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III Jornadas de robtica en la UCA
Semana de la ciencia y la TecnologaNoviembre 2006
Escuela Politcnica Superior
Universidad Autnoma de Madrid
Juan Gonzlez Gmez
Robtica modular y Locomocin
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ndice
Introduccin
Mdulos Y1
Robtica modular y locomocin
Configuraciones mnimas
Configuraciones superiores
Conclusiones y trabajos futuros
Vdeos
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Areas principales de investigacin en
robtica
Manipulacin: Robots quepueden interactuar con objetos
Locomocin:Capacidad de los robots
para desplazarse de un lugar a otro.
Robots industrialesRobots de servicio Robots mviles
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Los robots mviles se pueden clasificar segn los elementosque emplean para realizar la locomocin:
Locomocin(I): Clasificacin de los
robots mviles
Ruedas
Orugas
Patas
Otros
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Alto consumo
Ms complejos
Problema de la coordinacin
Locomocin (II): Robots con patas
8 patas 6 patas 4 patas
2 patas
Por qu la mayora de animales en lanaturaleza tienen patas?
Vdeo
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Locomocin (III): Diferentes niveles
El estudio de la locomocin se aborda desde diferente niveles:
Incremento enlnea recta
Nivel 1 Robot
Desplazamientoen un planoNivel 2
Planificacin,Navegacin
NivelesSuperiores
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Locomocin (IV): Problema de la
locomocin
Enunciado:Robot mvil capaz de moverse por cualquier tipo de entorno, por muy
escarpado que sea.
Nasa interesada en este problema.
Exploracin de marte
3.5 x 3 m
Nunca fue enviado...
Exploracin de volcanes
Utiliza un cable de sustentacin
Al quinto da volc
CMU AMBLER (89) DANTE II (94)
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Robtica modular reconfigurable(I)
En 1994, Mark Yim ,en su tesis doctoral introdujo una nueva idea paraabordar el problema de la locomocin: los robots modulares yreconfigurables.
Construir robots a partir de mdulos sencillos
Estos robots pueden cambiar de forma para adaptarse al terreno Los robots modulares ms avanzados actualmente son:
POLYBOT (USA) M-TRAN (Japn) YAMOR (Suiza)
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Robtica Modular reconfigurable (II)
El diseo se centra en el mdulo y no en un robot particular Las diferentes combinaciones de mdulos se llaman configuraciones
Se clasifican en automtica y manualmente reconfigurables
Ventajas:
Versatilidad
Prototipado rpido
Prueba de nuevas ideas
Muy buenas plataformas parael estudio de la lomocin
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Diseo especfico
Robtica:
Clasificacin segn la estructura
Diseo modular
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Mdulos Y1
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Vdeo
Misma orientacin: Rotacin de 90 grados:
Caractersticas
Material: Plstico de 3mm
Servo: Futaba 3003
Dimensiones: 52x52x72mm
Rango de rotacin: 180 degreesDos tipos de conexin:
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Construccin en 6 pasos...
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Robtica modular y locomocin
Estudio de la locomocin de la robtica modular en general:
1. Existe un mtodo general vlido, independiente de la forma del robot,para realizar la locomocin ?
2. Potencialmente existen infinitas configuraciones. Cmo abordar elestudio de la locomocin en general?
Retos:
Problema 1:
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Vamos a inspirarnos en la naturaleza: tomaremos ideas de la
Biologa
Los vertebrados tienen en la espina dorsal un conjunto deneuronas llamadas CPGs
Los CPGs son unos osciladores neuronales que generan
seales periodicas que se aplican a los msculos, haciendo que losanimales se muevan
CPGs
Espina dorsal
Problema 1:
Generadores centrales de patrones (CPGs)
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Problema 2:
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Problema 2:
Clasificacin
Topologas 1D: cadenas demdulos (gusanos,
serpientes, brazos, patas...)
Topologa 2D. Dos oms cadenas demdulos conectadasen diferentes ejes
Topologas 3D. Resto deconfiguraciones
Potencialmente hay infinitas configuraciones que se pueden construir Hay que establecer clasificaciones y estudiar los diferentes grupos
Un criterio podra ser la topologa de los robots:
Problema de las configuraciones
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Problema de las configuraciones
mnimas
Para el estudio, hay que empezar eligiendo un representante de cada grupo La eleccin menos compleja: las configuraciones mnimas
Topologas 1D Topologas 2D Topologa 3D
Representante Representante Representante
Problema de las configuraciones mnimas: Encontrar cuales son losrobots con el menor nmero de mdulos y que se pueden desplazar
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Evaluacin y Bsqueda de soluciones
Para evaluar las configuraciones y los parmetros de la coordinacinnecesitamos un SIMULADOR.
Para encontrar las soluciones necesitamos un algoritmo debsqueda: ALGORITMOS GENETICOS.
Usamos el Open Dynamics Engine (ODE).
Es un motor fsico
Cromosomas
Topologas 1D y
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Topologas 1D y
Configuraciones mnimas
Cual es la configuracinmnima que se mueve en lnea
recta? Cmo hay que coordinar susarticulaciones para lograrlo?
Topologa 1D:
Locomocin en 1D: Locomocin en 2D:
Cual es la configuracinmnima que se mueve en un plano?
Cmo hay que coordinar susarticulaciones para lograrlo?
