Maestría en Manufactura Integrada por Computadora. Robótica Integrada a la manufactura

Transcripción

1 Maestría en Manufactura Integrada por Computadora. Robótica Integrada a la manufactura Alumno: Ing. Cesar Melgar Docente: Mg. Ing. Manuel Cardona Cohorte

2 INTRODUCCION Desde que se crearon los robots industriales, se hizo evidente lo fácil que estos pueden llegar a chocar con su medio ambiente, o entre ellos mismos. Desde entonces, la búsqueda de métodos de anticolisión ha demandado la atención de los investigadores. En el primer caso están los métodos de planeación de rutas, y en el segundo caso, los métodos de detección y evasión de obstáculos. Los métodos de planeación de rutas consisten en encontrar en forma automática las rutas libres de colisión, mientras que los métodos de evasión de obstáculos consisten en detectar y/o evadir los obstáculos que se presentan en la trayectoria del robot, mientras éste consigue alcanzar la meta. Robotica Integrada a la manufactura 2

3 INTRODUCCION Qué es la planificación de caminos? Determinar dónde y cómo vamos de un punto a otro Robotica Integrada a la manufactura 3

4 INTRODUCCION Planear los movimientos de un robot de forma fiable sin que colisione con su entorno se ha convertido en un problema relevante en la última década. La idea central de esta presentación es exponer dos de los principales métodos que permiten generar trayectorias libre de colisiones en cualquier espacio n-dimensional. La importancia de conocer estas estrategias radica en que estos mismos algoritmos se han aplicado en áreas distintas a la robótica, como diseño de medicamentos, animación computarizada e inteligencia artificial. También se presenta un referente histórico de varios métodos de generación de trayectorias y mostramos mediante simulaciones como las estrategias de los campos potenciales artificiales y de los mapas probabilísticos funcionan, siendo los más apropiados en virtud de los aspectos teóricos. Robotica Integrada a la manufactura 4

5 METODOS PARA EVITAR COLISIONES Problema complejo que involucra otros muchos: Localización del robot respecto a su entorno Conocimiento de la estructura del entorno -> Mapas Capacidad de actualización de datos del entorno -> Sensores Generación de trayectorias realizables a partir de la información del entorno Ejecución la las trayectorias programadas de modo robusto (evitación de eventuales colisiones) En general se suelen distinguir tres grandes grupos de tareas Planificación de caminos (rutas) libres de obstáculos Detección de colisiones Evasión de obstaculos Robotica Integrada a la manufactura 5

6 METODOS PARA EVITAR COLISIONES Planificación de caminos Se refiere al conjunto de algoritmos diseñados para la obtención de trayectorias libres de obstáculos realizables por el robot móvil. Generalmente se trata de optimizar algún criterio (camino de longitud mínimo, maximizas distancia a obstáculos, etc). Se asocia a la detección de colisiones Detección de colisiones Prever la posibilidad de colisión del robot, en función de su trayectoria actual, velocidad, y objetos del entorno Detección basada en datos de sensores de proximidad y detección basada en mapas del entorno. Robotica Integrada a la manufactura 6

7 METODOS PARA EVITAR COLISIONES Evitación de colisiones Conjunto de tareas encamidas a la generación de acciones de evitación de colisiones, una vez detectada ésta. Diferente grado de complejidad: Detención del vehículo, modulación de la velocidad o planificador local de trayectorias. Robotica Integrada a la manufactura 7

8 METODOS PARA EVITAR COLISIONES Funciones de detección, evitación y planificación Funciones de tiempo real Captación y proceso en tiempo real de información de sensores. Sincronización y coordinación Limitaciones de tiempos de ciclo Funciones previas al inicio del movimiento Planificación de las tareas de movimiento Integración con los niveles de control inferiores Se basa en información previa del entorno (mapas) Robotica Integrada a la manufactura 8

9 METODOS PARA EVITAR COLISIONES Funciones de ayuda a la programación Facilitan la tarea del programador Detectan posibles incongruencias en el camino planificado (caminos irrealizables o que requieran reconfiguración del vehículo) Robotica Integrada a la manufactura 9

10 MODELOS DEL ENTORNO Qué es el entorno? El entorno consiste esencialmente en Obstáculos Zonas del espacio ya ocupadas por el robot Básicamente,!! No podemos ir a estas zonas!! Espacio libre Zonas no ocupadas El robot puede ocupar estas zonas Una trayectoria válida de movimiento será aquella secuencia de espacios libres que una los puntos origen y destino de la trayectoria y que no impliques que ninguna pare del robot invada zona de obstáculos Robotica Integrada a la manufactura 10

