Prof. Anibal Johannes Sánchez Jurado

Robots móviles

¿Por qué los robots necesitan moverse?

¿Qué define a un robot?

• Sentir – un robot tiene que recoger información sobre su entorno

• Planificar – un robot tiene que utilizar dicha información para tomar decisiones

• Actuar – un robot necesita componentes móviles para ejecutar acciones

¿Qué tipos de movimientos tiene un Robot?

• Girar• Transportar• Caminar• Nadar• Volar• Alcanzar• Curvar• Golpear• Rodar

Robot serpiente

Movimiento manipulativo

• Robots que utilizan un brazo, una cinta u otros medios para agarrar y maniobrar objetos

Desplazamiento móvil• Robots que pueden

desplazarse de un lugar a otro

¿Por qué ir de un sitio a otro?

• Transportar productos y materiales• Llevar mensajes• Llegar más rápido• Hacer una tarea mientras tú llega o cuando llegas• Recoger información sobre lo que hay en el lugar• Alejarse de algo

¿La mayoría de los robotsse desplazan rodando?

• Caminar es difícil – requiere equilibrio

• Nadar sólo funciona en el agua

• Volar requiere mucha velocidad y energía

• Las ruedas y las cintas facilitan el movimiento sobre el suelo

Proporcionan estabilidad con múltiples puntos que tocan el suelo

¿Cómo funcionan los robots rodantes?

• Sensores

• Motores

• Ruedas

• ¡Programación!

TIPOS DE ROBOTS MÓVILES

Tipos de Robots MóvilesTerrestres

Robots de ruedas

Robots de patas

Robots con orugas

Tipos de Robots MóvilesRobot articulado: • Ventajas:• Relativamente simple de

controlar programar

• Desventajas:• Restricciones en la

trayectoria y en los giros.

Tipos de Robots MóvilesMarinos• Profundidad controlada por

flotabilidad.• Impulso por desplazamiento de agua.• Emplean varios propulsores.

• Desafíos: • La visión se torna complicada en

distancias largas.• Material suspendido en el agua dificulta la

visión.• Es imposible realizar estimaciones

odométricas adecuadas.

Tipos de Robots MóvilesAéreos• Emplean GPS.• Los vehículos de ala fija son

económicos, pero poco maniobrables.• Los vehículos de tipo helicóptero son

los más explorados (pero difíciles de controlar).

• Los vehículos aerostáticos tipo zeppelin llamados aerobots, presentan muchas ventajas.

Tipos de Robots MóvilesEspaciales• Requieren fuerte autonomía debido a

los retardos en la comunicación. • Trayectoria es modificada mediante el

empleo de dispositivos impulsores.• Energía es la principal limitación, masa

de reacción.• Es complicado mantener una

orientación si existen cuerpos móviles en el interior.

ROBOTS CON RUEDAS

Robots de Ruedas• Son los más utilizados, buena

capacidad de “carga”• Basados en el principio de fricción.• Más sencillos de controlar

(estabilidad)• Más simples y fáciles de construir• La odometría es la estimación del

desplazamiento en función de la medida de la rotación de las ruedas.

Desplazamiento neto

Opt. Encoder

r

Robots de Ruedas• Limitados a terrenos planos• Tienen problemas si las diferencias en

el terreno son mayores al radio de las ruedas (una alternativa son ruedas “grandes”)

• Es muy difícil estimar el desplazamiento real con precisión.

• Hay que considerar aceleraciones, cargas, parámetros del terreno, etc.

• Puede mejorarse al emplear una rueda pasiva de medida.

Ruedas• Se mueven por el contacto superficial (o

fricción) con la superficie)• La superficie de la rueda se desplaza 2πr por

vuelta.• La superficie de la rueda se desplaza Θr por

vueltaEje X

Eje Y

Θ

Centro de curvatura instantánea

• El centro de curvatura instantánea (ICC) o centro rotación instantáneo (ICR) es el punto de cruce de todos los ejes de las ruedas.

• Para una trayectoria recta, el CCI está en el infinito.• Para que exista rotación las velocidades de las ruedas deben

ser consecuentes con la rotación rígida del robot.

