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YABIRO: PROTOTIPO DE ROBOT BÍPEDO AUTÓNOMO.
Miguel Albero, Francisco Blanes, Gines Benet, Jose Simó, Pascual Perez
Departamento de Informática, Sistemas y Computadoras. Universidad Politécnia de Valencia
Resumen
En este trabajo se aborda el diseño, realización y control de una plataforma robótica bípeda autónoma. El diseño que se presenta es capaz de realizar movimientos de avance, es decir el robot es capaz de andar de forma repetitiva. El diseño se compone de 14 grados de libertad (GDL), de los cuales 6 GDL corresponden a cada una de las patas y los otros 2 GDL restantes al torso. Para la obtención de estos movimientos se ha implementado un sistema de control básico, determinado por un generador de patrones de movimiento y un control desacoplado de cada una de las articulaciones. El objetivo principal que se ha perseguido con el diseño de este robot es el de obtener una plataforma robusta tanto en lo referente a la mecánica así como a la electrónica en la que poder desarrollar arquitecturas de control mediante sistemas empotrados, todo ello en un robot cuyas dimensiones y peso sean lo más reducidos posibles.
Palabras Clave: robot bípedo, sensores, actuadores , control empotrado.
1 INTRODUCCIÓN
En los últimos años se ha podido constatar como la robótica ha empezado ha dejar de pertenecer al mundo industrial en exclusiva, adentrándose en la vida cotidiana de las personas. De mano de mascotas virtuales, micro-robots de limpieza, etc., la robótica empieza a abrir un abanico de posibilidades, limitado únicamente por la capacidad humana de llevarlos a cabo. Una de estas posibilidades, que desde hace décadas el hombre ha imaginado, pero sin poder llevar a cabo hasta hace muy pocos años, ha sido el realizar un robot semejante a un humano, con sus mismas o muy parecidas características motoras. De todos es sabida la enorme complejidad que supone el diseño de un sistema robótico, como el que puede llegar a ser un brazo robot, el cual posee 6 GDL. En el caso de los robots humanoides este hecho vas más lejos todavía, ya que existen sistemas con mas de 30 GDL, lo que confiere al sistema una alta movilidad, pero por el contrario exigen un altísima carga computacional al sistema de control. Todo esto
supone un elevado coste en la mayoría de sistemas robóticos bípedos diseñados hasta la fecha.
Así pues, este documento presenta un diseño tanto de las extremidades inferiores como del torso, enfocando dicho diseño a obtener un sistema robótico de bajo coste, pero que constituya un sistema robusto y con una alta capacidad de interconexión y modularidad.
Además del sistema mecánico obtenido, se lleva a cabo un control planar de la plataforma robótica. Este tipo de control, a pesar de ser un control sencillo del sistema, nos servirá para observar la movilidad del sistema, y poder plantear así posibles mejoras del modelo.
Figura 1: Plataforma del robot.
La estructura que sigue el presente documento está asociada a los pasos realizados para la consecución de la plataforma robótica que aquí se presenta. En el punto 2 se describe cuales han sido las soluciones
adoptadas, según las diferentes restricciones mecánicas existentes. En el punto 3 se introduce cual ha sido la plataforma hardware utilizada para el control del sistema completo. La descripción del control utilizado en el sistema se describen en el punto 4, así como en el punto 5 se realiza una descripción de cuales han sido los algoritmos utilizados para la generación de trayectorias articulares en el robot. Uno de los puntos mas importantes en este tipo de sistemas son los sensores utilizados, este apartado viene reflejado en la introducción que se realiza en el punto 6 de la sensorización utilizada para el cálculo del CDG (Centro de Gravedad) del sistema. Los experimentos realizados en el sistema se describen de forma gráfica en el punto 8. Finalmente se comentan cuales deberán ser las líneas futuras de investigación y trabajo.
2 MODELADO MECÁNICO
Para este estudio se han analizado las características del movimiento humano cuando camina, mediante experimentos, tomando al ser humano como modelo. De estos experimentos se han obtenido especificaciones iniciales muy valiosas a la hora de iniciar una línea de diseño.
En este sentido se obtuvieron cuales son las localizaciones aproximadas de cada una de las articulaciones (como se muestra en la figura 2), dimensiones y centro de gravedad. Estos estudios previos suponen el realizar un diseño futuro lo mas aproximado al modelo humano posible.
