Una Introducción a los Robots Móviles - Año 2008
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Una Introducción a los Robots Móviles
Il Bambino
piu.avanti.hs@gmail.com
Año 2008Una introducción a los robots móviles Prefacio El presente trabajo está dirigido a aquellos profesionales y estudiantes avanzados de ingeniería que desean tener un primer contacto con la robótica móvil. El mismo no intenta ser una obra autocontenida, por el contrario, solo brinda lineamientos básicos sobre tres aspectos importantes de la robótica móvil: el diseño mecánico, el sistema sensorial, algunas estrategias de navegación para evitar obstáculos y los fundamentos matemáticos de diversos modelos matemáticos (cinemáticos y dinámicos) de los robots móviles tipo uniciclo, que ubicarán al lector en la problemática de la robótica móvil y en diversas soluciones posibles que se pueden profundizar a partir del material bibliográfico referenciado. La obra está organizada de la siguiente manera: En el capítulo 1 se realiza una breve introducción a la problemática de la robótica móvil desde sus comienzos y como ha sido su evolución hasta los tiempos actuales, ubicando a la robótica móvil en el contexto de la robótica en general. Se brindan algunos ejemplos de robots móviles comerciales que intentan motivar la imaginación del lector. En el capítulo 2 se hace un análisis de las características mecánicas de un robot móvil con sus ventajas y desventajas. Empezando desde los tipos de ruedas hasta llegar a los tipos de sistemas de tracción y dirección, destacando sus principales ventajas. En el capítulo 3 se desarrolla las características sensoriales de un robot móvil desde la problemática del posicionamiento y las posibles estrategias para resolver este problema. Se desarrollan desde los simples sistemas odométricos hasta sistemas de posicionamiento más complejos como los basados en balizas. En el capítulo 4 se describen diversas estrategias de navegación para evitar obstáculos empleando sensores de ultrasonido, telemetro láser y visión artificial. Sin entrar en detalles matemáticos sobre los algoritmos se describe detalladamente el funcionamiento de cada uno de ellos. Finalmente, el capítulo 5 desarrolla con cierta profundidad cuatro modelos matemáticos de robots móviles (dos cinemáticos y dos dinámicos) que le serán de gran utilidad al lector deseoso de simular alguna estrategia de control. Cada modelo va acompañado de un minucioso desarrollo matemático para facilitar la comprensión del lector. ii
a mi esposa Cristina
a mis hijos Massimo, Vittorio y Matteo
por el tiempo que a regañadientes me prestaron
iiiUna introducción a los robots móviles
Índice temático
Prefacio ____________________________________________________________________________ ii
Índice temático ______________________________________________________________________ iv
Índice de figuras _____________________________________________________________________ vi
1. Preliminares _____________________________________________________________ 1
1.1. Introducción general ________________________________________________________ 1
1.2. Breve historia ______________________________________________________________ 1
1.3. Clasificación de los robots ____________________________________________________ 2
1.4. Aplicaciones de robots móviles ________________________________________________ 7
1.5. Robots móviles y robótica.___________________________________________________ 11
2. Morfología de los robots móviles ____________________________________________ 16
2.1. Tipos de entornos en el que opera el robot móvil ________________________________ 16
2.2. Tipos de sistemas de locomoción______________________________________________ 17
2.3. Tipos de ruedas ___________________________________________________________ 18
2.4. Disposición de las ruedas____________________________________________________ 19
2.4.1. Robot omnidireccional ________________________________________________________ 19
2.4.2. Uniciclo ___________________________________________________________________ 21
2.4.3. Triciclo ____________________________________________________________________ 21
2.4.4. Cuatriciclo _________________________________________________________________ 21
2.5. Tracción y dirección________________________________________________________ 22
2.5.1. Tracción y dirección en ejes independientes. _______________________________________ 22
2.5.2. Tracción y dirección en un mismo eje (Tracción diferencial). __________________________ 23
2.5.3. Tracción y dirección sobre todos los ejes. _________________________________________ 23
2.6. Configuraciones especiales __________________________________________________ 24
3. Sensores para robots móviles _______________________________________________ 25
3.1. Estructura de los sentidos del hombre _________________________________________ 25
3.2. Tipos de sensores en robótica ________________________________________________ 26
3.3. Descriptores estáticos y dinámicos ____________________________________________ 27
3.4. Sensores en robots móviles __________________________________________________ 29
3.4.1. Estimadores explícitos ________________________________________________________ 30
a) Estimación explícita basada en medidas internas__________________________________ 31
a.1) Sistemas odométricos ____________________________________________________ 31
a.2) Navegación inercial ______________________________________________________ 33
b) Estimación explícita basada en estaciones de transmisión ___________________________ 35
b.1) Estaciones fijas _________________________________________________________ 36
b.2) Estaciones móviles ______________________________________________________ 38
3.4.2. Estimadores basados en la percepción del entorno___________________________________ 40
a) Estimación mediante marcas o balizas __________________________________________ 40
b) Posicionamiento basado en mapas del entorno ___________________________________ 42
b.1) Construcción de mapas ___________________________________________________ 43
b.2) Técnicas de comparación de datos __________________________________________ 43
b.3) Mapas topológicos y mapas geométricos _____________________________________ 44
4. Esquemas básicos de navegación para evitar obstáculos _________________________ 46
4.1. Método de detección de bordes o esquinas _____________________________________ 46
iv4.2. La grilla de certeza para la representación de obstáculos _________________________ 47
4.3. El método del campo de potencial ____________________________________________ 48
4.4. Método del campo de fuerzas virtuales (VFF) __________________________________ 48
El concepto del VFF ____________________________________________________________ 48
Inconvenientes del método VFF ___________________________________________________ 50
4.5. Método del histograma de campo vectorial (VFH) _______________________________ 51
4.6. Control estable basado en impedancia_________________________________________ 53
4.7. Control estable basado en flujo óptico _________________________________________ 54
