Especificacion, diseno, construccion, modelo yevaluacion de un prototipo de robot movil para

aplicaciones de navegacion en ambientes humanos

Cristian F. Penagos B. Luis A. Pacheco R.cfpenagosb@correo.udistrital.edu.co lapachecor@correo.udistrital.edu.co

Fredy H. Martınez S.fhmartinezs@udistrital.edu.co

Grupo de investigacion ARMOS (COL0029956)Tecnologıa en Electricidad

Facultad TecnologicaUniversidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Bogota D.C., Colombia

Resumen—Este artıculo presenta la especificacion, diseno,construccion, modelo y evaluacion del prototipo de robot movilARMOS TurtleBot 1 de locomocion diferencial, dotado de multi-ples sistemas sensoriales que facilitan el estudio de multiplesestrategias de navegacion en ambientes humanos de superficieplana bajo techo. El prototipo tiene un tamano adecuado para lacapacidad de carga con la que fue construido y los distintossistemas con los cuales cuenta. Por su utilidad en multiplesalgoritmos como el seguimiento de trayectorias y el mapeo, sepresto especial atencion al sistema de estimacion odometrica, quepara este prototipo es implementado mediante sensores de efectohall acoplados en el eje de los motores.

Abstract—This article presents the specification, design,construction, model and evaluation of the ARMOS TurtleBot 1mobile robot prototype of differential locomotion, equipped withmultiple sensory systems that facilitate the study of navigationstrategies in human environments of the flat surface indoors. Theprototype has an adequate size for the load capacity. Its usefulnessin multiple algorithms such as tracking trajectories and mapping,special attention is paid to the system of geometric estimation,and for this prototype is implemented by effect sensors coupledon the axis of the engines.

I. INTRODUCCION

Los nuevos avances en el conocimiento y mejora de lasposibilidades de la robotica movil en cuanto a sus capacidades,ya sea de percepcion, localizacion y autonomıa, dan comoresultado su implementacion en distintos campos, en los queresultan especialmente practicos, como en la vida cotidianadonde podemos encontrar robots de limpieza y robots asisten-ciales o en la industria, en donde sus capacidades se aplicancomo robots de carga para desplazar material o mercancıade un sitio a otro, tambien son adecuados para el transportede robots manipuladores en donde se requiere la movilidadde este ultimo para realizar una u otra tarea en distintos

puntos, estos ultimos llamados manipuladores moviles sonespecialmente utiles en tareas en las que se arriesga la vidacomo en la desactivacion de bombas y la deteccion y extincionde incendios [1], [2].

Plataformas roboticas de este tipo han mostrado resultadosfavorables para la investigacion desde distintos enfoques.

El estudio de estos sistemas se presenta desde la facultadtecnologica en donde se puede ver el desarrollo de algunosrobots moviles para tareas especıficas, en donde, para lainvestigacion de un sistema de control o tarea especıfica sedesarrolla un robot nuevo como lo es el caso del FIREBOTque fue disenado para la localizacion de incendios sobre el cualGarzon Enrique diseno e implemento una red industrial parala comunicacion con el robot, obteniendo buenos resultadosa pesar de las pequenas fallas que se registraron en sussensores [2], de forma opuesta sucede con Bermudez B quepresenta un estudio para el diseno de rutas en ambientesdesconocidos, desarrollando su investigacion sobre una pla-taforma previamente fabricada, el robot ROMABOT en lacual se enfrento con problemas de percepcion de su entornopor la limitada cantidad de sensores con los que contabaeste prototipo, provocando deficiencias en el movimiento delprototipo [3], mostrandonos una comparacion de resultados endonde el primer prototipo fue disenado para la tarea que sele asigno, por el contrario, el segundo prototipo fue disenadopara una tarea anterior posiblemente de menor nivel generandoinconsistencias en los resultados.

Resultados similares obtiene Senka K, quien construye unrobot movil sobre el cual implementa algoritmos para laplaneacion de rutas dependiendo de los obstaculos y caminosobservados en el algoritmo de mapeo, obteniendo buenosresultados en este ultimo, tan solo con potenciales errores

en el control de servidores y la construccion mecanica delsistema de mapeo, en la cual los sensores giran para hacer unreconocimiento completo haciendo demorado este proceso demapeo, en cuanto a su control de trayectoria por errores decomunicacion entre el robot y el computador. las instruccionesson enviadas cada tres segundos entorpeciendo la movilidadde este [4]. Con el estudio de un sistema similar de navegaciony mapeo, Acosta Gustavo disena y construye su prototipodotandolo de estimacion odometrica que combinado con lossensores de ultrasonido complementan, precisando los resul-tados en el mapeo[5].

