robots ápodos modulares - wikirobotics · 3 problema de la locomoción (i) nivel superior...

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Juan González Gómez

Robots ápodos modulares

Dpto. Ingeniería de Sistemas y AutomáticaRobotics Lab

Universidad Carlos III de Madrid

Juan González-Gómezjggomez@ing.uc3m.esjuan@iearobotics.com

Máster de RobóticaUniversidad de Málaga

17/Junio/2010

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

7. Simulación

8. “Frikeo”

Juan González-Gómezjggomez@ing.uc3m.esjuan@iearobotics.com

Robots ápodos modulares

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Problema de la locomoción (I)

Nivel superior ● Percepción del entorno● Planificación de trayectorias● Navegación● Toma de decisiones

Nivel inferior● Coordinación● Morfología● Modos de caminar

Arquitectura

● Desarrollo y construcción de un robot móvil lo más versátil posible capaz de desplazarse de un punto a otro con independencia del terreno

4

Metodología:

● Estudiar el terreno● Diseñar la mecánica● Implementar Modos de caminar

(Ambler, Krotkov et al, 1989)

Problema de la locomoción (II)

(Dante II, Bares et al, 1994)

● NASA interesada en este problema● Exploración de planetas● Ej. Robots Ambler y Dante II

Enfoque clásico

5

Enfoque Bio-inspirado

(BigDog, Raibert et al. 2008)

(Scorpio, Dirk et al. 2007)

(Aramies, Sastra. 2008)

Problema de la locomoción (III) Vídeos: 1-8

6

Otro enfoque: Robots modulares

Robots modulares

7

Robots modulares: Orígenes

(Polybot G1, Yim et al. 1997)

Rueda gusano→

(Polybot G2, Yim et al. 2000)

● Primer experimento de auto-configuración dinámica

● Robots modulares auto-configurables (Mark Yim, 1995)

● Primer experimento de

auto-configuración simple

Rueda gusano cuadrúpedo→ →

8

Robots modulares: Ventajas

● Auto-transformación● Auto-reparación● Auto-duplicación

Versatilidad Reducción de costes Tolerancia a fallos

Prototipado rápido Nuevas capacidades

9

Nuevas capacidades

Construcción de objetos sólidos

(RoomBot, Arredondo et al.)

● Muebles capaces de moverse :-)

Bioinspired Robotics Lab at EPFL

Robots modulares voladores

(Distributed flight array, Oung et al.)

ETH Zurich

Vídeo: 9

10

Locomoción de robots modulares

Aspectos importantes:

● Morfología del robot. ¿Qué forma tiene el robot?

● Controlador. ¿Cómo lograr el desplazamiento?

11

Morfología

Topología 1D Topología 2D Topología 3D

Cabeceo-cabeceo Viraje-viraje Cabeceo-viraje

Robots ápodos

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CPG CPG CPG

Controlador

Unidad encargada de mover las articulaciones para lograr el desplazamiento del robot

Clásicos

● Modelos matemáticos● Cinemática inversa● Dependen de la

morfología del robot

Bio-inspirados

● Imitar la naturaleza● Generadores Centrales

de patrones: CPG

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Controlador para robots ápodos

● Reemplazar los CPGs por un OSCILADOR SINUSOIDAL

i t =Aisin 2T

tiOi

● Osciladores sinusoidales:

Ventajas:● Se necesitan pocos

recursos para su implementación

CPG CPG CPG

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

7. Simulación

8. “Frikeo”

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Motivación

Me gustan los robots modulares

Quiero construirlos

¡Necesito unos módulos!

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Familia de módulos Y1

● Un grado de libertad● Fáciles de construir● Servo: Futaba 3003● Tamaño: 52x52x72mm● Libres

Y1Repy1

MY1

Tipos de conexión:

17

Módulos Y1

● Primera generación (2003) ●Material: plástico de 3mm● Formados por 6 piezas que se pegan● Primeras versiones: Corte manual● Siguientes versiones: Corte por láser● Más información:

http://bit.ly/cx39rB

18

● Cortar las piezas: Corte por láser, corte “a mano”● Pegarlas● Montar el servo

Módulos Y1: Montaje

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Módulos REPY-1: Versión “imprimible”

● Abril-2009 ● Fabricación mediante una impresora 3D casera: Reprap● Material: Plástico ABS (el mismo que usa Lego)● Acabado “tosco”● Tiempo de impresión: 1h y media (45 minutos cada pieza)● Más información:

http://bit.ly/bAODg7

Blender

20

Módulos REPY-1: Fabricación

Pieza virtual (Blender) Impresión 3D

Pieza real Montaje

Vídeo: 10

21

Módulos MY1

● Última versión: 2010 ● Material: Aluminio de 2mm● Formados por 3 piezas que se atornillan● Más resistentes● Pensados para dar talleres de robots modulares● Más información: http://bit.ly/cOCfjB

