Source: https://www.scribd.com/document/259266558/construyendo-hexapodo
Timestamp: 2018-09-21 19:42:31+00:00

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Uploaded by Irvin Edgardo Roque Leonardo
diseño y construccion de un robot
parctica 3
Programacion de Un Robot Lego Mediante Interfaz Natural
Cómo y Cuándo Aplicar Un Robot Industrial Daniel Audí Piera
Plantilla-curriculum-vitae.docx
Insignia Totoras
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para juzgar el Proyecto Fin de Carrera titulado ',6(f2<&216758&&,Ï1'(
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D. Juan Antonio Fernández Madrigal, dirigido por D. Jesús Manuel Gómez de Gabriel,
OTORGAR LA CALIFICACIÓN DE
ACORDÓ POR
Y PARA QUE CONSTE, SE EXTIENDE FIRMADA POR LOS COMPONENTES DEL
TRIBUNAL, LA PRESENTE DILIGENCIA.
En el primer capítulo se exponen los objetivos que llevaron a la construcción del robot. tanto en España como fuera de nuestro país. logrando un sistema completo y preparado para futuras extensiones. Todo el trabajo ha sido completamente especificado en el presente proyecto. RHEX es el primer robot de este tipo construido en esta Universidad. electrónicos e informáticos que se consideraron necesarios. En el primer volumen están los nueve capítulos y los primeros nueve apéndices. se implantó e integró todo ello. salvo la documentación citada en la bibliografía. denominado RHEX-I. aunque existen antecedentes en otras Universidades y Departamentos de Investigación. El prototipo construido.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Introducción . diseñándose todos los sistemas mecánicos. con un total de nueve capítulos y diez apéndices.Ï1 Se ha llevado a cabo el diseño y construcción de un robot móvil articulado con patas controlado por ordenador. cumple este objetivo y sirve de precedente para futuras investigaciones en este campo. El tercer capítulo trata el diseño 3 . Finalmente. dividiéndolo de forma lógica en dos volúmenes.1752'8&&. El segundo capítulo contempla los antecedentes y explica la situación de RHEX dentro del amplio espectro de los robots existentes en la actualidad. electrónica de generación de señales y software jerarquizado y modular. No se partió de ningún trabajo previo. servomecanismos de posicionamiento. Se experimentó con diversas estructuras mecánicas. Se partió de un objetivo primordial: realizar el diseño de un robot experimental con presupuesto y complejidad reducidos.
El apéndice I es un desarrollo matemático de las fórmulas para la cinemática directa e inversa de una pata del robot.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Introducción preliminar. El capítulo octavo enumera las pruebas que se realizaron durante el proyecto y describe los resultados obtenidos. El apéndice C estudia el modelo cinemático de RHEX. El apéndice F contiene los planos y documentación sobre la electrónica de control. Los apéndices G y H exponen las características principales de las dos tarjetas de entrada y salida utilizadas para el envío de órdenes desde el ordenador. El contenido de cada apéndice es el siguiente: El apéndice A muestra un estudio de los servomecanismos utilizados para el posicionamiento de las articulaciones. El apéndice B contiene los planos de las estructuras mecánicas que forman una pata del robot. desde la calibración de servos individuales hasta la realización de movimientos complejos tales como andar. 4 . El capítulo noveno expone las conclusiones a que ha dado lugar este proyecto. El capítulo séptimo es un manual de usuario del entorno que se implantó para el manejo cómodo y eficiente de todos los aspectos de RHEX. así como las futuras líneas de ampliación del mismo. El apéndice E da información detallada sobre el integrado i8253. y el apéndice D contiene los planos del cuerpo. quinto y sexto desarrollan con más profundidad cada una de estas fases: diseño mecánico. El segundo volumen incluye el décimo apéndice. electrónico y software de control. Los capítulos cuarto. que contiene todos los listados del software implantado. subdividiéndolo en las diversas fases que éste abarcó.
Este objetivo plantea esfuerzos de investigación en los siguientes campos: -Diseño de estructuras mecánicas poliarticuladas. desde configuración del sistema a la simulación de los futuros movimientos y del comportamiento previsto). -Sistemas software estructurados en niveles de abstracción.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Objetivos y justificación del proyecto 2EMHWLYRV\MXVWLILFDFLyQGHOSUR\HFWR El principal objetivo de este proyecto es el diseño y construcción de un robot móvil con patas. -Interfaz para el manejo del robot por el usuario (facilidad de uso frente a potencia. 5 . Acceso a todos los niveles de control del robot. -Arquitecturas de control (autonomía frente a control remoto). capaces de posicionar de manera eficiente el sistema robot (maximización del espacio alcanzable frente a minimización de colisiones entre los elementos). -Diseño de la electrónica de control y de los interfaces (estructuras digitales para el mantenimiento de las señales de posicionamiento y elección de dispositivos de entrada/salida para el control desde el software). capaces de planificar eficientemente movimientos complejos del robot (arquitecturas reactivas frente a arquitecturas jerarquizadas). -Estudio y búsqueda de sistemas mecánicos de servocontrol (minimización del tamaño. peso y coste frente a optimización del control en el sentido de fuerza ejercida y reducción del error). con presupuesto y complejidad reducidos.
El resultado final se ha adaptado a las restricciones expuestas. aparte del ya mencionado criterio de bajo coste.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Objetivos y justificación del proyecto En la implantación de todos estos sistemas se han encontrado los problemas y restricciones enumerados a continuación: -Limitación de presupuesto. consiguiendo pese a ello sus objetivos. y en general. -Modularidad y reusabilidad del software. -Escasez de documentación sobre los dispositivos de servocontrol utilizados. Esta línea está destinada a una rápida expansión que estaría limitada únicamente por la capacidad e inventiva que se vuelque en ella y no por la falta de medios. -Preparación para futuras ampliaciones y/o mejoras. debida principalmente a la extensión y la diversidad de los campos abarcados. Por último. 6 . estos problemas no se han podido obviar. y concretamente en el departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. sobre los robots de este tipo realizados en otros departamentos. -Limitada disponibilidad de materiales y de medios de mecanización de los mismos. el desarrollo de este proyecto supone la apertura de una nueva línea de investigación en esta Facultad. -Limitación de tiempo y de personal para un proyecto individual. En general. otros más generales: -Facilidad de reemplazo de componentes. Estos objetivos incluyen. -Espacio de trabajo reducido. -Sencillez de diseño.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO 7 Objetivos y justificación del proyecto .
por lo que a partir de ahora la clasificación se centrará en este tipo de dispositivos. es decir. si lo son aplicadas a este tipo de robots. durante la realización de este proyecto se pusieron en marcha ideas. Desde un primer punto de vista. se pueden encontrar robots PyYLOHVo HVWiWLFRV Los robots industriales son fundamentalmente estáticos. apartándose en muchos casos de lo ya aplicado en este campo. Dentro de los robots móviles. estando abierta a cualquier tipo de experiencias que se adapten a esta restricción. incapaces de desplazarse libremente por un entorno no limitado. y se limita al desarrollo de sistemas dirigidos a objetivos muy concretos. de exploración. aquellos pensados con un estricto enfoque de investigación.. RHEX es un robot móvil. También es a causa de esto por lo que el diseño tuvo una gran componente de invención y experimentación. que si no son nuevas en el campo de la computación.).DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Antecedentes $QWHFHGHQWHV La documentación existente en el campo de los robots móviles con patas es relativamente escasa. es decir. Desde otro punto de vista. Los primeros portan todo el software y hardware de control sobre la 7 . podemos dividir éstos en H[SHULPHQWDOHVy DSOLFDGRV La primera categoría incluye aquellos robots de propósito general diseñados para realizar un conjunto bastante amplio de experiencias. debido a que su construcción persigue la creación de una línea de investigación en principio sólo limitada por la estructura física del robot. etc. se encuentra una primera división en robots DXWyQRPRV y QRDXWyQRPRV. En esta clasificación RHEX entraría en el primer grupo. La segunda categoría abarca los robots construidos con algún propósito específico (industrial. Existen varias formas de clasificar robots.. Por ello.
Este dispositivo salta sobre su única extremidad.). 52%276'(81$3$7$El ejemplo más representativo es un robot desarrollado por el Instituto de Robótica y el Departamento de Informática de la Universidad americana Carnegie-Mellon. avanzar y retroceder. pueden caminar lateralmente. además de ofrecer un control de estabilidad más completo y requerir menor potencia. simulando más o menos aproximadamente el modo de andar humano.. Existen diversos sistemas con patas desarrollados por Universidades u otras entidades en los años precedentes.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Antecedentes estructura mecánica.) simplifican el posicionamiento y los cálculos necesarios para el mismo. ya que la estática es imposible en general sobre menos de cuatro patas. A continuación se comentan las características más notables de algunos de ellos. pero encarece y produce una mayor complejidad en el sistema. los robots móviles pueden clasificarse atendiendo al medio de locomoción que utilicen. buscando continuamente la estabilidad dinámica. Esto les da un rango de alcance limitado únicamente por la duración de las fuentes de alimentación que utilicen. con obstáculos o desniveles. 8 ... Desde un segundo punto de vista. orugas.3(5diseñados en la Universidad de Tokyo. Los robots con otro tipo de locomoción (ruedas.. Es gobernado por un ordenador externo al que se comunica a través de un bus de señales de datos y control. RHEX es un robot QRDXWyQRPR. Supone un gran esfuerzo en el desarrollo del sistema de control. . Las fuentes de alimentación son así mismo externas. Los robots con patas permiten desplazamientos más eficientes sobre terrenos de cualquier tipo (rugosos.. 52%276%Ë3('26Los robots de la serie %.
diseñado conjuntamente por el Instituto de Automática Industrial (. Los primeros implican un tiempo de proceso mayor.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Antecedentes 52%276 &8$'5Ò3('26 Este tipo tiene más representantes. en España.0+2 (Robot de Intervención en Medios HOstiles). Está basado en un sistema de control consistente en 13 computadores de a bordo Intel 86/30. El control se realiza desde un microordenador que asegura la existencia de un triángulo de apoyo sobre 3 de las patas continuamente.(0$7) soporta nuevos algoritmos para conseguir que el robot conserve la estabilidad mientras camina. así como para la detección de inestabilidades y la planificación de modos de caminar.) y el Centro de Investigaciones Energéticas. Carecen de una 9 .È32'26En la Universidad Estatal de Ohio ha sido desarrollado un robot con 6 patas que permite al operador tomar decisiones estratégicas. el 5. un robot hexápodo dirigido por programas específicamente diseñados para optimizar el movimiento de avance sobre terrenos abruptos. 52%276+(. Una última clasificación distinguiría entre robots con control MHUiUTXLFRy robots con control UHDFWLYR. En el Instituto de Robótica de la Carnegie-Mellon (EEUU) ha sido desarrollado el $PEOHU ($XWRQRPRXV PRELOH H[SORUDWRU\ URERW). independientemente del posicionado particular de cada extremidad. Por otra parte. tanto fuera de España como en nuestro país.$. En el Instituto Tecnológico de Tokyo fue construido un vehículo de cuatro patas dotado de sensores táctiles y detector de posturas. Cada pata tiene 3 grados de libertad. Los robots con control UHDFWLYR tienen implantados comportamientos más o menos simples que exhiben reaccionando a la influencia del medio. Medioambientales y Tecnológicas (&. pues se basan en un sistema fuertemente jerarquizado en el que los niveles de control más altos generan trayectorias que son expandidas y planificadas por los niveles intermedios. y ejecutadas por los niveles inferiores.
interconectados entre sí. pero hace que no puedan encontrar solución para algunas órdenes de alto nivel. Ésta última es una tendencia seguida por los conocidos 02%27V del MIT: la distribución del sistema total en pequeños autómatas capaces de funciones sencillas de control. desde las más básicas hasta las puramente estratégicas. En la categoría de robots MHUiUTXLFRVentraría RHEX: su sistema de control software consiste en un único programa dividido en módulos de distinto nivel de abstracción que gobierna todas las funciones del robot. 10 . Esto les da más flexibilidad y les evita tiempo de cálculo.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Antecedentes planificación detallada a priori de sus trayectorias. y que en su conjunto permiten funciones mucho más complejas e incluso similares a las de algunos insectos.
además de presentar un mayor coste. Esto añade cierta complejidad al software. -Los robots cuadrúpedos y hexápodos permiten un mayor desarrollo de los aspectos de planificación del movimiento. -Robots de más de seis patas sólo son útiles en campos mucho más específicos. Dentro de los robots de más de tres patas. pero esa es la orientación que se pretendía dar al proyecto. 11 . los que nos interesan adoptan la forma de cuadrúpedos o hexápodos. con lo que el diseño del hardware de control se hace más sencillo. &RQILJXUDFLyQ\GLVWULEXFLyQGHODVSDWDV Existen varias configuraciones posibles para un robot con patas: -Aquellas que contemplan menos de cuatro patas presentan problemas más propios de la Ingeniería de Control que de la Computación. -No hay ninguna ventaja en usar una configuración pentagonal (en todo caso puede presentar inconvenientes debido a la más compleja simetría).DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar 'LVHxRSUHOLPLQDU En este capítulo se detalla el diseño que se llevó a cabo previamente a la construcción de RHEX. En ellos los problemas derivados de la estabilidad están relativamente simplificados o son susceptibles de simplificación. y las soluciones a las que dieron lugar. En el mismo se exponen los problemas encontrados en la elección de la configuración mecánica y electrónica del robot.
Por todos estos motivos.1.a. 12 . Tiene la ventaja de una mayor simplicidad a 6LPHWUtD la hora de programar los movimientos. para cambiar de orientación explícitamente. La primera de ellas. Dentro de esta configuración. pero ello complica más el software. Es más fácil mantener la estabilidad estática en un robot hexápodo que en uno cuadrúpedo por un motivo muy sencillo: hay más patas libres para reposicionar el cuerpo del robot mientras éste se apoya en tres de ellas. debido a que el robot está preparado Figura 3. surgieron de forma natural dos distribuciones de las patas alrededor del cuerpo del robot.a. En un robot cuadrúpedo. Esto se puede obviar implantando un nuevo movimiento.1. estamos obligados a utilizar un algoritmo de avance en el que las patas vayan alternándose. El inconveniente fundamental es que el sistema ofrece una mayor limitación en el movimiento en otras direcciones.Esta distribución presenta una simetría a lo largo del eje longitudinal del robot. puesto que sólo una está disponible una vez apoyado el robot en las otras tres. la denominada ELODWHUDO se puede observar en la figura 3. sin embargo.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar Un concepto importante a la hora de elegir el número de patas del robot es el de HVWDELOLGDGHVWiWLFD. se escogió la configuración hexápoda. físicamente para facilitar el avance en direcciones paralelas al eje de simetría.: Configuración bilateral de las patas de un robot hexápodo. el de JLUR. Este término se refiere a la capacidad del robot para permanecer estable (sin caerse) cuando no está en movimiento.
aunque este tipo de movimiento puede implantarse para casos específicos si es necesario.2: Una pata con dos grados de libertad que presenta problemas de deslizamiento únicamente articulaciones de rotación. lo cual llevó a estudiar diseños que poseyeran Figura 3. las patas debían contar con la mayor movilidad y accesibilidad dentro de sus espacios de trabajo. puesto que cualquier dirección es exactamente igual a cualquier dimensiones. esta otra.1.: Configuración radial para las patas de un robot hexápodo. No necesita movimientos específicos de JLUR puesto que es capaz de desplazarse en cualquier dirección sin tener previamente que cambiar de orientación (el robot es omnidireccional). 13 . Desde el primer momento se pensó en utilizar servos para las articulaciones.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO La distribución Diseño preliminar UDGLDO que aparece en la figura 3.b. En distribución dos Figura 3. La figura de la derecha es la configuración escogida finalmente para RHEX. es totalmente simétrica.b. y eso lleva a un software más genérico y más simple. No sufre el problema comentado. (VWUXFWXUDGHODVSDWDV Condicionadas por la elección de configuración hexápoda y distribución radial. fue la finalmente escogida para RHEX.1.