4.8. Control estable basado en visión 2D½ _________________________________________ 55
5. Modelos matemáticos del robot móvil ________________________________________ 57
5.1. Preliminares matemáticos ___________________________________________________ 57
5.2. Modelos cinemáticos _______________________________________________________ 58
5.2.1. Modelo cinemático cartesiano __________________________________________________ 58
5.2.2. Modelo cinemático polar ______________________________________________________ 59
5.2.3. Relación entre los modelos _____________________________________________________ 60
5.3. Modelos dinámicos_________________________________________________________ 61
5.3.1. Modelo dinámico de parámetros conocidos ________________________________________ 61
a) El sistema eléctrico_________________________________________________________ 61
b) El sistema mecánico ________________________________________________________ 62
c) Geometría y dinámica_______________________________________________________ 62
d) Dinámica ________________________________________________________________ 63
e) Modelo del sistema_________________________________________________________ 64
5.3.2. Modelo dinámico con incertidumbres para un robot móvil.____________________________ 67
5.4. Evaluación de los diversos modelos ___________________________________________ 72
6. Referencias bibliográficas _________________________________________________ 76
vUna introducción a los robots móviles
Índice de figuras
Figura 1.2.1.Tres robots que sirvieron de inspiración................................................................ 2
Figura 1.3.1. Robot industrial PUMA (Unimation). .................................................................. 3
Figura 1.3.2. Robot industrial RX260 de Stäubli....................................................................... 3
Figura 1.3.3. Prótesis robótica biónica....................................................................................... 4
Figura 1.3.4. Robot quirúrgico Da Vinci ................................................................................... 4
Figura 1.3.5. Robot móvil AURORA (Universidad de Málaga). .............................................. 5
Figura 1.3.6. Robot AURIGA I V2R (Universidad de Málaga) ................................................ 6
Figura 1.3.7. Robot AURIGA II V0R (Universidad de Málaga)............................................... 6
Figura 1.3.8. El robot serpiente puede desarrollar tareas de inspección en forma individual o
colaborativas acoplado a otros tipos de robots................................................................... 7
Figura 1.3.9. Manipulador móvil de AvtiveMedia. ................................................................... 7
Figura 1.4.1. Inspector Bot de Eventronic ES um robot que inspecciona tuberías.................... 7
Figura 1.4.2. Clean Bot de Eventronic limpia tuberías. ............................................................. 8
Figura 1.4.3. Verro de iRobot limpia piscinas. .......................................................................... 8
Figura 1.4.4. Aspiradora hogareña autónoma Scooba de iRobot............................................... 8
Figura 1.4.5. Robot enfermero Hospi desarrollado por la empresa Matsushita......................... 8
Figura 1.4.6. Montacargas laser-guiado de OCME SRL. .......................................................... 9
Figura 1.4.7. Sistema de Transporte de Material Automatizado (AMTS sus siglas en inglés)
de la Carnegie Mellon University. ..................................................................................... 9
Figura 1.4.8. La NREC (National Robotics Engineering Center) convirtió el estándar 6410 de
John Deere en un vehículo autónomo capaz de recorrer 7km sin necesidad de un
operador.............................................................................................................................. 9
Figura 1.4.9. Robot militar de vigilancia y exploración desarrollado en conjunto por John
Deer y iRobot. .................................................................................................................. 10
Figura 1.4.10. Robot militar Warrior X700 de iRobot............................................................. 10
Figura 1.4.11. Robot soldado TALON utilizado por el ejército de los EU en Iraq. ................ 10
Figura 1.4.12. Robot de vigilancia urbana OFRO de la empresa RobotWatch. ...................... 11
Figura 1.5.1. Algunas de las posibles trayectorias que podría seguir el robot móvil. ............. 11
Figura 1.5.2. Esquema general del sistema de control de un robot móvil. .............................. 13
Figura 1.5.3. Estrategias de control para robots móviles. ........................................................ 14
Figura 2.1.1. Robots de interior (Amigobot) y exterior (Seekur) de ActiveMedia.................. 16
Figura 2.1.2. Entorno estructurado (Biblioteca) y no estructurado (Almacén en línea de
producción)....................................................................................................................... 17
Figura 2.2.1. Robots terrestres. (a) Hermes (Robosoft). (b) Journey (SMU). (c) Scour (USF).17
Figura 2.2.2. Robot acuático (NSF) y robot aéreo (TU Berlin) ............................................... 18
Figura 2.3.1. Tipos de ruedas. (a) Rueda fija. (b) Rueda orientable centrada. (c) Rueda loca. 18
Figura 2.3.2. Detalle de una rueda sueca y su disposición sobre una estructura mecánica. .... 19
Figura 2.4.1. Robot omnidireccional con ruedas suecas. (a) Maniobrabilidad. (b) Robot
Uranus (Universidad de Michigan). ................................................................................. 20
Figura 2.4.2. Robot omnidireccional con ruedas orientables centradas. (a) Disposición sobre
una estructura mecánica. (b) Robot Seekur (ActiveMedia). ............................................ 20
Figura 2.4.3. Sincronismo entre el sistema de tracción y dirección con ruedas
omnidireccionales (Synchro drive). (a) Mecánico. (b) Electrónico................................. 20
Figura 2.4.4. Uniciclo. (a) Estructura. (b) Robot Pionner (ActiveMedia). .............................. 21
Figura 2.4.5. Triciclo. (a) Estructura. (b) Robot Neptune (Universidad Carnegie Mellon). ... 21
Figura 2.4.6. Sistema de dirección Ackerman. ........................................................................ 22
Figura 2.5.1. Sistema de tracción y dirección en ejes independientes. .................................... 23
viFigura 2.5.2. Sistema de tracción y dirección sobre un mismo eje. ......................................... 23
Figura 2.5.3. Sistema de tracción y dirección sobre todos los ejes.......................................... 23
Figura 2.6.1. Robot de Múltiples Grados de Libertad desarrollado en la Universidad de
Michigan........................................................................................................................... 24
Figura 2.6.2. Módulos cooperativos (Universidad de Hamburgo y Beihang). ........................ 24