Rendon C, Angelica Realiza una prueba de desempenoorientada a navegacion reactiva sobre una plataforma dife-rencial, demostrando que, dependiendo del tipo de investiga-cion, las exigencias en cuanto a la arquitectura estructural yelectronica puede variar, ya que en su trabajo realiza pruebasde control sobre una plataforma dotada con dos sensores, unode impacto y el otro de intensidad de senal, en donde elprototipo debe llegar a la posicion de un marcador sonoro,resultando en una tasa de exito del cien por ciento [6].

De forma similar Parodi Gabriel nos presenta un trabajoen donde el prototipo usado para la solucion de laberintoses dotado tan solo de sensores de ultrasonido e infrarrojos,que para el proposito presentado en el artıculo es suficiente,resultando en el exito de su proposito, pero a diferencia delos anteriores trabajos, esta plataforma fue pensada para lainvestigacion de robots moviles con distintos metodos, dejandola conclusion de que es necesario el agregar mas sensorespara una mejor percepcion de su entorno, y la necesidad deacelerometro y magnetometro como realimentacion en girosdel prototipo[7]. Hablando de investigacion de robotica movily su uso en educacion Jordi Albo nos presenta al LSMaker quefue disenado por la universidad Ramon Llull en Espana, conel proposito de incentivar los estudios de robots moviles endistintas disciplinas, al otorgar a sus alumnos estos prototipos,las aplicaciones que le daban los estudiantes en sus proyectosvariaban desde el comportamiento de estos como enjambres,ayuda a los ancianos y como terapia de socializacion paraninos autistas, mostrando la capacidad de los estudiantes cuan-do tienen el material para materializar sus ideas[8], despuessu exito como herramienta educativa se plantea la migracionde su tecnologıa a un control mas simple con Arduino yla posibilidad de extender sus capacidades con el acople depiezas lego[9].

En estudios mas avanzados encontramos aquellos robotsmanipuladores moviles y robots asistenciales, en los cuales lacapacidad de carga del robot se convierte en una prioridad,como lo demostro Ahmed H, quien diseno un robot parael transporte de carga radioactiva en hospitales, el cual escapaz de tomar y transportar objetos de hasta 8 kg, dotadocon algoritmos de navegacion que le permiten llegar a sudestino evitando obstaculos, todo esto recibiendo ordenes vıawifi[10]. De igual forma se encuentra que la capacidad decarga es un factor crıtico a estudiar por robots tipo Rover,en la recoleccion de muestras en la exploracion de otrosplanetas, como lo menciona German E. Castaneda quien

Figura 1. a)LSmaker[8] b)LSmaker EV1[9].

disena un Rover capaz de cargar 8 kg, en su trabajo aclarala importancia de elegir un sistema de locomocion, teniendoen cuenta que este debe cumplir con los requerimientos demovilidad planteados siendo lo mas simple posible, para asıno encontrar complicaciones en el modelo cinematico, siendoeste ultimo de gran ayuda para el desarrollo de su prototipo,ya que gracias a su simulacion y a una construccion adecuadase vieron buenos resultados en el modelo final[11].

El artıculo se encuentra organizado de la siguiente forma. Enla Seccion II se presentan algunos conceptos preliminares, elperfil funcional del prototipo, y algunas otras consideracionesde diseno. En la Seccion III se detalla completamente eldiseno de la estructura del robot, incluyendo los criterios deseleccion y las especificaciones finales adoptadas ası comolas pruebas individuales realizadas a cada sensor de sistemay su calibracion. En la Seccion IV se presenta la evaluaciondel desempeno esperado del prototipo mediante un modelocinematico simulado en un aplicativo previamente creado enpython. Finalmente, la Seccion VI concluye el artıculo.