Por consiguiente. El esquema de una pata con esta característica aparece en la figura 3. Para posicionar completamente el extremo de una pata hacen falta seis grados de libertad: tres para especificar la SRVLFLyQ y tres para especificar la RULHQWDFLyQ.: Esquema de los tres grados de libertad de una pata de RHEX. Estos tres grados de libertad aparecen en los dos tipos de estructuras mostradas en la figura 3. puesto que el extremo de la pata se considerará puntual. y (b) actuación in-situ 14 .3. De ellas se escogió 3XQWRILMR (b) (a) Figura 3.4 (además de otras como la de SDQWyJUDIR. (a) paralelogramo deformable. son necesarios solamente tres grados de libertad. orientación.4. Sin embargo.: Dos posibles estructuras para las patas de un robot.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar En la figura 3. no hará falta especificar su Figura 3. pero provoca deslizamientos indeseables. Esta estructura permite posicionar el extremo de la pata en cualquier punto de la superficie de una esfera cuyo centro está en el interior de la primera articulación. no considerada aquí).3.2 aparece el esquema de una pata con dos grados de libertad.
A pesar de evitar un peso importante en la misma situando el centro de gravedad de la pata más cercano al robot.5. Además genera una mayor complejidad en la función anteriormente indicada. $UTXLWHFWXUDGHFRQWURO La figura 3. aunque éste es perfectamente soportable con los materiales escogidos. Esto permite una mayor simplicidad en la función que relaciona posición del servo con posición de la articulación (de hecho ésta es inmediata salvo algún factor de offset en ciertas articulaciones). este diseño acentúa las posibles holguras que con toda seguridad aparecerán en la estructura. Tarjeta Controladora Interfaces E/S RHEX Ordenador externo Figura 3.: Sistema de control de RHEX 15 . Presenta sin embargo el inconveniente de un mayor esfuerzo de la estructura.5 muestra el sistema de control del robot. en la cual los motores se sitúan directamente en las articulaciones.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar la estructura de DFWXDFLyQ LQVLWX. El otro tipo (SDUDOHORJUDPRGHIRUPDEOH) consiste en un paralelogramo cuyos ángulos pueden variar mediante servos situados lejos de la articulación.
Proporcionan las señales de reloj apropiadas para que ésta última funcione correctamente.: Esquema de bloques del sistema de control de RHEX. genera las señales de posicionamiento de los servos (y las mantiene) a partir de los datos numéricos enviados desde el ordenador. ÏUGHQHVGH SRVLFLRQDGR 62)7:$5( ÏUGHQHVGH SRVLFLRQDGR \HVWDGRGH SXOVDGRUHV *(1(5$&.21 '(6(f$/(6 6HxDOHV GHSRVLFLRQDGR 5+(. -5RERW los servos actúan de acuerdo con las señales de la controladora.QWHUIDFHV GH (QWUDGD6DOLGD permiten conducir las órdenes desde el ordenador hasta la placa controladora del robot. 16 . movilizando la estructura.6. -7DUMHWD&RQWURODGRUDsituada sobre el robot. 6HxDOHVGH SXOVDGRUHV Figura 3. -.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar Los componentes principales se describen a continuación: -2UGHQDGRUH[WHUQRejecuta una capa de software de control jerarquizado desde el más bajo nivel (envío de órdenes simples de posicionado de servos particulares) hasta el más complejo (planificación de trayectorias de todas las articulaciones para que el robot ande).
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar Aunque en principio todas las señales circulan unidireccionalmente (desde el ordenador hasta el robot). -Menor ocurrencia de errores. La estratificación en capas está más detallada en el capítulo 6. como se ha mencionado. está jerarquizado y distribuido en módulos. de tal forma que los de más alto nivel mandan órdenes a los inferiores. -Utilización de las técnicas del software modular. 17 . sino sólo los datos enviados (EXFOHGHYHULILFDFLyQGHVHxDOHV) y el estado de los pulsadores situados en los extremos de las patas (EXFOHGHSXOVDGRUHV). Éstos las traducen o interpretan. Las ventajas que aporta son: -Mayor claridad en el diseño del software. Todo lo que es de más alto nivel que las operaciones realizadas por la tarjeta FRQWURODGRUD lo lleva a cabo el software en el ordenador externo. Éste. El esquema lógico del sistema de control aparece en la figura 3. -Facilidad de ampliación por niveles. -Facilidad de modificación.6. Esta modularidad está totalmente contrapuesta a la arquitectura "subsumption" empleada en ciertos robots de este tipo. En él se aprecia que el control se realiza básicamente en bucle abierto. se ha considerado el envío de cierta información de regreso al ordenador (pulsadores situados en los extremos de las patas y verificación de datos). debido a que no se realimentan las posiciones de los servos (por motivos de coste y complejidad). y las propagan hacia abajo o las ejecutan si son ellos los destinos.
En el PC se dispone de una tarjeta de E/S PC-LabCard modelo PCL-812PG que contiene los puertos necesarios para enviar los datos a la controladora y la señal de reloj de 2MHz. de más alto a más bajo: el PLANIFICADOR DE MOVIMIENTOS. aunque no con cualquier orientación. Los servos responsables del movimiento de las articulaciones están situados en las mismas. quien los descompone en las trayectorias articulares que deben seguir los servos. El software de control está jerarquizado y dividido en niveles. Los modos de andar del robot se programan en el primero de ellos. Estas listas de coordenadas articulares pasan a su vez al nivel inferior para su proceso y envío a la controladora.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño preliminar 'LVHxRGHILQLWLYR RHEX es un dispositivo con seis patas cada una de las cuales consta de tres articulaciones de rotación capaces de posicionar el extremo de la pata en cualquier punto dentro de su espacio de alcanzabilidad. Los extremos de las patas poseen pequeños pulsadores para detectar su posicionamiento sobre el suelo. Éstos son tres. Sobre RHEX está la placa FRQWURODGRUD. RHEX es gobernado mediante un ordenador externo tipo PC debido a su baja relación precio/prestaciones. 18 . encargada de generar y mantener las consignas necesarias para posicionar los 18 servos. el PLANIFICADOR DE TRAYECTORIAS y el EJECUTOR. imprescindible para que ésta actúe correctamente. evitando de esta forma el uso de mecanismos para la propagación de sus actuaciones y simplificando el envío de órdenes. Éste los envía al nivel intermedio. También contiene la lógica necesaria para leer los pulsadores y verificar que los datos enviados a la tarjeta han llegado correctamente.
Éstos son tres fundamentales: los DFWXDGRUHV.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño mecánico 'LVHxRPHFiQLFR En este capítulo se detallan los componentes mecánicos que dan lugar a la estructura del robot. aparte del mayor peso) y permitir que la fuerza ejercida por éstos se propagara de la forma más eficiente hacia el extremo. los servomecanismos son reguladores que fuerzan una posición. Las patas se diseñaron para soportar tres de estos actuadores en el menor espacio posible (ya que a mayor tamaño las holguras propias de estos servos se amplificaban. El cuerpo. si se les desvía de ella. Seguidamente se explican con más detalle estos componentes estructurales. tienden siempre a volver. fue construido pensando en minimizar las colisiones entre patas sin evitar por completo el solapamiento de las zonas alcanzables por cada una. Así.las SDWDV y el FXHUSR. 19 . Son servomecanismos de rotación que permiten el posicionado de cada articulación de forma absoluta y evitan los errores cometidos (por esfuerzos o falta de tiempo) mediante un bucle interno de control. Los actuadores implementan las articulaciones. /RVDFWXDGRUHV Fueron escogidos para mover las articulaciones de RHEX servos de radiocontrol. finalmente. Éstos son muy apropiados por lo siguiente: -Al contrario que los motores paso a paso.
Aunque esto no se ha implantado en el prototipo. -Son de relativamente bajo coste. -La relación fuerza ejercida/consumo es relativamente alta.1: Dimensiones de los servos de RHEX.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño mecánico minimizando el error. fácilmente generable. -Las órdenes que reciben siguen un formato PWM estándar. es una dirección importante de mejora del mismo.1. El control lo hacen típicamente proporcional. absorbiendo más corriente de la fuente de alimentación cuanta más distancia los separa de la posición deseada. /DVSDWDV El dibujo simplificado de una pata aparece en la figura 4. Las tres piezas metálicas que la componen se han diseñado ajustando sus dimensiones para conseguir el mejor compromiso entre dos objetivos contrapuestos: 20 . -Permiten la lectura de la posición a través de sus potenciómetros. 2 cm 0’5 cm 1 cm 3O DQ WD Figura A. 0’7 cm 4 cm 1 cm 0’7 cm 0’4 cm 0’5 cm 0’3 cm 0’2 cm Para más detalles 2’8 cm sobre el envío de órdenes y $O]DGR 3HUILO comportamiento de los servos 0’5 cm véase el apéndice A. -Los hay de diversos tamaños y pesos.
3. con lo que el rango de alcanzabilidad era aumentado.2. La pata tenía unas dimensiones mayores que en el diseño definitivo. Las dimensiones exactas. -Holguras mínimas y estructura compacta. la pata adoptó la configuración mostrada en la figura 4. Con su construcción se pudo (*) comprobar Figura 4. así como los planos detallados de las piezas pueden encontrarse en el apéndice B. las articulaciones y los "segmentos" o piezas de la pata se etiquetan y numeran tal y como indica la figura 4. Estos nombres y numeración son usados posteriormente en todo el diseño del robot. Como se puede observar. -Espacio de trabajo lo más amplio posible. En la estructura escogida finalmente. Éste era el encargado de mover la tercera articulación.1: Ensamblaje de una pata de RHEX. La ambigüedad existente entre el 21 . experimentalmente que las holguras eran amplificadas hasta grados inaceptables. a costa de mayores imprecisiones. ésta pertenece a la estructura en SDUDOHORJUDPR GHIRUPDEOH Ya se ha mencionado que este tipo de estructura presenta ciertas características que la hacen inadecuada.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño mecánico (c) (b) (c) (b) (a) (a) Figura 4. En un primer diseño. el control se veía dificultado por la necesidad de mapear las posiciones deseadas a las posiciones reales del servo marcado en el esquema. Así mismo.2: Primer diseño de una pata de RHEX.
(OFXHUSR El diseño del cuerpo se ha hecho teniendo en cuenta el diseño previamente realizado de las patas. 2º) Se ha preparado para contemplar la posibilidad de un estado especial de RHEX en el que éste tenga todas sus patas recogidas.3: Etiquetado de elementos en una pata. para evitar futuras diferencias entre la realidad y el modelo cinemático del robot debidas a holguras e imprecisiones. nombre del segmento 0 y el de la articulación 1 será convenientemente evitada cuando se considere necesario. Tampoco deben ser tan pequeñas como para permitir un gran solapamiento en los espacios de trabajo de cada pata. 22 . se ha optimizado en varios sentidos: 1º) Sus dimensiones no deben ser demasiado grandes. Basándose en la distribución radial. aunque una cierta compartición de espacio sí es deseable.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Articulación 2 (CODO) Articulación 1 (HOMBRO) Diseño mecánico Articulación 0 (CLAVÍCULA) Segmento 2 (ANTEBRAZO) Segmento 1 (BRAZO) Segmento 0 (HOMBRO) Extremo de la pata Figura 4.
En el mismo hay lugar para alojar la tarjeta controladora. El diseño final detallado.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Diseño mecánico El resultado es un hexágono con "muescas" donde las patas pueden recogerse. puede consultarse en el apéndice D.4.IDEULFDGRGHXQDVRODSLH]DPRVWUDQGRORVVHUYRVGH ODVFODYtFXODV 23 . Un esquema del cuerpo puede verse en la figura 4. ahorrando gran cantidad de espacio. incluyendo las dimensiones exactas. )LJXUD3ODQWDGHOFXHUSRGH5+(.
Por último se presenta un estudio con en el que se enumeran las características de dos tarjetas de entrada/salida con las que se hicieron pruebas de envío y recepción de órdenes entre el ordenador y la controladora. recibe órdenes de posicionado individual de servos que transforma en ondas PWM gracias a los integrados i8253. Finalmente se escogió la tarjeta PC-LabCard PCL-812PG por las razones que posteriormente se indican. codifican un dato numérico que indica al servo la posición absoluta a la que debe desplazarse y en la que debe permanecer mientras la onda no cambie. Se basa en la señal de reloj proveniente del ordenador de 2MHz. Se escogió el integrado i8253 para generar estas ondas.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control (OHFWUyQLFDGHFRQWURO En este capítulo se describe el aspecto electrónico del control del robot RHEX. Se diseñaron varios prototipos de circuitos capaces de generar y mantener las ondas que los servos aceptan como señales de posicionamiento. llamadas PWM. /DWDUMHWDFRQWURODGRUD La controladora. situada sobre RHEX. Finalmente se diseñó la llamada WDUMHWD &21752/$'25$. debido a su versatilidad y facilidad de programación. y cómo se solucionaron. 24 . Estas ondas. que incluye toda la lógica de selección de servos y generación de ondas PWM. También se detallan en este capítulo los problemas encontrados con la alimentación de servos y controladora.
Esta señal deberá ser cuadrada. Para ello será programado en modo 3 (6TXDUH :DYH 0RGH) o PRGR GLYLVRU GH IUHFXHQFLD.1 se aprecia esta conexión.1: Generación de una onda PWM -El primer contador (contador 0) se encarga de convertir la onda cuadrada del reloj externo (x MHz) a 2 MHz. Este dispositivo programable puede dar como salida hasta 3 ondas independientes de muy diversos tipos. Para generar una onda PWM hará falta utilizar sus tres contadores conectados en cascada. En la figura 5. la lógica de la tarjeta controladora y los distintos bucles de control electrónico implantados en ésta. que será la frecuencia base por la que se regirán los otros dos contadores. Ésta es la frecuencia de 25 . -El segundo contador (contador 1) será el encargado de generar la señal JDWH del tercero. Una descripción completa se da en el apéndice E.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control Dentro de este subcapítulo se explican los fundamentos de las ondas PWM. *HQHUDFLyQGHRQGDV3:0 La señal PWM de posicionamiento de un servo es generable por un integrado i8253. con una frecuencia de 50 Hz. x MHz CLK0 O0 O1 C LK1 G2 CLK2 2 MHz 50 Hz PWM O2 Figura 5. El valor de su palabra de cuenta será x/2e6.
De esta forma.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control la onda PWM. en realidad no se programa la duración del pulso positivo. cada vez que se reciba un pulso alto en el JDWH se recargará la palabra de cuenta y se la irá decrementando en 1 por cada pulso de reloj. Al terminar la cuenta. la salida pasará a estado alto hasta volver a recibir un pulso en el JDWH.2: La onda PWM generada por nuestro i8253. sino la del negativo. Sin embargo esto no presenta ningún problema. a partir del siguiente flanco ascendente en la Recarga de la palabra de cuenta Salida 3er. el tercer contador (contador 2) generará la onda PWM. Es decir. Con ello se ahorra un inversor. contador F XHQW D A partir de aquí. En este modo. Dado que habrá que programar 18 servos (6 patas con 3 servos por pata) harán falta 7 integrados i8253. Se programará en modo 1 (+DUGZDUH5HWULJJHUDEOH2QH6KRW). El valor que hay que cargar en el tercer contador será el nº de pulsos de longitud 0. Onda de 50 Hz Figura 5. Durante este tiempo. ya que el reloj de 2 MHz se 26 . cambiando la palabra de cuenta se puede reprogramar el ancho del pulso positivo de la PWM. salida se obtendrá la onda PWM deseada. con una palabra de cuenta de 2e6/50 = 40000. se programará también en modo 3. -Por último. Uno de ellos generará la señal PWM de 50 Hz. ya que tras cargar la cuenta.2.5 microsegundos (1/2e6) que permanezca la onda en estado bajo. la onda PWM es válida. Para que cumpla esta misión. la salida estará baja. Este "truco" se puede ver en la figura 5.