Figura 2.6.3. Robot de exploración espacial PATHFINDER (JPL). ....................................... 24
Figura 3.3.1. Descriptores dinámicos de un sensor.................................................................. 28
Figura 3.4.1. Sistema de referencias en un robot móvil........................................................... 30
Figura 3.4.2. Odometría en un robot móvil.............................................................................. 32
Figura 3.4.3. Sensor Doppler. .................................................................................................. 33
Figura 3.4.4. Codificador óptico. (a) Principio de funcionamiento (b) Dispositivo comercial.33
Figura 3.4.5. Acelerómetro. (a) Principio de funcionamiento. (b) Acelerómetro electrónico. 34
Figura 3.4.6. Compás electrónico HM55B basado en el efecto Hall. ...................................... 34
Figura 3.4.7. Girocompás desarrollado por Herman Anschütz-Kaempfe en 1903 .................. 35
Figura 3.4.8. Para cada punto sobre una línea hiperbólica, la distancia (ABC - AC) = k, siendo
k constante........................................................................................................................ 36
Figura 3.4.9. Cobertura del sistema Loran. .............................................................................. 37
Figura 3.4.10. Esquema del funcionamiento de un sistema de trilaterización......................... 38
Figura 3.4.11. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) consiste de tres segmentos
fundamentales : Espacio, Control y Usuario.................................................................... 39
Figura 3.4.12. Procedimiento general para el posicionamiento mediante marcas. .................. 41
Figura 3.4.13. Diferentes posibilidades de triangulación. a) Ángulos absolutos de referencia.
b) Ángulos observados entre marcas. c) Distancias observadas a las marcas. d) Ángulo y
distancia a una marca. ...................................................................................................... 41
Figura 3.4.14. Posicionamiento basado en mapas.................................................................... 42
Figura 3.4.15. Distintos tipos de mapas. (a) Geométrico. (b) Topológico............................... 45
Figura 4.2.1. Proyección bi-dimensional del campo cónico de visión de un sensor ultrasónico.47
Figura 4.4.1. Grilla histograma. ............................................................................................... 49
Figura 4.4.2. Concepto del campo de fuerzas virtuales: las celdas ocupadas ejercen fuerzas
repulsivas sobre el robot; la magnitud es proporcional al valor de certeza de la celda y a
la cercanía con las mismas. .............................................................................................. 50
Figura 4.5.1. Mapeo de las celdas de la ventana activa sobre el histograma polar.................. 52
Figura 4.5.2. Densidad polar de obstáculos. ............................................................................ 52
Figura 4.6.1. Lazo de control basado en impedancia. .............................................................. 53
Figura 4.6.2. Funcionamiento del sistema de lazo cerrado. ..................................................... 53
Figura 4.7.1. Imagen del pasillo por el que navega el robot móvil y el campo de flujo óptico
resultante. ......................................................................................................................... 54
Figura 4.7.2. Estructura de control propuesta para navegación mediante flujo óptico............ 55
Figura 4.8.1. Esquema de funcionamiento básico de un sistema de visión 2D½. ................... 55
Figura 4.8.2. Estructura de control propuesta para navegación mediante visión 2D½............ 56
Figura 4.8.3. Secuencia de imágenes de un objeto en interacción con el segmento de luz láser
y sus correspondientes histogramas. ................................................................................ 56
Figura 5.2.1. Posición y orientación del robot móvil expresados en coordenadas cartesianas.58
Figura 5.2.2. Posición y orientación del robot móvil expresados en coordenadas polares...... 59
Figura 5.2.3 .............................................................................................................................. 60
Figura 5.3.1. Modelo dinámico de los motores........................................................................ 61
Figura 5.3.2. Descripción geométrica del vehículo.................................................................. 62
Figura 5.3.3. Evolución temporal de la velocidad lineal del robot móvil para una entrada
escalón de tensión en los motores de tracción (U1= U2 en t= 0,1 seg). .......................... 66
viiUna introducción a los robots móviles
Figura 5.3.4. Evolución temporal de la velocidad angular del robot móvil para una entrada
escalón de tensión en los motores de tracción (U1= -U2 en t= 0,1 seg). ......................... 66
Figura 5.3.5. Robot móvil y sus parámetros característicos. ................................................... 67
Figura 5.4.1. Influencia de la masa de la estructura mecánica sobre las trayectorias descriptas
por el robot considerando los perfiles de tensión de la ¡Error! No se encuentra el origen
de la referencia.. ............................................................................................................... 73
Figura 5.4.2. Influencia de la ordenada, δ, del centro de masas, G, sobre las trayectoria del
robot móvil. ...................................................................................................................... 73
Figura 5.4.3. Relación existente entre el radio de las ruedas de tracción (rr) y la velocidad
lineal del robot.................................................................................................................. 74
Figura 5.4.4. Relación existente entre el radio de las ruedas de tracción (rr) y la velocidad
angular del robot. ............................................................................................................. 74
Figura 5.4.5. Relación existente entre la separación de las ruedas de tracción (b) y la
velocidad angular del robot para 0,1 < b < 1. .................................................................. 75
viii1. Preliminares
1.1. Introducción general
El siglo XXI llega con grandes avances en la robótica que hacen que la misma se presente
como algo cotidiano en las vidas de estas generaciones. Así es común ver robots industriales
que realizan soldaduras, pintan y mueven grandes piezas. Robots que colaboran en los
laboratorios farmacéuticos, en quirófanos o en las actividades diarias de personas
minusválidas. Hasta robots que buscan y desactivan minas personales, buscan sobrevivientes
en zonas de desastres naturales y realizan tareas agrícolas como fumigación y cosecha. Sin
mencionar los robots que adquieren fama ya que son empleados en accidentes nucleares,
naufragios o exploración extraterrestre. En definitiva la robótica se instala en el entorno
brindando seguridad y calidad.
