Robots Submarinos: Una Síntesis sobre el Estado Actual de su Investigación y Desarrollo*

Las actividades submarinas requieren de las herramientas necesarias para lograr una provechosa tarea, ya sea en el ámbito industrial, militar o de investigación científica. La tendencia actual para este tipo de actividades, es el uso de Robots Submarinos en diversidad de tareas. En este documento se presenta un breve análisis de los mismos, empezando con su desarrollo, los avances logrados hasta el momento y la tecnología que los envuelve ya sea en posicionamiento X-Y, control, comunicación, diseño y sensores; más adelante se hablará de las actividades y ejemplos de aplicaciones actuales en las que se utilizan robots submarinos, mencionando especialmente los denominados ROVs y sus principales características, así como su forma de operar. En la parte final se aborda el tema del futuro y las perspectivas de la investigación en esta área como por ejemplo el desarrollo en la autonomía y sistemas de comunicación.

Hammer: an Android based application for end-user industrial robot programming

This paper presents a novel tablet based end-user interface for industrial robot programming (called Hammer). This application makes easier to program tasks for industrial robots like polishing, milling or grinding. It is based on the Scratch programming language, but specifically design and created for Android OS. It is a visual programming concept that allows non-skilled programmer operators to create programs. The application also allows to monitor the tasks while it is being executed by overlapping real time information through augmented reality. The application includes a teach pendant screen that can be customized according to the operator needs at every moment.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Cooperative Task Execution between Modular Robots Based on Tight-Loose Cooperation Strategies

The complexity in the execution of cooperative tasks is high due to the fact that a robot team requires movement coordination at the beginning of the mission and continuous coordination during the execution of the task. A variety of techniques have been proposed to give a solution to this problem assuming standard mobile robots. This work focuses on presenting the execution of a cooperative task by a modular robot team. The complexity of the task execution increases due to the fact that each robot is composed of modules which have to be coordinated in a proper way to successfully work. A combined tight and loose cooperation strategy is presented and a bar-pushing example is used as a cooperative task to show the performance of this type of system.

Omnidirectional bearing-only see-and-avoid for small aerial robots:

Motivated by the growing interest in unmanned aerial system's applications in indoor and outdoor settings and the standardisation of visual sensors as vehicle payload. This work presents a collision avoidance approach based on omnidirectional cameras that does not require the estimation of range between two platforms to resolve a collision encounter. It will achieve a minimum separation between the two vehicles involved by maximising the view-angle given by the omnidirectional sensor. Only visual information is used to achieve avoidance under a bearing-only visual servoing approach. We provide theoretical problem formulation, as well as results from real flight using small quadrotors

Músculos Inteligentes en Robots Biológicamente Inspirados: Modelado, Control y Actuación

Las aleaciones metálicas que exhiben una propiedad conocida como efecto de memoria de forma, pertenecen a la clase de materiales inteligentes cuya aplicación más notable en el campo de la robótica se refleja en el uso de actuadores musculares artificiales, ó músculos inteligentes. Estos materiales tienen una estructura cristalina uniforme que cambia radicalmente en función de su temperatura de transición, causando su deformación. Se les denomina materiales inteligentes por la capacidad de recordar su configuración inicial después de recibir dicho estímulo térmico. Este artículo presenta la implementación de un actuador muscular inteligente aplicado en un micro-robot aéreo bio-inspirado tipo murciélago. Esto mamíferos voladores desarrollaron poderosos músculos que se extienden a lo largo de la estructura ósea de las alas, adquiriendo una asombrosa capacidad de maniobra gracias a la capacidad de cambiar la forma del ala durante el vuelo. Replicar este tipo de alas mórficas en un prototipo robótico requiere el análisis de nuevas tecnologías de actuación, abordando los problemas de modelado y control que garanticen la aplicabilidad de este actuador compuesto por fibras musculares de SMAs

SMA-Based Muscle-Like Actuation in Biologically Inspired Robots: A State of the Art Review

New actuation technology in functional or "smart" materials has opened new horizons in robotics actuation systems. Materials such as piezo-electric fiber composites, electro-active polymers and shape memory alloys (SMA) are being investigated as promising alternatives to standard servomotor technology [52]. This paper focuses on the use of SMAs for building muscle-like actuators. SMAs are extremely cheap, easily available commercially and have the advantage of working at low voltages. The use of SMA provides a very interesting alternative to the mechanisms used by conventional actuators. SMAs allow to drastically reduce the size, weight and complexity of robotic systems. In fact, their large force-weight ratio, large life cycles, negligible volume, sensing capability and noise-free operation make possible the use of this technology for building a new class of actuation devices. Nonetheless, high power consumption and low bandwidth limit this technology for certain kind of applications. This presents a challenge that must be addressed from both materials and control perspectives in order to overcome these drawbacks. Here, the latter is tackled. It has been demonstrated that suitable control strategies and proper mechanical arrangements can dramatically improve on SMA performance, mostly in terms of actuation speed and limit cycles.