únicamente. Por supuesto.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control obtendrá directamente desde el PC. El bus de datos y el bus que lleva el nº de registro al que se quiere acceder de ese chip actúan siempre sobre todos los integrados. El FKLSVHOHFW inhibido de aquellos no seleccionados impide que las operaciones posteriores afecten a los mismos. Ésta se puede ver esquemáticamente en la figura 5.3: Lógica de selección de chips y registros. Posteriormente se utilizarán sus otros contadores para funciones auxiliares. el contador 0 manejará la clavícula y así sucesivamente). Decodifica este número y activa el FKLSVHOHFW de ese chip. a una articulación de esa pata (coincidentes numéricamente. Cada uno de los 6 integrados restantes estará asociado a una pata. selección de integrado.3. y más detallada en el apéndice F. la tarjeta controladora deberá disponer así mismo de una lógica de Selección de chip Lógica de selección Selección de registro C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 Bus de datos Figura 5. La lógica de selección recibe un nº binario que le indica el chip a activar. 27 . es decir. Y cada uno de sus contadores.
Con el que se ha utilizado. se pueden enviar pulsos positivos de anchura comprendida entre 0. No se pueden obtener las verdaderas posiciones de los servos. de 2 MHz. A pesar de todo ello. aunque lo tocante al software de control se complica debido a la falta de información real sobre las posiciones de las articulaciones. valores a los cuales los cálculos anteriores se adecúan perfectamente. Así.5 microsegundos (para una palabra de cuenta de 1). Ello conlleva un control en bucle abierto. Dadas las características de los servos en cuanto a corrección automática del error. esto no supone un problema demasiado acuciante. Esta información se suple con un modelo interno del robot almacenado en la memoria del ordenador que se mantiene sincronizado en todo momento con el robot físico.5 microsegundos (para un valor de la palabra de cuenta de 39999) y 19999.5 microsegundos (correspondientes a decrementos de 1 unidad en la palabra de cuenta). RHEX dispone de un doble bucle que implanta algunas características adicionales que permiten verificar de forma 28 . ya que eso supondría una electrónica más compleja y la inclusión de conversores A/D y/o lógica de multiplexión analógica.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control La resolución obtenida en la longitud del ancho positivo de la PWM depende del reloj base de los contadores. (OEXFOHGHFRQWURO El bucle de control está muy simplificado. se pretendió suplir esta carencia de realimentación proporcionando formas de recuperar información desde el robot. a incrementos de 0. Las duraciones típicas del pulso positivo de la PWM que admiten los servos utilizados están entre 600 y 2600 microsegundos aproximadamente.
Sin embargo.3. Este doble bucle se descompone en los denominados EXFOH GH DSR\R y EXFOH GH YHULILFDFLyQGHVHxDOHV.3: Los dos bucles de control implantados en RHEX. unida a los errores cometidos en las dimensiones de las patas durante su fabricación manual hacen que los datos obtenidos no sean suficientemente fiables. esquematizados en la figura 5. -El problema básico encontrado es que un pulsador no esté activado aún estando la pata apoyada en el suelo (debido a una posición no vertical y/o a su baja sensibilidad). limitada el cumplimiento de las órdenes enviadas. permitiendo realizar ajustes de las posiciones de las mismas.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Posición d es e a d a 62)7:$5( '(&21752/ Estado pulsadores Posición d es ea d a Electrónica de Control +$5':$5( '(&21752/ Información de los pulsadores Posición deseada %XFOH GHDSR\R %XFOHGH YHULILFDFLyQ GHVHxDOHV Datos enviados previamente Figura 5. Esta información es fundamentalmente digital. La 29 . por lo que no necesita una electrónica demasiado compleja que añadir a la ya comentada. Éstos indican al programa de control qué patas están realmente apoyadas en el suelo y cuales no. El EXFOHGHDSR\Rconsiste en la realimentación del estado de los pulsadores situados en los extremos de las patas. en la implantación de este sistema se han encontrado varios inconvenientes: -La baja calidad de los pulsadores existentes en el mercado.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control solución adoptada para evitarlo fue seguir bajando la pata hasta que el pulsador diera señal. este bucle de control solamente se aprovecha en la búsqueda de triángulos de apoyo del robot. de corregirlo o advertir al operario. Posteriormente se extendió esta tarjeta añadiéndole otra que implantaba el bucle de apoyo. se incluyen los dos bucles (apoyo y verificación de señales) en la misma placa. El EXFOH GH YHULILFDFLyQ GH VHxDOHV es de suma utilidad para evitar movimientos descontrolados del robot. Pero en muchas ocasiones. en la tarjeta controladora definitiva. el software es capaz de detectar cuándo un dato enviado no ha sido recibido correctamente y en ese caso. con lo cual esta solución quedaba invalidada. Esta tarjeta era simplemente el extremo del sistema de control en bucle abierto. Así. pero la calidad conseguida (la placa se construyó como circuito impreso) hace que este problema se obvie. Se basa en la monitorización del contenido de los buses de datos y de selección de registro de la tarjeta controladora. 30 . tal y como se explica más en profundidad en el capítulo 6. es decir. los datos que vuelven desde la tarjeta controladora hacia el PC para su monitorización no están verificados y pueden llevar errores inducidos. éste seguía inactivo cuando la pata alcanzaba el límite de su espacio de trabajo. Este bucle no es completo. Finalmente. lo que permitió considerar los problemas expuestos anteriormente respecto a la baja calidad de este sistema. debidos principalmente a la fuga o desvirtuación de las señales enviadas a la tarjeta controladora desde el ordenador. Esto lleva a un diseño más complejo de la misma. Por tanto. En la primera versión realizada de la tarjeta controladora no se implementaban las funciones relativas a estos dos bucles.
Proporciona 5 voltios y 1 amperio. La otra fuente es necesaria para aislar a la tarjeta controladora de las influencias (picos de corriente) de la alimentación de los servos. Esta fuente proporciona 7 voltios con un amperaje máximo de 4 amperios. pero no proporcionaron suficiente autonomía para los 18 servos (4 baterías de 1. ya que con tensiones fuera de los límites necesarios para la alimentación de los servos. Otra posibilidad no ha entrado en el ámbito de este proyecto: situar las fuentes o baterías sobre el mismo robot. añadido a que éstas necesitan de todas formas una conexión a la red eléctrica. aproximadamente). pues las fuentes de éste tipo se apagan cuando la carga varía. Debido al cambio de carga a la salida de ambas fuentes. 31 . El consumo de éstos es variable dependiendo de los errores encontrados entre sus posiciones ideales y las reales. Es de vital importancia que la fuente utilizada para los servos tenga potencia suficiente para proporcionar este amperaje sin perder el nivel de tensión. Se experimentó también con alimentación en base a baterías de Níquel-Cadmio recargables. energía más que suficiente para los 7 i8253 y la lógica de selección. el comportamiento de los mismos se hace impredecible. Aún así.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control /DVIXHQWHVGHDOLPHQWDFLyQ Se han utilizado dos fuentes de alimentación lineales para la electrónica externa al ordenador. éstas no pueden ser conmutadas. Ello es debido a su influencia en el sobrepeso del robot y a su excesivo tamaño en el caso de las fuentes. Una de ellas alimenta los 18 servos. no supera en ningún momento los 4 amperios.5 voltios conectadas en serie alimentando a 3 servos tenían una duración de 30 minutos.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control /DWDUMHWDGH(6 Se han hecho pruebas de control del robot con dos tarjetas de entrada y salida conectadas al PC: la I/O8255 y la PC-LabCard modelo PCL-812PG.1&219(1. En la tabla que se muestra a continuación.29(17$-$6 .(17(6 -Bajo coste -Reloj dependiente del resto del hardware del ordenador -Menor tamaño -Mapeado inadecuado de los pines de los conectores -48 bits de E/S reconfigurables -No dispone de conversores A/D. que es la utilizada finalmente. 7$5-(7$. aunque éstos no son indispensables -Los 3 contadores disponibles de un Intel 8253 -Distinto comportamiento del reloj de la tarjeta dependiendo del modelo de ordenador en el que se instala 32 . Para una descripción más detallada. Los mejores resultados se han obtenido con la segunda. se enumeran las ventajas e inconvenientes de ambas. consúltense así mismo los apéndices G y H.
El esquema de los distintos buses de datos que comunican la tarjeta de E/S y la controladora puede observarse en la figura 5. -Sólo un contador de un 8253 libre para el que proporciona una frecuencia fija y exacta programador de 2 MHz -Distribución de los pines en los conectores de forma modular &RPXQLFDFLyQHQWUHWDUMHWDV Se ha experimentado con cables de tipo plano de 40 hilos soportando señales digitales en paralelo. 33 .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control 7DUMHWD3&/$%&$5'9(17$-$6 . que es la de mayor frecuencia. las señales no provocan interferencias sobre otras próximas.(17(6 -Mayor facilidad de programación -Mayor tamaño y coste -Disponibilidad de conversores A/D y D/A . A pesar de la longitud de los mismos (1'5 metros aproximadamente) no se ha observado pérdida alguna en las señales.1&219(1.16 bits de salida digital y 16 bits de entrada digital no reconfigurables -Reloj interno basado en un cristal de cuarzo. Así mismo.4. concretamente en la del reloj de 2 MHz.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Electrónica de Control %XVGH'DWRVOtQHDV.
TARJETA E/S %XVGH&RQWUROOtQHDV.
TARJETA %XVGH6HOHFFLyQOtQHDV.
CONTROLADORA %XVGH3XOVDGRUHVOtQHDV.
5.4. Los buses son cuatro: -%86 '( '$726  OtQHDV.: Buses de comunicación entre el ordenador y RHEX. Fig.
 envía datos de 8 bits hacia la controladora para programar los i8253 de la misma. y recibe el último dato de 8 bits enviado. %86 '( &21752/  OtQHDV.
 contiene las señales que controlan el funcionamiento de la controladora. Las líneas son: (VFULWXUD:5.
un pulso bajo en esta señal hace que el último dato enviado a la controladora reprograme un registro de uno de los i8253. 5HORM&/.
señal cuadrada periódica de 2MHz indispensable para el funcionamiento de los i8253. +DELOLWDFLyQGHOUHORM(B&/.
esta señal permite eliminar la señal CLK de la entrada de todos los i8253 de la controladora. Es útil para hacer que los servos dejen de ejercer control en situaciones de sobreesfuerzo.Ï1OtQHDV. %86'(6(/(&&.
Las dos restantes seleccionan un registro dentro del mismo.tres de ellas seleccionan el integrado i8253 al que afectará la próxima señal de escritura. %86'(38/6$'25(6OtQHDV.
34 . Una señal por cada pata. este bus unidireccional envía el estado de los pulsadores (pulsados o no) hacia el ordenador en todo momento.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO 35 Electrónica de Control .
). avance o se recoja. Planifica las órdenes enviadas desde el nivel más alto y las traduce a comandos básicos del nivel Ejecutor. enviándolas a los niveles inferiores para su descomposición en trayectorias de articulaciones individuales y su ejecución.$6 o nivel intermedio. Implementa pseudoconcurrencia y detecta posibles colisiones sobre un modelo simplificado del robot. entre ellos los robots tipo insecto. Dentro de la jerarquía del software se han distinguido tres niveles de abstracción: -1LYHO(-(&8725 el más cercano al hardware.(1726 el nivel más alto en la pirámide de control.). Es el encargado de traducir órdenes básicas de posicionado de servos o de los extremos de las patas a señales utilizadas para programar los i8253 de la tarjeta controladora. -1LYHO 3/$1. -1LYHO 3/$1. 36 . Genera las órdenes adecuadas para que el robot se levante. Cada uno de ellos implementa funciones con objetivos coincidentes dentro de su nivel de abstracción.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software (VWUXFWXUDGHO6RIWZDUH El software de control se ha distribuido jerárquicamente en diversos módulos.0.&$'25 '( 029. Esta orientación diverge del enfoque UHDFWLYR con el que se han diseñado muchos de los robots con patas actuales.&$'25 '( 75$<(&725.
1.(172 1. No se ocupa de la detección de colisiones entre las patas al efectuar estos 37 .0.).9(/3/$1. En la misma se observan los módulos software más importantes que residen en cada nivel.&$&.Ï1 1.1: Distribución jerárquica del software de control Esta distribución se puede ver esquemáticamente en la figura 6.&$'25 '(029.9(/(-(&8725 7$5-(7$6 ABSTRACCIÓN Figura 6.).0.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 029.$6 02'(/2 &2/. Seguidamente se explican con detalle estos módulos y otros que no aparecen en la figura anterior.&$'25 '(75$<(&725.6.9(/3/$1.21(6 &21752/ 1.(1726 3/$1. Las flechas entre módulos indican el flujo de información entre los mismos para su proceso. 1LYHO(-(&8725 Este nivel contiene los módulos que permiten la traducción de órdenes elementales de posicionamiento de articulaciones a comandos para la programación de los servos de la tarjeta controladora.).
Permite sin embargo la manipulación a bajo nivel de los buses descritos en el apartado 5. Este módulo hace transparente a los demás el manejo de cualquiera de ellas. Internamente. Este nivel se compone de dos módulos básicos: el de CONTROL proporciona el verdadero núcleo del nivel Ejecutor. Ésta última función simplemente elimina el último dato que se envió a la misma y deselecciona todos los integrados.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software movimientos. el envío de órdenes se hará con las mismas funciones. Proporciona funciones para el envío de un dato de 8 bits a uno de los integrados i8253 de la tarjeta controladora. Proporciona varios grupos de funciones: 38 . y operaciones sencillas sobre los datos de los mismos. 0yGXORGH7$5-(7$6 Tal como se ha explicado en el epígrafe 5. independientemente de cuál esté activada.2 el software está preparado para trabajar con dos tarjetas de E/S comerciales. el módulo ejecuta las órdenes de una forma u otra según qué tarjeta sea el destino. Además. dispone de una función que devuelve el estado de los 6 pulsadores del robot comprimidos en un octeto. El de TARJETAS es un interfaz que hace transparente al módulo de CONTROL el tipo de tarjeta de E/S que se está utilizando. 0yGXORGH&21752/ Éste es el más importante del nivel Ejecutor. para la iniciación del módulo y para la desactivación de la controladora. Una vez iniciado indicando qué tarjeta se utilizará.3.
y por último.2.) según su posición por defecto sobre la tarjeta.2.). 39 . con resolución de milisegundos. independiente del ordenador en el que se ejecute. -De posicionado básico de las articulaciones (articular y cartesiano).2. Seguidamente se explican con más detalle estos grupos.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software -De iniciación de la tarjeta controladora. Es de ejecución obligatoria antes de cualquier operación efectuada en cualquier otro módulo superior a éste. )XQFLRQHVGHLQLFLDFLyQ Sólo una función pertenece a este grupo. -De retardo. a más alto nivel que la proporcionada por el módulo de TARJETAS. -De lectura de pulsadores.1. mapea los integrados (ver 6. carga en memoria los datos sobre el calibrado de los servos (ver 6. -De mapeado de los integrados i8253. incluyendo interpolaciones lineales muy simples. -De calibrado de los servos.1. Inicia el reloj de 50 Hz de la tarjeta controladora.3. programa inicialmente los i8253 para situar las patas en posición de reposo (recogidas).
