MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE CONVOCATORIA CURSO 2010/2012

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1 UNIVERSIDAD DE JAÉN Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE CONVOCATORIA CURSO 2010/2012 DATOS DEL/DE LA SOLICITANTE Nombre JAVIER Apellidos GÁMEZ GARCÍA D.N.I X jggarcia@ujaen.es Centro EPS de Jaén Teléfono Departamento Ingeniería Electrónica y Automática Categoría Profesor titular de universidad DATOS DEL PROYECTO Título CREACIÓN DE UN GRUPO DE TRABAJO MULTIDISCIPLINAR PARA EL DESARROLLO DE UN ROBOT HUMANOIDE UTILIZANDO HERRAMIENTAS TICs. Línea de actuación Proyecto de Innovación para asignaturas Departamento/s implicados Ingeniería Electrónica y Automática Asignatura/s implicada/s Robótica Industrial, Visión por Computador, Robótica, Introduction to Robotics, Control por Computador Titulación/Grado implicado/s Ingeniería Industrial, Ingeniería Informática, Ingeniería Técnica Industrial: Esp. Electrónica Industrial, Máster en Control de Procesos Curso/s implicado/s 4 Nº de alumnos afectados 200

2 Contenido 1. Justificación Breve resumen Justificación Objetivos conseguidos Contenidos desarrollados Resultados obtenidos Descripción global de la experiencia Metodología y recursos Proyección e Impacto Evaluación del proceso y autoevaluación Otras consideraciones Gastos Datos de los miembros del proyecto Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 2

3 1. Justificación A continuación se muestra un breve resumen así como la justificación de realización del proyecto Breve resumen En este proyecto se ha propuesto la creación de un grupo de trabajo multidisciplinar, formado tanto por alumnos como profesores, para la realización de un proyecto basado en robots humanoides. El objetivo del proyecto ha sido, debido a la complejidad inherente que presenta el hecho de trabajar con robots con forma humana, ya sea desde un punto de vista de control, de sensores o del propio hardware, crear un equipo de trabajo que adapte y programe un pequeño robot humanoide capaz de realizar varias tareas básicas como caminar evitando obstáculos o bien luchar contra otros robots. Este equipo de trabajo ha sido coordinado y dirigido utilizando herramientas TICs, como la utilización de la plataforma Ilías o herramientas webs para compartir información (tipo Dropbox). La documentación final obtenida será utilizada en las distintas asignaturas de robótica que se imparten actualmente en la Escuela Politécnica Superior de Jaén. Éstas son: Robótica (Ing. Informática), Robótica Industrial (Ing. Industrial), Introduction to Robotics (todas las ingenierías), Robótica Industrial y Visión por Computador (todas las ingenierías). Al mismo tiempo, la realización de este proyecto ha permitido al equipo creado participar en el concurso nacional de CEABOT celebrado dentro del marco del congreso nacional de Sevilla conocido como Jornadas de Automática Justificación La justificación de este proyecto nace ante la necesidad de: - Ampliar las posibilidades de experimentación con sistemas reales de los estudiantes de ingeniería, permitiendo comprender y afianzar los contenidos teóricos impartidos; - Posibilitar al alumnado la realización de proyectos complejos trabajando en grupo. Debido a la complejidad del proyecto, se considera apropiado crear un grupo de trabajo multidisciplinar que consiga los objetivos propuestos. - Ofrecer al equipo de trabajo creado la posibilidad de participar en una competición a nivel nacional donde podrán interaccionar con otros estudiantes formados en otras universidades. - Documentar todo el trabajo realizado y ofrecerlo, vía Ilías y otras herramientas TICs, a los alumnos matriculados en las asignaturas de robótica. Debido al atractivo de esta actividad, sin duda motivará al alumnado a participar de las asignaturas. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 3

4 Otra de las motivaciones es que el equipo de trabajo ha podido presentar su sistema robótico al concurso CEABOT que se realiza, con carácter anual, en las Jornadas de Automática (Imagen 1). Las pruebas a superar son diversas, desde realizar un recorrido con obstáculos a enfrentarse en combate. Nuestro equipo en particular quedó bien posicionado en la prueba de Sumo, llegando incluso a ganar en dicha prueba en un nuevo concurso que se celebró en el Politécnica de Barcelona. Imagen 1. Fotografía del evento CEABOT. Esta experiencia ha ofrecido a los estudiantes que han conformado el grupo de trabajo una experiencia singular, ya que nunca antes habrían puesto en práctica y comparado su trabajo desarrollado con otros equipos de otras universidades. Los miembros participantes en el proyecto han sido: NOMBRE PUESTO DESEMPEÑADO JAVIER GÁMEZ GARCÍA Profesor Área de Ingeniería de Sistemas y Automática Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 4