Aerial Remote Sensing in Agriculture: A Practical Approach to Area Coverage and Path Planning for Fleets of Mini Aerial Robots

In this paper, a system that allows applying precision agriculture techniques is described. The application is based on the deployment of a team of unmanned aerial vehicles that are able to take georeferenced pictures in order to create a full map by applying mosaicking procedures for postprocessing. The main contribution of this work is practical experimentation with an integrated tool. Contributions in different fields are also reported. Among them is a new one-phase automatic task partitioning manager, which is based on negotiation among the aerial vehicles, considering their state and capabilities. Once the individual tasks are assigned, an optimal path planning algorithm is in charge of determining the best path for each vehicle to follow. Also, a robust flight control based on the use of a control law that improves the maneuverability of the quadrotors has been designed. A set of field tests was performed in order to analyze all the capabilities of the system, from task negotiations to final performance. These experiments also allowed testing control robustness under different weather conditions.

Catadioptric panoramic stereovision for humanoid robots

This paper proposes a novel design of a reconfigurable humanoid robot head, based on biological likeness of human being so that the humanoid robot could agreeably interact with people in various everyday tasks. The proposed humanoid head has a modular and adaptive structural design and is equipped with three main components: frame, neck motion system and omnidirectional stereovision system modules. The omnidirectional stereovision system module being the last module, a motivating contribution with regard to other computer vision systems implemented in former humanoids, it opens new research possibilities for achieving human-like behaviour. A proposal for a real-time catadioptric stereovision system is presented, including stereo geometry for rectifying the system configuration and depth estimation. The methodology for an initial approach for visual servoing tasks is divided into two phases, first related to the robust detection of moving objects, their depth estimation and position calculation, and second the development of attention-based control strategies. Perception capabilities provided allow the extraction of 3D information from a wide range of visions from uncontrolled dynamic environments, and work results are illustrated through a number of experiments.

Probabilistic mapping with mobile robots in structured environments

La mayor parte de los entornos diseñados por el hombre presentan características geométricas específicas. En ellos es frecuente encontrar formas poligonales, rectangulares, circulares . . . con una serie de relaciones típicas entre distintos elementos del entorno. Introducir este tipo de conocimiento en el proceso de construcción de mapas de un robot móvil puede mejorar notablemente la calidad y la precisión de los mapas resultantes. También puede hacerlos más útiles de cara a un razonamiento de más alto nivel. Cuando la construcción de mapas se formula en un marco probabilístico Bayesiano, una especificación completa del problema requiere considerar cierta información a priori sobre el tipo de entorno. El conocimiento previo puede aplicarse de varias maneras, en esta tesis se presentan dos marcos diferentes: uno basado en el uso de primitivas geométricas y otro que emplea un método de representación cercano al espacio de las medidas brutas. Un enfoque basado en características geométricas supone implícitamente imponer un cierto modelo a priori para el entorno. En este sentido, el desarrollo de una solución al problema SLAM mediante la optimización de un grafo de características geométricas constituye un primer paso hacia nuevos métodos de construcción de mapas en entornos estructurados. En el primero de los dos marcos propuestos, el sistema deduce la información a priori a aplicar en cada caso en base a una extensa colección de posibles modelos geométricos genéricos, siguiendo un método de Maximización de la Esperanza para hallar la estructura y el mapa más probables. La representación de la estructura del entorno se basa en un enfoque jerárquico, con diferentes niveles de abstracción para los distintos elementos geométricos que puedan describirlo. Se llevaron a cabo diversos experimentos para mostrar la versatilidad y el buen funcionamiento del método propuesto. En el segundo marco, el usuario puede definir diferentes modelos de estructura para el entorno mediante grupos de restricciones y energías locales entre puntos vecinos de un conjunto de datos del mismo. El grupo de restricciones que se aplica a cada grupo de puntos depende de la topología, que es inferida por el propio sistema. De este modo, se pueden incorporar nuevos modelos genéricos de estructura para el entorno con gran flexibilidad y facilidad. Se realizaron distintos experimentos para demostrar la flexibilidad y los buenos resultados del enfoque propuesto. Abstract Most human designed environments present specific geometrical characteristics. In them, it is easy to find polygonal, rectangular and circular shapes, with a series of typical relations between different elements of the environment. Introducing this kind of knowledge in the mapping process of mobile robots can notably improve the quality and accuracy of the resulting maps. It can also make them more suitable for higher level reasoning applications. When mapping is formulated in a Bayesian probabilistic framework, a complete specification of the problem requires considering a prior for the environment. The prior over the structure of the environment can be applied in several ways; this dissertation presents two different frameworks, one using a feature based approach and another one employing a dense representation close to the measurements space. A feature based approach implicitly imposes a prior for the environment. In this sense, feature based graph SLAM was a first step towards a new mapping solution for structured scenarios. In the first framework, the prior is inferred by the system from a wide collection of feature based priors, following an Expectation-Maximization approach to obtain the most probable structure and the most probable map. The representation of the structure of the environment is based on a hierarchical model with different levels of abstraction for the geometrical elements describing it. Various experiments were conducted to show the versatility and the good performance of the proposed method. In the second framework, different priors can be defined by the user as sets of local constraints and energies for consecutive points in a range scan from a given environment. The set of constraints applied to each group of points depends on the topology, which is inferred by the system. This way, flexible and generic priors can be incorporated very easily. Several tests were carried out to demonstrate the flexibility and the good results of the proposed approach.

