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Desarrollo de robots humanoides para jugar futbol

Tecnológico de MonterreyCampus Estado de México

• Desarrollar un robot con forma humana capaz de interactuar y apoyar las tareas cotidianas de los seres humanos (prótesis dinámicas, rehabilitación, policíacas y militares, asistencia médica, uso doméstico, aplicaciones recreativas y de educación)

• Veremos humanoides en la vida-cotidiana a condición que: beneficio-social, amigable-usuario, tecnológicamente-viable, costo-accesible y sea-durable.

• Establecer una plataforma de alto grado de dificultad para estudiantes de áreas afines (electrónica, mecánica y computación) tanto a nivel licenciatura como posgrado.

Motivación

• Dr. Alejandro Aceves ITESM-CEM (Líder)

Equipo de Trabajo

Graduados:

• MC. Raul Serna• MC. Enrique González• IMT Alejandro Melendez• IMT: Guillermo Villarreal• IMT: Hector M. Sánchez• IMT: Osvelia Urbán

• IMT: Salvador Sumohano• IMT: Oscar R. Hernández• IMT: David Alonso Quiroz• IMT: Arturo Camarillo

Estudiantes actuales:• DCI: Aarón Alvarez• DCI: Carmen Juárez• MCI: Lucia Barrera• MCI: Gabriel González• MCI: Jorge Quesadas• MCI: Erik Cruz

Extremidades inferiores

Diseño de una estructura a dos piernas capaz de desplazarse en terrenos planos, no-nivelados, escalonado e irregular manteniendo el equilibrio, transportando una carga útil y de forma autónoma.

R. Serna, “Discusión y selección de los elementos necesarios para la construcción de un robot bípedo de tipo medio-humanoide llamado Mayra”,Tesis de maestría, MCI Enero 2005.

13cm

Altura = 52cm

25cm

Peso total: 2.358Kg

x y

z

d1

d3

d2

θ3

θ8

(θ1,θ2)

(θ4,θ5)

(θ9,θ10)

(θ6,θ7)

1er prototipo (2004)

1er prototipo (2004)Como caminamos: ciclo de la marcha

DS SS DS SS

Fase Swing DFase de apoyo D

Fase Swing I Fase de apoyo I

Frame Interpolator

Motion Frames

Walk Engine

Walk Parameters

Dynamic Walking Motion

Static Frame-Based Motion

Robot Humanoide

1er prototipo (2004)

Cómo lograr que camine un robot humanoide:

El caminado estáticamente estable hacia adelante de un bípedo se puede lograr separando dos movimientos: balanceo y avance.

Si el robot camina rápido, su inercia podría ocasionar que la PNCM se mueva muy cerca del borde del polígono de soporte ocasionando que el robot se caiga.

(θ1, θ2)

(θ4, θ5)

(θ6, θ7)

(θ9, θ10)

θ3

θ8

(xrf, yrf, zrf)

NPCM(xlf, ylf, zlf)

Serna&Aceves, " From mechatronic design to the construction of a statically stable biped robot ", 2do IEEE LARC and VII Simposio Brasileiro de Automatización Inteligente, Sao Luis-MA, Brazil, 18-23 September 2005,

1er prototipo (2004)

11

10

d

d

d

xf y

z

θ

θ

−

=

1

10

00

cm

gz

θ

θ

=

M

Resolver:

imponiendo:

xy

z(θ1, θ2)

(θ4, θ5)

(θ6, θ7)

(θ9, θ10)

θ3

θ8

(xr, yr, zr)

1er prototipo (2004)

PNCM Cada postura es estáticamente estable !

xy

z(θ1, θ2)

(θ4, θ5)

(θ6, θ7)

(θ9, θ10)

θ3

θ8

(xr, yr, zr)

11

10

d

d

d

xf y

z

θ

θ

−

=

1

10

00

cm

gz

θ

θ

=

M

Resolver:

imponiendo:

1er prototipo (2004)

PNCM Cada postura es estáticamente estable !

1er prototipo (2004)

Paso 9

P a s o 1P a s o 2Paso

3 Pa so

4 Pa so

5 Pa

so

6 Pa so

7 Pa so

8

La interpolación de posturas estáticamente estables resulta en un caminado estáticamente estable.

Mandas las soluciones de

todas las posturas

Interpolación en tiempo real

Resolver todos los IK-problemas

1er prototipo (2004)

1er prototipo (2004)

Inverse Kinematics

Walk Parameters

Frame Interpolator

Motion Frames

Engine Walking Motion

Static Frame-Based Motion

Robot Humanoide

Mejoras a MAYRA (2005)

( ) ( )( )( )

( ) ( )( )( )

0cos

max 0,sin

0cos

max 0,sin

deseada xyzPD rf

deseada xyzPI lf

P t C r t

r t

P t C r t

r t

ω

ω

ω π

ω π

= +

= + +

+

Mejoras a MAYRA (2005)

Aceves et. al. "Borregos Salvajes - Team Description Four-legged Sony League", Proceeding of the 7th RoboCup International Symposium, 2-1 1 July 2003, Padua Italy.