La Robótica siempre ha ofrecido al sector industrial un excelente compromiso entre
productividad y flexibilidad, una calidad uniforme de los productos, una sistematización de
los procesos y la posibilidad de supervisar y/o controlar las plantas según diferentes
parámetros y criterios. Se pueden destacar cuatro ventajas principales de los sistemas
robotizados: aumento de la productividad, alta flexibilidad, excelente calidad y mejora de la
seguridad. Como resultado, la robotización permite mejorar la calidad y las condiciones de
trabajo, sustituyendo tareas penosas por otras que se efectúan en condiciones mucho más
ventajosas. Pero, además, la irrupción de la automatización en los servicios y el ocio permite
mejorar la calidad de vida de los ciudadanos.
1.2. Breve historia
Tradicionalmente las aplicaciones de la robótica estaban centradas en los sectores
manufactureros más desarrollados para la producción masiva: industria del automóvil,
transformaciones metálicas, industria química, etc. aunque en la última década el peso de la
industria manufacturera ha disminuido.
A principios de los años sesenta se introducen en la industria, de modo significativo, los
robots manipuladores como un elemento más del proceso productivo. Esta proliferación,
motivada por la amplia gama de posibilidades que ofrecía, suscitó el interés de los
investigadores para lograr manipuladores más rápidos, precisos y fáciles de programar. La
consecuencia directa de este avance originó un nuevo paso en la automatización industrial,
que flexibilizó la producción con el nacimiento de la noción de célula de fabricación
robotizada.
Los trabajos desarrollados por los robots manipuladores consistían frecuentemente en tareas
repetitivas, como la alimentación de las distintas máquinas componentes de la célula de
fabricación robotizada. Ello exigía ubicarlas en el interior de un área accesible para el
manipulador, caracterizada por la máxima extensión de sus articulaciones, lo cual podría
resultar imposible a medida que la célula sufría progresivas ampliaciones. Una solución a este
problema se logra al desarrollar un vehículo móvil sobre rieles para proporcionar un
transporte eficaz de los materiales entre las distintas zonas de la cadena de producción. De
esta forma, aparecen en los años ochenta los primeros vehículos guiados automáticamente
(AGV’s). Una mejora con respecto a su concepción inicial estriba en la sustitución de los
rieles como referencia de guiado en la navegación por cables enterrados, reduciéndose, con
ello, los costes de instalación.
1Una introducción a los robots móviles
La posibilidad de estructurar el entorno industrial permite la navegación de vehículos con una
capacidad sensorial y de razonamiento mínimas. De este modo, la tarea se ordena en una
secuencia de acciones en la que a su término el vehículo supone que ha alcanzado el objetivo
para el que está programado. Ante cualquier cambio inesperado en el área de trabajo que
afecte el desarrollo normal de la navegación, el sistema de navegación del vehículo se
encontrará imposibilitado para ejecutar acciones alternativas que le permitan reanudar su
labor. Sin embargo, por sus potenciales aplicaciones fuera del ámbito industrial, donde resulta
costoso o imposible estructurar el entorno, se les dotó, en la búsqueda de un vehículo de
propósito general apto para desenvolverse en cualquier clase de ambiente, de un mayor grado
de inteligencia y percepción. Así en los años noventa surgen el robot móvil. Una definición
correcta de robot móvil plantea la capacidad de movimiento sobre entornos no estructurados,
de los que se posee un conocimiento incierto, mediante la interpretación de la información
suministrada a través de sus sensores y del estado actual del vehículo.
Esta evolución mecánica, sensorial y racional de los robots móviles no fue así de estricta ya
que, sin tener una finalidad específica, a lo largo de la historia existieron algunos desarrollos
(Figura 1.2.1) que fueron fuente de inspiración para la construcción de los robots móviles
actuales. Algunos de ellos son el primer robot humanoide de Leonardo Da Vinci a mediados
de los noventa… del siglo XV, la Máquina Speculatrix de W. Walter Grey en los años
cincuenta y Shakey del Stanford Research Institute en los setenta, ambos del siglo XX.
Figura 1.2.1.Tres robots que sirvieron de inspiración.
1.3. Clasificación de los robots
En general la bibliografía ha considerado que existen tres clases de robots [1]:
industriales
médicos
móviles
Los robots industriales (Figura 1.3.1), son los de mayor difusión en tareas de alcance
económico, formados por una estructura mecánica articulada, que se mueve adoptando
distintas configuraciones por las órdenes recibidas de un equipo de control basado
normalmente en un microprocesador.
2Figura 1.3.1. Robot industrial PUMA (Unimation).
Pueden mover cargas pesadas, a elevadas velocidades y con una gran exactitud, como el
RX260 de Stäubli (Figura 1.3.2) que tiene una capacidad máxima de carga de 150Kg y una
exactitud de ±0.07mm
Figura 1.3.2. Robot industrial RX260 de Stäubli.
Los robots médicos, de cooperación o de rehabilitación (Figura 1.3.3) están concebidos como
prótesis inteligentes para los disminuidos físicos que se diferencian del resto en su forma, que
se procura tenga la apariencia de la correspondiente extremidad humana, en realizar las
funciones de ésta y en que las señales de mando provienen de señales nerviosas o musculares.
