robótica prof. reinaldo bianchi centro universitário da fei 2007
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Robótica
Prof. Reinaldo Bianchi
Centro Universitário da FEI
2007
7a. Aula
Parte A
Objetivos desta aula
Apresentar os conceitos básicos da Robótica Móvel:– Introdução, Histórico e Definições Básicas.– Sensores e Atuadores.– Locomoção e Controle de robôs móveis.
Baseado nos livros de Mobile Robotics do Nehmzow e o do Arkin.
Aula elaborada por Valguima Odakura ([email protected])
Robôs Móveis Robôs móveis são capazes de locomover-se
no ambiente em que estão inseridos. Fisicamente, um robô móvel pode ser
decomposto em:– Um mecanismo para fazer o robô locomover-se
pelo ambiente.– Um ou mais computadores para controlar o robô.– Uma coleção de sensores com os quais o robô
obtém informação do ambiente.
Robôs Móveis Autônomos
Autonomia é a habilidade de tomar suas próprias decisões e agir de acordo com elas.
Para robôs, autonomia significa a habilidade de perceber e agir em uma dada situação apropriadamente.
Autonomia pode ser:– completa (R2D2)– parcial (robôs teleoperados)
Um robô móvel autônomo tem a capacidade de movimentar-se no ambiente em que estiver inserido, perceber o ambiente através de seus sensores, adaptar-se às mudanças no ambiente, aprender a partir de experiências, construir representações internas do seu ambiente, que possam ser usadas no seu processo de tomada de decisão. [Nehmzow2000]
Robôs Móveis Autônomos
Há três perguntas básicas em robótica móvel:– Onde estou?– Onde eu estou indo?– Como eu chego lá?
Robôs Móveis Autônomos
Onde estou?
A primeira pergunta refere-se a localização de robôs.
Localização consiste em determinar a posição do robô em relação ao ambiente, utilizando informações provindas do ambiente, adquiridas pelos sensores.
Onde eu estou indo?
Saber onde está indo significa conhecer sua posição objetivo.
A posição objetivo depende da tarefa a ser executada pelo robô.
A tarefa pode ter sido informada por um ser humano ou pode ter sido inferida pelo robô, dependendo do seu grau de autonomia.
Como eu chego lá? Para saber como chegar até a posição
objetivo, o robô precisa planejar sua trajetória.
Planejamento de trajetória consiste em determinar um caminho no ambiente, entre a posição inicial e a posição objetivo, tal que o robô não colida com nenhum obstáculo do ambiente e que os movimentos planejados sejam consistentes com as restrições físicas do robô.
Robôs Móveis Autônomos
Para responder as 3 perguntas o robô deve:– Ter um modelo do ambiente (fornecido ou
construído autonomamente).– Perceber e analisar o ambiente.– Encontrar sua posição no ambiente.– Planejar e executar seus movimentos.
Em resumo:
A navegação de robôs móveis autônomos é a capacidade do robô movimentar-se dentro de um ambiente, sendo capaz de atingir uma posição objetivo, enquanto desvia de obstáculos que podem ser encontrados no seu caminho.
Motivação
“Transformar um robô de um computador sobre rodinhas, que é meramente capaz de perceber algumas propriedades físicas do ambiente através de seus sensores, em um agente inteligente, capaz de identificar atributos, detectar padrões e regularidades, aprender a partir de experiência, localizar-se, construir mapas e navegar, necessita da aplicação simultânea de muitas disciplinas de pesquisa. “ [Nehmzow2000]
Estado do robô
Estado é uma descrição suficiente do sistema.
O estado pode ser:– Observável: robô sempre conhece seu
estado.– Inacessível/Não observável: robô nunca
conhece seu estado.– Parcialmente observável: robô conhece
parte do seu estado.
Estado externo: estado do mundo– percebido usando os sensores do robô.
Estado interno: estado do robô– Percebido usando sensores
proprioceptivos. – Pode ser armazenado/lembrado.
O estado do robô é a combinação do seu estado interno com seu estado externo.
Estado do robô
Classificação dos Robôs Móveis
Diversas taxonomias podem ser utilizadas para classificar robôs móveis:
Anatomia:– Aéreos.– Aquáticos.– Terrestres (rodas, esteiras, pernas).