( ) ( ) ( )2 2 2 2 22 3

32 3

arccos 12

x y zrf rf rfP P P d d

d dθ

+ + − − = +

52 3 3

arcsincos

xrfP

d dθ

θ−

=+

( )( )

5 2 3 3 3 34

3 3 5 2 3 3

cos cos sinarctan

sin cos cos

y zrf rfy zrf rf

P d d P dP d P d d

θ θ θθ

θ θ θ+ +

=− +

Cinemática inversa del pie derecho:

Mejoras a MAYRA (2005)

ACEVES, MELENDEZ, “Human-inspired walking-style for a low-cost biped prototype”, IEEE 3rd Latin American Robotics Symposium, October 26 & 27, 2006 Universidad de Chile. ISBN 1-4244-0537-8S.

2do prototipo (2008)Construcción de un prototipo más alto.

Cruz, Villarreal, Salvador Sumohano, Aceves, “Team Descripction Paper Bogobots Humanoide Team (Teen Size), Robocup Suzhou China 2008

Modelo Dinámico (2006)

Vitruvian MAYRA

Enrique González Núñez, "Modelado y control de las dinámicas del caminado del bípedo MAYRA“, Tesis de Maestría, Marzo 2007.

Modelo de 10DOF Modelo de 6DOF

Modelo reducido a 6 DOF (Euler-Lagrange):

Ley de control aplicada:

Modelo Dinámico (2006)

Enrique González Núñez, Alejandro Aceves López, Marco Iván Ramírez-Sosa M. CONTROL PARA EL SEGUIMIENTO DE TRAYECTORIA DE MOVIMIENTO DE UN BÍPEDO CON FASES: PIE DE SOPORTE - PIE EN MOVIMIENTO, Primer Encuentro Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaría, ITESM Campus Chihuahua 2007.

Modelo Dinámico (2006)Programas diseñados en Mathematica v5

Modelo Dinámico (2006)

Simulación de medio paso:

Modelo Dinámico (2006)

Varios servomotores comerciales cumplen:

Resultados de la simulación:

Sistema de percepción

Diseño de un sistema que permita conocer la situación del medio ambiente considerando que existen objetos conocidos y que algunos de ellos están fijos.

Diseño electro-mecánico

2do Prototipo (2007)

Y - Luminance (brightness)U (Cb) - Blueness (Blue vs. Green)V (Cr) - Redness (Red vs. Green)

1.- Definición de los colores a discriminar2.- Analizar cada nueva imágen en tiempo real

2do Prototipo (2007)

Raziel Alvarez, “Desarrollo de algoritmos robustos para la clasificación de colores en condiciones variantes de iluminación”, Tesis de Maestría 2005.

2do Prototipo (2007)

1.

2. 3.

4.

2do Prototipo (2007)

Identificación de regiones en la imagen con pixeles iguales

2do Prototipo (2007)

Por “corridas lineales”

Por “crecimiento de semillas”

2do Prototipo (2007)

Integración

Diseño de un sistema completo humanoide (piernas, brazos y sistema de percepción) con el propósito de jugar futbol: reconocer objetos, caminar en el campo, acercarse a la pelota, patear en dirección correcta.

2do Prototipo (2007)

Integración de:

• Basado en una estructura comercialmente disponible

• Una estructura mecánica de humanoide completo

• Algoritmos da caminado estáticamente estable

• Sistema de visión• Algoritmos de

comportamientos básico• Comportamientos compuestos

ROBONOVA-1

2do Prototipo (2007)

Programa integrador: Visión-Locomoción

2do Prototipo (2007)

2do Prototipo (2007)

3er Prototipo (2008)Análisis estructural de BOGOBOT1 para conocer:• Tensores de inercia• Esfuerzos máximos en los eslabones• Torcas máximas en las articulaciones

En proceso: Tesis Ing. Jorge Quezadas, MCI 2009

3er Prototipo (2008)Integración de:

• Diseño en base a servomotores comerciales

• Captura (piernas, brazos, torax) y ensamble en CATIA

• Construcción

BOGOBOT-1

3er Prototipo (2008)

