Prof. Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2013 Robótica Prof. Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2013

11ª Aula IECAT: 15ª aula, depois de aulas de laboratório e P1. Mestrado: 11ª aula mesmo

Objetivos desta aula Apresentar os conceitos básicos da Robótica Móvel: Introdução, Definições e Aplicações. Sensores. Localização. Locomoção e Controle.

Bibliografia Siegwart e Nourbakhsh, Introduction to Autonomous Mobile Robots The MIT Press, 2004.

Robótica Móvel Introdução

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]

Definições Básicas

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

Aplicações de Robôs Móveis Há várias aplicações comerciais para robótica móvel: transporte, vigilância, inspeção, limpeza. Robôs móveis tem pouco 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 - Modernas Tarefas domésticas simples: aspirador de pó ou limpadores de piscinas. Extração de minério e suporte em Minas. Exploração: Espacial Submarina Medicina: Assistentes em cirurgias. Entretenimento.

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.

Ambientes perigosos: Robô Pioneer Robô Pioneer, teleoperado para explorar Sarcófago de Chernobyl

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

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

Aspiradores domésticos: Electrolux Trilobite

Aspiradores domésticos: iRobot Roomba iRobot, empresa de Rodney Brooks, lanca o Roomba: O mais barato aspirador de pó robótico no mercado. Hoje: www.irobot.com Fabrica aspiradores, limpadores, avatares, etc.

Exploração espacial

Spirit of Mars

Opportunity making tracks

UAVs – Unmanned vehicles Não são robôs, mas usam muitas das técnicas de robóticas. UAVs geralmente são veículos aéreos não tripulados (U Aereal V). Ultimamente carros tem sido automatizados (U Autonomous V). Qualquer veículo que não necessita um piloto a bordo pode ser considerado um UAV.

MQ-9 Reaper, Predator B UAV

X-47

UAVs

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!

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.

Magnetômetros 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.

Sensores Inerciais: 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.

Giroscópio

Giroscópio

Global Positioning System (GPS) Desenvolvido para aplicações militares. Tornou-se acessível para aplicações comerciais. 28 satélites (incluindo 4 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.

Sensores IMU Inertial Measurement Unit (IMU) ou Attitude and Heading Reference System (AHRS). Combinação de bússola 3D, giroscópios 3D, magnetômetros 3D e até GPS. Usado para controle de estabilização de robôs, câmeras, veículos não tripulados, etc.

Sensor IMU Output: • 3D orientation (360°) • 3D acceleration • 3D rate of turn • 3D magnetic field Sensor IMU http://www.xsens.com/en/general/mti

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 de intensidade de um sensor ultrasônico.

Ultrassom (time of flight) (2) 4.1.6 Ultrassom (time of flight) (2) Wave packet Transmitted sound Analog echo signal Trashold Digital echo signal Integrated time Output signal trashold integrator Time of flight (sensor output) Signals of an ultrasonic sensor

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

Laser Range Sensor 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.

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.

Intervalo