Indices de desempeño de robots manipuladores: una revisión del estado del arte

Los índices de desempeño son importantes herramientas para la planificación de movimientos y el diseño de robots manipuladores. En este trabajo se presenta una colección de algunos de los índices de desempeño que mayor interés han generado en la comunidad dedicada a la robótica. Se presentan índices de desempeño cinetostático, dinámico, de lìmites articulares, e índices definidos sobre el espacio de trabajo. Además, se realiza una revisión sobre las estrategias que se han propuesto para solventar los problemas que aparecen cuando las unidades de los elementos de la matriz Jacobiana no son homogéneas. Al final de este trabajo, proponemos una serie índices de desempeño globales que pueden resultar útiles en el diseño de robots manipuladores.

Distributed orientation agreement in a group of robots

In this article, a method for the agreement of a set of robots on a common reference orientation based on a distributed consensus algorithm is described. It only needs that robots detect the relative positions of their neighbors and communicate with them. Two different consensus algorithms based on the exchange of information are proposed, tested and analyzed. Systematic experiments were carried out in simulation and with real robots in order to test the method. Experimental results show that the robots are able to agree on the reference orientation under certain conditions. Scalability with an increasing number of robots was tested successfully in simulation with up to 49 robots. Experiments with real robots succeeded proving that the proposed method works in reality.

Estrategias Bio-Inspiradas para Locomoción de Robots Ápodos

Este trabajo realiza un estudio de los métodos de locomoción utilizados por diversas familias de animales ápodos, haciendo énfasis en el aspecto bio-mecánico. Dichos métodos se clasifican en tres grupos: arrastre con dos puntos de Apoyo, movimiento peristáltico, y Ondulación Lateral. Para cada forma de locomoción se realiza un estudio cinemático y de su posible aplicación en robótica. Finalmente se presentan implementaciones de dichos métodos tanto en simulación como en robots reales.

Distributed Orientation Agreement in a Group of Robots

In this article, a method for the agreement of a set of robots on a common reference orientation based on a distributed consensus algorithm is described. It only needs that robots detect the relative positions of their neighbors and communicate with them. Two different consensus algorithms based on the exchange of information are proposed, tested and analyzed. Systematic experiments were carried out in simulation and with real robots in order to test the method. Experimental results show that the robots are able to agree on the reference orientation under certain conditions. Scalability with an increasing number of robots was tested successfully in simulation with up to 49 robots. Experiments with real robots succeeded proving that the proposed method works in reality.

Modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados.

En años recientes, se han realizado algunos esfuerzos para equipar a robots submarinos con impulsores vectorizados. Este sistema de propulsión permite el uso de una menor cantidad de impulsores, esto a su vez tiene consecuencias favorables en el volumen y costo del robot a medida que una mayor potencia de propulsión es requerida. El propósito de esta tesis es realizar un estudio sobre el modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados. De esta manera exponer los aspectos más importantes relativos a estos puntos, y proponer soluciones a los problemas que plantea la arquitectura de estos robots. En esta tesis se tomo como objeto de estudio el robot Remo 2, cuya estructura paralela representa una gran parte del volumen del robot y esto hace que su análisis sea el más complejo que se pueda tener en los robots de esta categoría. El diseño de este robot es un concepto radicalmente diferente al de los robots submarinos convencionales. Sus características son prometedoras, pero para poder sacar provecho de estas potencialidades es necesario un entendimiento de la dinámica del robot. En este trabajo se presenta el desarrollo y análisis de modelos analíticos, y el desarrollo de herramientas de simulación para este robot. El propósito de estas herramientas es identificar las oportunidades y restricciones impuestas por la estructura y la dinámica del vehículo. Se presenta el planteamiento (y solución) de los problemas cinemático y dinámico inverso para un robot submarino de estructura paralela. Por otro lado, se demostró por primera vez el funcionamiento del concepto del robot submarino a través de una herramienta de simulación. Haciendo uso de esta herramienta se exploro el desempeño del robot bajo diversos esquemas de control, se encontró que el robot es capaz de ejecutar con éxito diversas maniobras empleando controladores clásicos. Se presento un controlador basado en el modelo del robot y se demostró sus ventajas. Posteriormente se presento un apartado cuyo propósito es exponer aspectos importantes sobre el diseño de este tipo de robots, sobre todo aquellos que influyen en su desempeño cinetostático. Se plantea el problema del diseño óptimo de un robot tipo Remo 2, y se proponen un par de índices de desempeño globales. Otra contribución fue, en condición de coautoría, el diseño y análisis de una nueva estructura paralela la cual no ha sido considerada anteriormente en la literatura.