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Montaje y puesta a punto de un robot humanoide

MONTAJE Y PUESTA A PUNTO DE UN ROBOT HUMANOIDE Autoras: Loreto Gutiérrez González, Itziar Ribacoba Menoyo Tutores: Víctor Etxebarria Ecenarro y Alfredo García Arribas RESUMEN:

Actualmente existen numerosas empresas, laboratorios e instituciones dedicadas a la investigación de robots humanoides ya que presentan la ventaja de moverse en un entorno cercano a las personas con mayor facilidad consiguiendo de esa forma realizar tareas propias de los humanos y relacionarse con ellos con mayor facilidad. En este trabajo se ha realizado el montaje y programación de un bípedo, capaz de llevar a cabo tareas no triviales, como por ejemplo andar y subir escaleras. Para ello se ha utilizado el Kit KHR-1 de Kondo Kagaku Co y la programación se ha implementado con el software de dicho fabricante.

I. INTRODUCCIÓN La robótica bípeda conforma un área de investigación con gran crecimiento en los últimos años. Si bien el desplazamiento mediante ruedas es más eficiente y permite mayor velocidad, los robots con patas son más versátiles y pueden desplazarse en terrenos irregulares. En particular, los bípedos son esencialmente aptos para manejarse en nuestro entorno, por contar con características similares a la de los seres humanos, por lo que sin tener que modificar nuestros hogares y lugares de trabajo estos robots pueden realizar tareas por nosotros, siendo particularmente interesante su aplicación en trabajos que ponen en riesgo la salud o la vida de las personas. Los robots bípedos no sólo son más aptos para el medio por sus capacidades en cuanto a locomoción, sino que también las personas pueden adaptarse más fácilmente a la interacción con ellos que con otro tipo de robots, por ser más semejantes al ser humano. Otra motivación muy importante para el desarrollo del área, es que los robots bípedos pueden llegar a comunicarse de una manera similar a la de los humanos mediante expresiones faciales, posturas del cuerpo y voz. La utilización de un humanoide lleva consigo varias ventajas: pueden ser útiles como herramientas para la investigación y estudio en el campo de la inteligencia artificial y conocimiento humano, para una división de trabajo en áreas cooperativas con los humanos y también para entretenimiento, ya que poseen un gran potencial comercial. Un gran número de grupos y empresas alrededor del mundo están construyendo robots humanoides. Honda con Asimo, Sony con QRIO, Toyota, son algunas de las compañías que tienen ya experiencia en la fabricación de humanoides con funciones esenciales ya establecidas; como son movimiento de brazos, piernas y locomoción. Sin embargo, muchos de estos robots no están a la venta y los que lo están, tienen costo muy elevado. Por lo tanto, están fuera de alcance para el estudio académico. Debido a esto, muchas universidades crean sus propios robots, pero por su alto costo sólo realizan un prototipo o compran kits de bajo coste. Hoy en día existen numerosas universidades y centros de investigación dedicados a la innovación en esta disciplina. Por otra parte, los concursos que involucran enfrentar nuevos desafíos en esta área han permitido consolidar el desarrollo de la investigación en robótica como actividad curricular preponderante en muchas carreras tecnológicas en las universidades. En nuestro país muchos grupos que incluyen centros universitarios y centros de investigación públicos se dedican activamente al campo de robots móviles y tienen como objetivo conseguir que un robot se pueda mover libremente por un entorno que le es desconocido de antemano.

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II. OBJETIVO Este proyecto plantea un estudio sobre los robots bípedos mediante la construcción de un prototipo de bajo coste, pero que sea capaz de realizar tareas relativamente complejas, como desplazarse caminando o subir escaleras. Los resultados obtenidos pueden servir de base para trabajos futuros que apunten al desarrollo de robots bípedos y la investigación en esta área.

