Tutorial file for CoroGas

En este cap´ıtulo se present´o el dise˜no conceptual del robot ROAD. Para realizar este dise˜no de una manera sistem´atica se usaron varias t´ecnicas con las cuales se logr´o identificar la lista de necesidades del cliente, el pliego de especificaciones, la generaci´on de diferentes conceptos, selecci´on del concepto y de este concepto seleccionado se presenta la construcci´on de un prototipo a escala del robot con el fin de identificar la arquitectura del sistema, subsistemas y componentes es decir acercarnos a la etapa de dise˜no a nivel sistema. Se define que el cliente o usuario principal son las personas mayores y tambi´en de gran ayuda a los cuidadores y terapeutas Dentro de la lista de necesidades del cliente se encontr´o como las de relevante importancia: 1. Soportar peso completo de la persona. 2. Levantar a la persona desde una posici´on de sentado 3. Balancear a la persona durante el caminado. 4. Aut´onoma para navegar dentro de la casa. 5. Transportar objetos de un lugar a otro de la casa. Despu´es se identifican las funciones a trav´es de la metodolog´ıa SADT que se desea que cumpla el producto, se encuentra que la funci´on principal del robot es asistir en la marcha y a levantar a una persona desde la posici´on de sentado. Sin embargo el proceso nos ayud´o para encontrar otras funciones menos perceptibles pero trascendentes para el funcionamiento del robot. Las funciones identificadas fueron: Asistencia y Rehabilitaci´on, Permitir AVDs, Uso domestico, y la Exigencias del Cliente. Despu´es de determinar estas funciones seg´un sus criterios derivaron en par´ametros medibles con los cuales se tendr´an de referencia para el desarrollo y dise˜no del robot, Por otra parte, se hizo una evaluaci´on a trav´es de la casa QFD de los par´ametros medibles para evaluar como estos par´ametros satisfac´ıan o eran de mayor relevancia con respecto a las necesidades del usuario. Como resultado se clasifican los par´ametros en tres rangos de importancia y se les da un nivel de flexibilidad, es decir que tanto pueden cambiar o no. Como nivel 0 o mulo, que es de mayor relevancia, se encuentran el momento de fuerzas, la capacidad de carga y la rigidez estructural. Como nivel 1, es decir con una flexibilidad de cambios necesarios, se encontraron las dimensiones del robot (alto, ancho y peso), los grados de libertad y el nivel de automatizaci´on y ya como un nivel 2 de menor importancia est´an la corriente y potencia el´ectrica. Es tambi´en con el QFD que se encontraron posibles conflictos

entre par´ametros de dise˜no como lo son el peso del robot con la velocidad, con los momentos de fuerza y con la potencia y corriente a utilizar. Por lo tanto es de vital importancia tener en cuenta el momento que necesitaran los actuadores para lograr las metas propuestas. Es tambi´en con el QFD que se logra hacer una comparaci´on de los diferentes productos revisados en el estado del arte (los competidores) con la idea general del robot que se quiere desarrollar y se encuentra que aunque hay aplicaciones muy espec´ıficas para ayudar en el balanceo de la marcha o del levantado pero no est´an hechos para cargar objetos, no dejan en s´ı las manos libres y no podr´an girar en su propio eje para permitirle diferentes orientaciones, adem´as de algunos tienen un sistema de navegaci´on compleja.

Una vez teniendo el pliego de especificaciones se hace una generaci´on de con- ceptos donde se revisa a detalle las diferentes soluciones que existen ante las necesidades planteadas. Est´as soluciones atacan en espacial 3 problemas princi- pales: Sistema de traslaci´on, sistema de levantado y punto de sujeci´on del usuario. Se realizaron entonces tres ´arboles de clasificaci´on de cada problema con sus res- pectivas soluciones existentes, se combinan a su vez estas soluciones y esta fue la estrategia donde se plantearan varios conceptos. El primer concepto en s´ı repre- sent´o el tipo de soluci´on que hasta el momento se encuentra. El segundo concepto es un robot h´ıbrido paralelo en estructura pero con un efector final se un brazo serial, trasladado por rieles. El concepto tres es la escalera m´agica que est´a com- puesta de un marco paralelo que est´a conectado a un carro que se traslada por el riel y adem´as esta soportado por en el suelo mediante un par de ruedas om- nidireccionales, adem´as dentro de la estructura del marco existe una articulaci´on prism´atica que junto con la articulaci´on que permite el movimiento horizontal, pueden producir movimientos bidimensionales. El cuarto concepto, es un robot que se compone de tres eslabones conectados por tres articulaciones. Estas arti- culaciones son: un sistema de tracci´on en los rieles, una articulaci´on de rotaci´on del eje vertical, y la articulaci´on prism´atica que mueve hacia arriba y hacia abajo el soporte del brazo. Los tres conceptos son calificados de acuerdo a los criterios de decisi´on utilizados en el pliego de especificaciones, a estos criterios se les da un peso que no es escogido arbitrariamente, si no de lo deducido en la secci´on de clasificaci´on de funciones. De acuerdo a los resultados de esta calificaci´on se encuentra que el mejor concepto es el n´umero cuatro.

