El diseño gráfico integrado permite que los robots araña salven vidas

Se ha diseñado una araña robótica de seis patas para operar en entornos duros y resistentes, con los mayores grados de libertad para mejorar la movilidad. El bajo riesgo de desarrollo, la máxima funcionalidad y el software integrado inteligente se han combinado con una metodología de diseño nueva y única, que combina la programación gráfica con un alto rendimiento de procesamiento informático y un esquema de consumo ultrabajo. Las tecnologías clave son el Blackfin^® el procesador de NI LabVIEW^® Módulo integrado para procesadores Blackfin, y el ZMobile^® plataforma de señales mixtas.

Diseñado para misiones en entornos difíciles

El objetivo principal de todos los equipos de rescate es evitar que se pierdan más vidas, al tiempo que se localizan las posibles víctimas lo más rápidamente posible. Teniendo esto en cuenta, se ha completado el desarrollo de la araña robótica de seis patas para apoyar las operaciones de rescate en misiones de catástrofes, como los derrumbes de edificios tras los terremotos (véase la figura 1), como una solución robótica completa. Gracias a su movilidad, pequeño tamaño e inteligencia a bordo, la araña puede evitar diversos obstáculos y entrar en lugares de difícil acceso para buscar víctimas atrapadas. Sustituir a los humanos en misiones peligrosas (por ejemplo, barrer y neutralizar campos de minas) es otra aplicación potencial. Estos retos se resuelven con un sistema de marcha altamente móvil.

Las seis patas independientes permiten al robot moverse omnidireccionalmente, incluso en terrenos en los que los movimientos robóticos no son normalmente posibles o arriesgados. "Caminar" y "girar" son algunos de los patrones de movimiento básicos de alto nivel y se han adoptado de los insectos de seis patas. Los tres "pies" móviles y los tres "pies" elevados permiten alcanzar la velocidad de marcha deseada y proporcionan el equilibrio suficiente para los terrenos difíciles. el "gateo" es un movimiento especial que permite al robot introducirse en espacios reducidos y huecos estrechos (ver Figura 1).

Sistema mecatrónico multifuncional

La mecánica de las patas y el control del movimiento son características clave del robot araña. Un total de 24 motores inteligentes de corriente continua no sólo impulsan las piernas, sino que también funcionan como articulaciones integrales de la mecánica de marcha. El resultado es una construcción robusta pero ligera, un menor consumo de energía y una mejor dinámica de movimiento.

Además de sus patas, el robot hexápodo cuenta con los típicos subsistemas robóticos autónomos, como la visión artificial, la medición de distancias y la comunicación inalámbrica. El hardware de a bordo y dos baterías de polímero de litio de 7,2 V, incluidos los medidores de combustible, residen en el cuerpo rígido del robot. Los parámetros de la misión, los ajustes de E/S y los nuevos ritmos de movimiento pueden transferirse de forma inalámbrica o a través de medios extraíbles (ver Figura 2 y Figura 3).

Movimiento inteligente con 24 grados de libertad (24DOF)

Los movimientos de bajo nivel de la araña se basan en complejos modelos matemáticos calculados en tiempo de ejecución. Gracias a la enorme potencia de cálculo a bordo del procesador Blackfin de Analog Devices y a los servicios deterministas en tiempo real de Schmid Engineering, el movimiento parece decidido, dinámico y fluido. Para el algoritmo de cinemática inversa de ejecución continua se utilizan VIs de LabVIEW de alto nivel (instrumentos verticales) y bibliotecas matemáticas Blackfin optimizadas a mano. Este algoritmo, que incluye funciones trigonométricas y operaciones matriciales, encuentra los ángulos de unión adecuados, ϴ₁ y ϴ₂en este caso, el efector final se mueve exactamente a lo largo de una trayectoria deseada en el espacio (X, Y, Z) (véase la figura 4). Según el modelo de movimiento de alto nivel, los vectores de trayectoria se mueven a lo largo de líneas, rectángulos o círculos calculados.

Las trayectorias se pueden programar de tres maneras diferentes:

• El aprendizaje y la lectura como técnica común para el diseño y la formación de modelos nuevos o especiales
• se utiliza un software CAD 3D para verificar visualmente las trayectorias simuladas. Los modelos se exportan como archivos de realidad virtual y se importan a los controles de imagen de LabVIEW. Los movimientos se ajustan entonces comparando el modelo virtual con el real.
• Trayectorias calculadas continuamente en tiempo de ejecución por el algoritmo de cinemática inversa.

Esto se hace en paralelo para los seis ángulos de articulación de las piernas, lo que da lugar a 24 puntos de ajuste calculados continuamente para todos los motores, con el fin de garantizar el movimiento dinámico. Estos valores de consigna se transfieren a cada motor a través de una red serie RS-485 y son convertidos en acciones físicas por los controladores PD descentralizados (ver Figura 5). Las lecturas de posición y temperatura de los 24 actuadores se adquieren en la misma red. El famoso baile del limbo que ambos robots realizaron simultáneamente en la competición de robots de Singapur (Figura 6) demostró su excepcional capacidad de movimiento.

Visión inteligente y detección de distancia

Más allá del movimiento inteligente y la libertad de movimiento, en el "ojo" del robot araña hay una cámara inteligente y un sensor de medición de distancia. Los objetos y las sustancias se localizan y rastrean mediante potentes algoritmos de procesamiento de imágenes, como la búsqueda de un centroide en una región de interés. El "ojo" también puede programarse para identificar cualquier color que se encuentre en su proximidad. Las versiones futuras incluirán un procesamiento de imágenes mejorado, coincidencia de patrones y detección de bordes, aprovechando la potencia de cálculo del procesador Blackfin y la adquisición de imágenes a alta velocidad para llevar la visión inteligente al siguiente nivel.