Figura 2: Distribución de las articulaciones
El numero de articulaciones ha sido reducido al mínimo posible, pero siempre teniendo en cuenta la movilidad que debía de poseer la plataforma mecánica. De este modo se ha optado por dotar al robot de un total de 14 GDL, los cuales están repartidos de forma que en el tobillo se encuentran 2 GDL, la rodilla está formada por 1 GDL, así como 3 GDL para una total movilidad de la cadera y los 2 GDL restantes dan movilidad al torso.
Para cada una de estas articulaciones se han realizado cálculos para determinar cuales serán los pares que deberán de poseer cada uno de los motores así como cual deberá de ser la movilidad, entendiendo movilidad en este caso como los ángulos máximos de giros, en cada GDL. En el siguiente cuadro se muestran cuales han sido los pares y giros máximos obtenidos tras los diversos cálculos y estudios:
PARES MAX. ANGULOS MAX.
TOBILLO 12.51 Kg/cm +15º/-55º giro frontal 7.3 Kg/cm +15º/-40º giro lateral RODILLA 23.4 Kg/cm 40º 6.9 Kg/cm +110º/-35º giro frontal 9.9 Kg/cm +80º/-30º giro lateral
CADERA
Rozamiento. 45º/-30º
En cuanto a las dimensiones totales del robot estas están comprendidas entre los 550 mm de altura total y los 160 mm que posee de ancho. Estas dimensiones hacen referencia a una configuración determinada mostrada en la figura 3.
La mecanización ha sido realizada con materiales que aportasen al sistema robustez y dureza, así como un bajo peso, algo crucial en el diseño de este tipo de sistemas. Como material que cumpliese este tipo de premisas y que además fuese fácilmente mecanizable se eligió el aluminio por sus excelentes características mecánicas.
Figura 3:Vistas frontal y lateral del robot
Otro punto importante en la etapa de diseño del sistema robótico, ya que las dimensiones y diseño final dependían en gran medida de este, fue la elección de los sistemas actuadores que deberán de dotar al sistema de movilidad. En este caso se ha optado por el uso de servomotores DC, usados ampliamente en modelismo. La elección de este tipo de motores es realizada principalmente por la relación precio-prestaciones que obtienen, ya que este tipo de motores poseen de forma compacta todo el sistema de potencia, reductora, realimentación y control, por lo que se obtiene de forma sencilla
5 GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS
Uno de los puntos de mayor relevancia investigadora en sistemas bípedos se encuentra actualmente en la generación de trayectorias y patrones que determinen un caminar lo más semejante al humano. Existen por lo tanto multitud de estudios sobre esta materia, todos ellos desde puntos de vista diferentes, como lo son los estudios presentados por Zerrugh [6], en el cual se trata el problema desde un punto de vista cinemático. Se han realizado estudios referentes a la generación de trayectorias teniendo en cuenta el mínimo uso de energía en el sistema ( Channon [7], Rostami [5]), así como estudios que tienen en cuenta la estabilidad dinámica del sistema (Takanishi [1], Hirai [3], etc), en los cuales se realizan estudios basados todos ellos en el ZMP( Zero Moment Point). Cabe destacar estos últimos ya que la mayoría de sistemas bípedos actuales hacen uso de esta técnica.
Como ya ha sido comentado con anterioridad, el sistema robótico que se presenta en este documento no hace uso de la dinámica del sistema, punto este por el cual gran parte de los estudios descritos anteriormente no pueden ser llevados a la practica.
Así pues se presenta un breve estudio cinemático de cuales deben ser las pautas a seguir para llevar al sistema a un comportamiento que se asemeje lo más posible al humano, y que tenga en cuenta la estabilidad del sistema.
El caminar es un fenómeno periódico y repetitivo. En muchos estudios se definen dos fases, dentro de lo que es un ciclo completo de un paso:
- Fase de soporte doble: en la cual en el sistema ambos pies están en contacto con el suelo, esto supone que es la fase con mayor estabilidad. Por este motivo en esta fase se realizará el cambio de CDG en el sistema.
- Fase de soporte único: en esta fase el sistema avanza con una de sus patas, a la vez que la otra sirve de apoyo. En esta fase el control de la estabilidad del sistema es crítica.