II. FORMULACION DEL PROBLEMA

Uno de los problemas mas frecuentes en la investigacionde robotica movil se encuentra en la construccion de laplataforma de desarrollo, siendo ası parte fundamental enla experimentacion con estrategias de navegacion, que confrecuencia falla debido a la falta de atencion a los detalles ensu construccion o porque simplemente fue construida con otroproposito diferente l de la investigacion en curso, por esto parael ARMOS TurtleBot 1 se plantea un prototipo de robot movil

completo, con multiples capacidades que permita el desarrollode la investigacion en la movilidad para ambientes humanosbajo techo desde distintos frentes, con capacidades mınimaspara el estudio de multiples estrategias de control.

III. METODOLOGIA

III-A. diseno

El prototipo ARMOS TuttleBot 1 fue disenado para unalocomocion de tipo diferencial, ya que, a pesar de contar concuatro ruedas, estas se mueven en sincronıa por pares, es decir,par derecho y par izquierdo, siendo cada una, ruedas tipo orugao de pistas de deslizamiento, las cuales brindan mayor tracciona las superficies y estabilidad para cargas de volumen (ya quees un robot asistencial), debido a la distribucion entre ellas.En este sentido, es posible desarrollar su cinematica comoun robot de tipo diferencial. La estructura para el soportemecanico fue estudiada a detalle, teniendo como objetivo unacapacidad de carga de 10 kg. Se selecciono un material con unaresistencia superior a la de la mayorıa de los polımeros, siendoel aluminio la seleccion adecuada no solo por su resistenciamecanica, sino tambien por ser un metal ligero que permitemejorar la eficiencia en el manejo de la energıa. Para el soportede los sensores infrarrojos se opta por construir una estructuracircular en aluminio con nueve sensores distribuidos a 40grados, garantizando una percepcion del entorno de manerauniforme. En la parte inferior de la estructura se encuentranubicados el sensor inductivo y el sensor de colores, ambos conel proposito de ser la fuente de informacion para los algoritmosde navegacion por seguimiento de lınea. Siendo el primerodedicado al seguimiento de pistas metalicas, y el segundo,para seguimiento de lıneas de colores (segun sea configurado).Acoplado a los ejes de los motores se tienen sensores de efectoHall, los cuales son la fuente de informacion para el controlpor Odometrıa.

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

M1

M2

M3

M4

SI

RGB

Figura 2. ARMOS TurtleBot 1 vista superior.

Ahora bien, con la intencion de evitar danos en la estructurapor choques, implementamos un par de sensores de impacto,uno en la parte anterior y otro en la posterior, simulando

HALL SENSOR

MAGNETIC MATERIAL

MOTOR SHAFT

Figura 3. sensor de efecto hall acoplado al eje[12].

los parachoques de un automovil convencional. Las pruebasrealizadas a los motores DC arrojaron como resultado unconsumo de corriente alrededor de los 2 A, para una carga totalde 25 kg, lo cual indica un consumo de 500 mA a plena cargapor cada motor. Teniendo en cuenta estas caracterısticas fueseleccionado el driver para el control de los motores L298N,capaz de controlar dos motores a una corriente maxima de 2A. Este drive tambien cuenta con un regulador de tension queasegura la estabilidad en la senal de control.

III-B. configuracion y pruebas

calibrando el sensor IR, Para reproducir la curva dada por elfabricante se toman medidas directas sobre los sensores en latarjeta de control, tomando nota de la medida en cm y el valorarrojado por el convertidor AD se obtiene la tabla (I), a partirde los datos y su grafica se obtiene la una ecuacion inversa,que describe de una forma muy acertada el comportamientodel sensor IR mostrado en la figura(4).

d = 6,9115 ∗ lectura−1,118 (1)

Donde d es la distancia del sensor al objeto detectado yLecture el dato leıdo por el convertidor analogo digital.

distancia lectura10 0.7420 0.3730 0.2640 0.2150 0.1760 0.15570 0.1280 0.114

Tabla ILECTURA DEL SENSOR IR.

en cuanto a los sistemas de sensores encontramos el sensorinductivo y el de colores en los cuales recae la tarea de ser eleje en los algoritmos de seguimiento de lınea, siendo el sensor

Figura 4. curva del sensor IR usada para programacion.

inductivo usado en caso de que la lınea sea un trazado dematerial metalico y el sensor de colores capaz de discriminaresta por el cambio de color. En el caso del sensor inductivo,es alimentado con una senal de tension de 5 V, siendo este unsensor de tipo NPN normal abierto la deteccion de un metales indicada por un cero logico en su salida digital que esenviada directamente a uno de los microprocesadores. por elcontrario, para el sensor de colores se hace mas compleja suconfiguracion, ya que este cuenta con cuatro filtros, siendoestos rojo, verde, azul y blanco, los cuales deben ser activadosuno a la vez, guardar su lectura, y comparar los resultadostotales al final para determinar el color de la lectura [fig 5].