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

7. Simulación

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Evolución de la electrónica

Tarjeta CT6811 Tarjeta Skypic Tarjeta Skycube

● Micros baratos (de 8 bits)● Conexión al PC● Funcionalidad mínima● PCBs industriales ● Hardware libre

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Orígenes: Tarjeta CT6811

● Microcontrolador 68HC11 (Motorola) ● Microbot Tritt● Primeros robots modulares● Programación en ensamblador

Cube Reloaded (2003)Microbot Tritt (1997)

http://bit.ly/coguik

25

Tarjeta Skypic (I)

● Microcontrolador PIC16F876A ● Microbot Skybot● Robots modulares de mi Tesis ● Programación en C

Cube Revolutions (2004)Microbot Skybot (2005)

http://bit.ly/d6fjcf

26

Tarjeta Skypic (II)

● Hardware libre● Diseñada con KICAD

Hardware libre2

Kicad

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Esquema de control

● Robots no autónomos● Electrónica y alimentación situadas fuera del robot

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Descarga de firmware

● Pydownloader

PICbootloader

● PICbootloader

Puerto serie

http://bit.ly/cfxvmf http://bit.ly/9ZiEDR

pydownloader

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Moviendo servos desde el PC

Servos 8

● Servos8● Firmware control de servos

http://bit.ly/9idkLD

PC

GUI

Python

30

Moviendo servos desde el PC (II)

● Star-servos8● Interfaz gráfica (GTK)● Programado en C

http://bit.ly/9FOvId http://bit.ly/90634i

● libStargate● Interfaz python

● Wii-devices● Libcwiid● Interfaces python-c

DEMO 1 DEMO 2 DEMO 3 (frikeo)

31

Tarjeta Skycube

● Hardware libre● Diseñada con KICAD● Robots modulares autónomos● PIC16F876A● Se integra en los módulos MY1● Más información:

http://bit.ly/FhPLl

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

7. Simulación

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Unimod

● Módulo capaz de oscilar autónomamente● A partir de él se construyen robots modulares con topología de 1D● Más información:

http://bit.ly/czsdmw

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Oscilación de un módulo

t =Asin2T

Ángulo de doblaje Oscilador sinusoidal

Parámetros:

● Amplitud: A● Periodo: T● Fase inicial:

Ángulo de doblaje máximo

Frecuencia de oscilación

Ángulo de doblaje inicial

En régimen permanente la fase inicial no tiene importancia

Demo

Parámetros:

35

Oscilación de dos módulos (I)

1 t =Asin2T

0 2 t =Asin2T

0

Nuevo parámetro:

● Diferencia de fase:

Establece el movimiento relativo de un módulo respecto a otro

36

Oscilación de dos módulos (II)

=0 =180=90

Demo

37

Oscilación de varios módulos: “olas”

● Oscilación de varios módulos con:● Misma amplitud A● Misma frecuencia● constante

Aparecen “olas” que se propagan

Determina la longitud de onda

Vídeo 11

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

7. Simulación

8. “Frikeo”

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Robots ápodos modulares

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¿Modelo viable?

Modelo de control

¿Cómo afectan los parámetros de los osciladores a la locomoción?

¿Cuantos módulos como mínimo tiene que tener el robot para poderse mover?

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Minicube-I

Configuración mínima

Robot modular con el menor número de módulos que es capaz de desplazarse en línea recta

Demo wiiboard

41

Minicube-I (II)

● Morfología

2 modules con conexión cabeceo-cabeceo

● Controlador:

● Dos generadores iguales● Parámetros● Más información:

Demo

A , ,T

Locomoción en 1D

http://bit.ly/9SNFXb

42

Minicube-I (III)

Osciladores y locomoción:

Valores típicos:

● Periodo --> Velocidad● Amplitud --> Paso● Diferencia de fase --> Coordinación

Modelo alámbrico

Espacio de control

● Dos dimensiones:● Periodo lo tomamos constante

A ,

A=40 ,=120

43

0 25 50 75 100 125 150 175 20000,511,522,533,544,555,566,57

Pa

so (

cm

)

A10A20A30A40A50A60A70

Amplitude

Diferencia de fase

Minicube-I (IV)

Ventana donde la coordinación es mejor

Vídeo 12

44

Cube3 (I) Demo

● Morfología: 3 Módulos con conexión cabeceo-cabeceo● Controlador: 3 osciladores iguales

wii-manivela

45

Cube3 (II)

46

Cube3 (III)

47

Cube3 (IV)

Mayor eficiencia:

● A=40 grados

● =125

● Estudio de la locomoción de las orugas

● Más información:

http://bit.ly/8ZA3Au

48

Cube Revolutions (I)

● Morfología:

8 módulos con conexión cabeceo-cabeceo

● Control:

● 8 generadores iguales

● Parámetros:

● Más información:

Vídeos 13-14

A , ,T

Locomoción en 1D

http://bit.ly/aOdkzb

49

Cube Revolutions (II) Vídeos 14-17

● Al tener más módulos el robot puede cambiar su forma● Aparecen nuevas formas de desplazarse

50

CUBE12 Demo

● Construido por estudiantes de la Asignatura de Robótica en la UC3M● Formado por 4 Cube3 independientes● No hay comunicación entre los segmentos

51

Modelo continuo: “infinitos módulos”

¿Qué forma tiene el gusano al desplazarse?