En diversos estudios se establece que la fase de soporte doble llega a ser instantánea, y en la realidad el comportamiento humano así lo constata. Pero para poder llevar a cabo este punto se debe de hacer uso de controles dinámicos en el sistema.
Otro de los puntos importantes a tener en cuenta en el estudio de trayectorias que aquí se presenta hace referencia únicamente a trayectorias en el plano sagital. Esto supone que cuando el robot gire, con él
deberán girarse los planos asociados a cada una de las patas.
Figura 5 : Parámetros que definen el paso.
Existen en cada ciclo dos trayectorias a definir, cada una de ellas determina un punto del robot. En primer lugar se calcularán aquellos puntos que definan la trayectoria del pie de avance. Estos puntos vendrán determinados por la anchura de paso que se elija, así como por la altura máxima a la que se pretende llevar el pie de avance (Hao). Según esto, y teniendo en cuenta que se describe k como la variable que define el número de paso en el que se encuentra la plataforma robótica, los puntos que definen la trayectoria vienen dados según las siguientes ecuaciones;
Xav(7)=(k+2) Ds
Xav(6)=(k+1) Ds+Ds/
Xav(5)=(k+1) Ds+Laf/
Xav(4)=(k+1) Ds-Lab/
Xav(3)=(k+1) Ds-Ds/
Xav(2)=kDs
Xav(1)=kDs
Xa (1)
Yav(7)= Hgs
Yav(6)=Hao+2.5*Lan/
Yav(5)=Hao+Lan
Yav(4)=Hao+Lan
Yav(3)=Hao+2.5*Lan/
Yav(2)=Hgs
Yav(1)=Hgs
Ya (2)
Y seguidamente se realizaran los cálculos que definirán la trayectoria a seguir por la cadera, según las ecuaciones que se muestran a continuación.
⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
Xc(7)=(k+1)Ds+ Xed
Xc(6)=((Xav(6)-(k+1)Ds)Xed/Ds)+Xc(2)+Xsd
Xc(5)=((Xav(5)-(k+1)Ds)Xed/Ds)+Xc(2)+Xsd
Xc(4)=((Xav(4)-Xav(2))Xsd/Ds)+Xc(2)
Xc(3)=((Xav(3)-Xav(2))Xsd/Ds)+Xc(2)
Xc(2)=(k+1)Ds-Xsd
Xc(1)=(k)Ds+Xed
Xc
=
Yc(7)= Hmin
Yc(6)=2.5*(Hmax-Hmin)/3+Hmin
Yc(5)=Hmax
Yc(4)=Hmax
Yc(3)=2.5*(Hmax-Hmin)/3+Hmin
Yc(2)=Hmin
Yc(1)=Hmin
Yc (4)
Tras haber obtenido todos los puntos que definirán las trayectorias a seguir por el robot en el espacio absoluto, estas deberán de ser modificadas para trabajar en coordenadas del robot.
Obtenidos los puntos que definen el movimiento en coordenadas robot, se deberá realizar una interpolación de estos, de modo que el sistema posea unos movimientos suaves y pausados. Para esto se ha hecho uso de una interpolación spline cúbica, de modo que aportando un grid al sistema es posible obtener puntos intermedios que pertenezcan a una curva que pasa por los puntos de control anteriormente descritos. En otros estudios (Huang [8]), esta interpolación se realiza mediante splines cúbicas, pero teniendo en cuenta ecuaciones de contorno en los puntos de control. Esto supone un mayor control de las velocidades en los puntos de control, así como un mayor ajuste, pero que por el contrario aumenta la complejidad de cálculo a aportar por el sistema. Por este hecho se a optado por incluir únicamente una interpolación sin restricciones en los puntos intermedios de control de la curva.
Como ejemplo del uso de estas rutinas se observa en la figura 6 diversas simulaciones variando parámetros del paso, y como el robot se adapta a ellos.
(^00 10) 2 0 30 40 50 60
5
10
15
20
25
30
Longitud de paso = 30 Altura= 24
(^00 5 10 15 20 25 30) 3 5 40
5
10
15
20
25
Longitud de paso = 20 Altura= 18 Figura 6: Simulación del robot.