5 JUAN GÓMEZ ORTEGA Profesor Área de Ingeniería de Sistemas y Automática ALEJANDRO SÁNCHEZ GARCÍA Profesor Área de Ingeniería de Sistemas y Automática DANIEL CASALE LINDE Alumno de segundo ciclo de Ingeniería Industrial ÁLVARO CABRERIZO MARTÍNEZ Alumno de segundo ciclo de Ingeniería Industrial A última hora se ha añadido un nuevo alumno que también está trabajando en esta temática. Su nombre es Enrique José Lopez Soriano, y pertenece a la doble titulación de Mecánica Electrónica de I. T. Industriales. 2. Objetivos conseguidos. Dentro de este contexto, la finalidad del proyecto ha sido crear un equipo de trabajo multidisciplinar, formado por alumnos y los profesores que imparten robótica en la EPS de Jaén, y que este equipo cree un robot humanoide capaz de realizar las siguientes tareas: 1. Caminar esquivando los obstáculos que encuentre a su paso y tomar otro camino distinto si se viese atrapado. 2. Que el robot robonova I pueda subir escalones y bajarlos. Para la realización de ambos objetivos generales se han fijado los siguientes objetivos específicos: Desarrollar estrategia de control que permitan los mejores resultados de la manera más económica posible. Cotejar los distintos sensores existentes que puedan servir para una misma finalidad para la elección del más adecuado en base a sus características técnicas, su compatibilidad con robonova y su precio. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 5

6 Implementar los algoritmos de control y movimientos de forma que robonova I sea lo más rápido posible. Verificar los resultados obtenidos. 3. Contenidos desarrollados. Para la elaboración del proyecto se han desarrollado los siguientes puntos: a) Estudio de la morfología del robot dinámica y sistema de actuación. b) Consulta de bibliografía relacionada. c) Análisis de los requisitos que se deben superar para la realización de las tareas y de cómo se podrían lograr. d) Inclusión y puesta a punto de los sensores y circuitos que sean necesarios para la realización de las tareas definidas. e) Desarrollo de los algoritmos de control y posterior implementación. f) Validación de los algoritmos de control implementados y corrección de estos. g) Generación de conclusiones y líneas futuras de trabajo. A continuación desarrollamos brevemente cada uno de estos puntos. a) Estudio de la morfología del robot dinámica y sistema de actuación. El punto de partida de este proyecto ha sido el estudio de la capacidad de movimiento de robonova-i y el análisis de los componentes electrónicos que lo conforman: Los servos HSR- 8498HB y la controladora MR-C3024. En la siguiente imagen se muestra una fotografía del robot completo. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 6

7 b) Consulta de bibliografía relacionada. La bibliografía utilizada en este proyecto se puede clasificar en tres grupos, según sea su finalidad: Control de robots humanoides. Diseño y selección de componentes electrónicos. Programación Software. También se ha obtenido una gran cantidad de información a través de internet: manuales del robot y del software de programación, cursos sobre el Robonova, videos, foros, etc. c) Análisis de los requisitos que se deben superar para la realización de las tareas objetivo y de cómo se podrían lograr. En este punto se ha planteado el sistema sensorial que se usará finalmente de forma que permita actuar a robonova-i ante cada situación de la mejor forma posible. La estrategia que se ha seguido para la superación del primer objetivo ha sido, resumidamente, la siguiente: Realizar un barrido del terreno de ciento ochenta grados tomando medidas cada diez grados. Analizar los datos en busca del mejor camino. Establecer el rumbo correcto. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 7