Figura 5. sensor de colores.

entre las pruebas de los sensores se determina el nivelde su utilidad, ası como en el sensor inductivo, el cual sele realizaron pruebas de distancia de deteccion sobre unaestructura especialmente disenada para este fin[fig 6], tras estase determina que la distancia necesaria para la deteccion deuna superficie metalica es de cuatro milımetros.

IV. MODELO CINEMATICO

El modelo cinematico de los robots moviles de guiadodiferencial nos permite obtener la trayectoria a partir de lossensores dispuestos en el mismo. La obtencion de las variableses sencilla, ya que las variables asociadas al comportamiento(velocidad y orientacion) se relacionan directamente con elcontrol de dos ruedas para este caso. En este sentido, lasecuaciones que describen el movimiento en cualquier punto

Figura 6. prueba de sensor inductivo.

del plano (x, y), y el angulo de orientacion respecto a un ejede referencia Θ’. Son:

x′ = −v(t) ∗ sen(Θ(t)) (2)

y′ = −v(t) ∗ cos(Θ(t)) (3)

Θ(t) = w(t) (4)

Reescribiendo la ecuacion en forma matricial obtenemos elmodelo directo del mismo. x′

y′

Θ

=

−sen(Θ) 0cos(Θ) 0

0 1

( vw

)(5)

tambien escrito como

P = J(P ) ∗Q (6)

Donde P es el vector de coordenadas de entrada, J(P) elJacobiano, y Q el vector de salida. De esta manera paracontrolar la velocidad lineal y orientacion del robot tenemosque la velocidad lineal del robot se calcula como el promediode las velocidades angulares de las ruedas, y la velocidadangular como la diferencia de las velocidades dividido ladistancia entre ruedas o eje l, como lo muestran las siguientesexpresiones.

V =V i + V d

2=

(wi + wd)r

2[RAD/s] (7)

V =V i + V d

l=

(wi + wd)r

l[RAD/s] (8)

Una vez obtenido el modelo directo del robot, y haciendo eltratamiento de las senales que entregan los encoders, se acoplael sistema para poder graficar las diferentes variables (Paragraficar aplicamos regresion polinomial). Para la realizaciondel modelo cinematico del robot se parte de algunas hipotesis.Primero, se considera que el deslizamiento es cero, segundo,que se desplaza en una superficie plana y por ultimo, el ejees perpendicular al plano XY . A continuacion, se usa el

Driver desarrollado en Python para ilustrar la respuesta delmodelo ante 3 posibles avances. Avance en lınea recta, esdecir, mismas velocidades en el mismo sentido, giro en eje(velocidades iguales en direcciones contrarias) y avance adiferentes velocidades en la misma direccion. El periodo deprueba es de aproximadamente 10 s o un trayecto de 1 m.

Figura 7. Drive desarrollado en Python.

Figura 8. Respuesta del modelo cinematico al avance lineal.

Figura 9. Respuesta del modelo cinematico a iguales velocidades endirecciones contrarias.

V. EVALUACION DE DESEMPENO

las pruebas individuales de los sensores reflejan confiabili-dad en los sistemas de percepcion del ambiente, por su partela prueba de movilidad es un poco mas compleja ya queesta refleja el conjunto de sensores de efecto hall y motores,haciendo evidente la precision de la odometrıa. Esta evaluacion

Figura 10. . Respuesta del modelo cinematico a velocidades diferentes enla misma direccion.

de desempeno fue realizada con una prueba en donde seprograma el prototipo para seguir una trayectoria cuadradade 80x80 [cm], tras la cual despues de 10 repeticiones seevidencio un error acumulado de 6.4 grados que generaronuna desviacion de 7.5 [cm] de la trayectoria inicial(figura11).