Finalmente se desarrolla y construye un prototipo escala con el fin de hacer un dise˜no a nivel sistema, donde se define la arquitectura y su desglose en subsistemas y componentes, pero sobre todo saber si el concepto seleccionado es funcional de acuerdo con especificaciones, que en este caso se adaptan a la escala de 5.5 veces menor a la real. El prototipo no s´olo es la construcci´on del robot, sino de dos habitaciones a escala y del dise˜no de un sistema de rieles y tornamesas que se proponen como posible soluci´on de navegaci´on para el robot. La arquitectura del robot prototipo se dividi´o en los siguientes m´odulos: 1. Carro, 2. Almac´en electr´onico, 3. Junta rotacional, 4. Soporte, 5. Junta Prism´atica con movimiento vertical y 6. Silla, cada uno de ellos explicado. En cuanto a la casa a escala consisti´o en dos habitaciones cocina y ba˜no, donde se monta una estructura de rieles con 4 tornamesas, que permiten ir a 7 puntos importantes de la casa con sus diferentes combinaciones origen destino. La construcci´on m´as relevante es la del robot y las de la tornamesas, Los criterios de mayor importancia en el robot y que concuerdan con los planteados en un dise˜no real, es tener el momento de fuerzas en los actuadores del robot para lograr moverlo por toda la casa sin problemas, esto en espec´ıfico se toma en cuenta en los motores del carro donde, pueden mover cerca de 15 kg. Tambi´en en lo que respecta a la junta prism´atica donde los motores pueden cargar hasta 600 gramos y dejando espacio para otro tercer motor, el cual nos permitir´ıa llegar a levantar una carga de 1 Kg, lo que ser´ıa mayor al peso de un humanoide rob´otico del tama˜no. La estructura dise˜nada es r´ıgida sobre todo en las bases, construidas con acero inoxidable, pero para aligerar el peso del robot se hacen de varias piezas de pl´astico ABS de grosor entre 3mm y 4mm. Se prueban varios or´ıgenes y destinos que hacen diferentes rutas de navegaci´on, es este caso se presentan dos, las cuales fueron exitosas, las dimensiones dadas al robot y a los rieles junto a sus tornamesas son las adecuadas para que el robot navegue sin obst´aculos, lo que prueba que la soluci´on de movimiento y navegaci´on es viable.

Planificador de tareas y control

de la navegaci´on del robot dentro

de la casa

En este cap´ıtulo se trata de probar el concepto 4 seleccionado a trav´es de la gene- raci´on de conceptos mostrado en el cap´ıtulo 3, esto es se propone una estrategia de control y planificaci´on de tareas y se hace una prueba con la implementaci´on a escala del modelo. Como se explica este concepto consta de tres articulaciones secuenciales, donde la primera es la traslaci´on por medio de rieles, la segunda es un eje rotacional que permite la orientaci´on del robot y la ´ultima es una junta prism´atica que permite el traslado vertical del soporte del robot. Con estas tres articulaciones se pretende que el robot realice tres tareas b´asicas: 1. La traslaci´on del robot por toda la casa, 2. La orientaci´on del soporte (efector final) del robot, 3. Levantar o sentar una persona por medio del movimiento sincronizado de sus articulaciones prism´atica vertical y de los rieles. La traslaci´on es una de las tareas de mayor complejidad por lo que como primera instancia del cap´ıtulo se plantea el problema de traslaci´on y la soluci´on f´ısica propuesta. Por otra parte en este cap´ıtulo en espec´ıfico se hace una propuesta de la planificaci´on de las tareas del robot por medio de redes de petri con las cuales permiten visualizar el control de tareas y la directa implementaci´on para la interfaz humano robot (IHR). Por otra parte, se prueba en el prototipo a escala donde se prueban los diferentes

movimientos que en consecuencia ejecutaran las tareas a realizar por el robot.

