Arquitecturas de Controlo de
Robots
Robótica
Engenharia Mecatrónica
1 Introdução: Funções básicas e de
controlo inteligente
Na literatura sobre robótica são comuns os
termos: “funções inteligentes” ou “controlo
inteligente de robots”. O objectivo da
utilização dos termos é fazer referência à
incorporação de um maior numero de
funções autónomas das que se consideram
habitualmente básicas .
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1 Introdução: Funções básicas e de
controlo inteligente
Funções básicas
As funções são: o servocontrolo das
articulações e a geração de trajectórias,
incluído nesta a interpolação articular
assim como a cartesiana e o espaço de
trabalho
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1 Introdução: Funções básicas e de
controlo inteligente
Controlo inteligente
As funções inteligentes são aqueles que
permitem realização parcial ou totalmente
autónoma de operações tais como: planificação
de tarefas; planificação de movimentos;
percepção sensorial; e reacção face à presença
de obstáculos e condições na previstas
Estas funções devem ser pensadas para serem
integradas numa arquitectura dum sistema de
controlo
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2 Especificações
As especificações frequentes em manipuladores
robótica são seguintes:
•
•
•
•
•
Acessibilidade
Capacidade de carga
Rapidez de resposta
Precisão e características associadas
Interacção como o entorno
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2 Especificações
Acessibilidade:
Esta especificação está directamente relacionada com os
graus de liberdade do manipulador. É obvio que quanto
maior seja o numero de graus de liberdade maior seja a
acessibilidade. O problema surge no acréscimo da
dificuldade de controlo que representa o aumento de
graus de liberdade. Esta dificuldade é notória no caso de
manipuldores redundantes com grande numero de graus
de liberdade
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2 Especificações
Capacidade de carga:
A capacidade de carga tem grande influência na resposta
dinâmica do sistema. Sendo as velocidades e
acelerações significativas, a consideração do modelo
dinâmico
resulta imprescindível para o controlo
apropriado do manipulador
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2 Especificações
Rapidez de resposta:
Este ponto é muito importante para a produtividade do Robot.
A rapidez de resposta é normalmente considerada ao nível do
controlo das juntas assim como à geração de trajectórias articuladas,
não sendo normalmente considerada aos níveis mais altos de
abstracção do controlo.
A rapidez de resposta está na prática limitada pelo comportamento
da articulação mas também pelos efeitos dinâmicos colaterais que
não são considerados previamente, tais como oscilações não
amortecidas. Neste ponto é importante ter em conta que para
velocidades elevadas ou acelerações bruscas terá de se considerar
os efeito de forças centrifugas e outras no modelo dinâmico do Robot.
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2 Especificações
Precisão e características associadas:
Entende-se por precisão a diferença entre a posição pretendida e a
realmente alcançada pelo efector final.
A resolução uma característica associada à precisão entende-se
como a menor variação possível da posição do efector final, a
resolução vem condicionada: pelos sensores de posição utilizados ;
os actuadores; e a electrónica associada.
A imprecisão tem como origens: a limitação da resolução ; os
problema de calibração ; os desgastes e deformações do
funcionamento; e os próprios erros de controlo.
A repetibilidade a capacidade de voltar a uma mesma posição
quando as acções de controlo são as mesmas. Esta característica é
muito importante no caso dos manipuladores industriais, pois uma
função importante dum robot industrial é repetir as mesma operações
um grande numero de vezes.
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2 Especificações
Interacção como o entorno:
Esta característica engloba as restrições que fazem
referência a operações concretas, tais como:
posicionamento com precisão necessário no agarrar,
inserir e manipular objectos; no seguimento preciso de
trajectórias; na detecção obstáculos imprevistos com um
tempo de resposta necessário e interacções relacionados
com alguma operação transformação como aparafusar,
cortar, polir.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
No desenho da arquitectura utilizam-se
frequentemente requerimentos sobre:
•
•
•
•
•
•
Programabilidade
Eficiência
Capacidade de evolução
Grau de autonomia
Fiabilidade
Adaptabilidade
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Programabilidade
Com a Programabilidade engloba-se: a possibilidade de
executar multiples tarefas; especificação de
tarefas(acções que são necessárias executar) ou
simplesmente formular objectivos a cumprir; e a
possibilidade de planificar acções de acordo com o
estado actual do Robot e o seu entorno.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Eficiência
Seja a eficiência na realização de uma tarefa (tempo de
execução, precisão) ou a dos recursos empregues
(potência, hardware e software necessários).
