Para efectos de hacer una mejor descripción del modelo de control propuesto esta sec- ción describe un modelo de robot modular tipo cadena relativamente simple. Como se definió en la sección 1.4 un robot modular tipo cadena es aquel cuyas estructuras son formadas por cadenas de módulos que pueden formar extremidades como brazos, piernas, etc. Los módulos de los robots tipo cadena pueden tener uno o varios grados de libertad
de movimiento, por ejemplo CONRO tiene dos grados de libertad. En el caso del modelo utilizado el módulo posee solamente un grado de libertad rotacional, esto es, cada mó- dulo cuenta solamente con dos partes fijas unidas mediante una junta rotacional actuada (Ver figura 3.1). Los limites de movimiento de la junta rotacional dependen del tipo de implementación del modelo de módulo, pero por lo general van desde −π/2 hasta π/2 radianes como lo especifica la figura 3.3. El tener un solo grado de libertad simplifica un poco la parte que cada módulo contribuye al movimiento total de la estructura ya que el controlador del módulo solo debe ocuparse de controlar un actuador a la vez.
Figura 3.1: Modelo de módulo de robot modular tipo cadena con un solo grado de libertad
Ademas de tener un solo grado de libertad, el modelo de módulo cuenta con su propio sistema de transmisión y recepción de datos para comunicarse con otros módulos iguales a el. El módulo cuenta también con una forma de conectarse con los otros módulos. El sistema de conexión esta conformado por dos superficies de conexión, ambas ubicadas en las caras opuestas a la junta actuada en cada parte fija de los módulos, y existe una relación macho-hembra entra las dos caras de cada módulo (Figura 3.2), debido a esta relación los módulos solo pueden conectarse en un orden específico.
Debido a la restricción del orden de conexión, con este sistema los módulos solo pueden conectarse uno detrás de otro limitando las configuraciones al caso de robots ápodos, robots formados por una sola cadena sin extremidades, tipo serpiente o serpentina [16] (Ver figura 3.4). Sin embargo, estas son suficientes para explicar de manera satisfactoria el modelo
CAPÍTULO 3. MODELO HÍBRIDO DE CONTROL 23
Figura 3.2: Modelo de módulo de robot modular tipo cadena con un solo grado de libertad simplificado, se muestran las caras de conexión y la relación macho-hembra (azul y rojo respectivamente) que existe entre ellas.
Figura 3.3: Limites típicos para el movimiento de la junta actuada del módulo, el rango de movimiento es normalmente de π radianes.
de control. Cabe anotar que en una estructura formada por módulos del modelo utilizado cualquier módulo puede ser reemplazado por otro en cualquier parte de la estructura gracias a que el conjunto de módulos es homogéneo.
3.4. Modelo Híbrido de Control
Un modelo híbrido de control es un modelo que combina las principales características de varias técnicas anteriormente utilizadas con el mismo propósito. Con un modelo de este estilo se pueden aumentar las capacidades del sistema de control al combinar las ventajas que ofrecen las técnicas base. En el caso del modelo propuesto en este trabajo las técnicas base a utilizar son los Generadores Centrales de Patrones y el control inspirado en Hormonas. A continuación se hará una descripción de las características básicas del enfoque híbrido para luego pasar a una descripción detallada de la contribución de cada una de las dos técnicas base al algoritmo completo de control.
La base del modelo híbrido de control esta formada por los CPG. Los CPG se organizan como redes de osciladores, uno por módulo al tener solo un grado de libertad, proveyendo un sistema básico de generación de movimientos coordinados para las diferentes estructuras
Figura 3.4: Con el modelo simplificado y la relación macho-hembra de las superficies de conexión, los módulos solo pueden conectarse en un orden específico formando configura- ciones ápodas tipo serpiente o serpentina. Cualquier módulo puede ser reemplazado por otro dentro de la estructura al ser todos homogeneos.
que pueden ser formadas por la unión de los módulos. A pesar de que, dependiendo del sistema de comunicación, cada módulo del modelo puede comunicarse con cualquier otro módulo, en el modelo de control los módulos serán restringidos a comunicarse únicamente con sus vecinos mas próximos con los que se encuentren unidos. La comunicación con los vecinos más próximos no permite que haya interacciones globales de los módulos, solo locales. Al solo existir interacciones locales entre los módulos los CPG solamente estarán relacionados con los de los módulos vecinos (Ver figura 3.5).