III. MONTAJE Para la construcción de un robot humanoide se necesita utilizar componentes y aparatos muy sofisticados y de un coste, en su mayoría muy elevado. Estos elevados costes se deben al tipo de material, de precisión, miniaturizado y especializado que se emplea en la fabricación de estos seres tan parecidos a los humanos. En la actualidad, en el mercado se pueden encontrar diferentes kits, con los que armados de paciencia, unos buenos manuales y cómo no, dinero, se puede construir un robot humanoide. En primer lugar, comentar que por “kit comercial” se hace referencia a un robot que se vende completamente despiezado con un manual y, en mayor o menor medida, lo necesario para su ensamblaje, el cual debe realizarse manualmente. Esta forma de construcción ofrece la ventaja de ser más didáctica y entretenida que la forma ya ensamblada. Además es más barato y ofrece la opción de modificar o adaptar cualquiera de los diseños con una mayor facilidad para distintas aplicaciones, o incluso usar las partes que interesen para obtener un producto distinto y totalmente personalizado. Uno de los mejores candidatos es el Kit KHR-1 de Kondo Kagaku Co elegido para este trabajo. Este kit es el primero que salió al mercado con un precio asequible y adecuadamente montado y programado, puede caminar, recuperarse tras una caída, ponerse a la pata coja… Las características del robot utilizado son: altura 34cm; peso 1,2kg; y 17 grados de libertad (uno en la cabeza-cuello, tres en cada brazo, y cinco en cada pierna). El kit utilizado en este trabajo cuenta con los siguientes componentes: •

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17 servomotores digitales KRS-784ICS. A la hora de llevar los movimientos a la práctica se opta en la mayoría de los casos, por servos, que son pequeños motores muy precisos capaces de mantener su posición con una fuerza relativamente grande. Para controlar tal cantidad de servomotores y conseguir un verdadero humanoide, se hace imprescindible la utilización de uno o varios microcontroladores, que se transforman en el verdadero cerebro del sistema. 2 placas de control RCB-1. Cada una de estas placas cuenta con un procesador PIC16F873A con memoria de 128k. Hay que conectar estas placas para que los dos PIC funcionen como uno solo. Una de las funciones que realiza la placa RCB-1 consiste en la recuperación instantánea de la posición de los motores. 1 RS-232 cable serie, para enviar los datos del PC al robot, o viceversa. 1 batería de NiCd 600 mAh, con la que se va a alimentar al robot. 1 CD-ROM con el manual hardware y software, para el correcto montaje y funcionamiento del robot. Más de 200 piezas (tornillos, arandelas, abrazaderas, cables, etc)

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Siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante, se ha conseguido construir el robot. La secuencia de montaje es la que se muestra a continuación. •

Preparación de los motores y ensamblaje del cuerpo.

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Ensamblaje de los brazos y las piernas.

El resultado final de todo el montaje es:

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IV. COMPLEMENTOS ADICIONALES A. Cargador de Baterías Se ha tenido la necesidad de hacer un cargador de baterías, ya que aunque el kit del fabricante traía un cargador de baterías hecho, la clavija de enganche a la red era incompatible con la red europea. El cargador de baterías diseñado es de fácil construcción y útil para cargar la casi totalidad de las pilas más comúnmente utilizadas de NiCd y NiMH. El único inconveniente, si es que se puede calificar como tal, es que no es un cargador rápido, ya que trabaja con la corriente de carga estándar de una décima parte de la capacidad de la batería, por lo que el tiempo medio de carga de las baterías es de 10 a 14 horas. Este tipo de carga es especialmente apropiada para las baterías de Ni-Cd que se utilizan en el robot. Una de las ventajas de las baterías recargables de hidruro de metal níquel es que tienen mayor capacidad y no es necesario preocuparse por el efecto memoria. Esto significa que para una carga completa se utilizará una corriente de carga a cualquier tiempo, y si se hace utilizando la mencionada corriente de una décima parte de la capacidad de la batería, el tiempo de carga no es crítico. En otras palabras, se garantiza que la batería se cargará completamente después de estar de 10 a 14 horas, sin que exista peligro de sobrecarga, por lo que no importa si, por descuido, la dejamos cargado durante 20 horas. Si estamos seguros de que la batería está sólo a media carga, podemos restablecer completamente su capacidad cargándola alrededor de 6 ó 7 horas. El cargador que se ha realizado lleva un led, el cual se apaga cuando la batería se ha cargado por completo. Las baterías necesarias en este trabajo tienen una capacidad de 600mAh (miliamperios-hora), por lo que la corriente de carga debe ser del orden de 60mA. Si se quiere cargar varias pilas al mismo tiempo, simplemente las conectaremos en serie, porque la misma corriente de carga circulará a través de todas las pilas, lo que hará que se carguen de forma simultánea. Para conseguir que circule una corriente de 60 mA necesitaremos una cierta tensión. La máxima tensión en una pila durante la carga es de 1,2V y la fuente de corriente necesita unos 3V. En este trabajo se van a cargar varias pilas en serie, por lo que se necesitará 1,2V por el número de pilas, mas 3 V. Para cinco pilas, se usará una tensión estabilizada de salida de 9V. Si esta tensión de alimentación es demasiado baja, la corriente de carga será demasiado baja. Una tensión de alimentación grande no será mucho problema porque el circuito asegura que la carga no excede de 60mA. El diseño realizado del cargador de baterías es el siguiente:

Figura2. Cargador de baterías La primera etapa que se muestra en la Figura 2, es un convertidor convencional AC/DC. Esta etapa transforma la onda principal AC en una onda DC irregular, por lo que para conseguir una tensión más continua

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se ha añadido un estabilizador de tensión (LM7809). Esta tensión continua es con la que se va a alimentar al circuito limitador de corriente. La segunda etapa que se ve en la Figura 2, es un circuito limitador de corriente. Esta etapa va a estar alimentada con la tensión de salida del convertidor AC/DC. Para conseguir limitar la corriente a 60mA se ha utilizado el LM317 como regulador de corriente, el cual está diseñado para ajustar su resistencia interna entre los terminales IN y OUT manteniendo así una tensión constante de 1,25V entre los terminales OUT y GND. Por lo que si elegimos un valor para la resistencia R1igual a 1,25 / 0,060 =20,83 ohmios, circulará exactamente una corriente de 60 mA. En la práctica no se puede comprar una resistencia con este valor, por lo que se ha elegido un valor de 22 ohmios. A este diseño se ha añadido un indicador led. Este led se ilumina sólo cuando la corriente de carga está circulando, por lo que se puede usar para verificar que las baterías están haciendo un buen contacto y para saber si la batería ha acabado de cargarse. Cabe destacar que el led usado es de bajo consumo. Los componentes y el material utilizados para la construcción del cargador de baterías son los siguientes: 2 Placas perforadas.

2 Puentes rectificadores B38C15R.

2 Transformadores encapsulados 12 V 2,8VA.

2 Reguladores de tensión 7809.

2 Condensadores electrolíticos radial 330uF 35V.

2 condensadores 100nF.

2 condensadores 330nF.

2 Diodos Leds.

2 Circuitos integrados LM317.

2 Condensadores radial 10uF.

4 Radiadores.

2 Transistores BC547B.

2 resistencias 22Ω y 180Ω. Tornillos, Tuercas, Sierra, Taladrador Estaño, Soldador Cable, Madera y Pintura negra.

Figura3. Cargador de baterías 2. Baterías Uno de los principales inconvenientes que se ha tenido que solventar a la hora de realizar este trabajo, ha sido la duración de las baterías, debido al gran consumo que exige el movimiento de los motores. Por este motivo, se ha necesitado implementar un considerable número de baterías. Se han elegido baterías de Ni-Cd, ya que éstas pueden recargarse, son mucho más robustas en construcción y tienen una resistencia interna extremadamente baja, lo que permite asociar varios elementos en serie y mantener la tensión prácticamente constante durante casi el 90% del ciclo de descarga. Este hecho, facilita su uso en esta aplicación. Las baterías están formadas por 5 pilas recargables, cuya tensión nominal es de 1,2V y tienen una capacidad de 600mAh una vez cargadas, lo que significa que son capaces de entregar una corriente de 600mA durante una hora. Estas pilas se han puesto en serie como se muestra en la Figura 4 consiguiendo así la tensión necesaria de 6V con la que se alimenta al robot.

