoneros, ...
Vehículos terrestres, submarinos y espaciales
Telepresencia, realidad virtual y exo-esqueletos

Sensores

Robot

Efectores

Sensor: Exploran el entorno para posicionarse y/o controlar sus
movimientos. Los sensores pueden ser activos o pasivos

Efector: Actuan sobre el entorno según sus grados de libertad (gdl)
que son los posibles movimientos básicos independientes
bien sean giratorios o de desplazamientos.

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Charlas de Robótica UCAB 2004

Usos de la Robóóticatica
Usos de la Rob

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Universidad Simón Bolívar

Charlas de Robótica UCAB 2004

Sensores
Sensores

Contacto:
Fuerza:
Infrarojos:
Cámaras:
Sonares:

Limitados para explorar
Dificiles de manejar
Sensibles a la luz solar y fluorescentes
Se debe tener gran capacidad de procesamiento

Muy utilizados en navegación con pulsos > 20KHz

300 mts/seg => 1 mt en 0,006 seg

Problemas:

El rayo es cónico => puede no dar la distancia más corta
A ciertos ángulos de reflexión, pueden desaparecer obstáculos
Múltiples rebotes => ruido => falsos obstáculos

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Charlas de Robótica UCAB 2004

Efectores
Efectores

Locomoción:

Estáticamente estable (no se cae ante pausas)
Dinámicamente estable (más rápido pero complejo al programar)

Manipulación:

Holomónico (gdl del robot = gdl del ambiente) o no holomónico
Rotatorio o Prismático (Mayor gdl son más precisos pero más

complejos de programar)

Motores

Hidraulicos: Aceite mineral rápidos y gran capacidad de carga,

pero ... dificil de mantenimiento y costosos

Eléctricos: Motor paso a paso precisos, fiables y silenciosos,

pero ... Potencia limitada

Neumáticos: Aire a presión barato y sencillo de mantenimiento,

pero ... Dificil de control continuo y ruidosos

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Legomindstorm
Legomindstorm
Kit robótico básico con hardware configurable y
software para programar aplicaciones móviles

Sensores adicionales:

Sonares ultrasónicos
Temperatura
Rotación
Cámara ...

Facilidades de software:

Programación visual orientado a eventos

• Procesamiento concurrente en tiempo real
• Únicas variables internas: contador y reloj
• Ciclos de ejecución controlados por eventos
• Comunicación entre RCX’s a través del puerto infrarojo

Firmwares en Java, C, VisualBasic, etc.
Extensiones para diseñar criaturas, robots deportistas y
módulos espaciales

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Charlas de Robótica UCAB 2004

Paradigmas en Robóóticatica
Paradigmas en Rob
Filosofías y/o técnicas que caracterizan

el enfoque para resolver problemas

Manipuladores
Telepresencia

vs

Autónomo

Jerárquico

Reactivo

Normalmente sin técnicas de

inteligencia artificial

Híbrido

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RobRobóótica con manipuladores
tica con manipuladores

Automatización industrial en tareas repetitivas
que no requiere sensores pues los algoritmos

normalmente son determinísticos

No es solución a largo plazo
Se usa en trabajos riesgosos y tediosos
En casos de haber cambios, deben ser reprogramados

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Robot teleoperados
teleoperados
Robot

Robots controlados a distancia con

intervención humana

Visión a distancia tiene problemas de ancho de banda
del enlace (sobre todo si es inalambrico !!!)

No necesariamente es periférico

Fatiga cognitiva del operador

Un operador por robot

Posicionamiento real vs posicionamiento reportado
Retardo de conexión (2,5 min a la Luna y 140 min hasta Marte)

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Tesis1: Telepresencia
Tesis1:

Telepresencia vvíía Red
a Red

Construcción de aplicaciones que interactuen
con un robot a partir de un componente Jini

Servicios
(Robots)

Localizador de

Servicios

(JINI)

Clientes
(Mapas)

Robot Legomindstorm navegando en un ambiente desconocido
con obstáculos (montado sobre una estación SUN Ultra)
Mapa de navegación se visualiza en un computador remoto
El operador humano controla los movimientos del robot con
ayuda del mapa, usando los efectores (motores y dispositivos
de rotación) gracias a los sensores (sólo contacto)
El robot es un servicio de red compartido (controlado con un
enlace infrarrojo), accedido remotamente (programa Java+Jini)
6th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics

(SCI 2002), Orlando, USA, 14-18 Julio 2002.