Figura 3.5: En el modelo de control los CPG se organizan como redes de osciladores, uno por módulo. La comunicación esta restringida a solo los vecinos más próximos para asegurar que solo existan interacciones locales entre los módulos.
Las redes base de CPG en la estructura permiten que, por ejemplo, se propaguen ondas senoidales a través de los módulos, logrando movimientos de locomoción del tipo serpiente, o que las diferentes patas de una estructura cuadrúpeda puedan coordinarse para lograr movimientos de caminar o trotar. La principal ventaja de utilizar CPG como base es que, dependiendo de la complejidad de los osciladores con los que se modelen, permiten generar movimientos coordinados en diversas configuraciones de una estructura de robots modulares con interacciones locales entre los módulos. Una forma de describir los diferentes
CAPÍTULO 3. MODELO HÍBRIDO DE CONTROL 25
movimientos generados a partir de la interacción de los CPG es mediante la utilización de primitivas de movimiento.
Las primitivas de movimiento son movimientos básicos que sirven de bloques cons- tructivos de los sistemas motores y que han sido encontradas en diversos animales y en los humanos [66], [18]. Las primitivas de movimiento pueden surgir como los movimientos oscilatorios generados por los CPG o como movimientos de respuesta a un estimulo parti- cular [14]. Una ventaja de utilizar primitivas de movimiento es que se reduce el espacio de movimientos que es necesario para formar comportamientos más complejos simplificando la tarea de escoger que movimiento generar en que momento [46]. Teniendo entonces un conjunto de primitivas de movimiento podemos integrarlas utilizando la información sen- sorial captada del ambiente para hacer que aumente la autonomía de la estructura robótica sobre la que se esté trabajando [31], [30], [32], [10].
En el caso de robots modulares la integración de información sensorial se hace un poco más complicada con respecto a los robots convencionales debido a la misma característica de reconfiguración con la que cuentan. En un robot convencional todas las partes siem- pre estarán cumpliendo una función fija dentro de la estructura por lo que no existirán problemas al llevar la información de los sensores a los centros de control de movimiento del robot. Sin embargo en los robots modulares, y más específicamente en el modelo de robot modular a utilizar en este trabajo, cualquier módulo puede cumplir cualquier fun- ción dentro de cualquier estructura, por lo que se hace imperativo el uso de una forma de transmitir e integrar la información del ambiente captada por medio de sensores a los centros de movimiento, en este caso los CPG, que tenga en cuenta estas características.
Para resolver el problema de la integración de la información sensorial, un modelo de mensajes inspirado en hormonas, basado en el descrito en la sección 2.3.5, ha sido escogido. Cada vez que un sensor sea estimulado en alguno de los módulos, el módulo involucrado emitirá un mensaje hormonal el cual será propagado por la estructura modular. Una de sus principales ventajas es que provee una manera simple de transmitir información a través de diversas estructuras de robots modulares teniendo en cuenta las características de recon- figuración mencionadas anteriormente. Cada módulo al que llegue el mensaje realizara la interpretación de acuerdo a sus propias condiciones y hará las modificaciones que considere necesarias a su CPG interno. Otra ventaja de la comunicación por medio de hormonas es que permite integrar las diferentes primitivas de movimiento que pueden ser logradas con los CPG. De esta manera varias primitivas de movimiento pueden ser integradas en el movimiento del módulo debido a varios estímulos externos (Figura 3.14).
En la siguiente sección se hará una descripción detallada de los osciladores utilizados para modelar los CPG presentes en cada uno de los módulos y como generar diferentes primitivas de movimiento con estos mismos modelos. En la sección 3.6 se realizará la descripción del sistema de comunicación basado en hormonas utilizado para integrar las diferentes primitivas de movimiento generadas con los CPG.