PDF de programación - Arquitecturas de Software en Robótica

Arquitecturas de Software en
de Software en
Arquitecturas

Robótica
Robótica

Prof. Wílmer Pereira

Universidad Católica Andrés Bello

Universidad Simón Bolívar

Ciclo de Charlas IEEE

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

funciones de un humano
funciones de un humano

Según T. M. Knasel, los robots se pueden clasificar por generaciones:
1 (1940): Selección y colocación con manipuladores
2 (1950): Servocontrol con trayectoria de ejecución programada
3 (1960): Alta precisión en dispositivos de entrada ante incertidumbre
4 (1985): Móviles que usan técnicas de inteligencia y vida artificial
5 (1995): Espaciales y militares para ambientes de gran variabilidad

Robot industrial: manipulador automático servocontrolado,
Robot industrial: manipulador automático servocontrolado,

reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y
reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y
orientar piezas, útiles o dispositivos especiales,
orientar piezas, útiles o dispositivos especiales,
siguiendo trayectorias variables programables
siguiendo trayectorias variables programables

para la ejecución de tareas variadas
para la ejecución de tareas variadas
AFNOR (Asociación Francesa de Normalización)
AFNOR (Asociación Francesa de Normalización)

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Ciclo de Charlas IEEE

Entorno de trabajo robótico
Entorno de trabajo robótico

Inaccesible: factores de error como deslizamientos, roce, ruido ...
No determinístico: gran cantidad de variable y/o imprevistos
No episódico: problemas de decisión secuencial
Dinámico: procesamiento en tiempo real y con movimiento
Continuo: presencia permanente de valores de entrada

Usos de la robótica
Usos de la robótica

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

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Ciclo de Charlas IEEE

Historia de la Robótica
Historia de la Robótica

Robot proviene de la palabra checa robota, acuñada por el escritor
Karel Capek (1890-1938) en una obra de teatro.
Manipuladores en la industria nuclear (1943, 2da guerra mundial)
George Devol patentó un manipulador programable en 1948
En 1954, R. Goertz sustituyó la transmisión mecánica por eléctrica
R. Mosher, ingeniero de la General Electric, desarrollo en 1958 un
dispositivo a dos brazos mecánicos denominado exoesqueleto
J. Engelberger junto con G. Devol, fundan la empresa UNIMATION
en 1960 y desarrollan UNIMATE para una aplicación de fundición.
En 1967 se usan robots de UNIMATION en General Motors, en 1968
en Japón y en 1970 en Europa (comprada con Westinghouse)
Proyectos de control de robot por computadoras (MIT y Stanford, 1970)
Masificación con la aplicación de microprocesadores en 1975
Se funda JIRA en 1972 , RIA en 1974 y 1980 la Federación
Internacional de Robótica
Investigaciones utilizando IA + robótica + vida artificial usando sensores

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Ciclo de Charlas IEEE

Arquitectura básica de un robot
Arquitectura básica de un robot

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.
El ambiente también tiene gdl.

Criterios:

Modularidad
Pertinencia en la aplicación
Portabilidad
Robustez

Mientras la arquitectura es más general, más lenta será

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Sensores
Sensores

Contacto:
Fuerza:
Infrarojos:
Cámaras:
Sonares:

Problemas:

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

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

Sensores adicionales:

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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Tipos de Robots Móviles
Tipos de Robots Móviles

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Paradigmas en Robótica
Paradigmas en Robótica
Filosofías y/o técnicas que caracterizan
Filosofías y/o técnicas que caracterizan

el enfoque para resolver problemas
el enfoque para resolver problemas

Manipuladores
Manipuladores
Telepresencia
Telepresencia

vs

Autónomo
Autónomo

Jerárquico
Jerárquico

Reactivo
Reactivo

Normalmente sin técnicas de
inteligencia artificial

Híbrido
Híbrido

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Robótica con manipuladores
Robótica con manipuladores

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

normalmente son determinísticos
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
Robots controlados a distancia con

intervención humana
intervención humana

Visión a distancia tiene problemas de ancho de banda
del enlace

No necesariamente es periférico

Fatiga cognitiva del operador

Un operador por robot

Posicionamiento real vs posicionamiento reportado

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Paradigma Jerárquico
Paradigma Jerárquico

Sense
Sense

PlanPlan

ActAct

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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Ciclo de Charlas IEEE

Paradigma Reactivo
Paradigma Reactivo

PlanPlanPlan

Sense
Sense

ActAct

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 ?

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Arquitecturas Reactivas
Reactivas
Arquitecturas

Subsumpción

No hay control central
Los comportamientos se estructuran por capas (respirar y pensar)
donde las altas subsumen las capas bajas
Minimiza sus estados internos por lo que no requieren memoria
persistente y funcionan a tiempo real

Campos Potenciales

Representa los comportamientos como campos potenciales y los
combina como suma de vectores (magnitud y dirección)
Robot se vé como una partícula en un campo de fuerzas

Uniforme
Tangencial

Perpendicular
Atractivo o repulsivo

Ningún comportamiento subsume a otro, en realidad compiten

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Paradigma Híbrido
Paradigma Híbrido

PlanPlan

Sense
Sense

ActAct

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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Navegación Robótica
Navegación Robótica
¿ Cuál es su posición actual ?

¿ Dónde ha estado ?

¿ Hacia donde se dirige ?

¿ Cómo llegar más eficientemente al objetivo ?

Navegación Topológica

Desplazamiento bajo enfoque cualitativo usando marcas.

Utiliza teoría de grafos para desplazamien