2514. Las posiciones de 0 y 90 grados se escogieron por su facilidad de comprobación visual. Y el tercer valor es el rango en grados del servo.172] CODO [654.191] Figura 6. El primer valor de cada articulación es el ancho de pulso (en microsegundos) necesario para situar el servo a cero grados. podremos saber qué ancho es necesario para situarlo en cualquier posición.150] HOMBRO [642. Es decir. El segundo valor es el rango en microsegundos que tiene ese mismo pulso. Es decir. hay una relación lineal entre ancho de pulso positivo de la onda PWM y posición del servo. El problema se ha resuelto teniendo en cuenta una de las conclusiones que se obtuvieron tras realizar varias pruebas en servos individuales de distintas marcas: su posicionamiento es lineal. una PATA 0 CLAVICULA [834. se presenta un problema: la generación de esta información.2238. Hay cierta imprecisión implícita en el método.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software )XQFLRQHVUHODWLYDVDOFDOLEUDGRGHORVVHUYRV Es necesario almacenar en alguna parte la información que permita saber qué ancho de pulso positivo de la PWM es necesario para llevar cada servo a una posición determinada. qué ancho de pulso es necesario para situarlo en el tope contrario y qué ancho es necesario para situarlo a 90 grados. Así pues.: Porción de un fichero de calibrado. si conseguimos saber qué ancho de pulso es necesario para situar el servo a 0 grados. pero 40 .2. y qué rango de movimiento tiene (en grados).2226. ya que el calibrado (la recogida de estos datos para cada servo) se realiza "a mano". persona es la encargada de ir variando manualmente el ancho del pulso hasta que estime que el servo se ha situado en estas posiciones. Puesto que el control del movimiento se hace básicamente en bucle abierto.
estas funciones permiten asociar a una pata concreta uno de los integrados i8253. A pesar de ello.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software la exactitud del posicionado del servo no es demasiado grande (de unos 3 ó 4 grados. aproximadamente). éste sea traducido al verdadero nº que está asociado a esa pata. de forma que las órdenes enviadas al mismo se refieran a esa pata. Es decir. En este grupo hay también funciones que permiten guardar en y recuperar de disco ficheros con toda la información necesaria para el calibrado (fig. -Convertir de posición a microsegundos de pulso positivo y viceversa. Se pueden ver los resultados que se pueden obtener con estas funciones en el entorno RHEX (capítulo 7). hay un nº de chip lógico (el que se especifica al mapear los chips sobre las 41 . Otras funciones permiten: -Consultar datos concretos sobre la calibración de un servo.2). intentando minimizar la distancia desde los conectores hasta los servos. )XQFLRQHVSDUDHOPDSHDGRGHORVLQWHJUDGRV La tarjeta controladora se sitúa físicamente sobre el cuerpo del robot. Para evitarlos en lo posible. De ahí que el robot se comporte razonablemente bien con estos datos. puede haber problemas con estas conexiones. Esto no cambia el cableado de la tarjeta (como es obvio). 6. Solamente hace que al especificar un nº de chip para referirse a una pata. -Modificarlos.
así como para calcular una medida positiva de la distancia entre dos posiciones de una pata (que será mayor cuanto más distancia deban recorrer los servos para pasar de una a otra). Otras funciones de este grupo permiten generar posiciones intermedias entre origen y destino (interpolando linealmente) y ejecutar los movimientos en tres velocidades distintas. ya que éstas se guardan internamente. todas las referencias al chip lógico serán "desviadas" hacia el correspondiente chip físico. Esto es una aproximación bastante burda a las tareas realizadas por el módulo de PLANIFICACIÓN. Y por último. Una vez realizado un mapeado. existe la posibilidad de recuperar las últimas posiciones enviadas a los servos. Además. existen funciones auxiliares de este grupo que calculan el tiempo estimado de llegada. y son sustituidas por ellas en la mayor parte de los casos. hay funciones auxiliares para acotar una posición dentro de los valores permitidos por la calibración de un servo. por ejemplo). 42 . que se ha comprobado experimentalmente que es suficientemente lineal.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software patas) y otro físico (el chip 1 siempre estará asociado a la pata 2. basándose en las posiciones de inicio. con la misma salvedad). final y en la velocidad media de un servo. Sin embargo. Tampoco esperan a que las articulaciones lleguen efectivamente a sus posiciones de destino. )XQFLRQHVGHSRVLFLRQDPLHQWREiVLFRGHDUWLFXODFLRQHV Permiten posicionar articulaciones individuales (sin control sobre si la posición es alcanzable o no) o el extremo de una pata (en coordenadas cartesianas.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO
Estructura del Software 
)XQFLRQHVSDUDODJHQHUDFLyQGHUHWDUGRV
Sólo hay una función en este grupo, y es muy simple: mediante el reloj interno del
ordenador, y por interrupciones, realiza retardos con resolución de milisegundos. Esta función
se diseñó debido a que los retardos generables mediante funciones del compilador de C eran
dependientes del ordenador. 
)XQFLRQHVUHODFLRQDGDVFRQORVSXOVDGRUHV
Basadas en la análoga del módulo de TARJETAS, pueden realizar esperas activas
hasta que una pata pise el suelo (hasta que su pulsador se active) o hasta que deje de pisarlo.
Así mismo, permiten de forma cómoda saber si un pulsador concreto está activado. 
1LYHO3/$1,),&$'25'(75$<(&725,$6
Este nivel de la jerarquía descompone los movimientos generados por el nivel
superior (PLANIFICADOR DE MOVIMIENTOS) en trayectorias individuales asociadas a
cada articulación, y las ejecuta en pseudoconcurrencia enviando las órdenes de posicionado
oportunas al nivel inferior (EJECUTOR).
Así mismo, dentro de este nivel se sitúan los módulos que implementan el modelo
interno del robot, con las funciones que permiten acceder al mismo.
Los módulos más importantes que lo componen son el del MODELO (contiene el
modelo de RHEX), el de COLISIONES (trata las colisiones entre patas del modelo y/o de
RHEX) y el de PLANIFICACIÓN (descompone los movimientos en trayectorias articulares). 
0yGXORGHO02'(/26,03/,),&$'2
Se hicieron multitud de pruebas para preveer el futuro comportamiento de RHEX,
cuando éste aún no estaba construido. Todas ellas desembocaron en la programación de un
simulador del robot simplificado, pero capaz de ejecutar cualquier orden que pudiera enviarse
al mismo. Este módulo implementa las estructuras básicas y las órdenes alternativas a las del
módulo de CONTROL para el movimiento del modelo.
En el apéndice C pueden encontrarse un estudio detallado del modelo simplificado del
Al igual que en el módulo de CONTROL, las funciones del modelo pueden agruparse.
Estos son los grupos más importantes:
-De iniciación y calibrado del modelo.
-De tratamiento del modelo como un todo.
-De posicionado básico, articular y cartesiano, de articulaciones o patas, y de consulta
de la situación actual de las mismas.
-De obtención de datos de un "esqueleto" que represente al modelo. Esto es útil para
el módulo del MODELO GRÁFICO, comentado en 6.4.
-De establecimiento y consulta de la altura del robot.
-De consulta de los "ángulos de apoyo" y de cálculo y operaciones básicas del "área
de barrido".
A continuación se explica detalladamente cada grupo. 
)XQFLRQHVGHLQLFLDFLyQ\FDOLEUDGRGHOPRGHOR
Existe un modelo interno en la memoria del ordenador gestionado por este módulo. La
única función perteneciente a este grupo rellena ese modelo situando todas las patas en
posición recogida. A esta función se le especifica también un fichero de calibración como el
comentado en 6.1.2.2. 
)XQFLRQHVTXHDFW~DQVREUHHOPRGHORFRPRXQWRGR
Hay tres funciones en este grupo:
-Para el almacenamiento del estado del modelo.
-Para la recuperación de ese modelo previamente almacenado.
-Para situar cada articulación del modelo tal y como esté en el robot. Esta función
consulta el módulo CONTROL para obtener las últimas posiciones enviadas a los servos. La
utilidad de esta función se explica mejor cuando se comenta el entorno de usuario (capítulo
U SDWD <U SDWD dos posiciones.3. Esto es SDWD porque son perfectamente SDWD generales y válidas las que se dan en el módulo de Figura 6. )XQFLRQHVSDUDHOSRVLFLRQDPLHQWREiVLFR Son idénticas a las del módulo de CONTROL (ver 6. ya que éstas fueron pensadas para realizar pequeñas pruebas de movimiento con los servos.4.2.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 7).: Sistema de referencias "R" control. 46 .) salvo que dirigen sus datos hacia el modelo simplificado. pero básicamente sirve para sincronizar modelo y robot si se activa o desactiva alguno de ellos. la de =U acotación de posiciones ni la de cálculo de una SDWD SDWD medida positiva de la distancia a recorrer entre . y en el módulo de PLANIFICACIÓN hay otras análogas que lo hacen de forma más potente. Tampoco están en este módulo las funciones para el cálculo del tiempo de movimiento.1. No existen aquí las funciones de interpolación lineal entre dos posiciones.
3. 47 . )XQFLRQHVUHODWLYDVDODDOWXUDGHOURERW Esta altura es la distancia en centímetros que el robot (y el modelo) deberán mantener entre el suelo (o los extremos de las patas) y el plano que contiene a los ejes de giro de todos los hombros (articulaciones nº 1). El sistema de coordenadas referenciado será usado en todos los cálculos posteriores.4 muestra la altura del robot gráficamente. La figura 6. Estos datos son actualizados lo más eficientemente posible cada vez que se efectúa un movimiento en el modelo. el módulo de ALTURA DEL ROBOT Figura 6. En la práctica. A partir de ahora será denominado VLVWHPD5y puede verse su definición en la figura 6. De esta forma puede visualizarse cómodamente la situación del modelo y su respuesta a las órdenes enviadas.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software )XQFLRQHVUHODWLYDVDOHVTXHOHWRGHOPRGHOR Éstas permiten obtener las posiciones en el espacio (relativas a un sistema de coordenadas centrado en el cuerpo del robot) de los vértices de un esqueleto que representa gráficamente al modelo de RHEX. Posteriormente.4.: Medida de la altura del robot al suelo. será la medida que se utilizará de la distancia del robot al suelo. MODELO GRÁFICO las proyecta en pantalla en perspectiva.
Hay otros conceptos que se emplean relacionados con estos ángulos: 3XQWRGHDSR\RGHXQDSDWDpunto del espacio en el que se situará el extremo de la misma cuando su hombro y codo se hayan situado en las posiciones indicadas por los ángulos de apoyo. (a) (c) (b) (d) Figura 6. y de ahí.5: Conceptos relacionados con los ángulos de apoyo (a) Ángulos de apoyo. el "área de barrido" (ver próximo apartado) es mayor. Existe una función que calcula estos dos ángulos (el de la clavícula es indiferente dada la configuración física del robot). y la clavícula a 90 grados. aumentan. el consumo de los mismos. Cuando la altura es menor. 48 . (d) Ángulos de sobreapoyo. pero harán menos esfuerzo. (b) Punto de apoyo. )XQFLRQHVUHODWLYDVDOiUHDGHEDUULGR\iQJXORVGHDSR\R Los ángulos de apoyo no son otra cosa que los valores que deben mandarse a los servos de las articulaciones 1 y 2 de una pata (hombro y codo) para hacer que ésta sostenga al robot a la altura establecida sobre el suelo. a mayor altura. menor libertad de movimiento tendrán las patas (menor espacio). pero el esfuerzo de los servos para mantener el robot a esa altura. (c) Vertical de apoyo.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software Como se verá en el próximo apartado.
9HUWLFDOGHDSR\RGHXQDSDWDla recta paralela al eje OZ del sistema R y que pasa
por el punto de apoyo de esa pata.
ÈQJXORVGHVREUHDSR\RGHXQDSDWDanálogos a los ángulos de apoyo, hacen que la
pata se sitúe en la vertical de apoyo, con el extremo a la misma altura que el borde inferior del
segmento 0 de la pata (hombro).
En la figura 6.5 se pueden ver estos conceptos representados gráficamente.
Existe otro subgrupo de funciones dentro de este grupo. Están relacionadas con el
cálculo del área de barrido de una pata. Para mayor claridad en la exposición, se exponen a
continuación varios conceptos previos:
Figura 6.6: Conceptos relativos al área de barrido.
(a) Punto de sobreapoyo.
(b) Altura de la estructura del robot.
(c) Altura efectiva del robot.
(d) Plano de apoyo.
3XQWRGHVREUHDSR\RGHXQDSDWDpunto en el que se sitúa el extremo de la misma
cuando el hombro y el codo están en las posiciones indicadas por los ángulos de sobreapoyo y
la clavícula a 90 grados.
$OWXUD GH OD HVWUXFWXUD GHO URERW distancia positiva entre el punto de apoyo de
cualquier pata y su punto de sobreapoyo.
$OWXUD HIHFWLYD GHO URERW resultado de sumar la altura del robot y la altura de su
3ODQRGHDSR\Rplano paralelo al plano OXY del sistema R, situado por debajo del
=S
;S
<S
Figura 6.7: Más conceptos previos al área de barrido.
(a) Vertical de clavícula.
(b) Punto intersección de clavícula.
(c) Sistema de referencias P0.
mismo, a una distancia negativa igual en módulo a la altura efectiva del robot.
Estos conceptos previos se muestran gráficamente en la figura 6.6.
9HUWLFDO GH FODYtFXOD GH XQD SDWD recta paralela al eje OZ del sistema R, y que
contiene al eje de la articulación de la clavícula de la pata.
3XQWR LQWHUVHFFLyQ GH FODYtFXOD DEUHY 3,&
 punto en el que corta la vertical de
clavícula de una pata al plano de apoyo del robot.
6LVWHPDGHUHIHUHQFLDV3Qsistema de coordenadas asociado a la pata Q cuyo origen
está en el punto intersección de clavícula de esa pata, cuyo eje OZ es paralelo y tiene el
mismo sentido que el del sistema R, y cuyo eje OX es paralelo al segmento 0 (hombro) de esa
pata cuando la articulación 0 se sitúa a 90 grados.
De nuevo pueden observarse estos conceptos en la figura 6.7.
contenida en el plano de apoyo de la pata. 51 . Xpn Tope clavícula Theta0 Ypn 5 Xpn 5 Tope clavícula 7KHWD Theta0 Clavícula a 0 grados paralelas (a) Ypn 5 5 7KHWD paralelas Clavícula a 0 grados (b) Figura 6.8: los dos tipos de áreas totales de barrido.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software Y al fin se explican los dos conceptos más importantes: ÈUHDWRWDOGHEDUULGRGHXQDSDWDzona cerrada y en general no convexa. y que contiene todos los puntos alcanzables por el extremo de la misma al mismo tiempo que mantiene la altura del robot constante. que simplifica los cálculos realizados para el movimiento del robot y que permite que éste se lleve a cabo sin que la pata pase por puntos no alcanzables. ÈUHD HIHFWLYD GH EDUULGR GH XQD SDWD R ÈUHD GH EDUULGR zona cerrada y convexa contenida en el área total de barrido.
9: Área efectiva de barrido de una pata. Es decir. 7LSR  el área total de barrido tomará la forma mostrada en la figura 6. tales que permiten a las patas alcanzar puntos debajo del cuerpo de RHEX sin que los codos colisionen con el suelo.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software Se pueden distinguir dos tipos de áreas totales de barrido. extremo de la pata puede llegar o superar al PIC de la misma. la articulación del codo colisiona con el suelo antes de llegar al PIC de la pata. Las áreas de tipo 1 se consiguen con una altura del robot pequeña.8. desplazando el extremo de la pata desde el punto de apoyo hacia el punto intersección de clavícula de la misma siguiendo la recta que los une.b si el Figura 6. mientras que las de tipo 2 son típicas de alturas grandes. 52 . sin que la articulación del codo colisione con el suelo.a si. dependiendo de la altura del robot: 7LSRel área tomará la forma indicada en la figura 6. y manteniendo en el movimiento la altura del robot.8. siguiendo el mismo movimiento que el descrito en el párrafo anterior. llegamos a un punto en el que el eje del codo se sitúa por debajo del plano de apoyo.
si bien daba una gran precisión. la mayor parte de las trayectorias rectas que pasen por ella intersectan los límites del área de barrido. conllevaba un tiempo de cálculo excesivo ( (3*3*2)*6 = 108 cálculos de intersección Figura 6.U pata. dado un punto en el interior del área efectiva de barrido y una dirección. 53 . el tipo 2 no es de ninguna utilidad. ya que si bien permite una zona extra de movimiento debajo del cuerpo del robot.21(6 En este módulo se encuentran las funciones necesarias para la detección eficiente de colisiones entre las patas del robot. existen otras funciones en este subgrupo.9.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software Como se ve en la figura 6.8. y otra calcula las coordenadas en el sistema R de cualquier punto perteneciente a la recta que une a esos dos puntos. De ahí que al final se use un área efectiva de barrido resultado de simplificar las fronteras del área total de tipo 1.10: Rectángulo límite de la pata 1. calcula el punto más lejano del punto dado. que esté dentro del área. Una de ellas. Otra calcula la distancia entre esos dos puntos. 0yGXORGH&2/. pasan por posiciones no alcanzables. Por último. Todo esto se usa para el movimiento de avance del robot (ver el subcapítulo 6. en esa dirección. es decir.6. las colisiones entre patas se calculaban mediante intersecciones de prismas: uno por cada segmento de cada <U . En una primera fase de diseño.3). Éste área efectiva se muestra en la figura 6. Esto.