11 MODELOS DEL ENTORNO Cómo podemos describir con precisión el entorno de movimiento de un robot? Características requeridas para la descripción Descripción suficientemente precisa para describir todos los elementos del entorno relevantes para el propósito del mismo Descripción matemática simple (depende del entorno) Búsqueda eficiente de información Poco tamaño en memoria Actualizable Hipótesis: Estructura del entorno: Entorno bidimensional, plano Obstáculos fijos sin movimiento No existen otros objetos móviles en el entorno Robotica Integrada a la manufactura 11

12 EJEMPLO DE ENTORNO (Y ROBOT) Robotica Integrada a la manufactura 12

13 MODELOS DEL ENTORNO 1. Modelado mediante ocupación de celdas Dividir el volumen de trabajo en celdas de una determinada dimensión. Si la celda (i,j) contiene total o parcialmente un obtáculo, se pone a uno, o cero en caso contrario Ventajas: Descripción sencilla Inconvenientes: Requiere una mallado muy fino para describir con precisión el entorno Ocupan mucha memoria Pocoeficiente Robotica Integrada a la manufactura 13

14 MODELOS DEL ENTORNO 2. Estructuras jerárquicas Similar a la anterior, pero se adapta el mallado a las zonas donde se requiera más resolución Se emplean estructuras de datos (quadtrees u octrees) Ventajas: Descripción sencilla y eficiente Ocupan poca memoria Inconvenientes: Búsquedas más complejas Robotica Integrada a la manufactura 14

15 MODELOS DEL ENTORNO 3. Modelos de primitivas de sólidos 2D o 3D Se modelan los obtáculos como sólidos de geometría sencilla (esferas, cilindros, paralelepípedos, cilindrosferas, etc) Ventajas: Descripción sencilla y eficiente Ocupan poca memoria Inconvenientes: Descripción conservadora Robotica Integrada a la manufactura 15

16 MODELOS DEL ENTORNO 4. Expansión de obstáculos Se aproxima el robot por una forma geomátrica sencilla y se expanden los obtáculos en la misma proporición Permite tratar el robor como un objeto puntual Ventajas: Descripción sencilla Inconvenientes: Descripción conservadora Robotica Integrada a la manufactura 16

17 MODELOS DEL ENTORNO 5. Modelado en el espacio de las configuraciones Conjunto de todos los puntos alcanzables del espacio basado en el conocimiento del entorno y el robot Se construye expandiendo los obtáculos según la geometría y grados de libertad del rotot Ventajas: Descripción menos conservadora El robot es tratado como objeto puntual Inconvenientes: Descripción más compleja Robotica Integrada a la manufactura 17

18 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano 1.- Gráficos de visibilidad Se definen todos los segmentos que conectan el punto origen, el punto destino y los vértices de los obtáculos, siempre y cuando haya visibilidad entre ellos Se entien por visibilidad, si el segmento transcurre todo él, integramente en zona libre de obstáculos Se supone que existen caminos bordeando los obstáculos Primero se une el origen y el destino con todos los vértices del entorno con los que haya visibilidad. -Segundo, se trazan líneas de visibilidad desde cada vértice alcanzado a todos lo visibles desde cada uno de ellos Recordemos que los laterales de los obstáculos también se consideran líneas de visibilidad Robotica Integrada a la manufactura 18

19 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Robotica Integrada a la manufactura 19

20 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Continuamos con el procedimiento desde cada nuevo vértice alcanzado, hasta que ya no queden vértices Robotica Integrada a la manufactura 20

21 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Finalmente calculamos el mejor camino posible según el criterio seleccionado. Generalemente el de menos longitud Robotica Integrada a la manufactura 21

22 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano 2.- Método Lumelsky o de bordeo de obstáculos Trazamos el segmento entre origen y destino, bordeamos arbitrariamente a izquierda o derecha en caso de colisión con algún obstáculo hasta recuperar el camino original Muy simple pero poco eficiente Robotica Integrada a la manufactura 22

23 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano 3.- Método de descomposión trapezoidal Descomponemos el entorno en zonas trapezoidales que, o bien contengan íntegramentes obstáculo, o bien espacio libre, y determinamos el centroide de cada trapecio Robotica Integrada a la manufactura 23

24 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Robotica Integrada a la manufactura 24

25 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Robotica Integrada a la manufactura 25

26 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Robotica Integrada a la manufactura 26

27 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Robotica Integrada a la manufactura 27