Centro de curvatura instantánea

CCI Centro Instantáneo de Curvatura o rotación ICC, ICR

CONFIGURACIONES DE ROBOTS CON RUEDAS

Principales arreglos de ruedas

• Diferencial

• Síncrono

• Tipo triciclo

• Tipo carro

Diferencial• Uno de los esquemas más sencillos

• Consiste de dos ruedas en un eje común, donde cada rueda se controla independientemente

• Movimientos:– En forma recta– En arco– Vuelta sobre su propio eje

• Utiliza una o dos ruedas adicionales (caster o rueda loca) para mantener el balance

Diferencial

Diferencial• 3 ruedas: triangulo

– Problema de estabilidad

• 4 ruedas: diamante– Pérdida de contacto de las ruedas de tracción (requiere

sistema de suspensión)

• Movimiento recto:– Requiere asegurarse de que las ruedas vayan a la misma

velocidad (control dinámico con retroalimentación – encoders)

Síncrono• Todas las ruedas (usualmente 3) se mueven en forma síncrona

para dar vuelta y avanzar

• Las 3 ruedas están ligadas de forma que siempre apuntan en la misma dirección

• Para dar vuelta giran las ruedas sobre el eje vertical, por lo que la dirección del chasis se mantiene – se requiere de un mecanismo adicional para mantener el frente del chasis en la dirección de las ruedas (torreta)

• Se evitan los problemas de inestabilidad y de pérdida de contacto del diferencial

• Mayor complejidad mecánica

Síncrono

Triciclo• Dos ruedas fijas que le dan tracción• Una rueda para dirección que normalmente no

tiene tracción• Buena estabilidad y simplicidad mecánica• Facilidad para ir recto• Cinemática más compleja (más adelante)

Carro• Similar al triciclo• Dos ruedas de tracción y dos ruedas para

dirección• Mayor complejidad mecánica que el triciclo por

acoplamiento entre las 2 ruedas de dirección• Buena estabilidad y facilidad de ir derecho• Complejidad cinemática

Restricciones cinemáticasRobots holonónicos.• Se pueden construir robots holonómicos pero tienen un

elevado costo por la complejidad mecánica.

Robots no holonómicos.• Su sencillez mecánica los convierte en la mejor opción la

mayoría de las veces. Se pueden agregar ruedas como los carros de los bomberos

Ejemplos:• Los triciclos y carros para dar vuelta debe moverse hacia el

frente o hacia atrás.• Es más complejo llegar a la posición final deseada.

Ejercicio 2

Cuál de los dos vehículos tendrá mayor facilidad para llegar a la posición deseada

Ejercicio 2

Robot diferencial, holonómico

Ejercicio 2

Robot diferencial, holonómico

Ejercicio 2

Robot carro, no-holonómico

Principales arreglos de ruedas• Diferencial

• Síncrono

• Tipo triciclo

• Tipo carro

Config. Síncrona

Ventajas:•El control es más sencillo.•Se garantiza el movimiento en línea recta.•R = 0;

Desventajas:•Diseño e implementación complejos

Ruedas omnidireccionales

Ventajas:•Permite movimientos complicados

Desventajas:•No existen restricciones mecánicas que garanticen movimiento en línea recta•Difíciles de implementar

Triciclo

Ventajas:•No resbala

Desventajas:•Restricciones en la trayectoria

Forma• La forma del robot tiene un fuerte impacto en

su facilidad de navegación, en particular con obstáculos y pasillos angostos

• Robot cilíndricos:– Es más fácil navegar por la simetría del robot

(espacio de configuraciones se reduce a 2D)

• Robots cuadrados:– Es más complejo navegar, depende de la orientación

del robot (espacio de configuraciones en 3D)

Forma cilíndrico

Forma cuadrado

Grados de libertad:Para Robots Moviles:• Se refiere a los posibles movimientos de un robot

(X,Y,Z y rotaciones)

Para manipuladores.• Cada articulación provee un grado de libertad (se

requieren 6 para ubicar un manipulador en cualquier posición y orientación)

Robots móviles: • Movimiento en el plano X-Y y rotación