se optó por simplificar el cálculo a costa de una menor precisión.2. -De optimización de la detección de colisiones. las colisiones se detectan basándose en los "rectángulos límites".2.10.1. Se puede observar un ejemplo de rectángulo límite en la figura 6. Puesto que los espacios de trabajo de las patas permitían una facilidad de posicionamiento sin colisiones relativamente grande. y es el rectángulo de menor área que contiene en su interior la proyección ortogonal en el plano OXY del sistema R de todos los segmentos de la pata. Esto conlleva 4*6 = 24 cálculos de intersección semirrecta-rectángulo. En la versión definitiva. Como se ve fácilmente. -De análisis de futuros movimientos.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software prisma a prisma). explicados en 6. )XQFLRQHVUHODWLYDVDORVUHFWiQJXORVOtPLWH El rectángulo límite de una pata está contenido en el plano OXY del sistema R. 54 . Así. el cálculo de la intersección de las semirrectas que forman los lados del otro rectángulo límite con este rectángulo se reducen en gran medida. el chequeo de colisiones entre dos patas consecutivas (no existe otro caso posible de colisión entre dos patas dadas las dimensiones del robot) se reduce al cálculo de intersecciones entre dos rectángulos contenidos en el mismo plano. Las funciones de este módulo pertenecen a tres grupos diferenciados: -De "rectángulos límite". que se pueden simplificar si se usa un sistema de coordenadas en el que uno de los rectángulos límite tenga los lados paralelos a los ejes.
se ha previsto la posibilidad de optimizar algunas partes del cálculo. )XQFLRQHVSDUDHODQiOLVLVGHPRYLPLHQWRV Hay una única función en este grupo. Esto se puede llevar a cabo siempre que haya memoria disponible para ello. Informa a su regreso de con qué patas de estas dos colisionaría (y si llegaría a hacerlo). Se encarga de devolver información sobre las colisiones que ocurrirían si una articulación de una pata efectuara cierto movimiento.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software La función perteneciente a este grupo devuelve las coordenadas del rectángulo límite de una pata. )XQFLRQHVSDUDODRSWLPL]DFLyQGHORVFiOFXORV Debido a que incluso la simplificación que supone el uso de rectángulos límite no es capaz de evitar la relativamente grande cantidad de cálculos de intersección (además supone la aplicación de una matriz homogénea para rotar los rectángulos hasta ser paralelos a un sistema de referencias). puesto que la 55 . además de indicar si el movimiento provocaría que la articulación que lo va a efectuar se saliera del rango posible de movimiento. Esta función calcula las intersecciones entre los rectángulos límite de la pata que efectúa el movimiento y los de las dos patas adyacentes. Uno de sus parámetros le indica si la detección de colisiones se realiza sobre el modelo o sobre el robot. Toda esta información ocupa una tripleta de enteros: dos para indicar con qué patas colisionaría y otro que indica si la posición está fuera de rango. contemplado en los datos de calibración del servo.
Es decir.&$&.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software optimización consiste en almacenar en memoria los resultados de ciertos cálculos. La primera capa. previamente generados. El módulo está jerarquizado internamente. Esto es debido en principio a que se realizó una versión preliminar (la que ahora implanta los SODQHV) para realizar diversas pruebas. más básica. 0yGXORGH3/$1. hacer que finalicen al mismo tiempo.).codo) se almacena en una gran tabla la longitud del rectángulo límite. realiza una planificación de varias trayectorias (secuencias de posiciones asociadas a una articulación de una pata) simulando concurrencia. el módulo más complejo y potente de todo el software de RHEX. Posteriormente se le añadió un refinamiento (que implanta los VXSHUSODQHV). se optimiza el cálculo de la dimensión longitudinal del rectángulo límite (el más largo de los dos lados. En esencia. el único que es variable: depende de los valores que tengan los ángulos de las articulaciones de hombro y codo de la pata). permite: -Diseñar y ejecutar en pseudoconcurrencia planes (conjuntos de varias trayectorias) -Sincronizar las trayectorias de un plan. con diferencia. Concretamente. Para cada pareja de valores de articulación (hombro.Ï1 Este es. pero sólo en su finalización. -Realizar interpolaciones lineales entre dos posiciones cartesianas del extremo de una pata. 56 . con posibilidad de sincronizarlas en distintos instantes de tiempo.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software -Especificar los puntos de las trayectorias en coordenadas articulares o cartesianas (en este caso. del extremo de una pata). -Consultar el estado de cada trayectoria una vez finalizado el plan (información sobre colisiones y ajustes de posiciones fuera de rango). -Especificación de posiciones relativas. articular. tanto en coordenadas articulares como cartesianas. etc. 57 . -Realización de interpolaciones entre posiciones articulares o cartesianas. -Especificar las trayectorias mediante un pseudolenguaje muy simple en el que cada punto de una de ellas va acompañado de un código que le dice al programa si éste es cartesiano. por lo que a continuación se explican los conceptos fundamentales en que se basan y no cada función en particular. e incorporan: -Sincronización en cualquier punto de una trayectoria. Éstos son una ampliación de los planes del nivel anterior. Añade las siguientes características: -Manejo de VXSHUSODQHV. -Incorporación de un pseudolenguaje más potente para la especificación de trayectorias. -Información posterior a la ejecución del superplan mucho más completa y específica que la proporcionada en la capa básica. Las funciones que componen este módulo son muchas y muy diversas. que contempla las nuevas posibilidades de los superplanes. La segunda capa es una extensión de la anterior.
Este lenguaje no incorpora palabras clave. De esta forma. que pueden estar definidas o no. O bien puede crearse directamente una trayectoria mediante un pseudolenguaje básico. En la ejecución de un plan. También se especifica en dónde se ejecutará el plan: en el modelo. Además. Éste puede ser de 4 tipos: 1LYHO  se ignorarán las colisiones entre patas y las posiciones fuera de rango. El cuarto. Es simplemente una lista de puntos. se establece el nivel de detección de colisiones. indica que las coordenadas son cartesianas y se refieren al extremo de la pata. puede especificarse que se sincronice la finalización de todas las trayectorias. habrá que realizar una interpolación lineal de Q pasos. Hay que destacar la diferencia existente entre SRVLFLRQHVIXHUDGHUDQJRy SRVLFLRQHVLQDOFDQ]DEOHV Las primeras son acotadas al tope 58 . A la hora de ejecutarlo. debe haber al menos una definida. indica que las coordenadas son articulares.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 3ODQHV Un plan consta de 18 trayectorias. Además. entre el punto anterior de la trayectoria y ese punto. en el robot o en ambos. que internamente se expanden a las 18 (ya que los puntos de la lista contienen los 3 valores de las articulaciones de la pata). se definen 6 posibles trayectorias. Hay varias funciones que permiten la definición completa de una trayectoria. Esta forma supone la adición de puntos uno a uno. Se puede crear una trayectoria mediante la llamada a funciones que añaden puntos. una por cada articulación de cada pata. si es 0. La ejecución del plan continuará a pesar de las mismas. Si es mayor que 0. entre los cuales puede haber una interpolación lineal o no. Estos puntos son conjuntos de 4 valores: los 3 primeros especifican unas coordenadas. por ejemplo Q.
ya que suponen situar la pata en una posición imposible. por ejemplo. La información proporcionada es idéntica a la de la función de análisis de movimientos. Otra facilidad de que se dispone a la hora de ejecutar un plan es la especificación de una función de tratamiento del teclado. 1LYHOel más restrictivo. Cada vez que se pulse una tecla durante la ejecución del plan.2. Tras la detención (con éxito o no) de un plan. detiene la trayectoria asociada a la articulación que la ha provocado. será llamada esta función. 1LYHOsi hay alguna colisión. salvo en que se le permite indicarle al planificador que se debe terminar la misma. explicada en 6. Las segundas sí provocarán error.2. 1LYHO  sigue ignorando las posiciones fuera de rango. 59 . De este modo pueden averiguarse las causas que provocaron la detención. Cualquier colisión o acotación de posición hará que el plan se detenga.2. Esto es útil si queremos disponer. Las demás trayectorias continúan en ejecución.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software más cercano del servo. y los ajustes de posiciones fuera de rango siguen siendo ignorados (acotados). Lo que ésta realice no influirá en la reanudación de la ejecución. de una tecla que aborte inmediatamente la ejecución de un plan. se puede consultar el estado en que se quedó cualquiera de las trayectorias. pero cualquier colisión provocará que el plan se detenga por completo.
4. con lo que se lanzarán al mismo tiempo todas las posiciones iniciales.-Tras enviar una posición a un servo.-Se vuelve a 1 a menos que todas las trayectorias hayan terminado o se haya recibido orden de terminar la ejecución desde la función de tratamiento del teclado. y almacena el tiempo estimado que tardará el servo en situarse en la posición especificada. Si previamente al envío de alguna posición a una articulación se detecta que habrá una colisión o acotación. ninguna trayectoria está en espera. o a ambos) todas las posiciones de las trayectorias que no estén en espera.. esa trayectoria se queda en estado de espera. Al comienzo del plan. 3. quedando aquellas que tuvieran ese tiempo mínimo preparadas para seguir ejecutándose.-Se resta ese tiempo de todos los tiempos de espera de todas las trayectorias en espera. 2. 6.-Se busca el menor tiempo de espera que se haya calculado. Éste será denominado WLHPSRGHHVSHUDde la trayectoria. 5. todos los puntos de las trayectorias han sido expandidos y/o traducidos a coordenadas articulares.Enviar a los servos (o al modelo. 60 .-Se llama a la función de tratamiento del teclado si se detecta alguna tecla pulsada. El algoritmo es como sigue: 1.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 3VHXGRFRQFXUUHQFLD La ejecución en paralelo de las distintas trayectorias de un plan se realiza mediante un algoritmo de UHEDQDGDVGHWLHPSRFRQDVLJQDFLyQGHSULRULGDGHVGLQiPLFD Previamente a la ejecución del plan. se actúa en consecuencia con el nivel establecido de tratamiento de colisiones o ajustes.
Las coordenadas UHODWLYDV son añadidas a la posición anterior de la trayectoria para obtener las verdaderas coordenadas. por ejemplo.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 6XSHUSODQHV Dotan al módulo de planificación de una mayor potencia. Básicamente son la ejecución consecutiva en el tiempo de varios planes. Este valor da el nº de pasos de la misma. Este pseudolenguaje tiene una potencia muy superior a la del de especificación de trayectorias de planes. Se puede especificar un superplan completo con sólo una lista de valores. Esta facilidad permite desplazar una pata del robot. interpoladas o no (pudiendo hacer cualquier combinación de estas tres características). Pueden ser articulares (en grados) o cartesianas (en centímetros). y sin saber cuál es ésta. -Un entero que sólo será considerado en caso de que el octeto de control indique que hay que hacer una interpolación. relativas o absolutas. Y si tras este punto del superplan debe haber una sincronización de todas las trayectorias. Cada punto del superplan contiene varios valores: -Un octeto de control. relativa a su posición actual. De esta forma se puede hacer fácilmente que las patas impares bajen 2 cm (por ejemplo) con sólo un punto del superplan. Especifica si el punto contiene coordenadas articulares o cartesianas. -Un octeto que indica a qué patas se les aplica éste punto del superplan. estando pensado para trabajar a muy alto nivel. relativamente pequeña. 61 . Los puntos de unión de éstos constituyen los puntos de sincronización del superplan. -Una tría de valores que especifican las coordenadas.
o no hubo memoria suficiente para expandir los datos del superplan. Basta ver en la función encargada de hacer que el robot se levante. cabe destacar también la información que puede obtenerse sobre el estado final de la ejecución de un superplan.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software En los listados que acompañan a esta memoria. o hubo alguna colisión o ajuste. se puede apreciar la potencia de esta especificación. Dentro de los superplanes. programada en el módulo de MOVIMIENTO. o se llegó a una posición inalcanzable por alguna pata. o el usuario abortó la ejecución por teclado. -Mapa de colisiones: una tabla bidimensional. Si la celda LM. Ésta incluye lo siguiente: -Tipo del error que provocó la finalización de la ejecución: o no hubo error. la especificación del superplan asociado.
Si la celda SV. contiene un valor distinto de cero. -Mapa de ajustes de posiciones fuera de rango: una tabla bidimensional. la pata L colisionó con la M durante la ejecución del superplan.
Por último. es porque la articulación V de la pata S recibió una posición fuera de rango. 62 . todas las demás características de la ejecución de planes (especificación de nivel de detección de errores. contiene un valor distinto de cero. especificación de la función de tratamiento del teclado) se conservan en la función de ejecución de superplanes. direccionamiento de la salida al robot o al simulador.
el que una pata esté apoyada en el suelo se chequea verificando su pulsador.0. En el caso del modelo. Puede haber varios triángulos de apoyo distintos para una misma posición global de RHEX. incluye todo lo relacionado con los "triángulos de apoyo". En el caso del robot.&$'25'(029.(1726 Este nivel contiene los módulos necesarios para implantar el modo de andar (JDLW en inglés) de RHEX. avance. y las primeras 3 son las que se consideran apoyadas en el suelo. Además. así como el resto de movimientos de alto nivel (levantamiento. Esto se hace comprobando si la proyección vertical (siguiendo el eje OZ del sistema R) del centro de 63 . se ordenan las patas por orden creciente de sus coordenadas Z en el sistema R (coordenadas Z de sus extremos).DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 1LYHO3/$1.0. descrito a continuación.(172 En este módulo se dan las funciones necesarias para realizar los movimientos de más alto nivel: levantamiento. Existe una función que chequea si tres patas dadas forman triángulo de apoyo. Todo ello lo ofrece el módulo de MOVIMIENTO.). )XQFLRQHVUHODWLYDVDORVWULiQJXORVGHDSR\R Un triángulo de apoyo está formado por los extremos de tres patas del robot (o del modelo) que lo mantienen estable sin necesidad de apoyar las otras patas. cambio de altura). reposo. reposo y cambio de altura. 0yGXORGH029.
sin interpolar. Una vez todas estén ahí. )XQFLRQHVSDUDHOPRYLPLHQWRGHDOWRQLYHO Como ya se ha explicado.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software masas del robot sobre el plano que forma el triángulo está en el interior del mismo. El centro de masas se considera coincidente con el origen del sistema R. Esto es un movimiento que se realiza con las 6 patas al mismo tiempo (para minimizar el esfuerzo y de ahí el consumo de los servos). idénticos a los que tienen justo después de iniciar los módulos de CONTROL y/o de MODELO SIMPLIFICADO). Durante cada paso. La postura alcanzada finalmente se denominará URERWHQSLH -5HSRVR partiendo del robot en pie. se hace una llamada a la función de levantamiento. comienzan a descender siguiendo la vertical de apoyo (en una trayectoria cartesiana relativa e interpolada) hasta llegar a los puntos de apoyo. Si al principio del movimiento de reposo el robot no estaba en pie. -$YDQFH se desarrolla en un bucle. Antes y después de cada paso. se recogen hasta sus posiciones de reposo a la vez. existen cuatro movimientos de alto nivel: -/HYDQWDPLHQWR partiendo de una postura recogida (todas las articulaciones con valores de reposo. se pretende que el robot se levante verticalmente hasta quedar a la distancia del suelo especificada por el operario. el robot deberá encontrarse en pie. pero la función que devuelve sus coordenadas puede modificarse en diseños futuros para contemplar un cálculo más preciso de éste (dependiente de los pesos de las patas y su distribución en cada momento). se hará que avance cierta distancia en la dirección 64 . Éstas empiezan situándose en sus respectivos puntos de sobreapoyo. De allí. las patas comienzan a subir de nuevo por la vertical de apoyo hasta llegar a sus puntos de sobreapoyo.
