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ROBÓTICA
Alexandre Andrade
Paulo Urbano{araa,pgau}@di.ufpe.br
Introdução
• O que é um robô?– Def. Clássica: “Manipulador multifuncional
programável, projetado para mover materiais através de vários movimentos programados que realizam uma variedade de tarefas.”
– Redefinindo: “É um agente artificial ativo cujo ambiente é o mundo físico.”
Robôs Autônomos• Definição:
– Robôs que alteram seus planos durante a execução.
• RA vs. Agente Autônomo em geral– Atuam no mundo real.– Inacessível, não-determinístico, não-episódico,
dinâmico e contínuo.– Envolve Eng. Mecânica, Elétrica, etc.
O que é robótica?• Robôs Autônomos
– Exemplos: Mensageiros, robôs-vigia.
• Telepresença
– Exemplos: Submarinos-robô autônomos.
Robô Ambiente Real
Interface Robô Amb. RealUsuário
O que não é robótica?• Softbots Autônomos
• Realidade Virtual
– Exemplos: Navegação em mundos virtuais, simulação de cirurgias.
Agente deSoftware
Amb. Virtual
Interface Amb. VirtualUsuário
Aplicabilidade - Indústrias
• Tarefas físicas repetidas.
• Exemplo: Automotivas e micro-eletrônica.
• Pouco uso de robôs autônomos.
Aplic. - Manipulação de materiais
• Armazenamento, transporte e entrega de material
(autônomo).
• Construção civil.
• Tossagem de ovelhas.
• Contra-exemplo: empacotamento de alimentos.
Aplicabilidade - Mobots
• Mobots: Robôs móveis.
• Exemplos:
– Mensageiros;
– Robôs-vigia;
– Submarinos-robô autônomos (AUVs);
– Pathfinder.
Aplic. - Ambientes arriscados
• Usinas nucleares e limpeza radioativa.
• Construções não-estáveis.
• Proximidade do fogo ou de fumaças tóxicas.
• Exploração do fundo do mar e manipulação do
material biológico.
Teleoperação e autonomia!
Aumento das capacidades humanas
• Recuperação dos estímulos humanos.
• Próteses que dão a sensação de toque.
• Cachorro-robô como guia de cego.
• A Mulher-biônica.
Sen. e Ef.Robóticos
Amb. RealCérebroHumano
Sen. e Ef.Biológicos
Efetuadores - Locomoção
• Locomoção
– Muda a posição do robô usando ‘pernas’ ou ‘rodas’.
– Estável ou instável. Hovercraft.
– Graus de liberdade. Holonômicos e não-
holonômicos.
Efetuadores - Manipulação
• Manipulação
– Move (ou manipula) objetos num ambiente.
– Movimentos rotativos e prismáticos.– Dois componentes: o manipulador (e.g., braço
mecânico) e o efetuador-fim, o qual interage diretamente com os objetos do mundo (dedos, chave-de-fenda, etc).
Sensores - Propriocepção
• Propriocepção– Feedback interno sobre a posição das junções.
– Mobots usam odometria para medir seu deslocamento, giroscópio para orientação e aceleromêtros para mudança de velocidade.
Sensores - Força e Tato
• Sensores de Força– Controlam a força dos efetuadores.– Entre o manipulador e o efetuador-fim.– Exemplo: ‘Tira-tinta’ de vidro.
• Sensores de Tato– Coletam informações sobre a superfície dos objetos
que os efetuadores manipularão.– No efetuador-fim. – Exemplo: Xícara de café.
Sensores - SONAR
• SONAR (SOund NAvigation and Rangin)– Provê informações sobre a distância dos objetos ao
robô.– Mapeia o ambiente e evita colisões com obstáculos,
humanos e mobots.– Cálculos comlexos e ainda não muito confiáveis.
Imagem ‘fantasma’.– Morcegos e golfinhos. Stealth bomber.
Sensores - Câmeras
• Câmeras– Tentativa de simular, em menor grau, os sistemas de
visão humano e animal.– Restrições de domínio.– Evitar. Por exemplo: uso de código de barras para
tarefas de armazenagem.– Simplificar aproveitando as características
intrísecas ao ambiente ou agindo para perceber.
Arquiteturas de Mobots Autônomos
• Arquitetura do mapeamento
percepção ação.
• Dois tipos:
– Arquitetura Clássica
– Arquitetura de Autômato Situado
Arquitetura Clássica
• Abordagem por domínio de estudo
(planejamento, percepção, controle.).
• Ações de Nível Intermediário (ILAs) e
Ações de Baixo Nível (LLAs).
• Visão Top-Down
• Portabilidade parcial e baixa eficiência.
Arquitetura Clássica Granularidade
Graude
granularidade
HPOP ILAs
Especializadas LLAs
limite do determinismo
Arquitetura de Autômato Situado• Abordagem por tarefas(navegação, manipulação).
• Eliminação da explícita representação e manipulação do conhecimento.
• Visão Bottom-Up
• Soluções implementadas em softwares especializados ou hardware.
• Não-portabilidade e eficiência.
• Estrutura de controle descentralizada.
Espaços de configuração
• Ferramentas para análise de completude,
corretude e complexidade
• Do robô (C)
• Dos obstáculos (O)
• Espaço livre (F = C - O)
Espaço de configuração generalizado
• Espaço de configuração generalizado (E)
– W = C x E
• É de dimensão infinita para objetos flexíveis
• Caminhos de transição
• Caminhos de transferência
• Ambiente com outros objetos móveis e de forma variável
• Planejamento de montagem
Problema...
• Planejamento em ambiente com objetos móveis é intrinsecamente difícil.
• Soluções:– Partição de W (ex: blocos de construção)– Planejar separadamente a movimentação dos
objetos e do robô– Restringir a movimentação dos objetos
Conjuntos reconhecíveis
• Situações onde conhecimento do ambiente é pequeno
• Sensor abstrato ---- W V
• Conjuntos reconhecíveis são conjuntos:
(s), s V
Navegação e planejamento de movimento
• Decomposição em células
• Esqueletização
• Planejamento “Bounded-error”
• Navegação baseada em marcas
• Algoritmos online
Decomposição em células
• Dividir F em células
• Determinar um grafo de adjacências
• Traçar o caminho entre a origem e o
destino
• Escolher granularidade das células
• Conservativo (não ótimo, mas seguro)
Esqueletização
• Representação minimal do espaço livre
• Algoritmos de busca em grafos
• Tipos• Grafo de visibilidade• Diagrama de Voronoi• Mapas de estrada
Movimentação de alta precisão
• Utilização de sensores
• Conhecimento prévio do ambiente é
desnecessário
• Incerteza gera dificuldades
Navegação baseada em marcas
• Marcas e campos de influência
• Movimentação dentro de um “cone”
• Backprojection
Algoritmos online
• Algoritmos simples para escolhas em tempo real
• Memória limitada
• Razão competitiva = pior caso
menor possível
Perguntas
• No caso da missão a Marte, que algoritmo de planejamento de movimentação seria mais adequado?
• No caso do mundo de Wumpus ser em um ambiente real, quais sensores e efetuadores usados?
• Qual tipo de incerteza teremos num mundo de Wumpus como acima?
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