Tipo de Controle:– Teleoperados: um operador define todos os
movimentos que o robô deve executar.– Semi-autônomos: um operador indica o macro
comando a ser executado e o robô o executa sozinho.
– Autônomos: o robô realiza suas tarefa sozinho, tomando suas próprias decisões.
Classificação dos Robôs Móveis
Funcionalidade:– Industriais: utilizados em linha de produção.– De serviço: são utilizados para serviços em geral.
Trabalham em ambientes estruturados e conhecidos.
– De campo: trabalham em ambientes não estruturados, pouco conhecidos e em geral perigosos.
– Pessoais: são os robôs vendidos em prateleiras, que não desenvolvem tarefas específicas, mas interagem com os seres humanos.
Classificação dos Robôs Móveis
Movimento:– Holonômico: não apresenta restrições em
relação ao movimento do robô.– Não-holonômico: robôs deste tipo estão
sujeitos a restrições de movimento. Exemplo: estacionar um carro.
Classificação dos Robôs Móveis
Aplicações de Robôs Móveis
Ambientes Internos Ambiente Externos
(Estruturados) (Não estruturados)
transporteindústria & serviço
limpeza ..grandes áreas
ajuda ao clientemuseus, lojas ..
vigilânciapesquisa,
entretenimento,brinquedos
submarino
espaço
florestaagricultura
construção
ar
demining
mineração
tubos de esgoto
incêndio militar
Há várias aplicações comerciais para robótica móvel: transporte, vigilância, inspeção, limpeza.
No entanto, robôs móveis não tiveram ainda grande impacto em aplicações domésticas e industriais.
A razão disto é a falta de uma navegação robusta e confiável através de um ambiente.
Futuro...
Aplicações de Robôs Móveis
Exemplos de robôs móveis
AGV- Veículos Autônomos GuiadosNova geração de
Automatic Guided Vehicle da VOLVO usados para transportar blocos de motores de uma estação de montagem para outra. É guiado por um fio elétrico instalado no chão. Há cerca de 4000 AGV apenas nas fábricas da VOLVO.
Helpmate
HELPMATE é um robô móvel usado em hospitais para tarefas de transporte. Tem vários sensores embarcados para navegação autônoma nos corredores. Para localização, o sensor utilizado é uma câmera apontada para o teto, que pode detectar lâmpadas como marcos de referência (landmark). http://www.ntplx.net/~helpmate/
BR700 Cleaning RobotBR 700 cleaning robot
desenvolvido e vendido por Kärcher Inc., Germany. Seu sistema de navegação é baseado em um sistema de sonar e giroscópio. http://www.kaercher.de
ROV Tiburon Underwater Robot
Robô ROV Tiburon para arqueologia submarina (teleoperado)- usado por MBARI para pesquisa no fundo do mar.
Robô Pioneer
Robô Pioneer, teleoperado para explorar Sarcófago de Chernobyl
Robô Khepera
KHEPERA é um robô móvel pequeno para educação e pesquisa. Ele tem apenas 60 mm de diâmetro. Módulos adicionais como câmeras e garras estão disponíveis . http://diwww.epfl.ch/lami/robots/K-family/ K-Team.html
Forester Robot
Ele foi projetado pela Pulstech para retirar madeira de florestas. A coordenação das patas é automatizada, mas a navegação é operada por seres humanos dentro do robô. http://www.plustech.fi/
Robôs para Inspeção de Tubos
Robôs HÄCHER para inspeção e reparação de tubos de esgoto (teleoperado). http://www.haechler.ch
Sojourner, Primeiro Robô em MarteSojourner foi usado
durante a missão Pathfinder para explorar Marte em 1997. Ele foi quase completamente teleoperado da Terra, a menos de alguns sensores on board para detecção de obstáculos.
http://ranier.oact.hq.nasa.gov/telerobotics_page/telerobotics.shtm
NOMAD, Carnegie Mellon / NASA http://img.arc.nasa.gov/Nomad/
Honda Walking Robot http://www.honda.co.jp/tech/other/robot.html
Controle (feedback control). Cibernética. Inteligência Artificial. Primeiros robôs.
História da Robótica Móvel
Feedback: monitoramente contínuo dos sensores e reação à suas mudanças.
Feedback control = auto-regulagem. Dois tipos de feedback:
– Positivo– Negativo
As bases da teoria de controle.