4.1

Definici´on del problema de traslaci´on del ro-

bot por toda la casa

La navegaci´on del robot a trav´es de la casa se realiza a trav´es de rieles como se explic´o en el dise˜no del concepto. A trav´es de estos rieles el robot tendr´ıa la capacidad de ir a puntos importantes de la casa, como son el ba˜no, la cocina y la recamara, etc. y de ah´ı a diferentes zonas donde la persona realizar´ıa alguna actividad, se necesita por lo tanto cubrir la mayor parte de zonas posibles de la casa y realizar una estrategia que permita localizar al robot y controlarlo para implementar una interfaz f´acil de uso para las personas. Para llegar a diferentes partes de la casa se pueden poner una serie de rieles rectos o curvos que cubran los espacios e interconectados de diferentes formas ya sea a trav´es de un cambia rieles, tornamesas y la combinaci´on de un riel actuado con otro que llevar´ıa el carro para formar un movimiento en un plano (configuraci´onx-y), las figuras4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 muestran los ejemplos de las posibles configuraciones de rieles que se podr´ıan hacer para que el robot se traslade por la casa.

Figura 4.1:_{Riel de tipo recto.}

Para facilitar idear la estrategia de planeaci´on de traslaci´on del robot, se escoge como ejemplo la combinaci´on de rieles que m´as adelante es implementada en el modelo a escala del sistema ROAD, en este ejemplo los rieles sirven para desplazar el robot de una posici´on base a diferentes ´areas de la cocina y del ba˜no

2400,00

Figura 4.2: _{Riel de tipo Curva.}

2400,00

Figura 4.3: _{Combinaci´on de rieles conectados por un Intercambiador.}

que son las zonas que dentro de una casa con espacio di´afano se complican m´as porque se necesita de la presencia de paredes y muebles y que adem´as son de bastante uso cotidiano. La combinaci´on de los rieles en este ejemplo son rectos interconectados por cuatro tornamesas que permiten al robot moverse a 3 zonas diferentes de la cocina, a tres zonas diferentes en el ba˜no, cada una con un acceso principal y a una posici´on de base como se puede ver en la figura 4.6.

Independientemente de la configuraci´on y combinaci´on de rieles se propone partir de la idea de tener localizado el robot con un origen, este origen se puede conocer ya sea con sensores ubicados en las zonas de mayor inter´es de la casa

2400

,00

Figura 4.4: _{Combinaci´on de rieles conectados por una Tornamesa.}

14550,00

2400,00 CocinaZ CocinaZ3 CocinaZ 2 BañoZ3 BañoZ 2 BañoZ1 INICIO 1 APB APC

Figura 4.6: _{Ejemplo de combinaci´on de rieles y tornamesas para moverse en}

diferentes puntos entre la cocina y el ba˜no

o implementando un sistema de visi´on que nos pueda determinar la posici´on de origen, de primera instancia el origen del robot es en una zona llamada base. De la base el robot se puede desplazar a dos ´areas principales que son la cocina y el ba˜no, donde llegar´ıa a los accesos principales, dentro del ba˜no o de la cocina el robot se puede desplazar a tres zonas diferentes conectado por las tornamesas, esta configuraci´on se puede ver en la figura 4.6, teniendo esta idea sirve para desarrollar el planificador de tareas que se muestra en la siguiente secci´on y que finalmente se prueba en la implementaci´on del prototipo a escala.

4.2

Planificador de Tareas de ROAD

El dise˜nar un planificador de tareas para un robot cuya interacci´on es con una persona no es cosa sencilla ya que son varios los aspectos que se tienen que tomar en cuenta cuando un robot interact´ua con una personas y tambi´en en el ambiente

en el que se desplazar´ıa, es por eso que se hace una revisi´on del estado de arte sobre planificadores e interfaces humano robot que se hace a continuaci´on.

4.2.1

Revisi´on bibliogr´afica de Interfases Humano Robot

(IHR)

Se ha realizado un trabajo [Esteves et al., July-1 Aug.] donde se realiza un pla- nificador de movimiento de forma autom´atica con animaciones que simula la cooperaci´on entre humano, humanoides o robots manipulando objetos pesados en ambientes desordenados. En este trabajo se hace una propuesta de desacople geom´etrico y cinem´atico del sistema, este desacople permite crear una ruta de movimiento libre de colisiones para un sistema reducido, luego animar la loco- moci´on y agarrado movimientos en paralelos y finalmente limpiarla de colisiones residuales. Estos pasos se aplican autom´aticamente haciendo uso de t´ecnicas di- ferentes tales como la planificaci´on de ruta probabil´ıstica, los controladores de locomoci´on, cinem´atica inversa y planificaci´on de ruta para la cinem´atica cerrada de mecanismos.