6 SENSORIZACIÓN EN EL SISTEMA
En puntos anteriores ya se ha puesto de manifiesto la importancia en este tipo de sistemas de sistemas sensoriales eficaces y que doten al sistema de control de una información veraz y coherente con el entorno. Por este motivo el sistema robótico que se presenta posee una serie de sensores capaz de dotarle de una cierta capacidad para obtener información del estado del sistema.
Uno de los principales puntos a tener en cuenta a la hora de obtener un movimiento de avance de la estructura, es el obtener una estabilidad acotada entre ciertos márgenes. Estas acotaciones en sistemas bípedos vienen descritos por la ubicación del CDGR (Centro De Gravedad Robot ), en el pie de apoyo.
Para este fin, es decir el de determinar la posición en cada instante del CDG, se ha diseñado una placa capaz de obtener mediante microsensores de fuerza, cual es el punto del pie de apoyo en el cual se encuentra el CDGR. Y que seguidamente se describirá de forma breve cual es el funcionamiento de dichos módulos sensoriales.
8 RESULTADOS OBTENIDOS
Tras llevar todo lo anteriormente expuesto a la practica, dejando a un lado las simulaciones, se ha obtenido unos primeros movimientos del robot, los cuales se muestran el la figura 9.
Figura 9: Secuencia del robot caminando.
9 CONCLUSIONES Y TRABAJO
FUTURO
Como conclusión principal tras haber observado el comportamiento del robot, es la total funcionalidad del diseño mecánico realizado. Del mismo modo se ha observado una cierta inestabilidad del robot en ciertos momentos del movimiento. Dicho comportamiento es debido principalmente a dos factores:
- Bajas prestaciones de los servomotores utilizados. Si bien estos han sido elegidos de acuerdo a las especificaciones calculadas, posteriormente se ha constatado que no son capaces de proporcionar la fuerza requerida sin un error de posición estimable. Por otro lado a medida que estos son utilizados, el rendimiento baja enormemente, requiriendo parar los experimentos después de una hora de uso.
- Fragilidad del sistema sensorial de la planta del pie. El diseño realizado de ha mostrado extremadamente sensible, afectándose los sensores por golpes, con la posterior introducción de ruidos y falsas medidas. Dichos valores inválidos se traducen en movimientos que desequilibran el robot, siendo en muchas ocasiones causa de un mal movimiento.
Por este motivo actualmente se está trabajando en el diseño e implementación de nuevas plataformas de actuación y sensorización, así como controladores locales y adaptables. En concreto se van a sustituir los motores por otra versión con mejor rendimiento, controlados por un sistema empotrado basado en el Atmel At89c51CC02. Todos ellos, son capaces de realizar tareas de control avanzado y de envío de información al sistema central por medio de una red CAN interna.
Referencias
[1] A. Takanishi, M. Ishida, Y. Yamazaki, and I Dato, “The realization of dynamic walking robot WL-10RD”, en Proc. Int. Conf. Advanced Robotics,
[2] Jong Hyeon Park y Hoam Chung: “ZMP Compensatión by On-Line Trajectory Generation for Biped Robots.”. 0-7803-5731-0 / 1999 IEEE. [3] K. Hirai, M. Hirose, Y.Haikawa, and T. Takenaka, “The development of honda humanoid robot” in Porc. IEEE Int. Conf Robotics and Automation, 1998. [4] Kazuo Hirai, Masato Hirose, Yuji Haidawa, Toru Takenaka: “The Development of Honda Humanoid Robot”, en Procedings of teh 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation. [5] M. Rostami and G. Bessonnet, “Impactless sagittal gait of a biped robot during the single support phase”, en Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, 1998. [6] M.Y. Zarrugh and C.W Radcliffer, “Computer generation of human gait kinematics” J.Biomech., vol. 12 [7] P.H. Channon, S.H. Hopkins, and D.T. Phan, “Dereivation of optimal walking motions for a biped walking robot” Robotica, vol 10, no. 2. [8] Qiang Huang, Kazuhito Yokoi, Shuuji Dajita, Kenji Kaneko, Hirohiko Arai, Nofiho Koyachi y Kzuo Tanie: “Planning Walking Patterns for a Biped Robot”, en IEEE Transactions on robotics and Automation. Vol. 17 NO 3 Junio 2001. [9] R. Stojic, C. Chevallerau: “On the stability of biped with point foot- ground contact”,Institut de Recherche en cybernetique de Nantes , France.