Controle
Feedback negativo– age para regular o estado/saída do
sistema.– exemplos: se muito alto, vire para
baixo, se muito baixo, vire pra cima. (termostatos, corpos, robôs...)
Feedback positivo– Age para amplificar o estado/saída do
sistema.– exemplos: quanto mais há, mais é
adicionado.
Feedback Positivo e Negativo
Termo utilizado por Norbert Wiener (1940s)– (do grego “maquinista” da máquina a
vapor) Casamento da teoria de controle, ciência
da informação e biologia. Busca princípios comuns a animais e
máquinas, especialmente para controle e comunicação.
Associando um organismo e seu ambiente (situatedness)
Cibernética
“Nasceu” em 1955 em Dartmouth College Conference.
“Máquina inteligente” usaria modelos internos para buscar por soluções e então as executaria (M. Minsky) => modelo deliberativo.
Planejamento torna-se a tradição. Representações simbólicas explicitas. Sistema de organização hierárquica. Execução sequencial.
Primórdios da Inteligência Artificial
Primórdios da IA tiveram forte impacto nos primórdios da robótica.
Foco no conhecimento, modelos internos, e raciocínio/planejamento.
1980s robótica desenvolveu técnicas mais apropriadas => controle comportamental e híbrido.
IA também evolui. Mas, mesmo antes disso, primeiros robôs
usaram controle deliberativo.
Inteligência Artificial (IA)
Desenvolvido no Stanford Research Institute (final 1960)
Sensores de visão e contato.
STRIPS planner. Navegação visual em
um mundo especial Deliberativo.
Primeiros Robôs: SHAKEY
LAAS em Toulouse, France (final 1970)
Vídeo, sonar, laser range-finder
Ainda em uso! Representações
espaciais multi-camadas.
Deliberativo -> Controle híbrido.
Primeiros Robôs: HILARE
Hans Moravec. Stanford Cart. (1977)
seguido por CMU rover (1983).
Sonar e visão. Controle deliberativo.
Primeiros Robôs: CART/Rover
Esquema de controle para sistemas de robôs móveis
Raw data
Environment ModelLocal Map
"Position"Global Map
Actuator Commands
Sensing Acting
InformationExtraction
PathExecution
CognitionPath Planning
Knowledge,Data Base
MissionCommands
Path
Real WorldEnvironment
LocalizationMap Building
Motion Control
Perception
Arquitetura baseada em modelo
Inteligência artificial clássica. Modelagem completa. Baseado em função. Decomposição horizontal.
Arquitetura baseada em modelo
Arquitetura baseada em comportamento
Sem modelagem ou modelagem esparsa.
Baseada em comportamento. Decomposição vertical Base-topo (bottom up).
Arquitetura baseada em comportamento
Controle de robôs
Controle de robôs refere-se a forma em que percepção e ação do robô são coordenadas.
Estratégias de Controle
Controle Reativo– não pensa, (re)age.
Controle Deliberativo– pensa primeiro, age depois.
Controle Híbrido– Pensa e age independentemente, em
paralelo.
Controle Reativo
Ciclos percepção-ação (estímulos-respostas). Inerentemente paralelo. Sem memória. Muito rápido e reativo. Incapaz de planejar adiante. Incapaz de aprender.
Controle Deliberativo
Baseado em ciclos percepção-planejamento-ação.
Inerentemente sequencial. Planejamento requer busca, que é lenta. Busca requer um modelo do mundo. O mundo torna-se desatualizado. Tarefas de busca e planejamento tomam
muito tempo.
Controle Híbrido
Combina os dois extremos:– sistemas reativos na base,– sistemas deliberativos no topo,– conectados por alguma camada
intermediária Camadas devem operar concorrentemente.
Hardware do robô:
Sensores e Atuadores
Percepção
SensoresIncertezaAtributos
Perception Motion Control
Cognition
Real WorldEnvironment
Localization
PathEnvironment ModelLocal Map
"Position" Global Map
Percepção
Coletar informação sobre o mundo. Sensor – um dispositivo
elétrico/mecânico/químico que mapeia um atributo do ambiente para uma medida quantitativa.
Sensores do B21, Real World Interface
Características dos Sensores
Sensibilidade: taxa de mudança da saída para mudar a entrada.
Linearidade: medida da constância da taxa de saída com relação à taxa de entrada.