El algoritmo que sigue en su avance es el de WUtSRGHDOWHUQDQWHque se muestra a continuación a grandes rasgos: 1. alternar el uso de las patas pares con las impares para apoyarse. 4. conseguirán desplazar el cuerpo del robot en la dirección de avance.-Levantar las patas pares y situarlas a esa distancia. 65 . puesto que empujarán contra el suelo. volver al primer paso del algoritmo.-Desplazar todas las patas en la dirección contraria esa distancia. Como todas se encuentran en el suelo. 5. Si ésta es mayor que la distancia que el robot debe avanzar. 2.-Sumar a la distancia total recorrida. el robot se apoya en las patas impares. Sin embargo.-Levantar las patas impares y situarlas de forma que el robot de nuevamente en pie. 6. esa mínima distancia.-Si aún no se ha recorrido toda la distancia especificada inicialmente.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software especificada. como por ejemplo. Así se distribuye el trabajo más uniformemente entre todos los servos. lo que antes suceda.-Calcular la mínima distancia que se pueden desplazar las patas en la dirección de avance. Mientras. Este algoritmo fue el inicialmente implantado en el robot. El bucle se repetirá hasta agotar la distancia que se le ordenó avanzar o hasta que haya algún error. es susceptible de modificaciones y optimizaciones. 3. Las patas pares no deben realizar este movimiento puesto que tras los pasos 2 y 3 ya están en esa posición. escoger ésta última como mínima distancia.
rotaciones. normalización y vector nulo. 66 . módulo al cuadrado. copia. 0yGXORGH75$16)250$&. Estos módulos no pertenecen a la jerarquía anteriormente descrita. 0yGXORGHRSWLPL]DFLyQ0$7(0È7.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 0yGXORV$X[LOLDUHV En este subcapítulo se explican el resto de módulos que componen la capa de software desarrollada para RHEX. Las operaciones básicas son la concatenación de matrices y la aplicación de una matriz a un vector 3D.21(6 Realiza funciones de definición y manejo de transformaciones homogéneas (4x4). Tiene varios tipos de ellas predefinidos: identidad. pero son usados por casi todos los módulos de la misma.&$ Una vez iniciado. módulo. 0yGXORGH9(&725(6' Contiene todas las operaciones necesarias sobre vectores de tres componentes: escalado. productos escalar y vectorial. resta. Así se acelera el cálculo posterior de los mismos. rellena tablas internas de senos y cosenos. suma. escalado y perspectiva.
dados los valores articulares de la misma. para así proyectar puntos y segmentos en perspectiva. Permite posteriormente asociarles porciones de la pantalla gráfica. Es usado por el modelo gráfico para mostrar en pantalla una proyección tridimensional en perspectiva del modelo del robot. devolviendo en primer lugar la de menor coste a partir de la posición actual. las ordena.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 0yGXORGH&. dadas las coordenadas que debe tener el extremo de la pata. La cinemática inversa de una pata obtiene hasta dos soluciones para los valores articulares. 0yGXORGH&È0$5$6 Este módulo contiene funciones para la definición de cámaras en el espacio tridimensional. 67 . La cinemática directa de una pata obtiene. Éste fichero se incluye en los fuentes antes de compilarlos. Las dos trabajan con coordenadas en centímetros relativas al sistema R del robot. la posición en el espacio de su extremo.1(0È7. El desarrollo de las fórmulas utilizadas en ambas funciones puede estudiarse en el apéndice I.&$ Este módulo consta sólo de dos funciones: cinemática directa de una pata y cinemática inversa de una pata. En caso de que haya dos soluciones. Este y otros módulos utilizan un fichero donde residen todas las medidas reales del robot.
intercambiables: vista aérea y vista frente a cada una de las patas. Ofrece funciones análogas a éste para mover articulaciones. desplazarla. Se usa para integrar todas las funciones de los módulos en un entorno de usuario (ver capítulo 7). entre ellas la manipulación de una cámara para rotarla. 0yGXORGH5$7Ï1 Permite manejar el dispositivo apuntador dentro del entorno de usuario.2. Tiene así mismo varias cámaras predefinidas. Puesto que utiliza el módulo de CÁMARAS. permite todas las posibilidades de éste. pero las órdenes que recibe las envía previamente a un modelo gráfico interno (ZLUHIUDPH) para actualizar la proyección en pantalla del modelo del robot. etc.&2 Es una capa software que se sitúa envolviendo completamente al módulo del MODELO SIMPLIFICADO (ver 6.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 0yGXORGHO02'(/2*5È). 0yGXORGH(172512JUiILFR Contiene todas las funciones necesarias para definir y utilizar un entorno gráfico con menuses "pull-down" manejado con ratón. 68 . Ofrece funciones para la detección de su posición y el diseño de su representación en pantalla gráfica.1).
69 . Es descrito ampliamente en el capítulo 7.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Estructura del Software 0yGXORGH9(17$1$6 Añade al entorno gráfico la posibilidad de abrir ventanas compuestas por varios campos. 0yGXORSULQFLSDOGHOHQWRUQRGHXVXDULR Contiene al programa que genera el entorno de usuario RHEX. También contiene funciones para la definición y manejo de ventanas de edición de texto en modo gráfico.
69 . Existe una barra en la parte superior de la pantalla que contiene los grupos de operaciones ejecutables. por poner sólo los ejemplos más característicos de uso del entorno.9. cada una de las cuales puede a su vez desplegar un nuevo submenú. Tal y como se explica en 6. o visualizar los movimientos ejecutándolos sobre el modelo gráfico.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX (QWRUQRGHXVXDULR5+(. De esta forma. el usuario puede fácilmente cambiar la altura del robot. sobre el robot. calibrar servos. o sobre ambos.4. el entorno está basado en menuses pull-down. Al pulsar con el ratón en una de ellas. se despliega un menú con esas operaciones. El entorno gráfico se diseñó para integrar todas las funciones descritas en el capítulo 6 en un sólo programa.
Entre estas dos últimas zonas existe una línea de mensajes que da instrucciones breves sobre las operaciones a llevar a cabo para realizar ciertas funciones. Esta vista puede cambiarse entre siete vistas posibles. En la figura de la página anterior se muestra una pantalla típica del entorno RHEX.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX En la zona izquierda de la pantalla se pueden editar por teclado los ficheros de calibrado del robot. y cada una de ellas puede variarse manualmente.QLFLDUWDUMHWDllama a las funciones de inicialización de los módulos de CONTROL y MODELO GRÁFICO. simplemente pulsando sobre ellos. 3ULQFLSDO . Además en ella se mostrarán instrucciones. En la zona derecha inferior se proyecta la visión en perspectiva del ZLUHIUDPH que representa al modelo del robot.QIR Este menú contiene una única opción que da información acerca de la versión del entorno y los créditos del mismo. Bajo esta zona hay un botón deslizante que sirve para calibrar servos y variar la altura del robot. En la zona superior derecha hay un esquema que representa al robot y que se utilizará para seleccionar patas. A continuación se explica cada una de las opciones de los menuses del entorno. informes. El robot volverá a la posición de UHFRJLGR 70 . articulaciones e integrados. . etc.
71 . de 7'4 cm. $OWXUDSRUGHIHFWREstablece la altura por defecto. 1LFROLVLRQHVQLDMXVWHVnivel 0 de detección de errores. que pasará a rojo para indicar desactivación. 'HWHQFLyQWRWDOSRUFROLVLyQnivel 2. se deberán seleccionar las parejas chip-pata deseadas. El botón se puede mover de forma rápida (pulsando en su centro y moviendo el ratón lateralmente) o de forma más precisa (pulsando repetidamente en ambos extremos del botón). Para terminar la operación. 'HWHQFLyQWRWDOSRUFROLVLyQRDMXVWHnivel 3.2.1). se pulsa sobre el botón azul del deslizador. terminando al pulsar en el rectángulo rojo adyacente a la tarjeta. las patas sitúan hombros. Para seleccionar una asociación chip-pata se pulsa sobre el chip y luego sobre la pata.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX 0DSHDU FKLSV permite cambiar el mapeado de los i8253 de la tarjeta controladora.3. con un número en su interior que indica el nivel. $OWXUDURERWEsta opción permite especificar la altura del robot de tres formas: $MXVWHPDQXDOmoviendo el botón deslizador mediante el ratón. se varía la altura en centímetros. Este nivel aparecerá en forma de "led" en la parte derecha de la barra superior de menú. 'HWHQFLyQLQGLYLGXDOSRUFROLVLyQnivel 1. 1LYHO GH HUURU mediante esta opción se especifica el nivel en la detección de colisiones o ajustes de posiciones fuera de rango (ver 6. Una vez pulsada esta opción. A esta altura. codos y clavículas a 90 grados. siempre que esté entre los dos límites físicos (3'5 y 12'5 cm). $MXVWHQXPpULFRSe puede introducir una altura en décimas de centímetro.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX 9HU~OWLPRVHUURUHVda un listado explicativo de las causas que motivaron el cese en la ejecución del último movimiento.3). Resetea la tarjeta controladora (sitúa el robot en modo UHFRJLGR y deselecciona todos los i8253) y vuelve al DOS. Si hubo colisión entre patas. indica en qué articulaciones de qué patas se produjeron. En esencia. Si hubo ajustes de posiciones fuera de rango. Una vez seleccionada esta opción.3) $FWLYDURSWLPL]DFLRQHVllama a la función de activar optimizaciones en la detección de colisiones (ver 6. 'HVDFWLYDURSWLPL]DFLRQHVlibera la memoria ocupada por las tablas de optimización de la detección de colisiones. A continuación se mueve el botón deslizador siguiendo las instrucciones que aparecerán en la línea de mensajes. y luego sobre el segmento que es movido por la articulación a calibrar. &DOLEUDGR &DOLEUDU este menú permite calibrar manualmente servos individuales o varios servos. Si no hay memoria. 6DOLUGHOSURJUDPDtermina la ejecución del entorno. se debe pulsar sobre una pata del esquema del robot de la zona superior derecha de la pantalla.3.2. a ambos extremos.2.2. muestra la información que devuelve la función de ejecución de un superplan (ver 6. Bajo la ranura del deslizador. Depende de la subopción que se escoja: $UWLFXODFLyQpara calibrar un servo solamente. indica cuáles estuvieron implicadas. no se activan. aparecen 72 .
'HILFKHURpara editar el calibrado que haya grabado en un fichero en disco. Éstos son 600 y 2600 microsegundos. $FWXDOpara editar el calibrado que haya en memoria en ese momento. &DUJDUFDOLEUDGRcarga un calibrado desde disco e inicia el robot con ese calibrado. No afecta al calibrado cargado en memoria. 73 .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX los dos valores límite para el ancho del pulso positivo de la onda PWM que se está mandando al servo. 5RERWcomienza directamente un bucle en el que llama a la opción anterior para cada pata. (GLWDUFDOLEUDGReste submenú permite modificar mediante teclado los valores de calibración de los servos. por lo que cualquier modificación del mismo afectará a ambos. Es de notar que el calibrado activo en cada momento es el mismo para el robot que para el modelo. *UDEDU FDOLEUDGR permite grabar en fichero el calibrado que actualmente tiene el robot. 3DWDpide que se seleccione una pata y luego entra en un bucle para calibrar (de la misma forma que la opción anterior) cada articulación de esa pata.
El desplazamiento se realiza a lo largo de la línea de visión (la línea en la que estamos mirando). se verá al modelo desde arriba. Se puede desplazar y cambiar de orientación en el espacio. mirando hacia su sentido negativo. Es la vista por defecto. los rectángulos límite y un triángulo de apoyo. Es decir. Las opciones que tiene son: )UHQWHSDWD)UHQWHSDWDcambia la posición y orientación de la cámara para situarla frente a la pata deseada. La orientación se cambia modificando los tres ángulos que la definen: el JLUR hará rotar la cámara alrededor de su línea de visión. 74 . y la SDQRUiPLFD es como el homónimo cinematográfico: moverá la imagen hacia ambos lados. que explican cómo mover la cámara mediante el teclado.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX (MHFXFLyQ &iPDUD mediante este menú se puede variar la vista del modelo del robot. Aparte de la modificación del estado de la cámara. 9LVWDVXSHULRUsitúa la cámara sobre el eje OZ del sistema R. hacia adelante o hacia atrás. el FDEHFHRhará mirar hacia arriba y hacia abajo. mediante esta opción se pueden escoger los elementos que se mostrarán del modelo: el esqueleto (siempre aparece). $MXVWHPDQXDOal activar esta opción aparecerán unas breves instrucciones en la zona izquierda de la pantalla.
3.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX 9HUSRVLFLRQHVeste submenú permite ver las coordenadas articulares y cartesianas del robot o del modelo. El destino que se seleccione aparecerá en la barra superior como un "led". (ver 6.2) 5HSRVRlo vuelve a poner UHFRJLGR &DPELRGHDOWXUDpermite cambiar la altura del robot directamente. La dirección y la distancia se dan moviendo el ratón hasta obtener los valores adecuados. 0RYLPLHQWRV este submenú contempla los movimientos predefinidos por el software: 6LWXDUDUWLFXODFLyQpara especificar numéricamente (en grados) la posición que se desea que tome una articulación concreta.1. este submenú realiza el direccionamiento de órdenes hacia modelo y/o robot. /HYDQWDPLHQWRpone al robot en pie. En la zona de proyección del modelo aparecerá una vista superior del mismo (muy simplificada) sobre la que se situará el vector cuya orientación equivalga a la dirección de avance y cuya longitud sea proporcional a la distancia a recorrer. 75 .muestra en la zona izquierda las del robot. haciendo que éste descienda o ascienda hasta alcanzarla partiendo de la posición HQSLH $YDQFHhace que el robot ande en cierta dirección una distancia especificada. 'HO6LPXODGRUmuestra las del modelo. que previamente habrá que seleccionar. &RQH[LyQ FRQ5+(. 'H5+(.
cualquier movimiento puede ser interrumpido pulsando la tecla ESCAPE. 76 .2). ya que intercala los cálculos del modelo gráfico. Al finalizar el movimiento aparecerá a la izquierda la información referente a las causas de su terminación. de color rojo si van al robot y de color amarillo si van a ambos. En cualquier caso. En su interior aparecerá un signo de admiración si las órdenes afectan al robot. las patas del esquema de selección de patas (zona superior derecha de la pantalla) se iluminarán si sus respectivos pulsadores están activos (pulsados). (MHFXWDUHQ5+(. 9LVXDOL]DUSXOVDGRUHVesto es un test de prueba que se detendrá pulsando cualquier tecla. (MHFXWDUHQDPERVlos movimientos serán enviados a ambos. Durante el mismo.2.1. (MHFXWDUHQ6LPXODGRUlos movimientos se efectuarán en el modelo solamente. 5HFXSHUDUHVWDGRVLPXODGRUrecupera la situación que se guardó por última vez.los movimientos se efectuarán sólo en el robot. Esto enlentece el movimiento del robot. *UDEDUHVWDGRVLPXODGRUalmacena la situación actual del modelo en memoria (ver 6.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Entorno de usuario RHEX de color verde si las órdenes van al modelo.
-Constatación de la linealidad en la velocidad y de la magnitud de la misma. conectada a la tarjeta I/O 8255. Esto dio como resultados: -Constatación de la linealidad en el posicionamiento. -Diseño del método de calibración de servos y de un primer prototipo software para el mismo.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Pruebas y Resultados 3UXHEDV\5HVXOWDGRV Se hicieron distintas pruebas desde el mismo comienzo del proyecto. -Diseño del primer núcleo software. capaz de enviar a un servo la onda que lo haría mantenerse en la posición deseada. generaría la PWM programable. que sólo contenía un i8253 y una sencilla lógica que permitía seleccionar uno de los registros del mismo. hasta culminar en el movimiento de avance del robot ya construido. fue la que evolucionó durante el diseño posterior hacia lo que es la actual WDUMHWDFRQWURODGRUD 77 . Esta tarjeta. 3UXHEDVGHXWLOL]DFLyQGHVHUYRV Una vez conocida la forma de la onda que haría posicionarse al servo. se diseñó una pequeña tarjeta que. A continuación se explica cada una de ellas.