Comunicación inalámbrica con Bluetooth

Al ofrecer la posibilidad de comunicarse a cualquier nivel con el robot, se mantiene una interfaz de comunicación inalámbrica Bluetooth permanente con el "mundo exterior":

• Canales de depuración para el modo de depuración rápida de ZMobile durante el desarrollo y las pruebas.
• Lee parámetros críticos como el estado del motor y el nivel de la batería para el diagnóstico del sistema. Adquisición en línea de las variables vitales del algoritmo para su ajuste.
• Descarga de nuevos datos de la misión antes de una operación.

Durante la competición de robótica, dos robots araña se conectaron a través del canal de comunicación inalámbrico para sincronizar sus movimientos (véase la figura 6). Se trataba de un prototipo para un escenario más serio en el que varios robots araña reciben una tarea para realizar en equipo.

Hardware integrado de bajo consumo de ZMobile

El módulo de señal mixta de ultrabajo consumo ZMobile es el "corazón" del robot araña. El módulo, alimentado por un procesador Blackfin y LabVIEW Embedded, lo suministra el proveedor de soluciones suizo Schmid Engineering. Integra sensores, actuadores, visión, baterías y comunicación inalámbrica en una sola plataforma. La Politécnica de Nanyang eligió la plataforma ZMobile por tres razones:

En primer lugar, programar la araña en LabVIEW permitió a los diseñadores del robot centrarse en las funciones principales de este proyecto de vanguardia desde el primer día. Gracias a la alta productividad de la programación gráfica, los ingenieros del sistema pudieron añadir más funcionalidad de la especificada originalmente durante el mismo periodo de desarrollo.

En segundo lugar, un sistema de consumo de energía muy bajo, como la gestión dinámica de la energía de ZMobile, era una característica esencial para este robot autónomo, ya que el tiempo de funcionamiento puede ampliarse considerablemente. Lo mismo ocurre con el consumo de energía del módulo ZMobile, que está en el rango de los milivatios, lo que permite utilizar la mayor parte de la energía restante almacenada en las baterías de a bordo para los motores.

En tercer lugar, la ranura de E/S de proceso escalable deja espacio para integrar más sensores y actuadores en el futuro.

Software embebido de gráficos en tiempo real

Todo el software de aplicación del robot araña se programó utilizando el módulo integrado de LabVIEW para procesadores Blackfin 2.5, ampliado por el BSP ZBrain de Schmid Engineering para NI LabVIEW (véase la figura 8). Esto proporcionó la plataforma ideal de software embebido que ofrecía programación de alto nivel, depuración gráfica, multitarea gráfica y, al mismo tiempo, un comportamiento determinista en tiempo real.

Los patrones de diseño orientados a objetos han permitido gestionar mejor la complejidad a nivel gráfico. Los objetos principales, como los motores o los sensores, se abstrajeron mediante variables globales funcionales, que representan clases en LabVIEW.

El marco principal de la aplicación consta de varias tareas:

• El bucle principal de nivel superior planifica las acciones y está representado por una máquina de estado clásica conectada a los demás bucles por colas de software y medios de sincronización, como los semáforos.
• La tarea de comunicación mantiene una conexión de datos inalámbrica con el mundo exterior.
• La tarea de visión se encarga del procesamiento de imágenes de bajo nivel y de la lectura a distancia.
• La tarea de movimiento gestiona los patrones de movimiento de alto nivel y el control de las extremidades de bajo nivel, y también controla la posición y el estado del motor.
• Una tarea de mantenimiento actúa como un gestor de errores común. Los eventos y errores se detectan y se almacenan en soportes extraíbles con marcas de tiempo para su posterior recuperación. Las funciones de ZMobile, como el perro guardián, el reinicio y la desconexión programada, son formas eficaces de reiniciar desde cero si la autocorrección de errores (por ejemplo, la reversión de errores) no tiene éxito.

Estos bucles se ejecutan simultáneamente como hilos en un entorno multitarea cooperativo. El cambio de contexto en milisegundos y el determinismo en tiempo real en microsegundos en el nivel del conductor garantizan unos movimientos suaves y sin problemas. Por último, los requisitos de gran paralelismo para la seguridad de los hilos de cada componente de software y controlador de dispositivo se cumplieron con el paquete de soporte de la placa del fabricante.

Conclusión

El proyecto de construir un robot potente y superior fue un éxito y el tiempo de desarrollo se redujo considerablemente gracias a un modelo de programación gráfica mediante LabVIEW Embedded Module for Blackfin Processors y al alto rendimiento del procesador Blackfin. El rápido modo de depuración gráfica de Schmid Engineering demostró ser otra ventaja durante la ingeniería de algoritmos, acortando el tiempo de desarrollo por un factor de cinco. Como resultado, el módulo ZMobile puede considerarse un "producto estrella" para la ingeniería de sistemas embebidos de fácil uso, no sólo para los diseñadores de robots, sino también para cualquiera que construya sistemas mecatrónicos. Los avances en la visión, la gestión más inteligente de la energía y el esquema de recogida de energía, la fusión de sensores, la lógica difusa y la recogida de datos por GPS son componentes prometedores que se añadirán a la plataforma mecatrónica común. Además, está previsto reutilizar el sistema modular de hardware y software en otros robots móviles, autónomos y bioinspirados, como el modelado en serpientes.