¿Como calculamos el paso que da el robot?

¿Qué relación hay entre las dimensiones del robot y los parámetros de los osciladores?

52

Mecanismo de locomoción

● Propagación de ondas

Mecanismo de locomoción:

Movimiento determinado por la onda

53

Forma de la onda

● Curva serpentinoide● Generadores sinusoidales● (Hirose, 1975)● Aparece en las serpientes● Más información:

● Parámetros:● Ángulo de serpenteo:● Número de ondulaciones: k

http://bit.ly/akEIiB

54

Espacio de formas

Continuo Discreto

Ej. M=8 M u=Mk

55

Cinemática

● Transformaciones entre los espacios de control y de formas

Espacio de control Espacio de formas

Cinemática directa

Cinemática inversa

56

Fórmulas

● Transformaciones:

h=∫0

l

4k sincos 2kl

sds

w=k∫0

l

k cos cos 2kl

sds

A=2sin kM

=360 kM

● Dimensiones del robot: ● Paso:

x=lk−∫0

l

kcos cos 2kl

sds

No hay soluciones analíticas

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

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¿Modelo viable?

Modelo de control

¿Cuántos modos de caminar aparecen?

¿Cuantos módulos como mínimo tiene que tener el robot para poderse mover?

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Minicube-II (1)

Configuración mínima

Robot modular con el menor número de módulos que es capaz de alcanzar cualquier punto del plano con cualquier orientación

60

Minicube-II

● Morfología:

Tres módulos con conexión cabeceo-viraje

● Control:

● Tres generadores sinusoidales● Parámetros:

A v ,A h ,v ,vh ,T

Demostración

Locomoción en 2D

61

Minicube-II (II)

Av=40, Ah=0

Línea recta

v=120

Av=Ah40vh=90,v=0

Desplazamiento lateral

Arco

Av=40, Ah=0Oh=30,v=120

Rotación

Av=10, Ah=40vh=90,v=180

Rodar

Av=Ah60

vh=90,v=0

62

Hypercube

● Morfología: 8 módulos con conexión cabeceo-viraje

● Control:

● 8 generadores iguales● Parámetros:

Ah , Av ,h ,v ,vh ,T

Locomoción en 2D

http://bit.ly/9WMVUf

● Más información:

Vídeos

63

● Onda corporal tridimensional

Mecanismo de locomoción

64

Curva serpentinoide 3D

● Superposición de dos ondas serpentinoides

● Onda vertical:

● Onda horizontal:

● Diferencia de fase:

● La relación entre los parámetros determina el tipo de onda

TYPE OF WAVESv ,kv

h ,kh

vh

v ,h ,kv ,kh ,vh

Espacio de formas de 5 dimensions

65

Hypercube (II)

Línea recta

v=40 ,kv=2h=0

Desplazamiento lateral

v0,kv=kh ,vh=90

kh=1

Rotación

v0,kv=2kh ,vh=0Rodar

v0,vh=90

Arco

v=40 ,kv=3

h≠0

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ÍNDICE

1. Introducción

2. Módulos

3. Electrónica

4. Osciladores

5. Locomoción en 1D

6. Locomoción en 2D

7. Simulación

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Simulación (I)

¿Cómo hemos encontrado las soluciones?

● Búsquedas en los espacios de control

● Utilización de algoritmos genéticos (PGApack)

● Función de evaluación: Paso del robot

● Motor físico: Open Dynamics Engine (ODE)

● Descarte de soluciones

● Comprobación en robots reales

Cube Simulator

http://bit.ly/bnN4KP

Vídeos

68

Simulación (II) Demo

● Simulador: OpenRave + OpenMR plugin● OpenMR = OpenRave Modular Robot plugin● Vista en 3D con gafas con cristales rojo y azul ● Más información:

http://bit.ly/9a3fXk

69

Conclusiones

El modelo basado en generadores sinusoidales es válido para la locomoción de robots modulares con topología de 1D

● Requiere muy pocos recursos para su implementación● Se consiguen movimientos muy suaves y naturales● Se pueden realizar diferentes tipos de movimientos● Configuraciones mínimas de 2 y 3 módulos

i t =Aisin2T

iOi

70

Donde encontrar más información...

● Todo lo tengo publicado en mi página personal bajo licencia libre: artículos, planos, hardware, software, presentaciones, etc.

www.iearobotics.com/juan

● O me podéis mandar un correo a mi dirección personal:

juan@iearobotics.com

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Muchas gracias por vuestra atención

:-)

¡Que la robótica modular os acompañe!

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Juan González Gómez

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