No geral, a eficiência optem-se disponde de modelo
apropriados do robot e do seu entorno, e utilizando
planificações eficientes que permitem determinar
soluções óptimas de acordo com esses modelos.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Capacidade de evolução
É um requerimento muito importante nas arquitecturas
concebidas para projectos inovadores, ou de protótipos,
nos quais se produzem em geral revisões significativas, e
por consequência a incorporação de novas tecnologias,
equipamentos e componentes.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Grau de autonomia
O Grau de autonomia é outro requerimento básico no
desenho de arquitecturas. No geral, todas as soluções de
arquitectura de controlo inteligente têm um grande grau
de autonomia. É frequente contemplar um transição
gradual de um controlo essencialmente telecontrolado
para um autónomo. Por vezes pode considera-se um
comportamento dual com os dois tipos de controlo a
coexistir.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Fiabilidade
Relaciona a dependência de um sistema ou subsistemas
em todas as suas acções. Devido a isso, é necessário
incluir redundâncias em relação a certas funções, formas
diferentes de realizar a mesma tarefa.Por questões de
segurança de funcionamento, e não só, pode incluir-se
redundância de hardware.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Adaptabilidade
A capacidade de funcionamento em entornos diversos
parcialmente desconhecimento, flexibilidade, a
capacidade de responder a eventualidades.
A adaptabilidade pode considerar-se como a modificação
de comportamentos em reposta à situação em que se
encontra o robot ou, dito de outra forma, como a
capacidade de racionalizar para analisar situações e
produzir/seleccionar as reacções oportunas face às
mudanças do entorno e condições do robot.
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3 Requerimentos gerais da
arquitectura
Em particular, no desenho actual de
arquitecturas, discute-se o compromisso entre a
eficiência (robots dirigidos por objectivos e
planos) e a adaptabilidade e capacidade de
reacção (robots dirigidos por dados ), o qual dá
origem a diversos tipos de arquitecturas.
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4 Tipos básicos de arquitectura
segundo a sua reactividade
Do ponto de vista da planificação existem vários
tipos diferentes arquitecturas que se situam entre
dois extremos:
• Planificação Puramente estratégica
• Planificação Puramente reactivas
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4 Tipos básicos de arquitectura
segundo a sua reactividade
Planificação Puramente estratégica
As arquitecturas orientadas essencialmente a suportar
uma planificação puramente estratégica, utilizam entornos
suficientemente precisos, supondo que a situação em
que se vai a executar o plano pode se conhecida à prior e
sem ter muito em conta a possibilidade de gerar
comportamentos.
São arquitectura funcionais baseadas em planificação
com modelo centralizado.
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4 Tipos básicos de arquitectura
segundo a sua reactividade
Planificação Puramente reactivas
As arquitecturas orientadas essencialmente a subministrar
flexibilidade, adaptabilidade e a capacidade reacção a
condições não prevista.
As arquitecturas puramente reactivas implementam uma
estratégica de controlo como uma colecção de pares de
acção-reacção. O sistema consiste numa colecção de
regras reactivas , contendo uma descrição interna mínima
o estado. Baseia-se num acoplamento directo entre
sensores e actuadores mediante ciclos rápidos de
“realimentação”.