Figura 11. error de trayectoria [12].

Por su parte para comprobar la precision del drive desarro-llado en Python se realiza una prueba en donde se configurala velocidad de la rueda izquierda en 4.16 rad/s (10 m/s) yla derecha a la mitad de la izquierda. Buscando ası generaruna trayectoria circular de radio igual a la velocidad linealalcanzada.

Figura 12. Comportamiento cinematico para una trayectoria circular desa-rrollado en Python

De lo anterior se puede analizar que el tiempo empleadopara completar la trayectoria es de aproximadamente 50 s, yel diametro del circulo descrito por el prototipo es de 16.7 m.

En la tabla II se muestra el tiempo empleado en cada pruebarealizado al prototipo en esta prueba.

prueba tiempo [s]1 57.212 55.983 56.124 56.035 57.09promedio 56.40

Tabla IITIEMPO EMPLEADO EN CADA PRUEBA DE TRAYECTORIA CIRCULAR

En este sentido el error porcentual del tiempo medidode esta prueba es de 11.34 %. Se observo ademas que laincertidumbre en la precision de la ubicacion es de +- 15 cm.

En la siguiente prueba se busco comparar el tiempo em-pleado para completar una rotacion en su eje, con el tiempoempleado medido. Teniendo en cuenta para el primero quelos parametros mecanicos son: radio(r)= 2.4 cm y Distanciaentre ruedas (l)= 25 cm. Y velocidad maxima de 10cm/s.o 4.16 rad/s. La tablaIII muestra los valores de los tiemposmedidos. se obtiene que la velocidad angular calculada es de

prueba tiempo [s]1 7.852 8.043 7.794 8.065 8.31promedio 8.01

Tabla IIIDATOS REALES

0.79 [rad/s], es decir que se tarda 7.87 segundos en completarun giro. Y el promedio de los datos medidos es de 8.01segundo; teniendo ası un error porcentual de 1.74

El metodo para comprobar el funcionamiento del sistemasensorial es preparando una superficie cerrada, sobre la cualel prototipo navega de manera aleatoria con el objetivo deencontrar cuatro puntos, tres de los cuales son detectados porel sensor de colores, siendo tres marcas en la superficie conlos colores rojo, verde y azul, el cuarto punto es marcado conuna placa metalica sobre el terreno, la cual es detectada porel sensor inductivo marcando el final de la prueba.

La superficie de prueba esta encerrada por un muro de 20cm de altura el cual marca los lımites para la movilidad delprototipo, los cuales son detectados por los sensores IR paraevitar el choque y cambiar de direccion de manera aleatoriapara continuar la busqueda.

VI. CONCLUSIONES

Con el prototipo construido es posible la investigacion condistintos enfoques, ya sea solo de navegacion o navegaciony mapeo, se podra estudiar sobre robotica autonoma o tele

controlada, con una capacidad de carga de mınimo 10 KGcon lo que se podra estudiar sobre transporte de carga ocargar robots manipuladores para el estudio de manipuladoresmoviles, ası como la comunicacion con otros prototipos en elambiente de trabajo[13].

el material seleccionado tanto para la estructura de soportemecanico, sistema electronico y metodo de locomocion, arro-jaron un resultado aceptable, mostrando que la del sistemade locomocion es capaz de movilizar la estructura mecanicasumada a la capacidad de carga de 10 kilos.

las pruebas realizadas mostraron el buen funcionamiento delos sistemas de manera independiente, ası como una pruebasimple de navegacion en donde se observa un mınimo errorque puede ser corregido facilmente.

VII. TRABAJO FUTURO

para las siguientes etapas del proyecto, se propone el calculodel modelo dinamico, siendo de gran ayuda para estrategiasde navegacion en las cuales se considere multiples cambiosde velocidad, tambien es de gran ayuda el aumento en lacapacidad energetica agregando mas baterıas al sistema. Agre-gar un microprocesador de alto nivel que se encargue de lasestrategias de navegacion, es el ideal para una programacionmas amigable con el usuario, dejando el control de perifericosa los microcontroladores. Siguiendo el mismo objetivo deque la programacion se facilite, se plantea la creacion de unsoftware exclusivo para la plataforma.

REFERENCIAS

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