28 Planificación basada en modelo: Métodos espacio cartesiano Robotica Integrada a la manufactura 28

29 Planificación basada en modelo: Métodos en el espacio de las Configuraciones Métodos en el espacio de las configuraciones 1.- Grafos de conectividad Se genera un grafo de conectividad de todos los vertex del espacio de configuraciones, y se calcula una trayectoria óptima basada en dicho grafo. Si se emplean lo GDL del robot, transforma problemas geométricos 2D y problemas de grafos 3D. Robotica Integrada a la manufactura 29

30 Planificación basada en modelo: Otros Métodos Métodos basados en diagramas de Voronoi Se calcula el lugar geométrico de los puntos que equidistan y minimizan la distancia a los objetos del entorno. Si nos movemos por los puntos del diagrama de Voronoi, estaremos maximizando la distancia a los obstáculos (mínimo riesgo de colisión) Robotica Integrada a la manufactura 30

31 Planificación basada en modelo: Otros Métodos Métrica de los diagramas de Voronoi Robotica Integrada a la manufactura 31

32 Planificación basada en modelo: Otros Métodos Robotica Integrada a la manufactura 32

33 Planificación basada en modelo: Otros Métodos Planificador de frente de onda Proporciona trayectorias de mínima distancia sobre un mapa del entorno de ocupación de celdas. Es eficiente y simple computacionalmente. Las distancias se discretizan empleando una métrica apropiada Robotica Integrada a la manufactura 33

34 Planificación basada en modelo: Otros Métodos Robotica Integrada a la manufactura 34

35 Planificación no basada en modelo: Métodos Reactivos Métodos reactivos Permiten generar una respuesta rápida a información de sensores de proximidad del robot. Se emplean generalmente como respuesta para evitación de colisiones. No es necesario disponer de modelos del entorno La percepción del entorno inmediato del robot se obtiene mediante sensores apropiados: (Sensores, láser, ultrasónicos y de contacto) Dos métodos: Método de los campos potenciales Método de las fuerzas virtuales Robotica Integrada a la manufactura 35

36 Planificación no basada en modelo: Métodos Reactivos 1.- Métodos reactivos: Método de los campos potenciales Se basa en considerar el movimiento del robot en un campo de fuerzas con los obstáculos generando fuerzas repulsivas, y la posición objetivo del objeto, una fuerza atractora. Robotica Integrada a la manufactura 36

37 Planificación no basada en modelo: Métodos Reactivos 1.- Métodos reactivos: Método de los campos potenciales Robotica Integrada a la manufactura 37

38 Planificación no basada en modelo: Métodos Reactivos 2.- Métodos reactivos: Método de las Fuerzas Virtuales Robotica Integrada a la manufactura 38

39 APLICACION La respuesta de ABB consiste en no comprometer la seguridad de sus productos robóticos y en proporcionar a sus clientes instalaciones de seguridad más rentables gracias a los últimos avances tecnológicos. Sustituyendo los caros equipos de protección mecánica por un sistema electrónico de seguridad de movimiento para robots, más eficiente y reconfigurable, el concepto SafeMoveTM puede incluso aumentar la flexibilidad de los productos robóticos de ABB. Robotica Integrada a la manufactura 39

40 APLICACION La funcionalidad MultiMove de ABB anuncia una nueva era en las aplicaciones de robots. La coordinación de robots consiste en mucho más que evitar las posibles colisiones entre los robots. Los operadores desean una sincronización más precisa para que los robots puedan trabajar en equipo y completar tareas que un solo robot no puede llevar a cabo. Dos robots, por ejemplo, podrían levantar un objeto demasiado pesado o arqueado para uno solo, o un grupo de robots podría trabajar simultáneamente sobre un objeto mientras éste se mueve o gira. Estas tareas requieren un grado muy alto de sincronización, que ahora es posible gracias al nuevo controlador IRC5 de ABB, que permite a grupos de robots realizar tareas más complejas que nunca. Robotica Integrada a la manufactura 40

41 Conclusión Para contar con un sistema de evasión de obstáculos robusto es necesario balancear los dos comportamientos, el deliberativo y el reactivo, de tal manera que el robot móvil cuente con la capacidad de planear trayectorias óptimas libres de colisión y reaccionar ante la presencia de objetos inesperados en el camino. La aplicación de estas dos técnicas en un sólo robot da como resultado la creación de sistemas híbridos, los cuales usan las dos técnicas, de planeación de rutas y de evasión de obstáculos, para superar los problemas que se presentan en el transcurso de la conquista de la meta. Robotica Integrada a la manufactura 41

42 FIN THE END Robotica Integrada a la manufactura 42