Estas prótesis pueden doblar el codo, rotar la muñeca o mover el hombro. Ellas pueden imitar
25 de los 30 movimientos desarrollados por un brazo humano permitiéndole a la persona
tomar objetos pequeños como pasas y hasta un vaso con agua.
3Una introducción a los robots móviles
Figura 1.3.3. Prótesis robótica biónica.
También entran en esta categoría aquellos robots desarrollados específicamente como
asistentes en tareas quirúrgicas de gran precisión o alta complejidad como el robot quirúrgico
Da Vinci (Figura 1.3.4) que se encuentra en el Hospital Saint Clare de Denville (EUA). Este
sistema único en el mundo permitirá importantes avances para lograr cirugías menos
invasivas empleando instrumental quirúrgico de avanzada y junto con sistemas de
visualización en tres dimensiones (3D).
Figura 1.3.4. Robot quirúrgico Da Vinci
Los robots móviles son dispositivos de transporte automático, es decir, una plataforma
mecánica dotada de un sistema de locomoción capaz de navegar a través de un determinado
ambiente de trabajo, dotado de cierto nivel de autonomía para su desplazamiento portando
cargas. Sus aplicaciones pueden ser muy variadas y siempre están relacionadas con tareas que
normalmente son riesgosas o nocivas para la salud humana, en áreas como la agricultura, en
el transporte de cargas peligrosas o en tareas de exploración solitarias o cooperativas junto a
4otros vehículos no tripulados. Ejemplos clásicos son el traslado y acopio de materiales, las
tareas de mantenimiento en reactores nucleares, la manipulación de materiales explosivos, la
exploración subterránea, etc.
Es necesario aclarar que el concepto de autonomía no sólo se relaciona con cuestiones
energéticas, sino que también se refiere a la capacidad de percibir, modelar, planificar y
actuar para alcanzar determinados objetivos, sin la intervención (o con una intervención muy
pequeña) del operador humano ya que el robot se puede desenvolver en ambientes
estructurados o no estructurados, total o parcialmente conocidos. El papel de este debe ser
desempeñado por el propio sistema de control del vehículo, al que debe suplir con la
inteligencia necesaria para mover al robot correctamente. La denominación de robot móvil [2]
hace referencia a esa capacidad para alcanzar uno o varios objetivos con una intervención
muy pequeña de supervisores humanos. Por otro lado, la denominación de vehículo
autoguiado está referida a las estructuras móviles que sólo se limitan a seguir caminos
preestablecidos (líneas pintadas en el suelo, bandas magnéticas, bandas reflectoras).
Figura 1.3.5. Robot móvil AURORA (Universidad de Málaga).
En la Figura 1.3.5 se muestra al robot Aurora dedicado al servicio en Invernaderos,
particularmente en tareas de fumigación. Desarrollado en la Universidad de Málaga (UMA),
incorpora una motorización basada en motores de alterna, alimentados por un generador de
alterna a 220 V. Sistema de control basado en PC industrial. Sistema sensorial basado en
sensores de ultrasonidos y cámara CCD para control reactivo y teleoperación.
En la Figura 1.3.6 se presenta al robot Auriga I V2R, robot oruga para carga desarrollado en
los laboratorios de la UMA. Dispone de una tracción independiente por cadena con una
velocidad máxima de 3m/s. La capacidad de carga a 0.75m/s es de 400Kgr. Supera pendientes
superiores a 30º incluso en malas condiciones de apoyo (Escaleras de paso estándar).
Incorpora un Sistema de Planificación y Sistema sensorial de alto nivel (Scaner radial,
cámaras CCD, GPS, Giróscopo) basados en PC Industrial. Además incluye la arquitectura de
control articular para la conducción con remolque, las arquitecturas de detección y de
evitación de obstáculos, así como los módulos para la realización de maniobras complejas.
5Una introducción a los robots móviles
Figura 1.3.6. Robot AURIGA I V2R (Universidad de Málaga)
Figura 1.3.7. Robot AURIGA II V0R (Universidad de Málaga)
En la Figura 1.3.7 se puede observar al robot Auriga II V0R que soporta una plataforma
giroestabilizada para el despegue/aterrizaje de minihelicopteros (hasta 50 Kg. de peso) dotada
de cámaras de ayuda a la maniobra. La plataforma tiene dos grados de libertad, motorizados
mediante dos émbolos con accionamientos eléctricos.
Estas clasificaciones tan estrictas han sido ampliamente superadas gracias al avance de la
mecatrónica, que ha permitido lograr robots más livianos y pequeños, y dispositivos
electrónicos más integrados; todo ello ha permitido superar estas fronteras teóricas y construir
robots más complejos como los robots serpiente (snake robots) de la Figura 1.3.8 o los
manipuladores móviles como el de la Figura 1.3.9.
Estos avances han abierto una puerta a la utilización de robots en tareas que eran imposibles
de realizar por el hombre, y que ahora son posibles de realizar por las máquinas e incluso han
permitido liberar al hombre de tareas riesgosas o monótonamente repetitivas.
6Figura 1.3.8. El robot serpiente puede desarrollar tareas de inspección en forma individual o
colaborativas acoplado a otros tipos de robots.
Figura 1.3.9. Manipulador móvil de AvtiveMedia.
1.4. Aplicaciones de robots móviles
A continuación se muestran algunas aplicaciones de robots móviles que van desde
aplicaciones domesticas y de servicios hasta aplicaciones agro-industriales, sin olvidar las
aplicaciones de vigilancia y militares que son los sectores que más promueven este tipo de
desarrollos.
Figura 1.4.1. Inspector Bot de Eventronic ES um robot que inspecciona tuberías.
7Una introducción a los robots móviles
Figura 1.4.2. Clean Bot de Eventronic limpia tuberías.
Figura 1.4.3. Verro de iRobot limpia piscinas.