8 Por tanto, el punto clave de este algoritmo consistirá en como determinar cuál es el mejor camino y en ser capaz de llegar a él. La estrategia para la superación del segundo objetivo se ha dispuesto de la siguiente forma: Dar un paso. Comprobar si la palma de los dos pies están en contacto total con suelo. Comprobar si la punta de los pies tienen contacto con algún objeto. Si hay contacto con algún objeto en los dos pies, subir escalón Si alguna palma no está en contacto con el suelo, bajar escalón d) Inclusión y puesta a punto de los sensores y circuitos que sean necesarios para la realización de las tareas definidas. En cuanto al primer objetivo, para realizar un barrido de ciento ochenta grados y calcular el camino se ha pensado que la mejor opción era disponer de un servo con un sensor, dispuestos de tal forma que giren solidariamente. Por tanto, se ha añadido un servo y un sensor de distancias analógico por infrarrojos. También elementos mecánicos para la sujeción de estos reemplazando la cabeza original de robonova-i. Para poder tomar el camino correcto era necesario saber qué rumbo se lleva en cada momento para poder comparar el uno con el otro. Por esta razón se ha añadido la brújula digital. También se ha situado un acelerómetro de dos ejes en el hombro de robonova-i. Su finalidad es la de ayudar a solucionar los problemas relacionados con la caída del robot y la estabilidad. Por tanto, han sido instalados los siguientes elementos: Servo Hitec HSR-8498HB Sensor de distancias analógico por infrarrojos Sharp GP2Y0A21 Brújula digital CMPS03 Acelerómetro de dos ejes ADXL322 El sensor de distancias analógico por infrarrojos Sharp GP2Y0A21 no requería calibración, pero como su salida en lugar de lineal es logarítmica, ha sido necesario desarrollar un programa para convertir los valores devueltos por el sensor en una distancia en centímetros. La calibración de la brújula digital CMPS03 se realiza por software y una vez calibrada es necesario disponer de un programa para comunicarse con ella. Finalmente, el acelerómetro de dos ejes ADXL322 no necesita ningún tipo de calibración y devuelve directamente un valor analógico con la salida. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 8

9 En cuanto al segundo objetivo, lo más barato era instalar dos pulsadores en cada pie, uno para detectar cuando subir y otro para detectar cuando bajar. El problema en utilizar pulsadores es que la señal no se mantiene más que un instante, que puede o no coincidir con el instante en el que la señal es leida. Es necesario mantener la señal de alguna forma activa hasta que sea leída. Esta es la razón por la que un circuito con dos biestables J-K ha sido usado. Este circuito de J-K ha sido usado en realidad como biestables T, de forma que la salida conmute en cada flanco ascendente del pulsador. Con todo esto, podemos realizar un programa con dos variables de salida que sean justamente las señales que necesitábamos. En conclusión, ha sido necesario instalar: Cuatro pulsadores Dos biestables J-K e) Desarrollo de los algoritmos de control y posterior implementación. Una vez desarrollados los algoritmos, para su implementación y la preparación de los movimientos se ha utilizado el robobasic v2.5. Este programa está especialmente diseñado para Robonova-I y acepta solo unas pocas tarjetas controladoras. El código se escribe en robobasic. Las funciones que proporcionaba el programa (véase la siguiente figura), eran las siguientes: Compilación del código Descarga en la memoria del robot del código Interfaz gráfica para la elaboración de movimientos Posibilidad de ejecutar paso a paso los movimientos sin estar descargados aún en la memoria de robonova-i Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 9

10 Los servos Hitec HSR-8498HB utilizan el protocoo HMI que permite programar parcialmente algunas de sus características. Para ello es necesario conectar los servos al ordenador y esto se puede hacer de dos formas distintas: La primera es conectando un solo servo con el puerto serie. Esto implica desconectar cada servo de robonova-i que se quiera modificar y conectarle otros cables al servo en cuestión para poder conectarlo al puerto serie. La segunda es a través de la controladora. Esta opción permite conectar robonova-i a través de su jack serie de forma que podemos seleccionar sin cambiar ninguna conexión que servo deseamos modificar. Es obvio que la segunda opción es mucho más cómoda, sin embargo, con la segunda opción no se puede modificar el parámetro de Position Setting. A continuación se muestra la configuración elegida. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 10

11 Conexión de un solo servo para programación HMI f) Validación de los algoritmos de control implementados y corrección de estos. No ha sido posible depurar el código ni visualizar los valores que toman las variables. Para solucionar este problema se ha conectado un circuito MAX232 entre el ordenador y el puerto LCD de robonova-i. De esta forma podemos visualizar al menos los valores de las variables, aunque no podremos depurar el código pasa a paso. El programa que ha sido usado para recibir los datos y visualizar las variables en el ordenador es la hyperterminal de Windows XP, no obstante, puede haber otras opciones. En la figura siguiente se muestra un esquema del conexionado realizado. Esquema de max232, puerto LCD y puerto serie DB9 interconectados Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 11

