Prof. Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2007 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)

De Manipuladores para Robôs Móveis A maioria dos robôs em uso em indústrias hoje em dia são manipuladores, que operam dentro de um espaço limitado e não podem mover-se.

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)

Robôs Móveis Autônomos 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?

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 do robô 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.

Classificação dos Robôs Móveis Diversas taxonomias podem ser utilizadas para classificar robôs móveis: Anatomia: Aéreos. Aquáticos. Terrestres (rodas, esteiras, pernas).

Classificação dos Robôs Móveis 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.

Aplicações de Robôs Móveis Ambientes Internos Ambiente Externos (Estruturados) (Não estruturados) transporte indústria & serviço limpeza .. grandes áreas ajuda ao cliente museus, lojas .. vigilância pesquisa, entretenimento, brinquedos submarino espaço floresta agricultura construção ar demining mineração tubos de esgoto incêndio militar

Aplicações de Robôs Móveis 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...

Exemplos de robôs móveis

AGV- Veículos Autônomos Guiados Nova 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 Robot BR 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.kaerch er.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 Pioneer PIONEER 1 é um robô móvel modular com várias opções de acessórios como uma garra ou uma câmera on board. É equipado com uma biblioteca de navegação desenvolvida pelo Stanford Research Institute (SRI). http://www.activmedia.com/robots

Robô B21 B21 da Real World Interface é um robô móvel com até 3 processadores Intel Pentium on board. http://www.rwii.com

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 Marte Sojourner 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

Robô Aibo da Sony Tamanho: Cerca de 25 cm Sensores Câmera colorida Microfone estéreo

História da Robótica Móvel Controle (feedback control). Cibernética. Inteligência Artificial. Primeiros robôs.

Controle 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.

Feedback Positivo e Negativo 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.

Cibernética 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)

Primórdios da Inteligência Artificial “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.

Inteligência Artificial (IA) 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.

Primeiros Robôs: SHAKEY Desenvolvido no Stanford Research Institute (final 1960) Sensores de visão e contato. STRIPS planner. Navegação visual em um mundo especial Deliberativo.

Primeiros Robôs: HILARE LAAS em Toulouse, France (final 1970) Vídeo, sonar, laser range-finder Ainda em uso! Representações espaciais multi-camadas. Deliberativo -> Controle híbrido.

Primeiros Robôs: CART/Rover Hans Moravec. Stanford Cart. (1977) seguido por CMU rover (1983). Sonar e visão. Controle deliberativo.

Esquema de controle para sistemas de robôs móveis Raw data Environment Model Local Map "Position" Global Map Actuator Commands Sensing Acting Information Extraction Path Execution Cognition Path Planning Knowledge, Data Base Mission Commands Real World Environment Localization Map 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 Sensores Incerteza Atributos Perception Motion Control Cognition Real World Environment Localization Path Environment Model Local 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. Campo magnético da Terra: 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

Sensor Ultrasônico a) 360° scan b) Resultados para primitivas geométricas diferentes

Laser Range Sensor Transmissor Medida de fase Target D L Feixe transmitido Feixe 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: No mundo real 2D ou 3D. 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