Figura 1.4.4. Aspiradora hogareña autónoma Scooba de iRobot.
Figura 1.4.5. Robot enfermero Hospi desarrollado por la empresa Matsushita.
8Figura 1.4.6. Montacargas laser-guiado de OCME SRL.
Figura 1.4.7. Sistema de Transporte de Material Automatizado (AMTS sus siglas en inglés) de la Carnegie
Mellon University.
Figura 1.4.8. La NREC (National Robotics Engineering Center) convirtió el estándar 6410 de John Deere
en un vehículo autónomo capaz de recorrer 7km sin necesidad de un operador.
9Una introducción a los robots móviles
Figura 1.4.9. Robot militar de vigilancia y exploración desarrollado en conjunto por John Deer y iRobot.
Figura 1.4.10. Robot militar Warrior X700 de iRobot.
Figura 1.4.11. Robot soldado TALON utilizado por el ejército de los EU en Iraq.
10Figura 1.4.12. Robot de vigilancia urbana OFRO de la empresa RobotWatch.
1.5. Robots móviles y robótica.
Los robots móviles operando en grandes ambientes no estructurados deben enfrentarse con
significativas incertidumbres en la posición e identificación de objetos. En efecto, la
incertidumbre es tal que, trasladarse desde un punto A hasta un punto B es una actividad
arriesgada para un robot móvil, una actividad relativamente trivial para un manipulador
industrial. En compensación por tener que enfrentarse con más incertidumbres del entorno, no
se espera que un robot móvil siga trayectorias o alcance su destino final con el mismo nivel de
precisión que se espera de un manipulador industrial (en el orden de las centésimas de
milímetro).
Los diferentes índices de operación (medidos por la incertidumbre y precisión requeridas) de
los robots móviles en relación a los manipuladores industriales se debe a la existencia de un
conjunto diferente de prioridades en investigación. Las prioridades para los robots móviles
están firmemente orientadas en las áreas de sensado y raciocinio.
Figura 1.5.1. Algunas de las posibles trayectorias que podría seguir el robot móvil.
11Una introducción a los robots móviles
Los robots industriales pueden ser más efectivos con un mínimo de información sensorial y
sin raciocinio porque ellos operan esencialmente en ambientes estáticos, estructurados y en
gran medida conocidos.
El principal problema a resolver en un robot móvil es generar trayectorias y guiar su
movimiento según éstas, en base a la información proveniente del sistema de sensores
externos (ultrasonidos, láser, visión), permitiendo al vehículo desplazarse entre dos puntos
cualesquiera del ambiente de trabajo de manera segura, sin colisiones. Esto exige diseñar
sistemas de control de trayectorias (posición, dirección, velocidad) en diversos niveles
jerárquicos, de manera que el procesamiento de la información proveniente de los sensores
externos asegure la mayor autonomía posible.
El robot móvil autónomo se caracteriza por una conexión inteligente entre las operaciones de
percepción y acción, que define su comportamiento y le permite llegar a la consecución de los
objetivos programados sobre entornos con cierta incertidumbre. El grado de autonomía
depende en gran medida de la facultad del robot para abstraer el entorno y convertir la
información obtenida en órdenes, de tal modo que, aplicadas sobre los actuadores del sistema
de locomoción, garantice la realización eficaz de su tarea. De este modo, las dos grandes
características que lo alejan de cualquier otro tipo de vehículo se relacionan a continuación
[3]:
• Percepción: El robot móvil debe ser capaz de determinar la relación con su entorno
de trabajo, mediante el sistema sensorial a bordo. La capacidad de percepción del
robot móvil se traduce en la síntesis de toda la información provista por los sensores,
con el objeto de generar mapas globales y locales del entorno de acuerdo a los
diversos niveles de control.
• Razonamiento: El robot móvil debe ser capaz de decidir que acciones son requeridas
en cada momento, según el estado del robot y el de su entorno, para alcanzar su(s)
objetivo(s). La capacidad de razonamiento del robot móvil se traduce en la
planificación de trayectorias globales seguras y en la habilidad para modificarlas en
presencia de obstáculos inesperados (control local de trayectoria) para permitirle, al
robot, la consecución de los objetivos encomendados.
En la Figura 1.5.2 se muestra un esquema básico general de la estructura de control de un
robot móvil y las partes que componen la arquitectura general de control.
Generador Global de Trayectorias (GGT): Es el nivel jerárquico superior. Este nivel es el
encargado de decidir, en base a la tarea asignada, las coordenadas del punto destino, de
puntos intermedios en la trayectoria y, en caso que el camino esté obstruido, redefinir la
trayectoria elegida. La información que emplea este nivel jerárquico puede ser generada fuera
de línea (conocimiento a priori del ambiente de trabajo) o en línea, en base a criterios
predefinidos y utilizando la información provista por el sistema sensorial (desconocimiento
parcial o total del ambiente de trabajo) a partir de la elaboración de mapas del entorno
(SLAM).
Generador Local de Trayectorias (GLT): Es el nivel jerárquico intermedio. Este nivel
jerárquico hace las veces de operador (piloto) del robot móvil, evitando los obstáculos del
camino, realizando correcciones en la trayectoria y adecuando la velocidad del vehículo de
acuerdo a la maniobra que se realiza. Permite un control dinámico del robot móvil. Mantiene
informado al GGT sobre los resultados del objetivo asignado, y en caso de no tener un
conocimiento a priori del ambiente de trabajo, genera información para ser almacenada en la
12memoria del GGT. Está directamente comunicado con el sistema sensorial, lo que le permite
tomar decisiones en línea y además genera los valores de referencia para el Control Local del
Sistema de Tracción y Dirección. Se han desarrollado GLT tanto con algoritmos clásicos del
tipo Maze-Search como con la utilización de elementos de la Inteligencia Artificial que
emulan el comportamiento del operador humano.
