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Tesis:

Design and control of intelligent heterogeneous multi-configurable chained microrobotic modular systems.

  • Autor: BRUNETE GONZALEZ,Alberto

  • Título: Design and control of intelligent heterogeneous multi-configurable chained microrobotic modular systems.

  • Fecha: 2010

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/7223/

  • Director/a 1º: GAMBAO GALAN, Ernesto
  • Director/a 2º: HERNANDO GUTIERREZ, Miguel

  • Resumen: El objetivo de esta tesis es el diseño y control de microrobots inteligentes modulares heterogéneos multiconfigurables de tipo cadena. Es decir, el desarrollo de microrobots modulares compuestos por diferentes tipos de módulos capaces de realizar diferentes tipos de movimientos (gaits en inglés), que pueden ser dispuestos en diferentes configuraciones (siempre en cadena) dependiendo de la tarea a realizar. Heterogéneo es la palabra clave en esta tesis. Es posible encontrar en la literatura muchos diseños sobre robots modulares, pero casi todos ellos son homogéneos: todos se componen de los mismos módulos, excepto en algunos diseños que tienen dos módulos diferentes, pero uno de ellos pasivo. En esta tesis, se proponen varios módulos activos (rotación, soporte, extensión, helicoidales, etc) que se pueden combinar y ejecutar diferentes movimientos, además de otros pasivos (baterías, sensores, medición de la distancia recorrida) como complemento a los primeros. La idea original era hacer los robots lo más pequeños posible, alcanzando finalmente un diámetro de 27 mm. Aunque no se puedan considerar técnicamente como microrobots, están en la mesoescala (entre cientos de micras y decenas de centímetros) y en la literatura se les suele llamar por simplicidad minirrobots o microrrobots. Durante el desarrollo de esta tesis, varios módulos han sido desarrollados: el módulo de rotación (en realidad se trata de un módulo de doble rotación, pero por simplicidad se le llama módulo de rotación) v1 y v2, el módulo helicoidal v1 y v2, el módulo de soporte v1, vl.l y v2, el módulo de extensión v1 y v2, el módulo de cámara v1 y v2, el módulo de contacto (que está incluido en el módulo de la cámara v2) y el módulo de batería. Algunos otros están todavía en fase de diseño o conceptual, pero pueden ser utilizados en la simulación. Son el módulo basado en SMA (ya existe un prototipo), el módulo de medición de distacia recorrida (en fase de diseño) y el módulo de sensores (en fase conceptual). Todos los módulos han sido diseñados con la idea de ser miniaturizados en el futuro, por lo que tanto la electrónica como los programas de control integrados se han hecho tan simples como es posible (manteniendo por supuesto la funcionalidad prevista). Paralelamente a la construcción de los módulos se ha desarrollado un simulador para proporcionar un medio eficaz de creación de prototipos y de verificación de los algoritmos de control, diseño de hardware, y exploración de escenarios de despliegue del sistema. Está construido sobre un software (libre y de código abierto) de simulación de dinámica de cuerpos rígidos, el Open Dynamics Engine (ODE). Los módulos simulados se han diseñado de la forma más simple posible (usando primitivas simples) para hacer fluida la simulación, pero tratando de reflejar lo más posible sus condiciones reales y los parámetros físicos, sus componentes electrónicos y buses de comunicación, y el software incluido en los módulos. El simulador ha sido validado con la información obtenida en experimentos con módulos reales, y esto ha ayudado a ajustar los parámetros del simulador para tener un modelo preciso. Aunque la primera idea fue desarrollar el microrobot para la inspección de tuberías, la experiencia adquirida con los primeros prototipos mostró que los sistemas de locomoción utilizados en el interior de tuberías también podrían ser adecuados fuera de ellas, y que los prototipos y la arquitectura de control son útiles en espacios abiertos. De esta manera, la investigación se extendió a los espacios abiertos y se añadió el sistema de "ego-positioning". El sistema de "ego-positioning" es un método que permite a los robots de un enjambre conocer su posición y orientación basadas en la proyección de secuencias de imágenes codificadas compuesto por rayas horizontales y verticales sobre fotodiodos colocados en los robots. Este concepto también puede aplicarse a los módulos de un microrobot para que puedan conocer su posición y orientación, y para enviar comandos a todos ellos al mismo tiempo. Para gestionar todo esto se ha desarrollado una arquitectura de control basada en comportamientos. Dado que los módulos no pueden tener un procesador de grandes capacidades, se incluye en la arquitectura un control central para proporcionar control de alto nivel. El control central tiene una parte basada en modelos y otra parte basada en comportamientos. El control integrado en los módulos está totalmente basado en comportamientos. Entre los dos hay un agente heterogéneo (o capa) que permite que el control central trate a todos los módulos de la misma manera, ya que la capa heterogénea traduce sus órdenes a comandos específicos del módulo. Esta arquitectura basada en comportamientos ha sido elegida porque es especialmente adecuada para el diseño y control de robots inspirados en sistemas biológicos, ha demostrado ser adecuada para sistemas modulares e integra muy bien niveles altos y bajos de control. Con el fin de comunicar a todos los actores (los comportamientos, los módulos, y el control central), se ha desarrollado un protocolo de comunicación basado en I2C. Este protocolo permite enviar mensajes del operador al control central, desde el control central a los módulos y entre comportamientos. Dentro de la arquitectura también se ha desarrollado un "Lenguaje de Descripción de Módulos" (MDL por sus siglas en inglés "Module Description Language"), un lenguaje que permite a los módulos transmitir sus capacidades al control central, para que pueda procesar esta información y elegir la mejor configuración y los parámetros del microrobot. Dentro de la arquitectura de control se ha desarrollado un algoritmo genético con el fin de: primero, determinar los módulos a utilizar para tener una configuración óptima para una tarea específica (petición de configuración), y segundo, determinar los parámetros óptimos para el mejor funcionamiento de un módulo dada una configuración (optimización de parámetros). Como resumen, las principales contribuciones que se pueden encontrar en esta tesis son: el diseño y la construcción de un microrobot modular heterogéneo multiconfigurable de tipo cadena capaz de llevar a cabo diferentes sistemas de locomoción (de tipo serpiente, gusano, helicoidal y combinación de los anteriores), el diseño de un interfaz común para los módulos, una arquitectura de control basada en comportamientos para robots modulares heterogéneos de tipo cadena, un simulador de la física y la dinámica (incluyendo el diseño de un modelo de servo), electrónica, comunicaciones y rutinas embebidas de software de los módulos y finalmente, la mejora del sistema de "ego-positioning".