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Paradigma Jeráárquico
rquico
Paradigma Jer

Sense

Plan

Act

Las sensaciones se reúnen en un modelo global
de planificación: misión (objetivo), navegación
(búsqueda de caminos) y piloto (decisión sobre acción)
y actúa usando la introspección

Es necesaria la suposición de mundo cerrado CWA
(Closed World Assumption). El mundo es sólo lo explícito

Inconvenientes … más arte que ciencia

... planificación permanente hace el enfoque lento

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Control jeráárquico anidado
rquico anidado
Control jer

Sensing

Conocimiento

a priori

Planning

Planificación de misión

Navegación

Piloto

Act

Controlador

S

S

S

E

E

E

Al recibir información de sensores se reestructura

navegación y piloto más no la misión

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Tesis2: Autonomíía en Navegaci
Tesis2: Autonom

a en Navegacióónn

Sistema Autónomo de Desplazamiento en Robots con
Reconocimiento de Patrones Geométricos Regulares

Robot Legomindstorm navegando en un ambiente desconocido
de calles e intersecciones
Algoritmo de aprendizaje por reforzamiento
Pruebas de comparación entre Q-Learning y Value Iteration para medir
desempeño en diferentes circunstancias de navegación
El robot es autónomo y recibe feedback del entorno (distancia hasta el
objetivo desarrollado en JAVA

International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics,

Setúbal, Portugal, August 25-28, 2004.

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Paradigma Reactivo
Paradigma Reactivo

PlanPlanPlan

Sense

Act

Fuerte tendencia biológica que acopla sense-act con
comportamientos de estímulo/respuesta (Plan omnipresente)

El paradigma estímulo/respuesta de los psicólogos de Harvard
inspirados en B. F. Skinner
Inconvenientes … obviar el plan es una situación en ocasiones extrema

... ¿ debemos imitar el comportamiento animal ?
... ¿cómo aprender ?
... ¿ qué hacer en los conflictos por concurrencia ?
... los animales evolucionan no así los robots !!!

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Adquisicióón del comportamiento
n del comportamiento
Adquisici
Innato: al alimentarse, el pico rojo de las aves: pichón y madre
Secuencia innata: avispas aparean, macho construye nido, hembra
deja huevos
Innato con memoria: abeja ubica colmena haciendo inicialmente
viajes cortos desde distintos ángulos
Aprendido: la caza en los leones

El estímulo puede ser interno (hambre) o externo (dolor que causa
objeto) o abstracto (altruismo)
Los estímulos son disparadores de comportamientos
Ante la concurrencia de estímulos debe haber

Equilibrio
Dominancia
Cancelación

Los mecanismos de percepción son la manera de captar los estímulos
del medio ambiente (abejas que identifican flores por coloración UV)

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Tesis3: Navegacióón con im
Tesis3: Navegaci

n con imáágenes
genes

Programación de un Robot Autónomo modelo

con Procesamiento Digital de Imágenes

Movimientos en un espacio con señalización que indica directivas
de desplazamiento (derecha, izquierda, adelante o atrás)
Robot Legomindstorm y una cámara vision command para la entrada de
información y dos motores para salida o efectores del sistema
Programación en VisualBasic con un ActiveX (spirit.ocx) y
librerías de la empresa (Logitech) para reconocimiento de patrones
(letras).

Limitaciones
Limitaciones

Procesamiento de imágenes en el computador (bajadas por el
puerto USB cableado) lo cual impide plena autonomía
El robot no es capaz de encontrar los letreros pues no maneja
profundidad en las imágenes

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Universidad Simón Bolívar

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Paradigma Hííbrido
brido
Paradigma H
Plan

Sense

Act

Primero planifica y luego es reactivo

El planificador está presente en toda la captura de
sensaciones pero sólo actúa en ciertas condiciones

Inconvenientes … muy dependiente de la aplicación

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Tesis4: Aprendizaje en esquema
Tesis4: Aprendizaje en esquema
depredador/presa
depredador/presa

Sistema Autónomo de Inteligencia Artificial para Orientar Intersección de

Objetivo Móvil de Comportamiento Evasivo Aplicado a Robótica

Interacción de dos robots donde uno es depredador
y el otro presa.
La presa tiene una técnica evasiva desconocida del
depredador
El depredador utiliza técnicas de Inteligencia Artificial
para aprender y capturar la presa
La entrada de d