Faixa de medida: diferença entre máximos e mínimos valores possíveis de medida.
Tempo de resposta: tempo necessário para uma mudança na entrada ser observada na saída.
Características dos Sensores
Precisão: a diferença entre valores reais e medidos.
Repetibilidade: a diferença entre medidas sucessivas da mesma entidade.
Resolução: menor incremento observável na entrada.
Tipo de saída (movimento mecânico, tensão, corrente, pressão, intensidade luminosa, etc.).
Caracterizando Erro do Sensor
Erros sistemáticos -> erros determinísticos:– Causados por fatores que podem (em
teoria) ser modelados -> predição. Erros não-sistemáticos -> não-
determinísticos:– Não é possível realizar predição.– Entretanto, eles podem ser descritos
probabilisticamente.
Caracterizando Erro do Sensor
Comportamento de sensores é modelado por distribuição de probabilidade (erros não-sistemáticos)– Em geral sabe-se muito pouco sobre as
causas dos erros não-sistemáticos.– Assume-se que a distribuição de
probabilidades é simétrica ou Gaussiana.– Entretanto, é importante saber quão errado
isto pode ser!
Classificação de Sensores
Em relação ao tipo de informação: Sensores proprioceptivos:
– medem valores internos do sistema (robô), – Exemplo: velocidade do motor, direção do robô,
carga da bateria.
Sensores exteroceptivos:– adquirem informação sobre o ambiente do robô.– Exemplo: distância de objetos, intensidade da luz
do ambiente.
Classificação de Sensores
Em relação a energia utilizada: Sensores passivos:
– Energia vinda do ambiente. Sensores ativos:
– Emitem sua própria energia e medem a reação.
– Melhor desempenho.
Classificação Geral (1)
Classificação Geral (2)
Encoders das Rodas / Motor
Mede posição ou velocidade das rodas. Movimentos podem ser integrados para
conseguir uma estimação da posição do robô -> odometria.
Optical encoders são sensores proprioceptivos:– a estimação da posição em relação a um sistema de
referência fixo é válida para movimentos curtos. Resoluções típicas: 2000 incrementos por
revolução.
Encoders das Rodas / Motor
Sensores de direção
Sensores de direção podem ser proprioceptivos (giroscópio, inclinomêtro) ou exteroceptivos (bússola).
Usados para determinar a orientação e a inclinação dos robôs.
Permitem, em conjunto com a informação de velocidade, integrar o movimento para uma estimação de posição. – Este procedimento é chamado dead reckoning.
Bússola
Usada desde 2000 a.C.– Quando os chineses penduraram um
pedaço de magneto num fio de seda e o usaram para guiar um carro de guerra.
Campo magnético da Terra:– Medida absoluta para orientação.
Bússola
Grande variedade de soluções para medir o campo magnético da Terra:– Bússola magnética mecânica.– Medida direta do campo magnético (efeito Hall,
magneto-resistivos).
Principais desvantagens:– Facilmente perturbado por objetos magnéticos ou
outras fontes.– Não é viável para ambientes internos.
Giroscópio
Sensores de direção, que mantêm a orientação em relação a uma referência fixa: – Medida absoluta para a direção de um
sistema móvel. Duas categorias:
– Giroscópios mecânicos.– Giroscópios ópticos.
Global Positioning System (GPS)
Desenvolvido para aplicações militares.
Recentemente tornou-se acessível para aplicações comerciais.
24 satélites (incluindo 3 reservas) orbitam a terra a uma altura de 20.190 km.
Posição de qualquer receptor de GPS é determinada através do tempo de vôo da medida.
Global Positioning System (GPS)
Global Positioning System (GPS)
Sensores de proximidade (tempo de vôo) Servem para indicar se o robô está próximo
de algum objeto do mundo. Informação de proximidade:
– Elemento chave para localização e modelagem do ambiente.
Sensores ultrasônicos como sensores laser fazem uso da propagação da velocidade do som ou ondas eletromagnéticas, respectivamente.
Sensores de proximidade (tempo de vôo) A distância percorrida pelo som ou
pelas ondas eletromagnéticas é dada por:
d = c . t– onde: – d = distância percorrida (ida-e-volta)– c = velocidade de propagação da onda– t = tempo de vôo.
