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Robótica. Prof. Herman M Gomes Slides baseados no livro Artificial Intelligence – a Modern Approach. Definições preliminares. Robôs são agentes físicos que executam tarefas por meio da manipulação do mundo físico.
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Robótica Prof. Herman M GomesSlides baseados no livro Artificial Intelligence – a Modern Approach
Definições preliminares • Robôs são agentes físicos que executam tarefas por meio da manipulação do mundo físico. • Equipados com atuadores, tais como pernas, rodas, juntas etc., de modo a exercerem forças sobre o ambiente, além de sensores, os quais permitem a percepção do ambiente. • Robôs modernos possuem um conjunto diverso de sensores, incluindo câmeras e ultra-som para avaliar o ambiente e giroscópios e acelerômetros para medir a própria movimentação do robô.
Definições preliminares • A maioria dos robôs atuais pode ser classificada em três categorias primárias: • Robôs Manipuladores (fisicamente ancorados ao ambiente) • Robôs Móveis • Robôs Híbridos (móveis com manipuladores, como os robôs humanóides)
Outros cenários • A robótica também inclui dispositivos protéticos (membros artificiais, ouvidos, olhos para humanos), ambientes inteligentes (como uma casa inteligente equipada com sensores e atuadores automáticos), e sistemas de múltiplos agentes robóticos nos quais um objetivo é obtido através da cooperação de grupos de pequenos robôs cooperantes (e.g. futebol de robôs)
Considerações sobre os Ambientes • Robôs reais usualmente precisam lidar com ambientes que sejam parcialmente observáveis, dinâmicos, estocásticos e contínuos. • Parte dos ambientes robóticos também são sequenciais e multiagente.
Considerações sobre os Ambientes • A principal razãopara as características do ambiente ser parcialmenteobservável e estocásticosão o resultado do mundo real ser muitoamplo e complexo. • Emoutraspalavras, o robônãopodenormalmenteveralém das esquinas e oscomandos de movimentoestãosujeitosaoincerteza (e.g. fricção, engrenagensdeslizando, etc).
Sensores • SensoresPassivos, comocâmerassãoosverdadeirosobservadores do ambientepoiscapturamossinaisquesãogeradosseminterferir com o ambiente. • SensoresAtivos, como sonar, enviamenergiapara o ambiente e dependem do fatodestaenergia ser refletida de voltaao sensor. • SensoresAtivosnormalmentefornecemmaisinformaçãoquesensorespassivos, masaocusto de maiorconsumo de energia, possibilidade de interferência entre múltiplossensoresou de gerarperturbações no ambiente.
Exemplos de Sensores • Sensores de proximidade (Range Finders), Sonares, Sensores tácteis, GPS • Sensores de Imagem (cameras, fotoreceptores etc) • Sensores propriosensitivos (percebem o próprio estado do robô), como contadores de passo (shaft decoders), giroscópios. • Sensores de torque e força.
Atuadores • Atuadores permitem a movimentação e mudança da forma dos robôs. • A fim de entender o projeto de atuadores, é importante primeiro conhecer o conceito de grau de liberdade (degree of freedom – DOF). • Conta-se 1 grau de liberdade para cada direção independente na qual um robô ou um de seus atuadores pode mover-se.
Atuadores • Exemplo: um robô rígido com movimentos arbitrários (como um avião robótico não tripulado) possui 6 graus de liberdade, 3 para suas coordenadas (x,y,z) mais 3 para sua orientação angular – Yaw, Pitch and Roll. • Estes 6 graus de liberdade definem o estado cinemático ou pose do robô. • O estado dinâmico do robô inclui uma dimensão adicional para a taxa de mudança de cada dimensão cinemática.
Atuadores • Para corposnãorígidos, existemgraus de liberdadeadicionais no própriorobô • Porexemplo, em um braçohumano, o cotovelo tem um grau de liberdade – elepodeflexionaremumadireção. Já o pulso tem 3 graus de liberdade – elepode mover-se paracima e parabaixo, de um ladopara o outro, assimcomorotacionar. • Juntas robóticastambémpossuem 1, 2 ou 3 graus de liberdade. • 6 graus de liberdadesãorequeridosparacolocar um objeto, comoumamão, em um ponto particular do espaço e numa dada orientação.
Atuadores • O braço na figura abaixo possui exatamente 6 graus de liberdade, criados a partir de 5 juntas de revolução que geram movimento rotacional e 1 junta prismática que gera movimento translacional.