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Figura4. Baterías

V. SOFTWARE El software utilizado para la correcta configuración y programación del robot KHR-1 es el HeartToHeart. Este software es específico para este robot y permite la creación de secuencias de movimientos. La forma más fácil, que se ha seguido en la programación del robot, ha sido mover los motores a las posiciones adecuadas para poder capturar las posiciones relativas de los servomotores y luego ponerlas en marcha. Este método lleva implícito una gran paciencia y habilidad para poder conseguir que el robot haga movimientos interesantes parecidos a los humanos, ya que una vez que el robot está en movimiento, la gravedad, la fricción y la inercia contribuyen a crear movimientos que no eran los inicialmente programados. Sin embargo, después de emplear horas intentando conseguir correctas posiciones y transiciones, se aprenderá un poco como dominar al robot y también nos daremos cuenta de lo que dependemos los humanos de la gravedad, la fricción y la inercia para movernos. A. Inicialización del Robot Una vez instalado el software y conectado correctamente el puerto serie para poder enviar los datos introducidos en el programa al robot, se ha de verificar si el robot recibe bien los datos. Lo primero que se debe comprobar es que cada motor esté unido al canal adecuado de la placa RCB-1. Para ello se han de mover los motores uno a uno y así confirmar que éstos se mueven precisamente como se esperaba. Esto se realiza de la siguiente manera: El botón COMM especifica el número del puerto del PC al que se ha conectado el RS-232. En este caso es el puerto 1 y, seleccionando SYNC a ON se podrán mover desde el programa los motores al mismo tiempo que la barra de deslizamiento de cada uno de ellos, como se muestra en la Figura 5 La segunda acción que se debe acometer es conseguir una buena alineación de los motores, ya que al construir el robot se han podido modificar sus calibraciones. Este software proporciona una función de ajuste que implica agregar o restar hasta 10º de la posición inicial de cada motor. La desventaja de este proceso es que se restringen los 180º totales de libertad que se tendrían si la alineación inicial fuese perfecta. La Figura 5 muestra la desviación que tienen los motores. En este caso sólo se ha perdido un grado de libertad en el motor 8, con lo que se verifica que el montaje ha sido correcto y ya se puede comenzar a realizar la programación del robot. Y por último, antes de empezar realmente a programar el movimiento que debe realizar el robot hay que fijar una posición denominada “home position”o posición de espera, que viene definida en el software del fabricante y es en ésta en la que el robot se coloca automáticamente cuando se enciende. Esta posición inicial hay que grabarla una sola vez, ya que se almacena en la memoria permanente de la placa RCB-1. En esta posición, el centro de masas del robot se encuentra aproximadamente en el medio de su cuerpo, lo que supone un menor consumo de corriente y soporte de carga por parte de los motores que en el resto de posiciones.

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Figura5. Software y “home position” B. Programación de Movimientos Este trabajo se ha centrado en programar dos series de movimientos: andar y subir escaleras. El control del robot involucra dos aspectos clave. En primer lugar, se desea controlar su posición y velocidad y, por lo tanto, la de su centro de masas, pero además se necesita garantizar que el robot permanezca en pie y no se caiga. Para la locomoción, la idea fundamental es mover el cuerpo superior en forma de péndulo invertido para crear un desplazamiento del centro de gravedad que es compensado al mover el pie contrario al movimiento del cuerpo. Para lograr esto, sólo se cuenta con un control directo sobre las trayectorias de las articulaciones del robot y ayudan en parte a especificar la postura del robot. La tarea no es nada fácil, ya que el movimiento de un robot bípedo requiere posturas en las que al menos una de las piernas esté en el aire (cuando el robot camina) o incluso las dos piernas están en el aire (cuando el robot corre), lo que puede conducir potencialmente a inestabilidad. Otra heurística que simplifica mucho el problema de control de los robots bípedos es la siguiente: utilizando pies con articulación en el tobillo, es más fácil controlar la postura global del robot cuando el pie está totalmente plano en el suelo, lo que ayuda a estabilizar el robot y, por otro lado, el par de fuerzas aplicado en el tobillo ayuda a impulsar a estos robots hacia adelante, lo que facilita el control de la trayectoria de su posición en el espacio. En realidad, esta estrategia empleada tiene dos desventajas: mediante este tipo de control el robot no puede correr (sólo puede moverse a base de “pasitos” que no son lo suficientemente rápidos) y la energía consumida para realizar el movimiento es grande. Este programa para realizar una secuencia de movimientos tiene dos editores. Por un lado, está el editor de movimiento, en el cual se puede guardar en cada uno de los 40 movimientos que tiene, 100 posiciones diferentes. Por otro lado, está el editor de escenario, que posee 4 escenarios diferentes y en cada uno de ellos se puede guardar 40 movimientos. El editor de movimientos en cada posición fija la velocidad, la posición de cada motor y el nombre que especifica qué posición es. También permite recopilar las posiciones del robot, almacenarlas en las tarjetas RCB1 y recuperarlas a partir de éstas para modificarlas o registrarlas en el PC. Este editor posibilita leer una posición directamente desde el PC sin tener que almacenarlas sobre el robot. El programa informático puede cargar una posición a partir de un fichero CSV, al igual que los movimientos o almacenarse en las tarjetas RCB-1. Existen dos métodos de edición: 1. El manual Cada valor del motor es colocado manualmente. El resultado se puede ver directamente sobre el robot activando la opción de sincronización. 2. Captura El programa informático captura el estado actual de los motores y la velocidad puede ser seleccionada en la pantalla principal del programa.