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Solucin 1: Configuracin Pitch-Pitch (PP)
Slo se necesitan dosmdulos para avanzar enlnea recta
1
A.sin(=2T
t )
2
A.sin( t+ )= 2T
Se aplican dos ondassinusoidales
La diferencia de fasedetermina la coordinacin
Vdeo
Topologas 1D y
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Topologas 1D y
Configuraciones mnimas
Topologa 1D:
Locomocin en 1D: Locomocin en 2D:
Cual es la configuracinmnima que se mueve en un plano?
Cmo hay que coordinar susarticulaciones para lograrlo?
PP (Pitch-Pitch)
Solucin 2:
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Solucin 2:
Configuracin PYP (Pitch-Yaw-Pitch)
Pitch axis
Pitch axis
Yaw Axis
Son necesarios 3 mdulos
Puede moverse de cuatro maneras diferentes:
1
32
Lnea recta
Describir un arco
Desplazamiento lateral
Rodar
Configuracin II (PYP):
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Configuracin II (PYP):
Lnea recta y arco
1
A.sin(=2T
t )
3A.sin( t+ )= 2
T
2
=0 2
=0
Movimiento en lnea recta Movimiento en arco
El ngulo fijo del mdulo central determina si se avanza en lnearecta o en arco
La coordinacin es la misma que para la configuracin PP
Configuracin II (PYP):
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Configuracin II (PYP):
Desplazamiento lateral y rotacin
A.sin(2
T
t )
3
=1
=
2 A.sin( t+ )= 2T
2
Desplazamiento lateral
A60
Se aplican tres ondassinusoidales
La del centro estdesfasada 90 gradosrespecto a las otras dos
Vdeo
Topologas 1D y
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Topologas 1D
Locomocin en 1D Locomocin en 2D
PP (Pitch-Pitch)
Topologas 1D y
Configuraciones mnimas
PYP (Pitch-Yaw-Pitch)
Lnea recta
Arco
Desplazamiento lateral
Rotacin lateral Lnea recta
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Configuraciones Superiores
Topologas 1D
Locomocin en 1D Locomocin en 2D
Conf. mnima 8 mdulos Conf. Mnima 8 mdulos
PP Cube Revolutions PYP Hypercube
Vamos a extender los resultados a otras configuraciones mayores
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Cube Revolutions
E t t i
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Estructura mecnica
Configuracin: 8 mdulos Y1 conectados con la misma orientacin
Dimensiones: 52x52x576mm:
C di i
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Coordinacin
Para moverlo podemos utilizar lo aprendido con la configuracinmnima PP: extender a 8 mdulos.
Es un mtodo slo vlidos para topologas de 1 dimensin
Slo son necesarios 4 parmetros, indpendientemente de la longitudde gusano:
Al tener ms mdulos, aparecen nuevas posibilidades: Utilizar ondasglobales
Longitud de onda
Amplitud
Periodo
Forma de la onda
Coordinacin II
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Coordinacin II
Las caractersticas del movimiento dependen de la onda usada:
Amplitud grande: pasar sobre obstculos
Amplitud baja: atravesar por un tubo
Semi-ondas: Movimiento tipo oruga
Propiedades de locomocin
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Propiedades de locomocin
Estos robots pueden cambiar su forma Se mueven de diferentes maneras
Vdeo
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Hypercube
Mecnica
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Mecnica
8 mdulos Y1 Conexin 90 grados desfasada
4 rotan paralelamente al suelo
4 rotan perpendicularmente
Coordinacin
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Coordinacin
Se usan 8 generadores sinusoidales, uno para cada articulacin
4 controlan los mdulos horizontales
4 controlan los mdulos verticales
Se emplean en total 8 parmetros:
AH
AV
,
OH
OV
,
H
V,
VH,
Amplitd:
Valor medio:
Diferencia de fases:
Periodo: T
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Hypercube:
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Resmen
Todos los movimientos se consiguen modificando los parmetros de
los generadores sinusoidales
Parece que el modelo de generador sinusoidal es bastante verstil
Hardware
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Hardware
Tarjeta Skypic basada en el PIC16F876A
Alimentacin y electrnica situada fuera del robot
Algoritmos de locomocin se ejecutan en el PC
El PC se comunica con la electrnica a travs de comunicacin serie
RS-232
Alimentacin
PC
RS-232PWM
Conclusiones
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Conclusiones
El modelo de generadores sinusoidales es prometedor
Solo es el comienzo de las posibilidades de la robtica modular
Una vez descubiertas las configuraciones y su coordinacin: es muysencillo implementar los dos primeros niveles de locomocin (1D y 2D)
Los modelos bioinspirados nos simplifican la vida
Trabajos futuros
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Trabajos futuros
Hemos diseado una nueva generacin de mdulos (ZG):
Con ellos es posible construir configuraciones ms complejas, como por ejemplohumanoides o cuadrpedos
Con ellos queremos construir ungusano trepador, que puedasubir por las paredes.
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Muchas gracias por vuestra atencin
Be modular my friend!
...and remember......and remember...
:-)
Robtica modular y Locomocin
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III Jornadas de robtica en la UCASemana de la ciencia y la Tecnologa
Noviembre 2006
Escuela Politcnica Superior
Universidad Autnoma de Madrid
Juan Gonzlez Gmez
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