• Basado en piezas de LyxnMotion,• Procesamiento imágenes con

CMUcam3• Diseño propio basado en

procesamiento distribuido• Fuente conmutada de energía• Recuperación caídas (F.Kalman)• Caminado en lazo cerrado (IMU)• Balanceo por ZMP• Brújula electrónica• Caminado omnidireccional• Comportamientos complejos

BOGOBOT-1

Aceves, Cruz, Villarreal, Salvador Sumohano, “Team Descripction Paper Bogobots Humanoide Team (Kid Size), Robocup Suzhou China 2008

3er Prototipo (2008)Separación de algoritmos en tres procesadores:

IMU

3er Prototipo (2008)

3er Prototipo (2008)Secuencia de levantado con Frame-Based Motion y giroscopio:

3er Prototipo (2008)Refinamiento (mejoras) de los movimientos:

3er Prototipo (2008)Prototipo 2007 vs Prototipo 2008

3er Prototipo (2008)Zero Momento Point (Vukobratovic 1969-1973)

Salvador Sumohano Verdeja; “Secuencias de caminado para robot humanoide Bogobot-1 por Zero-Moment-Point” Reporte de Estancia de Investigación del Tec de Monterrey Campus Estado de México, 2008.

3er Prototipo (2008)

Foot_Traj + ZMP

Algoritmo de caminado omnidireccional con control equilibrio dinámico:

3er Prototipo (2008)Feet path IK-Biped Control

jointsMATLAB

model

3er Prototipo (2008)

Caminado estáticamente estable (sin ZMP)

Caminado dinámicamente estable (con ZMP)

• Identificación de objetos – Pelota, portería y marcas de cancha

• Localización del robot en la cancha.

3er Prototipo (2009)

+

=

Dyb

Dxad 11

La distancia es inversamente proporcional al tamaño de la imagen.

3er Prototipo (2009)Determinación de la distancia relativa a los objetos de la cancha (fijos=portería, marcas; y móviles=pelota)

En curso: Lucia Barrera, “Desarrollo de algoritmos robustos para la clasificación de colores en condiciones variantes de iluminación”, Tesis de Maestría

Si la distancia es precisa, basta con 2 marcas para obtener la posición.

3er Prototipo (2009)Auto-ubicación por triangulación:

3er Prototipo (2009)Decisión en función de la ubicación (rodear o patear):

3er Prototipo (2009)Decisión en función de la ubicación:

3er Prototipo (2009)

RoboCup 2009

http://www.tzi.de/humanoid/bin/view/Website/Teams2009

Bogobot 1 (08)

RoboCup 2009

RoboCup 2009

Resultados 2009EVENTO: RoboCup 2009, June 29-July 5, 2009,  Graz, Austria.RESULTADO: séptimo lugar de la categoría humanoides kid-

size y mejor equipo de América.REFERENICA WEB: (liga)

EVENTO: Torneo Mexicano de Robótica 2009, Universidad Panamericana Campus Guadalajara del 10 al 12 de septiembre 2009.

RESULTADO: Segundo lugar de la categoría humanoides y mejor equipo mexicano.

REFERENCIA WEB: (liga)

TMR 2009

TMR 2009

¿Qué SIGUE?

• Más rápidos• Más fuertes

4to Prototipo (2010)

BOGOBOT-2

4to Prototipo (2010)• 6 GDL Por Pata• Velocidad 15 cm / s• Altura: 43 cm• Componentes básicos

• 7 GDL Por Pata• Velocidad 40 cm / s• Altura: 60 cm• Componentes avanzados

4to Prototipo (2010)• Bogobot 1

– Hitec HSR 5990 TG– 30 kg – cm– .12 seg / 60º – PWM

• Bogobot 2– Robotis Rx 64– 72 Kg – cm– .12 seg / 60 º– RS 485

Retroalimentado

4to Prototipo (2009)• Bogobot V1

– CMUCAM2– 255 x 280– 10 FPS– RS232 115 200bps– 50º– Segmentación con fotos

• Bogobot V2– uEye UI1226LE– 1280 x 1400– 100 FPS– USB 480 000 000 bps– 180º– Segmentación en tiempo real.

4to Prototipo (2009)• Bogobot V1

– DsPic 30f4013– 20 Mhz– 200KB RAM– Programación bajo nivel (C)

• Bogobot V2– Vaio VNG– 1200 Mhz– 1GB RAM y 20GB DD– Programación alto

nivel (MATLAB, LabView)

4to Prototipo (2010)

Humanoide

Comunicación

Locomoción

Percepción

Decisión

EncodersMotores

Imagen

Micrófono

Bocina

Mensaje recibido

Mensaje a enviar

Mover robot

ExcepciónIniciar

comportamiento

Buscar objeto

Objetos reconocidos

WLAN

IMU

Brújula

Gracias por su atención!