De estas pruebas se sacaron la siguientes conclusiones: -Este diseño de pata sufría holguras excesivas. Posteriormente se mejoró este diseño de pata hasta llegar a la pata definitiva. y no interpolaciones cartesianas. mucho más compacta pero sin una pérdida demasiado grande de espacio de trabajo ni de fuerza. Se hizo un pequeño programa que movía la pata simulando que caminaba. siempre que se utilizaran en la mayor parte de los mismos posicionamientos articulares. -El material empleado para la pata (aluminio de 1 mm de espesor recortado manualmente) resistía perfectamente los esfuerzos a que era sometido. Puesto que la tarjeta de control que se montó para hacer pruebas con los servos era capaz de enviar órdenes a tres a la vez (los relojes de 2 MHz y 50 Hz los tomaba de la tarjeta de E/S) se usó para hacer pruebas con este primer diseño de pata. -La velocidad de movimiento de los servos era aceptable para ser utilizados en movimientos más complejos.2 se puede ver la primera pata que se construyó. -La fuerza que eran capaces de desarrollar los servos podría sostener a un robot completo. 78 .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Pruebas y Resultados 3ULPHURVGLVHxRVGHSDWD En la figura 4.
y una vez implantado el núcleo del entorno RHEX. -Diseño del método definitivo de detección de colisiones. que no han sufrido modificaciones importantes desde entonces. lo que permitió a su vez diseñar el método de avance del robot. para más tarde llegar al método de los rectángulos límite.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Pruebas y Resultados 3UXHEDVFRQHOPRGHORGHOURERW Se hizo un programa que contenía el núcleo básico de lo que después serían los módulos del MODELO SIMPLIFICADO y MODELO GRÁFICO. Inicialmente se utilizó un método basado en prismas. -Diseño de métodos de simplificación de los cálculos en la proyección en perspectiva del esqueleto del modelo. se diseñaron los movimientos estratégicos del robot. -Cálculo y representación gráfica de las fronteras de las áreas totales de barrido de las patas. 79 . Posteriormente. Mediante el mismo se obtuvieron los siguientes resultados y conclusiones: -Necesidad de un módulo de planificación para poder ejecutar en pseudoconcurrencia tareas complejas del robot.
que ya tenía conectados los 7 i8253.) 80 .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Pruebas y Resultados 3UXHEDVFRQODVWDUMHWDVGH(6 Con el robot ya construido. extraída de un ordenador PC. /DVIXHQWHVGHDOLPHQWDFLyQ En las primeras pruebas de movimiento con todas las patas (ya se habían implantado las funciones de movimiento estratégico y se habían probado sobre el modelo) se alimentaron los servos con una fuente conmutada. se intentó programarlo a través de la tarjeta I/O 8255. Hasta ese momento. La programación de la PC-LabCard no dio mayores problemas. que es capaz de manejar ésta y la PC-LabCard. El cambio en la carga hacía que ésta se apagara continuamente. -Obtención del pico de corriente de los mismos al efectuar movimientos con distinta duración (0'75 A aprox.1. que es la que se usó en el diseño final. con lo que se optó por una fuente lineal. También se usó una de este tipo para alimentar la tarjeta controladora. Por ello se creó el módulo de TARJETAS. Ésta dio los problemas señalados en la tabla 5. todas las pruebas se habían realizado con la I/O 8255. aunque todavía alimentado desde el ordenador y con pilas de NiCd recargables. Las pruebas realizadas de movimiento llevaron a varias conclusiones y resultados: -Obtención del consumo de los servos (no más de 3'5 Amperios con los 18 servos activos).
81 . Ello llevó a modificar el movimiento para que actuaran a la vez las 6 patas del robot. el movimiento de levantamiento se realizaba con 3 de las patas (las pares). pero el consumo (= esfuerzo) de los servos medido por la propia fuente que los alimentaba era demasiado grande.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Pruebas y Resultados Así mismo. se perfeccionaron ciertos detalles en los algoritmos de movimiento. al principio. Por ejemplo.
"bigotes de gato" (para la detección de choques). y todo con un menor esfuerzo del programador. sobre todo los del nivel EJECUTIVO. tan amplios como el presente.Ï1Posibles opciones son: pulsadores más precisos y sensibles. sino en la necesidad de mantener la orientación del cuerpo del robot constante mientras anda. aunque esto último supondría un mayor esfuerzo de programación. sensores infrarrojos (para la detección del movimiento) e incluso cámaras miniatura. El movimiento sería mucho más exacto y más flexible.Ï1'(6.&.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Conclusiones 0HMRUDV\IXWXUDVOtQHDVGHGHVDUUROOR Debido a la amplitud del proyecto. A continuación se enumeran las más obvias: -&. -$'. muchas ideas que han surgido durante su desarrollo no se han podido llevar a cabo. no sólo en la interpretación de las imágenes.1$5 Sería interesante implantar un módulo que sustituyera al de MOVIMIENTO y que permitiera moverse al robot 82 .Ï1 '( 27526 02'26 '( &$0. Ello llevaría a la inclusión de giróscopos. -352*5$0$&.(55('(/%8&/( '(&21752/ El efectuar lecturas de las posiciones de los servos provocaría una simplificación enorme en la programación de todos los módulos. buscador de norte. sensores de fuerza en los extremos de las patas.67(0$6'(3(5&(3&. Algunas de ellas son de tal extensión que podrían dar lugar a otros proyectos completos.
83 . Se necesitarían módulos de más alto nivel que el de MOVIMIENTO. -'(6$552//2 '( $872120Ë$ El hacer a RHEX autónomo le daría una nueva dimensión a todo el software.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Conclusiones según distintos "JDLWV". si no se utilizan EPROMs). existente actualmente en el mercado. así como algoritmos para moverse por entornos no uniformes (rugosos. el hardware debería ser apropiadamente adaptado para este cometido: la estructura del robot debería ser reforzada y redistribuidos sus componentes. ya que habría que situar fuentes de alimentación (preferentemente baterías) y tarjetas más complejas sobre ella (por ejemplo: una placa madre de pequeño tamaño. Además. blandos o deformables. encargados de planificar trayectorias que posiblemente contemplarían la detección de obstáculos. junto a una disquetera para cargar los programas. etc). con obstáculos. inclinados.
84 . Estos servos ejercen una fuerza de 3'0 Kg/cm y tardan 0'22 seg. en moverse 60º. 0’7 cm 4 cm 1 cm 0’7 cm 0’4 cm 0’5 cm 0’3 cm 0’2 cm 2’8 cm $ O ]D G R 3HUILO 0’5 cm 2 cm 0’5 cm 1 cm 3ODQWD Figura A.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice A:Servos de Radiocontrol $3e1'. Las dimensiones de los escogidos se pueden ver en la figura A.1: Dimensiones de los servos de RHEX.1. $$VSHFWRVPHFiQLFRV Existen multitud de modelos de servos para radiocontrol.&($ Servomecanismos de Radiocontrol En este apéndice se muestra una descripción completa de los servos utilizados en la construcción de RHEX.
5 microsegundos (correspondientes a decrementos de 1 unidad en la palabra de cuenta). ya que esta longitud estará comprendida entre 20000 (F=40000) y 7232 (F=0. la duración es proporcional a la posición absoluta que deberá tomar el eje. En el caso de los servos. Esto no es de ninguna utilidad. F>=40000). 85 . Este formato es una variante de una onda cuadrada que se diferencia de ésta en que la duración del pulso positivo (o negativo) es variable.5 microsegundos (para un valor de la palabra de cuenta de 39999) y 19999. que es equivalente a 65536). cuya longitud es de 40000-F*0. La resolución obtenida en la longitud del ancho positivo de la PWM depende del reloj base de los contadores. manteniendo siempre la misma frecuencia. mayor velocidad y fuerza en la respuesta. Dado que la señal JDWHno afecta al contador mientras éste no termine su cuenta.5 microsegundos (para una palabra de cuenta de 1). se pueden enviar pulsos positivos de anchura comprendida entre 0. que en realidad es 65536) microsegundos. de 2 MHz. estos casos "degenerados" provocan pulsos positivos anormales.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice A:Servos de Radiocontrol $$VSHFWRVHOHFWUyQLFRV Los servos trabajan con un rango de alimentación relativamente amplio (desde unos 5 voltios hasta 8 voltios. Esta duración codifica el dato que porta la onda. No es recomendable utilizar valores de la palabra de cuenta superiores a 39999 (ni 0. a incrementos de 0. aproximadamente). ya que hacen que la duración del pulso negativo alcance o supere los 20 milisegundos. El posicionamiento se realiza enviando al servo una onda digital con formato PWM (3XOVH:LGWK0RGXODWLRQo PRGXODFLyQGHODQFKRGHOSXOVR). que es el período básico de la onda PWM de 50 Hz.5 microsegundos (donde F es la palabra de cuenta. Con el que se ha utilizado. A mayor voltaje de alimentación.
86 . Las duraciones típicas del pulso positivo de la PWM que admiten los servos utilizados están entre 600 y 2600 microsegundos aproximadamente. de 40 milisegundos (25 Hz). valores a los cuales los cálculos anteriores se adecúan perfectamente.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice A:Servos de Radiocontrol valores abarcados por los casos "no degenerados". y además hacen que la onda PWM cambie su período por otro mayor.
87 1 cm 3HUILO .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice B: Estructura mecánica (I) $3e1’.taladros para paso de ejes de 4 mm. Los tres segmentos y sus medidas exactas son mostrados en las figuras siguientes.&(% Estructura mecánica de RHEX (I): patas Las tres piezas que se ensamblan para formar una pata de RHEX se han fabricado en aluminio de 1 mm de espesor. Se han recortado manualmente de ángulos en "L" de este metal para dotarlas de mayor resistencia. SEGMENTO 0 (Hombro) 0’5 cm 0’5 cm 3’5 cm 2 cm 3’5 cm 2’5 cm 2 cm 1 cm 0’5 cm 2’5 cm 5’7 cm 1’5 cm 0’5 cm 4 cm 1’25 cm 1 cm 6’2 cm $O]DGR 3ODQWD 3HUILO SEGMENTO 1 (Brazo) 1 cm 0’7 cm 9’5 cm 4 cm 2 cm 9’5 cm 1’9 cm 2’5 cm 0’4 cm 0’9 cm 1’5 cm 0’5 cm 0’5 cm 2’5 cm 1’25 cm 0’7 cm 3HUILO 3ODQWD $ O ]D G R SEGMENTO 2 (Antebrazo) 7 cm 0’5 cm 1 cm 0’5 cm 3’4 cm 2’7 cm 1 cm 1’5 cm 1’7 cm 9 cm 6RSRUWHGHSXOVDGRUHV 1 cm 3’4 cm 0’5 cm 4 cm 4 cm 1 cm 1 cm 1 cm 0’5 cm 5’5 cm 2’5 cm 1 cm 0’5 cm 0’5 cm 3ODQWD $O]DGR Nota: taladros de sujeción de 4 mm de diámetro.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice C: Modelo simplificado $3e1'. El modelo que realmente 6HJPHQWR%5$=2.&(& Modelo simplificado de RHEX A continuación se muestran los sistemas de referencia y las medidas más importantes del modelo de RHEX basado en prismas (uno por cada segmento).
6HJPHQWR+20%52.
YA 6HJPHQWR d2 d3 d1 d5 d7 d9 ZA ZB d4 d8 d6 $UWLFXODFLyQ XA & O D Yt F X O D . &XHUSR5+(.
$UW +RPEUR.
XB YB Zr 6HJPHQWR$17(%5$=2.
Yr Xr Za d13 Rot ación de The ta en Zr d14 Ya 6HJPHQWR d10 d12 ZC p Rot ación de The ta1 en Zr Xa Xb d11 Zb Rotación de The ta 2 en Ya Yb $UW &RGR.
Zc Rota ción de Theta 3 e n Yb XC Yc Xc YC 88 .
siguiendo la notación de Craig. en el que cada segmento se representa por un eje correspondiente a la articulación que lo mueve y una línea que representa el segmento en sí. además del ángulo 7KHWDS que hay que rotar el sistema R para alinear su eje X con el eje X del sistema A. que es incluído en los programas que lo requieran previamente a la compilación. Las transformaciones homogéneas que pasan de un sistema de referencias a otro se dan a continuación.DEF. 3DVRGHOVLVWHPD$DO5R c(tp-t1) s(tp-t1) 0 -d2c(tp-t1)-d3s(tp-t1)+R.cp T= A 0 1 1 -d1 0 0 0 1 3DVRGHOVLVWHPD%DO$A B T= c2 0 s2 -d7c2-d8s2+d5 0 1 0 -d6+d4 -s2 0 c2 d7s2-d8c2+d9 0 0 0 1 89 . En la figura anterior se pueden ver los prismas que representan a cada segmento. Las medidas especificadas junto a los mismos se hallan en el fichero MEDIDAS. el segmento 1 el "B" y el segmento 2 el "C").cp -s(tp-t1) c(tp-t1) 0 d2(tp-t1)-d3c(tp-t1)-R.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice C: Modelo simplificado se usa es una simplificación de éste. El cuarto diagrama muestra los ángulos necesarios para pasar de un sistema de referencias a otro (cada segmento tiene asociado un sistema de referencias: el segmento 0 el "A".
"t" equivale a "Theta" y "R" es el radio del cuerpo de RHEX.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice C: Modelo simplificado 3DVRGHOVLVWHPD&DO%B C T= c3 0 s3 -d10c3-d11s3+d13 0 1 0 d12 -s3 0 c3 s3d10-c3d11+d14 0 0 0 1 Las letras "s" y "c" indican senos y cosenos de los ángulos Theta correspondientes a sus subíndices. 90 .
&(’ Estructura mecánica de RHEX (y II): el cuerpo En el esquema inferior se muestra el plano de la planta del cuerpo de RHEX. recortando las ventanas apropiadas para insertar los servos de las clavículas.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice D: Estructura mecánica (y II) $3e1’. Éste se hace de una sóla pieza sobre una plancha de aluminio de 1 a 2 mm de espesor. 91 .
A continuación se ofrece un resumen de la hoja de datos del integrado. -Varios modos de programación de los contadores. -Alimentación de 5 v. -Divisor de frecuencias. -Cuentas binarias o en BCD.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice E: Descripción del i8253 $3e1'. 92 . -Señales compatibles TTL.&(( Descripción del i8253 El integrado i8253 tiene las siguientes características generales: -Tres contadores decrementales independientes de 16 bits. -Reloj de tiempo real. Algunos de los usos más típicos del i8253 son los siguientes: -Generador de ondas de frecuencia programable. en el que se destacan los puntos más interesantes. )XQFLRQHV El i8253 es un elemento multi-temporizador de propósito general que puede ser tratado como una "caja negra" desde el software del sistema. -Contador de eventos. -Entrada de reloj de frecuencia comprendida entre 0 y 2'6 MHz.
previamente seleccionado. de 8 bits). salida (latcheada) y en alta impedancia (chip deshabilitado). Pueden estar en tres estados: entrada (escritura o programación del chip). /HFWXUDUn nivel bajo en esta patilla hará aparecer en el bus el dato contenido en uno de los buffers de uno de los contadores. (VFULWXUDUn nivel bajo en esta patilla hará que el dato del bus sea escrito en uno de los registros internos (3 buffers para los contadores. cada uno de 16 bits.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice E: Descripción del i8253 -Generador de pulsos. No se permite leer el registro de control. 3DWLOODV %XV GH GDWRV son 8 líneas bidireccionales. $$ Q GH UHJLVWUR. y el registro de control. -Controlador complejo de motores.
 Especifican (tanto en lectura como escritura) el registro al que se accederá: $ $ 5HJLVWUR 0 0 Buffer contador 0 0 1 Buffer contador 1 1 0 Buffer contador 2 1 1 Registro de control &KLSVHOHFWMientras esta patilla permanezca a nivel bajo. las operaciones de E/S con el i8253 estarán bloqueadas (bus de datos en alta impedancia). 93 .
1 0 Idem para el byte más significativo. Internamente contiene 18 bits. el modo de lectura del mismo y si éste es binario o BCD. 0 1 Sólo se enviará o recibirá el byte menos significativo de la palabra de cuenta.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice E: Descripción del i8253 &RPSRQHQWHV 5HJLVWUR GH FRQWURO Almacena la configuración del chip: define el modo de operación de cada contador. pero éstos sólo se pueden escribir mediante un dato de 8 bits. Este dato tendrá el siguiente formato: 6& 6& 7 6 5/ 5/ 5 4 0 0 0 %&' 3 2 1 0 6&y 6&especifican el nº de contador al que se refiere la información restante: 6& 6& QFRQW 0 0 0 0 1 1 1 0 2 1 1 no usado 5/y 5/especifican el modo de lectura/escritura de los buffers de los contadores: 5/ 5/ 0RGRGHOHFWXUDHVFULWXUD 0 0 La palabra de cuenta será latcheada para que las operaciones de lectura o escritura no influyan en el funcionamiento del contador. 94 .