En otro trabajo [Christensen et al.] tambi´en se analiza las posibles formas e interfaces de comandar un robot de servicio para que coopere con personas. Se analiza que es m´as conveniente entre comandar con voz, se˜nales, interfaces gr´aficas como PDA a WPA o tel´efonos celulares para mostrar un mapa de la casa y ayudar en en la navegaci´on, se ven los diferentes inconvenientes. Tambi´en refieren que lo m´as natural es comandar por voz, pero que esto provoca que se espere demasiada inteligencia por parte del robot.

Para tener idea de los diferentes aspectos que se deben de tener en cuenta en una HRI se revisa un trabajo muy completo que establece la taxonom´ıa que se ha definido en [Yanco and Drury, Oct.] para este tipo de interfaces y control de tareas . Algunas medidas de seguridad de las tareas de interacci´on se miden seg´un lo cr´ıticas que pueden llegar a ser, se clasifican en nivel alto, medio y bajo, estas siempre midiendo las seguridad de las personas, punto importante a notar de este trabajo.

Por otra parte esta otro art´ıculo en [Steinfeld et al.,2006] que trata de identifi- car las m´etricas comunes para las tareas orientadas a la interacci´on humano-robot.

Se estudian las m´etricas en especial de cinco tareas de los robots m´oviles, que en especial pueden tener un grado de completa teleoperaci´on hasta ser completa- mente autom´aticos. Estas m´etricas son navegaci´on, percepci´on, administraci´on, manipulaci´on, socializaci´on. Se detallan cada una de las m´etricas y sus operacio- nes.

Existen varios algoritmos para hacer la planificaci´on de tareas que permiten generalizar la tarea a realizar y que son flexibles en el caso de cambios en el entorno en el que se encuentran, esto es analizado en [?] de donde se toma la siguiente informaci´on. Dentro de estas t´ecnicas se encuentran la representaci´on mediante grafos, entre las cuales existen m´etodos que permiten realizar la planificaci´on como son:

• Arboles de decisi´on: Permite seleccionar diferentes opciones para obtener´ diferentes alternativas de decisi´on para planificar una tarea.

• Redes Neuronales: Parte del modelo matem´atico de la tarea a realizar y formula una soluci´on mediante un algoritmo. Necesita datos de entrada significativos para su correcto entrenamiento de la red para que pueda tomar las decisiones adecuadas.

• Redes de Petri: Modela el comportamiento y la estructura de un sistema completo. La planificaci´on de la tareas se lleva acabo mediante la definici´on de estados llamados plazas y transiciones que realizan cada ejecuci´on de las acciones.

• Algoritmos Gen´eticos: Consiste en una evoluci´on de las diferentes soluciones a trav´es de iteraciones llamadas generaciones, estas generaciones prosperan seg´un una funci´on de aptitud adecuada. Su origen proviene de un fenotipo y de una poblaci´on natural.

4.2.2

Modelado del planificador de tareas por medio de

redes de Petri

Para el dise˜no de un planificador de tareas que m´as tarde se puede implementar f´ısicamente en el robot y en una IHR se escoge modelarla a trav´es de las redes Pe-

tri. Las redes de Petri tienen como ventaja que proporcionan el flujo y secuencia correcta para luego implementarse en software directamente que ayude a contro- lar el traslado del robot y sus tareas y as´ı dise˜nar una interfaz adecuada para el usuario, la siguientes secciones explican extensamente la estrategia aplicando redes de Petri, para m´as detalle acerca de la redes de Petri vaya al ap´endice 3

Son varios los aspectos que hay que tomar en cuenta cuando un robot va a realizar tareas que interact´uan con una persona y adem´as la tarea de navegaci´on en una casa no es tarea f´acil, por lo tanto la red que ejemplifica esta planificaci´on de tareas no es cosa sencilla y se decide dividir en varios niveles. El primer nivel es una red de selecci´on de tareas, la cual se muestra en la figura 4.7, y la intenci´on es que el usuario pueda seleccionar el tipo de tarea que el robot va a realizar, estas tareas son: Pedir desplazar de lugar al robot, orientar al robot, ayuda para levantarse de la posici´on de sentado, ayuda para sentarse nuevamente. La red tiene al inicio 4 transiciones que representan la acci´on de que el usuario seleccione una tarea. Una vez seleccionada se genera un marcador y se pasa a un estado el cual indica que hay una tarea requerida. Cuando el estado de tarea requerida contiene un marcador se activa una transici´on que hace que la red pase a otro nivel de red llamada red de seguridad, esta red se muestra en la figura4.8 que se explica m´as adelante a detalle, esta red lo que hace es verificar que las funciones del robot son adecuadas, una vez que pasa por la red de seguridad manda un marcador a los estados de espera de tareas, que pueden ser las tareas de trasladar