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 (valguima.odakura@poli.usp.br)

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