En caso de que contenga 1.0 y 0 especifican el modo del contador (ver siguiente apartado).QWHUUXSFLyQDOILQDOGHODFXHQWD. Esto da un rango de cuenta entre 1 y 10000 (=0) ). %&'indica si está a 0 que la palabra de cuenta estará en binario (de 1 a 65536 (=0) ).DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO 1 1 Apéndice E: Descripción del i8253 Primero deberá estar en el bus el byte menos significativo de la palabra de cuenta. y en la siguiente operación. 0RGRVGHSURJUDPDFLyQGHORVFRQWDGRUHV 0RGR. uno por byte. Cualquier valor binario de estos 3 bits superior a 5 (101) no será válido. la palabra de cuenta estará en BCD sin compactar (4 dígitos. el más significativo. 0.
la salida del mismo será baja y comenzará a contar (decrementará en 1 su palabra de cuenta a cada pulso del reloj de entrada.Al programar un contador en este modo o al recargar su palabra de cuenta. Al llegar al final de la cuenta la salida se cambiará a alta y permanecerá así hasta una nueva reprogramación o recarga. que está en la patilla CLK del contador). 0RGR  3XOVR ~QLFR SURJUDPDEOH.
Así. éste puede redispararse con otro flanco similar. excepto que el evento que provoca el inicio de la cuenta es un flanco de subida en la señal JDWH del contador. Igual al anterior. sin necesidad de recargar la cuenta. 0RGR'LYLVRUGHIUHFXHQFLD.
Generará a la salida una onda de frecuencia divisora de la frecuencia de la onda de entrada. dará señal baja durante tantos pulsos del reloj de entrada como indique la palabra de cuenta. Al comienzo de cada período. y luego dará salida alta 95 .
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice E: Descripción del i8253 durante el mismo tiempo. Mandando un flanco de subida por la señal JDWH del contador se obligará al contador a recomenzar la cuenta. 0RGR*HQHUDGRUGHRQGDFXDGUDGD.
y el resto en estado alto. salvo que la onda de salida permanecerá en estado bajo sólo la mitad de la palabra de cuenta. 0RGR  3XOVR GLVSDUDGR SRU VRIWZDUH.Igual al anterior.
Cuando ésta llegue a 0. 0RGR3XOVRGLVSDUDGRSRUKDUGZDUH. éste comenzará dando salida alta y permanecerá así mientras decrementa la palabra de cuenta. dará salida baja durante un pulso del reloj de entrada y luego volverá a dar señal alta hasta una nueva reprogramación o recarga de la palabra de cuenta. Al cargar la palabra de cuenta o al reprogramar el contador.
Igual al anterior. pero el evento que dispara la cuenta es un flanco de subida en la señal JDWH. Por ello. 96 . es redisparable.
La misión de ésta es mapear los pines de los conectores de la LabCard a los pines del conector de la controladora. F. Para conectar ésta a la PC-LabCard. responsable de generar y mantener las consignas a los servos. Fig.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice F: Electrónica $3e1'. se diseñó la tarjeta PDSHDGRUD. además de regenerar el reloj de la misma a través de un integrado 74LS00.&() Electrónica de control En este apéndice se dan los esquemas eléctricos de las tarjetas diseñadas definitivamente para RHEX (hubo versiones previas como se ha comentado anteriormente en la memoria). Ambos circuitos se diseñaron con el Orcad/SDT y Orcad/PCB.: Esquema eléctrico de la tarjeta PDSHDGRUD 97 . La principal es la tarjeta FRQWURODGRUD.1.
F.2: Esquema eléctrico de la tarjeta FRQWURODGRUD 98 Apéndice F: Electrónica .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Fig.
mientras que las patillas {27 -> A0. 16. 14. existiendo un bus en los pines {24. $$bus de selección de registro. *1'las patillas 37 y 39 deben estar conectadas a la tierra de la tarjeta. 2 -> A1} pertenecen al bucle de verificación de señales. 21. 20. El valor binario que contenga es decodificado para seleccionar (enviar una señal CS baja) el i8253 deseado (valores válidos desde 0 a 6. con lo que los servos dejan de recibir ondas PWM y no ejercen fuerza. El primero de ellos se utiliza como EXFOHGHYHULILFDFLyQGHVHxDOHV (ver 5. 0 es el integrado generador de la señal cuadrada de 50 Hz y 1. 22. Debe generarse un pulso bajo por esta patilla con una duración mínima de unos 200 ns para escribir el contenido del bus de datos en el registro seleccionado con $$ del integrado seleccionado con 66.1. Está duplicado.2) y el segundo para el envío de los datos desde el ordenador. &/. 9}. Especifica un nº de registro dentro del i8253 escogido con el bus de selección de integrado. 13. Está duplicado como el bus de datos. :5 señal de escritura.Un cero en esta patilla inhabilita el reloj de 2MHz de la tarjeta. 4 -> A1} son el propio bus de selección de registro.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice F: Electrónica El conector &1 de la controladora tiene el siguiente patillaje: '': bus de datos. 10} y otro en {23. 19.reloj de 2MHz generado externamente.. Las patillas {1 -> A0. 11. (B&/. 33bus de pulsadores. 12. 15. 18.6 son los integrados asociados a cada una de las patas). 99 . 66bus de selección de integrado. 17.
El pin marcado con Yproporciona el voltaje de los servos (y un amperaje recomendado mínimo de 5 A) y el marcado con Y proporciona alimentación a los integrados (amperaje recomendado de 1 A). Los conectores &1a &1son para los servos de cada pata (cada uno para los tres servos). 100 .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice F: Electrónica El conector &1 da la alimentación a la tarjeta y a los servos del robot. independientemente de su polaridad. Los conectores hembra de los servos deben seguir el esquema siguiente: +7v GND Señal PWM Los jumpers -3a -3son para conectar los pulsadores (un pin a cada extremo del pulsador).
divididos en grupos (A y B) y registros (A. aunque en realidad no es estables en ordenadores PC de gama alta (386 y superiores).DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice G: Tarjeta I/O 8255 $3e1’. -Una señal de reloj teórica de 2'386333 MHz. ha sido preferible utilizar la tarjeta PCLabCard PCL-812PG: -Reloj dependiente del resto del hardware del ordenador. aunque éstos no son indispensables. -Display interno compuesto de 16 leds indicadores del estado de algunas líneas de E/S digitales. 101 . -Mapeado inadecuado de los pines de los conectores.&(* Descripción de la tarjeta de E/S I/O 8255 Esta tarjeta comercial de E/S tiene las siguientes características generales: -Un integrado i8253 cuyos tres contadores están disponibles para su programación.B y C) para cada integrado. Debido sin embargo a los problemas que se enumeran a continuación. -Distinto comportamiento del reloj de la tarjeta dependiendo del modelo de ordenador en el que se instala. -Dos integrados i8255 que proporcionan entre ambos 48 bits de E/S. -No dispone de conversores A/D.
-Rango de las señales analógicas entre -5v y +5v. -Un dispositivo i8253 con 1 contador libre para el usuario.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice H: Tarjeta PC-LabCard $3e1'. Tiempo de establecimiento del dato del conversor D/A de 30 µseg. 102 . &DUDFWHUtVWLFDVSULQFLSDOHV -16 entradas analógicas con conversores A/D de resolución 12 bits. -16 bits de entrada digital compatible TTL. -2 salidas analógicas con conversores D/A de resolución 12 bits. -Conversores A/D por aproximaciones sucesivas y D/A por multiplicador monolítico. -Reloj interno accesible de 2 MHz. Velocidad de conversión A/D máxima de 30 KHz. -16 bits de salida digital compatible TTL. interrupción o DMA.&(+ Descripción de la tarjeta de E/S PC-LabCard A continuación se ofrece una descripción general de las funciones de esta tarjeta utilizadas por el software de comunicación con RHEX. -Transferencia de datos analógicos por espera activa.
donde BASE es por defecto 0x220. Los 16 bits de entrada digital se leen de los puertos BASE+8 y BASE+9. análogamente al caso anterior. 103 .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice H: Tarjeta PC-LabCard &DSWXUD\HQYtRGHGDWRVGLJLWDOHV Los 16 bits de salida digital se envían a los puertos BASE+13 y BASE+14. El primero de ellos recibirá el byte bajo (bits de salida 0 al 7) y el segundo el alto (bits de salida 8 al 15).
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática $3e1'. Theta1 Zr=Zo L1 60º SDWD. Desarrollo de las fórmulas cinemáticas para una pata La notación.&(. se especifican gráficamente en la figura. numeraje de las patas y ángulos de las articulaciones. sistemas de referencia.
A R Z1 Yr Yo Theta2 L2 Xr SDWD.
Xo Theta3 Y1 Z3 Z2 X3 Z4 Y2 L3 SDWD.
se ven los sistemas de referencias asociados a cada articulación de una pata. A la derecha se ven los ángulos de las articulaciones (en sus sentidos positivos) y las dimensiones de cada una. que modela las de una pata de RHEX: α L D L G L WKHWD DUW 0 R -A t1 DUW -90º L1 D1 t2 DUW 0 L2 D2 t3 DUW 0 L3 0 0 104 L . Siguiendo la forma de describir articulaciones dada por Craig. X4 D1 D2 A la izquierda. obtenemos la siguiente tabla.
podemos obtener las siguientes matrices de transformación homogéneas que pasan de uno a otro: 3DVRGHOVLVWHPDDO5R 0 cα -sα 0 0 sα cα 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T= Donde D QGHSDWDGHD.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática Mediante una observación cuidadosa de los sistemas de referencias.
.
grados. 3DVRGHOVLVWHPDDOVLVWHPD0 1 T= ct1 -st1 0 R st1 ct1 0 0 0 0 1 -A 0 0 0 1 ct2 -st2 0 L1 0 0 1 D1 -st2 -ct2 0 0 0 0 0 1 3DVRGHOVLVWHPDDOVLVWHPD1 2 T= 105 .
106 .s1-sα.c1 cα.c1s23+sα.c1s23-cα.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática 3DVRGHOVLVWHPDDOVLVWHPD2 3 T= ct3 -st3 0 L2 st3 ct3 0 0 0 0 1 D2 0 0 0 1 3DVRGHOVLVWHPDDOVLVWHPD3 4 T= 1 0 0 L3 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Componiendo todas estas matrices.s1s23 sα.s1+cα. se pueden deducir las ecuaciones de la cinemática inversa de una pata.c1 sα.c1c23-sα.m1-sα.m1+cα.s1s23 -cα.s1c23 sα.s1c23 -cα.m2 -s23 -c23 0 -s23L3-s2L2-A 0 0 0 1 Donde: m1 = c1(c23L3+c2L2+L1)-s1(D2+D1)+R m2 = s1(c23L3+c2L2+L1)+c1(D2+D1) Partiendo de esta matriz. se obtiene la matriz de cinemática directa.c1c23+cα.m2 sα. que pasa del sistema 4 al sistema R: R T= 4 cα.
pueden pasarse al 0 con 0RT.]. se puede calcular la cinemática inversa hasta el sistema 0 y no el R. estas coordenadas deben cumplir las igualdades: x = c1a1-s1a2+R y = s1a1+c1a2 (I) z = a3-A donde se conocen [. &iOFXORGHOYDORUGHODFODYtFXOD De la última matriz se deduce que. que es R0T-1).\. Se puede hacer la simplificación: x' = x-R. a partir de la posición del extremo de la pata.$ y 5. que junto con (I) da el sistema: 107 . La matriz que pasa del sistema 4 al 0 es: 0 4 T= c1c23 -c1s23 -s1 m1 s1c23 -s1s23 c1 m2 -s23 -c23 0 -s23L3-s2L2-A 0 0 0 1 La cinemática inversa consistirá en.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática Para simplificar cálculos. y además. dado un vector con las coordenadas del extremo de la pata en el sistema 0 (si se tienen en el sistema R. a2 = D1+D2 y a3 = z+A. calcular los valores que deben mandarse a las tres articulaciones de la misma para que ésta se sitúe en esa posición.
a22 que permite calcular a1. elevando al cuadrado y sumando.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática x’ = c1a1-s1a2 (II) y = s1a1+c1a2 (III) que. con lo que queda: x'' = x'/n = c1a1/n-s1a2/n = c1cb-s1sb = c1b y'' = y/n = s1a1/n+c1a2/n = s1cb+c1sb = s1b 108 . se pueden dividir (II) y (III) por n. Una vez hecho esto. lleva a: x’2+y2 = a12 + a22 de lo que se deduce: a1 = Si se hace: n=| x’2 + y2 . a12 + a22 | se puede suponer que: a1/n = cb a2/n = sb y de ahí: b = Atan2(a2/n. a1/n) ya que se han normalizado a1 y a2.
y de ahí t1 = Atan2(y''. La solución a este sistema es: t1 + b = Atan2 (y''.x'') .DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática Según la notación de Craig.x''). c1b = cos(t1+b) y s1b = sen(t1+b).9. a1/n) .Atan2(a2/n.
y. &iOFXORGHORVYDORUHVGHOKRPEUR\FRGR Se partirá de las dos ecuaciones: a3 = -s23L3-s2L2 a1 = c23L3+c2L2+L1 donde las incógnitas son t2 y t3. ya que los valores de a1 y a3 han sido calculados anteriormente y las Li son constantes. que da el valor que debe tener la primera articulación de la pata (clavícula) para situar el extremo de la misma en la posición (x. Se puede transformar este sistema en el siguiente: a1' = a1-L1 = c23L3+c2L2 a3' = -a3 = s23L3+s2L2 109 .z).
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática Expandiendo este sistema. queda: a1’ = c2c3L3-s2s3L3+c2L2 = (c2c3-s2s3)L3+c2L2 (V) a3’ = s2c3L3-s3c2L3+s2L2 = (s2c3+s3c2)L3+s2L2 (VI) Elevando al cuadrado y sumando ambas ecuaciones se obtiene: a1’2+a3’2 = L32+L22+2c3L3L2 de la que se puede despejar t3: t3 = cos-1[ (a1’2+a3’2-L32-L22)/2L3L2 ] 9.
Las ecuaciones (V) y (VI) pueden reestructurarse: a1’ = (L3c3+L2)c2+c2L2-s2s3L3 a3’ = (L3c3+L2)s2+s3c2L3 Para solucionar este sistema (la incógnita es ahora t2) se pueden hacer las siguientes equivalencias: K1 = L3c3+L2 K2 = s3L3 = 1-c32 L3 110 .
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Apéndice I: Cinemática con lo que el sistema quedaría: a1' = c2K1-s2K2 a3' = s2K1+c2K2 y si se hace: n = | K12+K22 | la solución es: t2 = Atan2(a3'/n. a1'/n) . K1/n) 9.Atan2(K2/n.
9. mediante las fórmulas . Así.
y 9.
111 . se pueden obtener los valores de los ángulos de las articulaciones de una pata para situar su extremo en unas coordenadas determinadas.
Nagy: $WWLWXGHDQGDOWLWXGHFRQWUROIRUDQRYHOOHJJHGURERW Part of the Doctoral Qualifying Examination. Welling: 5HDO7LPHV\VWHPVDQGWKHLUSURJUDPPLQJODQJXDJHV Addison-Wesley. 1990 P.N. Lee: 5REyWLFDFRQWUROGHWHFFLyQHLQWHOLJHQFLD McGraw Hill. of the IEEE International Conference on Systems Engineering.1991 S.DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT HEXÁPODO Bibliografía %. C.%/. Fu. Karastoyanov: &RQWURORIDTXDGUXSHGZDONLQJURERW INCOM'89 112 . 1990 D. Burus.1988 A. S.2*5$)Ë$ John J. 1988 Sandler: 5RERWLFVGHVLJQLQJWKHPHFKDQLVPVIRUDXWRPDWHGPDFKLQHU\ Prentice Hall. 1989 K. G. D.QWURGXFWLRQWR5RERWLFV0HFKDQLFV	&RQWURO Addison-Wesley. S. Bennet: 5HDO7LPHFRPSXWHUFRQWURODQLQWURGXFWLRQ Prentice Hall.V. A.C. González. Craig: . Wettergreen y otros: 3ODQQLQJVWUDWHJLHVIRUWKH$PEOHUZDONLQJURERW Procs. R.
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