Atuadores • Um experimento simples paraverificarque um braçohumanopossuimaisque 6 graus de liberdadeenvolvecolocar a mãosobreuma mesa e perceberquevocêaindapossuiliberdadepararotacionar o ombrosemmudar a configuração de suamão. • Manipuladoresquepossuemmaisgraus de liberdade do queosrequeridosparaumadeterminadatarefasãomais simples de controlar do queaqueles com um númeromínimo de graus de liberdade.
Percepção Robótica • A percepção robótica pode ser vista como uma inferência temporal a partir de sequências de ações e medidas do ambiente, conforme ilustrado na figura abaixo. Xt é o estado do ambiente (incluindo o próprio robô) no tempo t, Zt é a observação recebida no tempo t, e At é a ação tomada após a observação ter sido recebida.
Percepção robótica • A tarefa da filtragem (ou atualização do estado de crença) consiste essencialmente em computar o novo estado P(Xt+1 | Zt+1, At), a partir do estado corrente P(Xt | Zt, At-1) e da nova observação Zt+1.
Localização • Localização é um exemplo de percepçãorobóticaqueconsisteemdeterminarondeestãoosobjetos no ambiente. • Trata-se de um problemaextremamenterelevantepois o conhecimentosobreondeestão as coisas no mundo é essencialparaqualquerinteraçãofísica. • Como exemplo, manipuladoresrobóticosprecisamconhecer a localização dos objetosquevãomanipular. • Robôs de navegaçãoprecisamsalberondeelesestão a fim de encontrar a rotaparalocalizaçõesalvo.
Localização • O problemadalocalizaçãopode ser divididoem 3 sub-categorias: • Se a pose inical do objeto a ser localizado é conhecida, entãotrata-se de um problema de rastreamento. Essetipo de problema é caracterizadoporincertezasporémlimitadas a um campo local. • Umacategoriamaiscomplexa é a localização global, naqual a localizaçãoinicial do objetonão é totalmenteconhecida. Essetipo de problemasãoreduzidos a problemas de rastreamentoapósosobjetos de interesseteremsidolocalizados. • Finalmente, hásituaçõesemque, paraefeito de testedarobustez de técnicas de localização sob condiçõesextremas, o objetoque o robôestatentandolocalizar é sequestrado (removidoforçosamente) do ambiente e eventualmentedevolvidoem um tempo futuro.
Localização • Um modelo cinemático simplificado de um robô móvel é apresentado na figura abaixo
Controle • Controladoressãotécnicasem tempo real queutilizam feedback do ambiente com o objetivo de manterestáveisosmovimentos do robô • Se o objetivo do controle é manter o robôdentro de umarotapré-programada, este é geralmentecitadocomo um controlador de referência e o caminho é chamado de caminho de referência. • Controladoresqueotimizamumafunção de custo global sãoconhecidoscomocontroladoresótimos.
Controle • Exemplo de controlador reativo para um robô hexapode
Arquiteturas para Software Robótico • A arquitetura de subsunção (Brooks, 1986) é um arcabouçoparamontagem de controladoresreativos (como o dafigura no slide anterior) • Nósnestasmáquinaspodemconter testes paracertasvariáveis de sensores, as quaiscondicionam o funcionamentodamáquina de estadosfinitos. • Arcos sãorotulados com mensagensquegeralgeradasquandoatravessados. Taismensagenssãoenviadasaosmotores do robôouparaoutrasmáquinas de estadosfinitos. • Adicionalmente, máquinas de estadosfinitospossuem timers internos (clocks) quecontrolam o tempo quelevapara um arco ser percorrido.
Arquiteturas para Software Robótico • Arquiteturas híbridas combinam reação com deliberação. • A arquitetura híbrida mas popular é a arquitetura de 3 camadas, a qual consiste de uma camada reativa, uma camada executiva e uma camada deliberativa. • A camada reativa é responsável pelo controle de baixo nível do robô. É caracterizada um um loop estrito de sensor-ação. Seu ciclo de decisão é normalmente da ordem de milisegundos. • A camada executiva (o camada de sequenciamento) serves como o elo entre as camadas reativa e deliberativa. Aceita diretivas dadas pela camada deliberativa e as sequencia para a camada reativa. • Por exemplo, a camada executiva pode gerenciar um conjunto de coordenadas de um caminho geradas por um planejador deliberativo, e tomar decisões com respeito aos tipos de comportamentos reativos a serem evocados.