Figura 1.5.2. Esquema general del sistema de control de un robot móvil.
Control Local del Sistema de Tracción y Dirección (CL): Es el nivel jerárquico inferior.
Interpreta las referencias enviadas desde el GLT y genera las acciones de control para que los
motores de tracción y dirección trabajen en forma coordinada y de esta manera se alcance el
punto destino siguiendo trayectorias suaves, libres de oscilaciones y maniobras violentas para
la carga. Los controladores empleados en este nivel corresponden, fundamentalmente, a los
controladores desarrollados en la teoría de control clásica.
La planificación de rutas en ambientes desconocidos se realiza por medio de generadores
locales de trayectorias que solo consideran el entorno próximo al robot móvil para determinar
la dirección a seguir; las trayectorias obtenidas no son óptimas. En ambientes enteramente
conocidos, la planificación se realiza por medio de los generadores globales de trayectorias,
que fundamentalmente tienen en cuenta todos los caminos posibles y eligen aquél que tenga
un menor factor de costo (en otras palabras aquél camino óptimo). Este factor de costo estará
influenciado por la transitabilidad, prioridades de circulación, densidad de obstáculos etc., en
las diversas trayectorias.
13Una introducción a los robots móviles
Las estrategias de control empleadas son muy variadas [4] y no es el objetivo de este trabajo
mencionarlas a todas, pero si se mencionará que la gran variedad de estrategias de control van
desde el control deliberativo hasta el control puramente reactivo, pasando por las estrategias
basadas en comportamientos, como se muestra en la Figura 1.5.3 donde cada una de ellas
posee sus ventajas y desventajas.
Figura 1.5.3. Estrategias de control para robots móviles.
Las estrategias de control deliberativo se basan en una estrategia puramente simbólica, esto
significa que la semejanza entre el entorno y su modelo en el robot debe ser precisa para que
el comportamiento del robot sea el deseado. Por ejemplo un robot móvil preparado para
navegar en un entorno estático probablemente no sabrá que hacer cuando se encuentre en un
pasillo por el que circulan personas; esta dependencia con el entorno limita su rango de
aplicación. Sin embargo las estrategias deliberativas incluyen un análisis de estabilidad que
permite garantizar, a priori, bajo que condiciones del entorno el robot móvil cumplirá con sus
objetivos. Esto conduce a sistemas de control y de procesamiento de la información
complejos que insumen un importante costo computacional que, además, restringe su
velocidad de respuesta.
Por el contrario, las estrategias de control reactivo se basan en un esquema de acciones
reflejas, esto significa que el entorno se percibe como un estímulo (distancia a los objetos,
nivel de luz, temperatura, etc.) que genera una acción de control función de la intensidad del
mismo. Esta independencia con el entorno, junto con funciones de control simples del tipo si-
no o proporcional, es lo que potencia a este tipo de estrategias por su elevada velocidad de
respuesta y su bajo costo computacional. Sin embargo la superposición de acciones reflejas
termina por generar en muchos casos un comportamiento emergente no deseado, por ejemplo
un robot móvil diseñado para buscar fuentes de luz, pero que en presencia de penumbra gira
180º y escapa, podrá tener un comportamiento no deseado si entre la fuente de luz y el robot
existe un obstáculo que proyecta su sombra sobre la trayectoria del robot. En la mayoría de
los casos los comportamientos emergentes no son tan obvios y solo se perciben cuando el
sistema de control es implantado en el robot.
En un nivel más abstracto se puede decir que los algoritmos denominados deliberativos están
basados en el modelo tradicional de inteligencia artificial del conocimiento humano. Los
algoritmos de control razonan acerca de la percepción del robot (datos sensados) mientras
construyen un modelo del entorno (memoria) y subsecuentemente planifica las acciones del
14robot. Estos métodos requieren gran capacidad computacional y toma de decisión, resultando
en respuesta relativamente lenta del sistema. El control reactivo elimina completamente el
conocimiento. En este modo de control no existe la planificación ni el razonamiento; no hay
modelos del entorno. El simple reflejo vincula acciones a percepciones, resultando en una
respuesta más rápida del estímulo de salida.
En el medio quedan las estrategias de control basado en comportamientos que tratan de
rescatar las ventajas del control deliberativo y del reactivo incorporando estrategias de control
híbrido para garantizar la estabilidad de múltiples controladores simples operando en paralelo
junto con técnicas de aprendizaje para mejorar el desempeño del robot para lograr
independizarlo del modelo del entorno.
La tendencia en este sentido es lograr algoritmos de control confiables (una propiedad de los
algoritmos de control deliberativo) que tengan una velocidad de respuesta acorde con la
velocidad del robot móvil (una propiedad de los algoritmos de control reactivo).
Las tendencias actuales apuntan a independizar al máximo al robot móvil del operador,
cumpliendo éste solo la función de vigilar el normal comportamiento del robot y dando un
mínimo de instrucciones. Esto significa que el robot móvil debe ser capaz de identificar, por
sí solo, el ambiente en el cual va a trabajar. En la práctica esto es bastante difícil, y se hacen
necesarios una serie de datos para poder inicializar el sistema. Los primeros robots móviles
debían conocer totalmente el ambiente donde iban a trabajar, es decir las dimensiones del
ambiente, y la posición y forma exacta de cada obstáculo. Las técnicas de reconocimiento de
imágenes permitieron independizar más a los robots móviles, necesitando solo las
dimensiones del ambiente y corriendo por cuenta propia la identificación de los obstáculos.
En esta filosofía de pensamiento, el problema radica en lograr un algoritmo que identifique
rápidamente los obstáculos para que el robot móvil se desplace de un punto a otro en el
mínimo tiempo posible.