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Los movimientos son en realidad una secuencia de posiciones de los motores que se van leyendo sucesivamente. Según la velocidad para cada posición, éstas se alcanzan más o menos rápidamente. Esta velocidad varía entre el 0 (movimiento rápido) y el 7 (movimiento lento). Para fijar cada posición, se ha utilizado una programación guiada. Es decir, mover los motores uno a uno hasta obtener las posturas deseadas. Una vez obtenidas se han transferido desde el robot al ordenador y se han ido almacenado en el editor de movimientos. Aparte de la posición de los motores, en cada postura también se ha fijado la velocidad. Esta tarea no ha sido nada fácil, ya que se ha tenido que buscar un compromiso entre la estabilidad de la postura y la velocidad fijada, debido a que en las posiciones no muy estables el robot se ha tenido que mover lentamente para no perder el equilibrio. El enfoque es determinista, el robot "imita" una serie de movimientos preprogramados.

VI. RESULTADOS OBTENIDOS El fin de este trabajo es el control de las posiciones de los 17 motores del robot para conseguir el objetivo deseado. En este caso se persigue, por un lado, la mejora del programa de andar y; por otro, la obtención de las posiciones necesarias para lograr el movimiento de subir escaleras. Estos resultados se han alcanzado realizando los pasos anteriormente citados en el apartado del software. A continuación se va a mostrar una secuencia de fotografías en las que se puede observar con claridad los dos movimientos mencionados.

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VII.

CONCLUSIONES

El desarrollo de un robot bípedo, al ser un tema de investigación relativamente nuevo requiere de un exhaustivo estudio. Muchos importantes aportes han sido realizados por científicos en todo el mundo. Sin embargo, todavía existe una gran diferencia entre la forma de andar natural humana y la forma de andar artificial robotizada, tanto en estética como en eficiencia. Es decir, que todavía queda mucho trabajo que hacer si el objetivo es emular el modo de caminar de las personas. En este trabajo se ha podido comprobar que aplicando métodos de programación guiada se puede obtener la realización de movimientos con un control lo suficientemente preciso para que el robot no pierda el equilibrio. Aunque los resultados logrados han sido satisfactorios, habida cuenta de que se ha conseguido el objetivo del proyecto, se podría llegar a efectuar mejoras mediante la utilización de sensores que den información sobre el espacio de trabajo, la velocidad y aceleración óptima de los motores. Además hay que tener en cuenta que dos programas iguales evolucionan de diferente forma, ya que aunque el programa es el mismo, la trayectoria de evolución del robot está influenciada por las condiciones iniciales y estas no son siempre las mismas. En este trabajo también ha influido otro factor, un gran temblor que sufre el robot ocasionalmente en los brazos, cuando la batería no es capaz de alimentar adecuadamente todos los motores, cuestión que se ha amainado poniendo unas abrazaderas para sujetar dicho movimiento.

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VIII. AGRADECIMIENTOS Queremos agradecer este trabajo dirigido a Víctor Etxebarria Ecenarro y Alfredo García Arribas, profesores del departamento de Electricidad y Electrónica de Ingeniería Electrónica, de la Universidad del País Vasco sin cuya colaboración y ayuda hubiese sido más difícil la realización del mismo. Igualmente, queremos agradecer a nuestros compañeros de universidad Jokin Mazas e Ibon Diaz por el interés mostrado durante todo este año y especialmente a Víctor González González.

IX. BIBLIOGRAFÍA [1] RCB-1 Software Manual. [2] RCB-1 Hardware Manual. [3] http://www.robosavvy.com. [4] http://www.electronicafacil.net. [5] Marc Carreras, Enric Hospital, Jeroni Salellas y Joan Batlle, “Arquitectura mecánica de un prototipo de robot bípedo”.