Robótica Móvel Douglas Wildgrube Bertol DEE - Engenharia Elétrica CCT AS2ROB1 Fundamentos de Robótica Joinville 21/05/2018
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 3
História da robótica móvel Elsie the Tortoise (1949-1950) Grey Walter cria oito tartarugas robóticas. Possuindo uma fotocélula, dois motores e controladas por válvulas, estes robôs exibiam um comportamento semelhante ao de seres vivos. Procuravam fontes de luz e dançavam em volta delas até que suas baterias se acabassem. Inteligência bacterial 4
História da robótica móvel primeiros robôs - SHAKEY Desenvolvido no Stanford Research Institute (final 1960) Sensores de visão e contato STRIPS planner Navegação visual em um mundo especial Deliberativo 5
História da robótica móvel primeiros robôs - HILARE LAAS em Toulouse, France (final 1970) Vídeo, sonar, laser range-finder Representações espaciais multicamadas Deliberativo (controle híbrido) 6
História da robótica móvel primeiros robôs - CART/Rover Hans Moravec Stanford Cart. (1977) seguido por CMU rover (1983) Sonar e visão Controle deliberativo 7
História da robótica móvel irobot 1988: Brooks cria uma empresa para fabricação de robôs. Eu acredito que no ano 2020 todo lar americano vai ter um robô inteligente. E eu quero fornecer estes robôs (IJCAI, 2001) Hoje: www.irobot.com Fabrica aspiradores, limpadores, avatares, etc. 8
Autonomia
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 tele operados) 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] 10
Robôs móveis autônomos perguntas básicas em robótica móvel Onde estou? refere-se a localização de robôs consiste em determinar a posição do robô em relação ao ambiente, utilizando informações provindas do ambiente, adquiridas pelos sensores Onde eu estou 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 11
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 12
Robôs móveis autônomos 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] 13
Aplicações
Classificação dos robôs móveis Diversas taxonomias podem ser utilizadas para classificar robôs móveis Anatomia: aéreos aquáticos terrestres (rodas, esteiras, pernas) Tipo de Controle: tele operados: um operador define todos os movimentos que o robô deve executar semiautônomos: 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 15
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 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 16
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... 17
Exemplos de robôs móveis AGV- Veículos Autônomos Guiados 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. https://www.youtube.com/watch?v=yy3h mwhaiuw https://www.youtube.com/watch?v=wan_m1 PwcOQ 18
Exemplos de robôs móveis Helpmate 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). 19
Exemplos de robôs móveis BR700 Cleaning Robot Desenvolvido e vendido por Kärcher Inc., Germany. Seu sistema de navegação é baseado em um sistema de sonar e giroscópio 20
Exemplos de robôs móveis ROV Tiburon Underwater Robot Utilizado em arqueologia submarina (teleoperado) usado por MBARI para pesquisa no fundo do mar. https://www.youtube.com/watch?v=yafq9c7cqge 21
Exemplos de robôs móveis Robô Pioneer Robô Pioneer, tele operado para explorar o sarcófago de Chernobyl https://www.youtube.com/watch?v=dgwe7o1x9hu 22
Exemplos de robôs móveis Robô Khepera KHEPERA é um robô móvel pequeno para educação e pesquisa Tem apenas 60 mm de diâmetro Módulos adicionais como câmeras e garras estão disponíveis https://www.youtube.com/watch?v=bve72ybd3me 25
Exemplos de robôs móveis Forester Robot 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 26
Exemplos de robôs móveis Sojourner, primeiro robô em marte Sojourner foi usado durante a missão Pathfinder para explorar Marte em 1997. Foi quase completamente tele operado da Terra, a não ser por alguns sensores onboard para detecção de obstáculos. https://www.youtube.com/watch?v=o6as1lzzgzy 27
Exemplos de robôs móveis NOMAD, Carnegie Mellon / NASA Deserto do Atacama - de 15 junho a 31 de julho de 1997-215 km (45 dias) 28
Exemplos de robôs móveis Honda Walking Robot 29
Controle
Esquema de controle arquitetura baseada em modelo Inteligência artificial clássica Modelagem completa Baseado em função Decomposição horizontal 32
Esquema de controle arquitetura baseada em comportamento Sem modelagem ou modelagem esparsa Baseada em comportamento Decomposição vertical Base-topo (bottom up) 33
Estratégias de controle Controle Reativo não pensa, (re)age. Controle Deliberativo pensa primeiro, age depois. Controle Híbrido pensa e age independentemente, em paralelo. 34
Estratégias de controle controle reativo Ciclos percepção-ação (estímulos-respostas) Inerentemente paralelo Sem memória Muito rápido e reativo Incapaz de planejar adiante Incapaz de aprender 35
Estratégias de controle 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 36
Estratégias de controle controle híbrido Combina os dois extremos: sistemas reativos na base sistemas deliberativos no topo conectados por alguma camada intermediária Camadas devem operar concorrentemente 37
Sensoriamento
Sensoriamento sensores - encoders 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 39
Sensoriamento 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 deadreckoning. 40
Sensoriamento sensores de direção Usados para determinar a orientação e a inclinação dos robôs Podem ser proprioceptivos (giroscópio, inclinomêtro) ou exteroceptivos (bússola) Permitem, em conjunto com a informação de velocidade, integrar o movimento para uma estimação de posição (deadreckoning) Exemplo: bussola magnética medida direta do campo magnético (efeito Hall, magneto-resistivos) Principal desvantagem: facilmente perturbado por objetos magnéticos 41
Sensoriamento sensores de direção - giroscópio Orientação em relação a uma referência fixa: medida absoluta para a direção de um sistema móvel. Duas categorias: giroscópios mecânicos giroscópios ópticos 42
Sensoriamento sensores de posição Global Positioning System (GPS) Desenvolvido para aplicações militares 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 voo da medida 43
Sensoriamento sensores de posição - proximidade 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 ultrassônicos e sensores laser fazem uso da propagação da velocidade de ondas 44
Sensoriamento sensores de posição - proximidade 45
Sensoriamento sensores - fusão 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 46
Sensoriamento sensores - fusão 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 ) 47
Porque a robótica móvel 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 48