Sensor Ultrasônico
frequência típica: 40 - 180 kHz feixes de som propagam como um
cone: – Ângulos de abertura em torno de 20 a 40
graus.– Regiões de profundidade constante.– segmentos de um arco.
Distribuição Sensor Ultrasônico
Distribuição de intensidade de um sensor ultrasônico
http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/project.archive/robot.papers/1985/al2.html
a) 360° scan
b) Resultados para primitivas geométricas diferentes
Sensor Ultrasônico
Laser Range Sensor
Transmissor
Medida de fase
Target
D
L
Feixe transmitidoFeixe refletido
P
A distância do objeto é determinada medindo-se o deslocamento de fase entre o feixe de laser emitido e o feixe refletido.
Laser Range Sensor
Confidence in the range (phase estimate) is inversely proportional to the square of the received signal amplitude.
– Hence dark, distant objects will not produce such good range estimated as closer brighter objects …
Laser Range Sensor
Imagem de um 2D laser range sensor com um espelho giratório.
Sensores Visuais
Baseados em visão computacional.
Fusão Sensorial
Fusão sensorial é o processo de utilizar informações fornecidas por vários sensores.
Mesmo para tarefas não muito complexas, um sensor apenas, não é suficiente.
Precisão limitada. Não confiável - falhas/redundância Ponto de vista do ambiente limitado: retorna uma
descrição incompleta do ambiente. A escolha do sensor pode ser cara – pode ser mais
barato escolher dois sensores não caros.
Fusão Sensorial
Combina informações de:– diferentes sensores.– diferentes posições.– diferentes tempos.
Em geral usa uma técnica matemática que considera incertezas na informação (redes neurais, filtro de Kalman).
Produz um conjunto de dados fundidos (como se houvesse um ‘sensor virtual’).
Atuadores
Atuadores são dispositivos responsáveis pelo movimento e articulação das partes móveis de um robô.
Atuadores são diferentes dos sensores usados para percepção.
Um atuador é o mecanismo real que permite que um sensor realize uma ação.
Atuadores
Os atuadores utilizados em robótica móvel são classificados em função da energia que utilizam para funcionarem.
A energia irá determinar as condições de funcionamento e o tipo de controle a ser utilizado.
Os três principais tipos de atuadores são:– Pneumáticos– Hidráulicos.– Elétricos.
Atuadores Pneumáticos
Pneumático: este atuador utiliza como fonte de energia a pressão do ar.
Dado que o ar é um fluído altamente compressível, um controle preciso tanto da velocidade como da posição é muito difícil.
Este tipo de atuador é bastante resistente aos danos provocados por uma sobrecarga.
Atuadores Hidráulicos
Hidráulico: este atuador utiliza como fonte de energia a pressão da água ou óleo.
A menor compressibilidade em relação ao ar o torna mais adequado aos movimentos lentos e de maior precisão.
Atuadores Elétricos
Elétrico: são os atuadores mais comuns e utilizados em robótica móvel.
Apresentam ótimas características de controle, precisão e confiabilidade.
Os motores para uso em robótica são agrupados em 3 categorias:– Motores de corrente alternada (AC).– Motores de corrente contínua (DC).– Motores de passo.
Atuadores Elétricos
Motores AC: são motores alimentados através de tensões alternadas senoidais.
Motores DC: são motores que utilizam uma fonte de tensão contínua.
Motores de passo: o controle destes motores é feito através de um trem de pulsos que atuam rotativamente sobre uma série de eletroímãs dispostos sobre o estator.
Hardware do robô
Sensores e atuadores constituem a ligação do robô com o ambiente.
O robô percebe o ambiente através dos seus sensores e,
O robô age no ambiente através dos seus atuadores.
Assim, estes dispositivos são responsáveis pela interação do robô com o ambiente.
Porque a robótica é difícil?
Sensores e atuadores são limitados e incertos.
Estado é parcialmente-observável. Ambiente é dinâmico (muda com o
tempo). Ambiente está repleto de informações
úteis.
Conclusões
Robótica Móvel:– Perceber– Decidir– Atuar
No mundo real 2D ou 3D.
Há ainda muito o que fazer!
Intervalo
Bibliografia
Nehmzow, Ulrich. Mobile Robotics: A Pratical Introduction. Springer, 2000.
Pieri, Edson Roberto de. Curso de Robótica Móvel. UFSC. 2002