Simulação de Robôs Móveis e Articulados: Aplicações e Prática

Fernando Santos Osório

Rafael Alceste Berri

34º JAI - Jornadas de Atualização em Informática

Introdução à Robótica

Fernando Santos Osório

Rafael Alceste Berri

De onde vêm os Robôs

• Robô vem de robota

(Língua tcheca), significando

“trabalhador humilde”;

• Peça teatral de ficção R.U.R.

“Rossum’s Universal Robots”

(1921);

• Executar tarefas humanas

do cotidiano.

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Karel Čapek(09/01/1890 - 25/12/1938)

Para onde vão os Robôs

“PCs irão deixar o seu

lugar em cima das mesas

para passar a ver, ouvir,

tocar e manipular

objetos” [Gates 2007].

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William Henry Gates III(Bill Gates)

O que é um robô?

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• Software e hardware para executar tarefas (físicas);

Áreas Relacionadas:

Engenharia Eletrônica (hardware)

Computação (software)

Mecânica (estrutura do robô)

Outras:

P.ex. Física, Matemática

O que é um robô?

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• 1º Percepção (Sensores): capacidade de

perceber o ambiente;

O que é um robô?

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• 2º Planejamento, decisão e controle:

Inteligência - Sistema de processamento

de informação;

O que é um robô?

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• 3º Atuadores: ação.

Motores

Ciclo operacional de um

robô

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Decisão

Os dois tipos de Bases

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Base Fixa Base Móvel

IRB 140 ABB

Pioneer P3dx

• Capacidade de

locomoção;

• Chamados de Robôs

Móveis.

• Possuem articulações;

• Chamados de Robôs

Articulados ou Braços

Manipuladores;

• Industriais.

• Fixos em um

local;

• Mistos: Humanoides.

Tipos de Robôs

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Tipos de Robôs: Robótica Móvel

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Arquiteturas Robóticas

• Maneira pela qual se constrói um software que

controla de maneira inteligente um robô [Grassi

Jr. and Okamoto Jr. 2014].

• Arquitetura = módulos + interação entre eles.

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Percepção

Planejamento/Decisão

Atuação

Classificação das Arquiteturas

• Deliberativa, reativa e híbrida

(reativa + deliberativa).

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- Fortemente reativo- Heurística de movimentação pelo ambiente- Basicamente reage ao ambiente/obstáculos

Roomba - iRobot

HauzenSamsung

- Fortemente deliberativo- Cria mapa detalhado do ambiente- Planeja antecipadamente aonde aspirar!

Classificação das

Arquiteturas

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Grau de autonomia

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Comportamentos

Robóticos

• Robô autônomo (reativo) + alguma

preparação do ambiente = realização de

tarefas importantes.

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Comportamento

Seguidor de Linhas

• Robôs da Kiva System/Amazon, buscando as

mercadorias no estoque da Amazon.

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Comportamento de

Vaguear (wander behavior)

• Roomba da iRobot, aspira o pó usando rotas

quase que aleatórias.

• Sem conhecer

o local!

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Comportamento de

Seguir Paredes

• Percorrer todo um ambiente (geração de mapas).

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Comportamento de

Acompanhar (Follow-me)

• Seguir pessoas, automóveis, outros robôs...

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[Correa 2013]

Comportamentos Robóticos

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• O ambiente pode ser aproveitado de diversas

formas;

• Combinar comportamentos reativos;

• Navegação c/Mapas e Plano/Rota (deliberativo) +

Desvio de obstáculos (reativo)

CaRINA 2

Autonomia

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• Executar tarefas sem

a intervenção humana

Projeto CaRINA 2 - LRMProjeto LRM / CRob USP-Scania

Projeto LRM USP-Jacto

Componentes dos

Robôs Autônomos

• Mobilidade e Articulações

Motores e Atuadores

• Percepção

Sensores

• Decisão/Inteligência

Computadores Embarcados

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Atuadores

• Dotam os robôs da capacidade de produzir

ações;

• Deslocar, manipular, etc;

• Basicamente, motores;

• Operam em partes móveis (ex: juntas, pistões).

• Controlam deslocamento (robôs móveis).