El uso de robots móviles está justificado en aplicaciones en las que se realizan tareas molestas
o arriesgadas para el trabajador humano. Entre ellas, el transporte de material peligroso, las
excavaciones mineras, la limpieza industrial o la inspección de plantas nucleares son ejemplos
donde un robot móvil puede desarrollar su labor y evita exponer, gratuitamente, la salud del
trabajador. Otro grupo de aplicaciones donde este tipo de robots complementa la actuación
del operador lo componen las labores de vigilancia, de inspección o asistencia a personas
incapacitadas. Asimismo en aplicaciones de teleoperación donde existe un retraso sensible en
las comunicaciones, como es el caso de exploración interplanetaria y submarina, resulta
interesante el uso de robots móviles con cierto grado de autonomía.
15Una introducción a los robots móviles
2. Morfología de los robots móviles
La mayoría de los robots móviles poseen características particulares que los hacen aptos para
una determinada tarea. Es la tarea misma la que determina en una primera etapa las
particularidades estructurales del robot que van desde el tipo de rueda, el sistema de tracción
y dirección y la forma física del robot. En una segunda etapa la tarea determinará las
características sensoriales del robot.
En general los robots móviles distribuyen sus sistemas de tracción y dirección sobre los ejes
de sus ruedas de acuerdo a las exigencias de velocidad, maniobrabilidad y características del
terreno. La precisión y rapidez con que el robot móvil debe alcanzar su destino, implica tener
un sistema de tracción confiable y un sistema de dirección que dé maniobrabilidad al robot.
Esta confiabilidad y maniobrabilidad que debe tener el robot móvil, determinan las
características del sistema de tracción y dirección, no sólo en lo que respecta a la técnica, sino
también al número de ruedas necesarias y al tipo y disposición de éstas para lograr una
estructura mecánica estable [5], [6].
2.1. Tipos de entornos en el que opera el robot móvil
Es esta característica la que fija mayores restricciones sobre el robot móvil y se agrupan
según el área de trabajo y según los objetos presentes en el entrono.
Según el área de trabajo el entrono del robot puede ser interior o exterior. Es interior cuando
el área de trabajo está claramente definida por paredes y cielorrasos. Además la iluminación
es principalmente artificial. Por el contrario es exterior cuando el área de trabajo no está
claramente delimitada y el tipo de iluminación es principalmente natural. Ejemplos clásicos
de entornos interiores y exteriores son los grandes edificios públicos y los parques o bosques,
respectivamente (Figura 2.1.1).
Figura 2.1.1. Robots de interior (Amigobot) y exterior (Seekur) de ActiveMedia.
Según los objetos presentes el entorno del robot puede ser estructurado o no estructurado. Es
estructurado cuando los objetos presentes en el entrono son estáticos (no cambian de forma ni
de posición) y poseen características físicas particulares (forma, color, etc.) que permiten
asociarlos con figuras geométricas conocidas como prismas o cilindros o permiten distinguir
unos objetos de otros (puertas abiertas, mesas de trabajo, etc.). En el otro sentido el entrono es
no estructurado cuando la asociación entre los objetos del entorno y determinadas
características físicas no es viable, cuando el entorno es dinámico (que cambia con el
transcurrir del tiempo) y estos cambios, además, pueden ser impredecible. Por ejemplo una
16biblioteca es un entorno estructurado, debido al poco movimiento de personas y a que las
estanterías están siempre en los mismos lugares. Por el contrario un depósito en una línea de
producción es un entorno no estructurado, fundamentalmente porque el entorno cambia a
medida que se reciben y envían los pallets.
Figura 2.1.2. Entorno estructurado (Biblioteca) y no estructurado (Almacén en línea de producción).
2.2. Tipos de sistemas de locomoción
El sistema de locomoción es una de las primeras características de un robot que esta
condicionada por su entorno. De acuerdo a las características del mismo el robot puede ser
terrestre
con patas (Figura 2.2.1a)
con ruedas (Figura 2.2.1b)
con cadenas (Figura 2.2.1c)
Figura 2.2.1. Robots terrestres. (a) Hermes (Robosoft). (b) Journey (SMU). (c) Scour (USF).
O también
acuático (UWV)
flotante
submarino (Figura 2.2.2(a))
aéreo (UAV) (Figura 2.2.2(b))
17Una introducción a los robots móviles
Figura 2.2.2. Robot acuático (NSF) y robot aéreo (TU Berlin)
2.3. Tipos de ruedas
Entre los robots terrestres con ruedas su movilidad está caracterizada por dos factores: el tipo
de ruedas que poseen y su disposición sobre una estructura mecánica.
Se asume que, durante el movimiento el plano de la rueda se mantiene vertical y que las
ruedas rotan alrededor de su eje (horizontal), que tiene una orientación con respecto a la
estructura que puede ser fija o variable.
Se distinguen entre dos clases básicas de ruedas: la rueda convencional y la rueda sueca
(swedish wheel). En ambos casos, se supone que el contacto entre la rueda y el terreno se
reduce a un único punto del plano
Para una rueda convencional el contacto entre la rueda y el terreno se supone que satisface la
rotación pura sin resbalamiento. Esto significa que la velocidad del punto de contacto es igual
a cero (tanto la componente paralela como la componente perpendicular al plano de la rueda).
A su vez entre las ruedas convencionales se distinguen tres tipos:
Rueda fija: El eje de la rueda está fijo a la estructura del robot (Figura 2.3.1a). En general está
asociada al sistema de tracción del robot.
(a) (b) (c)
Figura 2.3.1. Tipos de ruedas. (a) Rueda fija. (b) Rueda orientable centrada. (c) Rueda loca.
Rueda orientable centrada: Es aquella en la que el movimiento del plano de la rueda con
respecto a la estructura es una rotación alrededor de un eje vertical que pasa a través del
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