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4 Tipos básicos de arquitectura
segundo a sua reactividade
Hierarquia de comportamentos
(arquitectura subsumption)
Racionalização sobre o comportamento
Planificação mudanças no entorno
Identificação de objectos
Monitorização das mudanças
Sensores
Construção de mapas
Actuadores
Exploração
Deambular
Evitar os obstáculos
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5 Aproximação ao desenho da
arquitectura
No desenho da arquitectura do sistema de
controlo inteligente de um Robot pode destinguirse duas etapas:
• Desenho funcional da arquitectura
• Implementação e gestão de execução
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.1 Desenho funcionalidade arquitectura
No desenho funcional da arquitectura a abordagem
típica consiste em dividir as tarefas que são necessárias
realizar e decompor-las em funções Os problemas
típicos que se tem de abordar são os seguinte :
•
•
•
•
Definição dos níveis de hierarquia
Compromisso planos/ reacções
Conhecimento do estado
Outras características
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.1 Desenho funcionalidade arquitectura
Níveis da arquitectura de controlo
Percepção /representação
Funções cognitivas
Planificação /controlo
Planificação de
operações e tarefas
Representações
geométricas e simbólicas
Planificação de
movimentos
Processamento Básico
Trajectórias articulares
Dinâmica
Controlo de dispositivos
Tratamento de sinais
Sensores
Robótica
Actuadores
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.1 Desenho funcionalidade arquitectura
Compromisso planos / reacções
O objectivo de estabelecer um compromisso entre: a
execução dos planos mediante estratégias de busca, da
solução mais perto da óptima, para alcançar os objectivos
pré-definidos; e a capacidade de reacção eventualidades
não previstas a partir de informação sensorial.
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.1 Desenho funcionalidade arquitectura
Conhecimento do estado
Definir a informação que se deve guardar no sistema de
controlo sobre o estado do robot e do seu entorno. É de
especial interesse a representação do entorno mediante
mapas e ou conhecimento simbólico, assim como a
definição de estruturas de dados que representa de forma
correcta o estado e a sua actualização para utilização na
geração de acções em “tempo real”.
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.1 Desenho funcionalidade arquitectura
Outra características
Na definição funcional da arquitectura é necessário ter em
conta outra características, tais como: definição de
prioridades (maiores a funções relacionada com
segurança); distribuição de tarefas; e definição de funções
síncronas e assíncronas.
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.2 Implementação e gestão de execução
A implementação e gestão da execução trata
essencialmente de definir as relações entre as funções
do sistema e os recursos “software” e “hardware
disponíveis. Na perspectiva típica das arquitecturas
para controlo em tempo real temos um compromisso
quanto ao grau de distribuição dos recursos:
Centralizado face ao Distribuído
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.2 Implementação e gestão de execução
Arquitectura centralizada
Percepção
Modulo Central
Planificação
de tarefas
Conhecimento
Robot e do seu
entorno
Controlo de
movimentos
Robótica
Comunicação e
sincronização
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Planificação de
movimentos
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5 Aproximação ao desenho da arquitectura
5.2 Implementação e gestão de execução
Arquitectura descentralizada
Mapa armazenado
Construção de mapas
Sensores
Detecção de obstáculos
Planificação de movimentos
Controlo de movimentos
Ciclo de tempo
decrescente
Actuadores
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6 Soluções hardware e software
Apresentam-se alguns exemplo de arquitecturas:
Um exemplo típico de sistema de controlo dum robot industrial
,década de 80
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6 Soluções hardware e software
Um exemplo de sistema de controlo dum robot móvel: RAM-1 , inicio
da década de 90
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6 Soluções hardware e software
Uma versão evoluída do sistema de controlo do mesmo robot móvel
RAM-1 e o seu aspecto:
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6 Soluções hardware e software
Um exemplo de sistema de controlo dum robot móvel: AURORA , fim
da década de 90
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7 Conclusões
A escolha da arquitectura apropriada tanto no
aspecto de hardware como software, como se
pode concluir tem uma importância capital no
desempenho futuro do robot assim como a
capacidade de atingir os objectivos propostos
para o mesmo.
Os vários aspectos do desenho e implementação
da arquitectura estão condicionados pelo tipo de
robot pretendido assim como ou tipo de função
para que será utilizado.
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