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Atuadores

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Rodas, Patas, Pernas, Esteiras, Propulsores VREP

Sensores

• Transformam a energia medida em outro

formato de apresentação, mais simples para a

utilização [Murphy 2000];

• Som, luz, convertido em sinal analógico ou

digital e para um formato mais amigável;

• Tipos:

– Ativos – emitem e mensuram retorno;

– Passivos – captam energia já disponível.

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Sensores

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Velodyne HDL-32E

LadyBug2PointGrey

Stereo CameraPointGrey

Sonar

• Detectam distâncias usando um sensor

ultrassônico (tempo de retorno);

• Sensores ativos.

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HC-SR04 da Cytron

Laser

• LIDAR (Light Detection and Ranging);

• Tempo de retorno da Luz (Laser InfraRed);

• Sensor ativo.

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Sick LMS 200Hokuyo URG-04

Câmeras de Vídeo

• Ativas e passivas;

• Rica quantidade de informações sobre uma

área;

• Aplicações: obter distâncias, presença, postura,

gestos, etc.

• Tipos: Monocular, Near InfraRed (visão noturna),

Far InfraRed – FIR (Termal), Multi-Espectral,

Câmera Estéreo, Trinocular, Esférica, RGB-Depth

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Sensor de

posicionamento e orientação

• Global Positioning System (GPS);

– Calcula distância que a mensagem percorreu para

chegar do satélite;

– Pelo menos mensagem 2 a 3 satélites;

– Precisão sistema comercial: Erro de ~5 a 10 metros

– Sistema de Alta Precisão: DGPS / RTK – Erro ~10cm

• Compass (Bússola)

– Orientação em relação ao campo magnético

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Sensores Inerciais

• Giroscópio: dispositivo capaz de informar a direção

para onde está se movendo (orientação);

– Mecânicos ou por luz/laser.

• Acelerômetro: mede a ação de forças (inclusive a

gravidade);

– Pequena coluna (massa) balançante.

• IMUs (Inertial Measurement Units): agregam um

giroscópio e um acelerômetro, e outros, como um

magnetômetro;

• Problema do erro cumulativo nos sensores inerciais.

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Sensores 3D

• Medem a profundidade do ambiente;

• Câmera estéreo, Kinect, Velodyne, etc;

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Velodyne HDL-32E

Microsoft Kinect v1

Câmera Estéreo e Trinocular PointGrey

Fusão de Sensores

• Redundante ou competitiva: sensores medem o

ambiente para posterior confronto (tratamento

de imprecisão);

• Complementar: informações distintas (eliminar

falsas detecções);

• Coordenada: sensores em uma ordem específica.

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Referências

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• [Gates 2007] Gates, B. (2007). A robot in every home. Scientific American,

296(1):58–65.

• [Grassi Jr. and Okamoto Jr. 2014] Grassi Jr., V. and Okamoto Jr., J. (2014).

Arquiteturas de controle: tipos e conceitos. In Romero, R. A. F., Prestes, E., Osório, F.,

and Wolf, D., editors, Robótica Móvel, chapter 4, pages 47–60. Editora LTC, Rio de

Janeiro.

• [Correa 2013] Correa, D. S. O. (2013). Navegação autônoma de robôs móveis e

detecção de intrusos em ambientes internos utilizando sensores 2D e 3D. USP ICMC -

Dissertação de Mestrado, Sao Carlos, SP, Brasil.

• [Murphy 2000] Murphy, R. R. (2000). Introduction to AI Robotics. MIT Press,

Cambridge, MA, USA, 1st edition.

• [Wolf 2009] Wolf, D.; Osório, F.; Simões, E.; Trindade, O. “Robótica Móvel Inteligente:

Da Simulação às Aplicações no Mundo Real”. JAI – SBC, 2009

Web: http://osorio.wait4.org/palestras/jai2009.html

• [Romero 2014] Romero, R.; Osório, F.; Prestes, E.; Wolf, D. Robótica Móvel. Editora

LTC. 2014. 316p. Web: http://www.grupogen.com.br/robotica-movel.html

A SEGUIR:

APLICAÇÕES DA

ROBÓTICA MÓVEL

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Site: http://www.lrm.icmc.usp.br/

Vídeos: http://youtube.com/lrmicmc

https://www.youtube.com/user/lrmicmc/videos

Laboratório de Robótica Móvel – ICMC/USP

Contato:Prof. Fernando OsórioProf. Denis Wolf http://www.icmc.usp.br/~fosorioE-mail: { fosorio, denis } @icmc.usp.br