12 Para la verificación de los resultados del primer objetivo se ha utilizado un campo con una superficie nivelada, plana y rígida, de 2,5 m. de largo por 2 m. de ancho. Los obstáculos tienen todos la misma forma rectangular y podrán presentar cualquier configuración posible. El robot partía del área de salida y el comportamiento esperado será que tras llegar al área de llegada parcial vuelva al área de salida por el mismo camino u otro cualquiera. Al mismo tiempo se comprobó mediante el ordenador que los cálculos que realiza el robot eran los esperados. A continuación se muestran varias representaciones del campo descrito, con algunas de las configuraciones posibles de los obstáculos que serán verificadas. Posibles distribuciones de obstáculos Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 12

13 Para la verificación de los resultados del segundo objetivo general se utilizará un campo con tres escalones de subida y tres escalones de bajada de tres centímetros de grosor. Representación del campo de escalones Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 13

14 4. Resultados obtenidos Dentro de las tareas marcadas en la memoria del proyecto, y analizando el trabajo que ya se ha realizado durante estos dos años, tal y como se muestra en el desarrollo de los objetivos, podemos concluir que se han obtenido tres grandes resultados. Estos son: Que el equipo de trabajo creado participe en una competición de carácter nacional. La intención es poder participar en las próximas Jornadas de Automática que se celebrarán en Sevilla a mediados de septiembre. En ella estarán presentes más de 30 universidades y participarán en el concurso más de 10. Esto ampliará sus relaciones con otras universidades, posibilitando el intercambio de ideas y mejorando su formación. [1] Creación de un equipo de trabajo formado por alumnos y profesores con el fin de llevar a cabo un proyecto conjunto dentro del ámbito de la robótica. Para facilitar este objetivo se han utilizado tecnologías TICs como el uso de carpetas compartidas utilizando Dropbox, escritorios compartidos, servidores, etc. [2] Participación en dos concursos nacionales sobre la temática llegando a ganar en uno de ellos. A continuación se muestran una serie de fotografías relacionadas con el evento. A destacar la última donde se le entrega el premio a nuestro equipo. [3] Elaboración de material específico sobre el trabajo realizado: todo el trabajo desarrollado: teoría de control, sistemas mecánicos, sensores, tarjetas de control, etc., está documentado y puesto al alcance del resto de los alumnos que cursen las asignaturas de robótica. Una copia de éste se entrega en el CD adjunto. Para ello se han trabajado los siguientes aspectos: o o o o Desarrollo de documentación para su uso posterior como bibliografía en las que se imparte robótica. Desarrollo de manuales de funcionamiento del equipo robótico humanoide a utilizar. Desarrollo de prácticas y ejercicios previos relacionados con la programación de robots y la implementación de algoritmos de control. Grabación de videos ejemplo que motiven al alumnado para su participación en este tipo de proyectos. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 14

15 Imagen: fotografía del evento Jornadas de Automática concurso CEABOT Imagen: fotografía de los distintos participantes al concurso CEABOT. En total participaron 7 equipos de distintas universidades. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 15

16 Imagen: fotografía de nuestro equipo participante en el concurso CEABOT. Imagen: fotografía de nuestro equipo recibiendo el cheque regalo al haber ganado en la competición de SUMO celebrada en Barcelona. Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 16

17 5. Descripción global de la experiencia Plenamente satisfactoria tanto para los alumnos como para el profesorado y tanto a nivel educativo como personal. 6. Metodología y recursos El proyecto ha constado de los siguientes materiales y métodos para llevar a cabo la consecución de los objetivos propuestos. En lo referente al material, en caso de concederse el proyecto, se ha contado con los siguientes elementos: Imagen: Fotografía del robot humanoide la marca Hitec. Dos robots humanoide ROBONOVA de la marca Hitec. Bibliografía relacionada. Una plataforma de docencia virtual robusta (ILIAS). Esta plataforma nos permite manejar los datos de nuestros alumnos y comunicarnos con ellos de manera inmediata y personalizada. Además nos permite: crear foros de preguntas, publicar la documentación relacionada con la realización de la práctica, con la puesta en marcha del equipo, etc. Material informático (PCs) y de papelería, aunque como se puede comprobar el presupuesto presentado, se considera necesario la adquisición de cierto material extra como un ordenador portátil para la programación de los robots. Por otro lado, los métodos empleados han sido: Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 17

