Robotica Mobile

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1 [ Documento Originale - Autore: Cristian Secchi -  Sito Riferimento ]

Contents 1 Definizioni 2 Possibili Applicazioni 2.1 Applicazioni Indoor 2.2 Applicazioni Outdoor 3 Cenni storici 4 Esempi 4.1 Uso industriale 4.2 Uso Ospedaliero 4.3 Domestico 4.4 Robot Sottomarini 4.5 Applicazione Spaziali 4.6 Robot Agricoli 4.7 Robot Pioneer 5 Principi di Locomozione 5.1 Camminata Bipede 5.2 I robot che camminano 5.3 I robot con ruote 6 Schema di principio di un robot mobile 6.1 Schema di Controllo a basso livello 6.2 Schema di Controllo ad alto livello 6.3 Controllo di WMR (Wheeled Mobile Robot) 7 Pianificazione 8 Navigazione 9 Controllo del Moto 10 SLAM – Simultaneous Localization and Mapping

Definizioni

Robot Mobile: Un robot mobile è una macchina automatica in grado di muoversi nell’ambiente che la circonda.

Caratteristiche:

• Imita la funzionalità degli arti umani superiori
• Imita la locomozione degli animali e le relative funzionalità

Possibili Applicazioni

Applicazioni Indoor

• Pulizia di ambienti estesi
• Robotica di servizio per musei, negozi,
• ecc...
• Sorveglianza interna di edifici
• Stoccaggio merci in magazzini automatizzati
• ...

Applicazioni Outdoor

• Applicazioni militari
• Sminamento
• Esplorazione spaziale e subacquea
• Protezione Civile e sorveglianza boschiva
• Agricoltura automatizzata

Cenni storici

• Primi robot mobili a partire dal 1940
• Razzi V1 - V2 (razzo autopilota inerziale)

Goliath

• Filoguidato
• Motori Elettrici

Teletank

• Carro telecontrollato
• 500 m di distanza

Esempi

Uso industriale

Elettric80 AGV

• E' un Automatic Guided Vehicle (AGV)
• Usato per la gestione di fine linea di produzione.
• Porta i pallet di prodotto stoccato dal magazzino alle baie di carico camion.
• In un impianto possono circolare più di 30 AGV contemporaneamente.

Uso Ospedaliero

HELPMATE

• Usato negli ospedali per trasporto di medicinali e di logistica
• Si muove autonomamente
• Naviga tramite una telecamera e usa come riferimento le lampade sul soffitto

Domestico

Roomba

• Aspirapolvere per applicazioni domestiche
• Grazie ad algoritmi di path planning pulisce la stanza senza bisogno di impostare mappe

Robot Sottomarini

• Utilizzati per archeologia sottomarina
• Recupero relitti (Titanic)
• Ispezione strutture
• Monitoraggio acque

Applicazione Spaziali

• Realizzati a partire dal 1965
• Altamente autonomi
• In grado di lavorare senza supervisione
• Dotati di alta ridondanza dei sensori

Robot Agricoli

(attesi circa per il 2015)

Robot mobili concepiti per operazioni agricole:

• Ambienti strutturati (frutteti ad hoc)
• vasti campi di cereali

Robot Pioneer

Sviluppato dalla Stanford University

• Scelto per esplorare il sarcofago di Chernobyl
• Robot Modulare.

Consente di montare:

• braccio robotico
• telecamera
• scanner laser

Principi di Locomozione

I concetti che si trovano in natura sono difficili da riprodurre ingegneristicamente

• La maggior parte dei sistemi ingegneristici usano le ruote o i cingoli
• Il rotolamento è il principio di locomozione più efficiente, ma non si trova in natura (la natura non ha mai inventato la ruota!)
• Tuttavia, la camminata di un bipede è vicina al rotolamento

Camminata Bipede

Approssima il rotolamento

• Rotolamento di un poligono con lato pari al passo della persona
• Più il passo è corto, meglio il rotolamento viene approssimato

I robot che camminano

• si possono adattare meglio a un ambiente variabile
• sono più lenti su superficie piatte
• sono fortemente sovra-attuati

I robot con ruote

(Chiamati anche Wheeled Mobile Robots)

• sono più veloci su superfici piatte
• sono poco adattabili

Schema di principio di un robot mobile

• Attuatori (Att) :
  • Motori DC con riduttori
• End-Effector :
  • attrezzo
  • pinza
  • mano
• Sensori: (Vedi anche la voce: Sensori)
  • Propriocettivi ( encoder, giroscopi, …)
  • Eterocettivi
    • bumbers
    • rangefinders (infrarossi, ultrasuoni)
    • laser
    • visione (mono, stereo, …)
• Controllo :
  • Alto livello
  • Basso livello

Per realizzare il controllo sono disponibili diverse tecnologie. Vedi la voce: Unità di Controllo - Tecnologie

Schema di Controllo a basso livello

• Controllori PI ad alto guadagno controllano i motori del robot affinchè il robot si muova secondo il profilo di velocità desiderato
• Il controllo a basso livello si occupa solamente di controllare gli attuatori del robot secondo le istruzioni del controllo ad alto livello
• Se i guadagni sono abbastanza alti, il controllo di basso livello rende il robot un sistema puramente cinematico

Schema di Controllo ad alto livello

• A seconda il della configurazione di setpoint, il controllo ad alto livello deve decidere che velocità imporre al robot.
• Dal punto di vista del controllo ad alto livello il robot è un sistema puramente cinematico con ingressi in velocità.
• Il controllo di alto livello si occupa di decidere il movimento mentre quello a basso livello si occupa di controllare i motori affinché tale movimento sia attuato.

Controllo di WMR (Wheeled Mobile Robot)

• Il progetto del controllo di basso livello
  • è semplice in quanto si riduce al progetto di un PI per un motore elettrico (sistema lineare)
  • non risente dei vincoli introdotti dalle ruote
• La pianificazione della traiettoria da seguire
  • Fornisce il setpoint al controllo ad alto livello
  • Deve tenere in considerazione i vincoli sulla mobilità del robot
• Il progetto del controllo ad alto livello
  • richiede di considerare considerare il modello cinematico di un robot
  • deve tenere in considerazione i vincoli introdotti dalle ruote
  • E’ complesso perché deve controllare un sistema non lineare

Pianificazione

• E’ il problema di determinare una traiettoria nello spazio delle configurazioni per portare il robot da una certa configurazione iniziale ad una certa configurazione finale ammissibili (cioè compatibili con i vincoli cinematici del robot)
• Ogni punto della traiettoria DEVE essere compatibile con i vincoli cinematici del robot

Esempio: Uniciclo

Traiettoria Inammissibile

Il robot non potrà mai inseguire il riferimento perché esso non è compatibile con i vincoli cinematici.

Vedi la voce: Pianificazione Traiettoria per Robot Mobile

Navigazione

Spesso un robot si trova a doversi muovere in un ambiente in cui sono presenti ostacoli (fissi o mobili).

Il robot, tramite la conoscenza dell’ambiente e/o tramite l’utilizzo dei sensori a bordo deve riconoscere dove sono gli ostacoli ed evitarli al fine di navigare in maniera sicura (cioè senza collisioni) all’interno dello spazio di lavoro.

Vedi la voce: Navigazione

Controllo del Moto

• Altre problematiche interessanti
• Pianificazione in presenza di vincoli cinematici (velocità limitata)
• Cammini a tempo minimo
• Sistemi multi robot
• …

SLAM – Simultaneous Localization and Mapping

Vedi voce: SLAM