18 - Creación de un grupo de trabajo multidisciplinar compuesto por varios alumnos que estaban interesados en la ejecución del proyecto. - Análisis de la bibliografía técnica relacionada con las asignaturas e identificación del material bibliográfico de apoyo para el desarrollo del curso. - Desarrollo de las propuestas de objetivos que presentan claramente al alumno contenidos relacionados con robots humanoides. - Desarrollo y utilización de una plataforma virtual para compartir información relacionada con el proyecto. - Realización de tutorías individualizadas que permitan una comunicación directa profesor alumno. 7. Proyección e Impacto Sin duda se producirán mejoras significativas en el aprendizaje de las asignaturas implicadas en este proyecto de innovación docente ya que se ofrecerán nuevos equipos de prácticas ya programados y funcionando. Ofrecer al alumno la posibilidad de trabajar con equipos reales y novedosos le ayudará a afianzar, de forma rápida y eficaz, los conceptos fundamentales de estas asignaturas. Además, el equipo hardware que se ha desarrollado permitirá participar en nuevas competiciones en caso de obtener nueva financiación. En este sentido, son muchas las universidades que disponen de equipos de robots humanoides que participan en este tipo de concurso como es el CEABOT. 8. Evaluación del proceso y autoevaluación A lo largo de estos dos años se han alcanzado los siguientes objetivos propuestos inicialmente en este proyecto: 1) Desarrollo de un equipo de trabajo multi disciplinar para el control de un robot humanoide básico. 2) Adquisición, adaptación, programación y control de dicho robot. 3) Participación de dos competiciones nacionales de este tipo de robots. Llegando a ganar en una de ellas. El trofeo conseguido se encuentra expuesto en el Laboratorio 402 del edificio A3 (EPS de Jaén). Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 18

19 4) Crear un sistema de información que recoja las distintas experiencias realizadas con el robot (problemas implementados, tiempo necesitado para resolverlos, resultados de la experiencia, etc.) Dentro de dichos objetivos, resulta interesante destacar los siguientes aspectos: - Hubiera sido deseable la implicación de un número mayor de alumnos en el proceso de diseño de la parte hardware software del sistema que se ha desarrollado. Recordemos que el control de este tipo de robots es realmente complejo. - La adquisición de robots de otras marcas que existen en el mercado. - Debido a la dificultad del proyecto, el proceso de captación de candidatos para la realización del proyecto final de carrera fue difícil y la participación fue bastante escasa. - Los dos alumnos que han participado se encuentra muy satisfechos; de hecho, uno de ellos está realizando una beca de colaboración con este Dpto además de su proyecto final de carrera. - De cara a los profesores, ha sido una experiencia gratificante crear un equipo de trabajo, desde cero, y que participen en una competición nacional, llegando a ganar una de las pruebas. 9. Otras consideraciones Otras consideraciones Aún existen gastos que no se han pagado (se estaba a la espera de la factura), el pago se realizaría una vez hubiese vuelto el PAS del DPTO. 10. Gastos Gastos generados en el segundo año Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 19

20 Fungibles Inventariables Viajes/Actividades Otros Justificación Los gastos generados se deben a la asistencia al congreso mencionado anteriormente de las Jornadas de Automática, en Sevilla. Al concurso celebrado en Barcelona, donde nuestro equipo quedó como vencedor en la prueba de Sumo, y en la compra, adaptación y mejora del robot humanoide utilizado en las distintas pruebas. No se detallan al no tener los datos exactos por encontrarse de vacaciones el Responsable de Gestión de mi Dpto. 11. Datos de los miembros del proyecto DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO Nombre JUAN Apellidos GÓMEZ ORTEGA D.N.I M juango@ujaen.es Centro E.P.S. JAÉN Teléfono Departamento INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA Asignatura impartida AUTOMÁTICA INDUSTRIAL, FUND. CONTROL DE PROCESOS Curso 2º GRADO, MÁSTER Categoría CATEDRÁTICO DE UNIV. Firma DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO Nombre JAVIER Apellidos GÁMEZ GARCÍA D.N.I X jggarcia@ujaen.es Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 20

21 Centro E.P.S. JAÉN Teléfono Departamento INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA Asignatura impartida AUTOMÁTICA INDUSTRIAL, VISIÓN POR COMPUTADOR Curso 2º GRADO, 2º CICLO Categoría Profesor TU Firma DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO Nombre ALEJANDRO Apellidos SÁNCHEZ GARCÍA D.N.I asgarcia@ujaen.es Centro E.P.S. DE JAÉN Teléfono Departamento INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA Asignatura impartida CONTROL POR COMPUTADOR, REGULACIÓN AUTOMÁTICA Curso MÁSTER, 1º CICLO Categoría AYUDANTE Firma VºBº de Coordinador/a Fdo.: Javier Gámez García Jaén, a 30 de agosto de 2012 Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática 21