ROBÓTICA APLICADA – Con LabVIEW y LEGO

Este es un excelente punto de partida para obtener una panorámica de qué es la robótica, cómo se modela un robot usando LabVIEW y además cómo se construye uno usando los recursos LEGO. Por su carácter introductorio no se requiere que el lector posea conocimientos especializados, además de que  por ser autocontenido todas las definiciones y ejemplos de desarrollo planteados en la exposición se encuentran contenidos en el libro.

NOVEDADES EN ESTA EDICIÓN

•  Exposición detallada de cómo sirve LabVIEW como interfaz de programación en el área de la robótica.

•  Descripción técnica de diferentes tipos de sensores, actuadores y unidades programables disponibles para la construcción de un robot.

•  Análisis de un robot segway.

•  Introducción cualitativa al tema de control asociado con un robot.

VENTAJAS COMPETITIVAS

•  Se presenta una introducción a LabVIEW.

•  Se explica y ejemplifica cómo se usa LabVIEW para programar una unidad de control.

•  Se ejemplifica el uso de los recursos de LEGO para la construcción de un robot.

CONOZCA

•  Los conceptos básicos de la robótica.

•  Las partes fundamentales que constituyen un robot.

•  Las especificaciones técnicas de los distintos componentes de un robot.

APRENDA

•  Cómo programar  los diferentes componentes de un robot.

•  Cómo modelar un robot usando LabVIEW.

•  Cómo construir un robot usando componentes de LEGO.

1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. ¿Qué es un robot? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Componentes básicos de un robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3. Unidad de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4. Diseño mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4. Clasificación de robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5. Modelado de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.1. Modelado de robots fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.2. Modelado de robots móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6. Aplicaciones de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Capítulo 2. Robots LEGO NXT 29
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2. ¿Qué es un robot NXT? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3. Componentes básicos de un robot NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1. Sensores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2. Motores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.3. Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.4. Bloque inteligente NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.5. Estructura de bloques LEGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4. Ejemplos de robots NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.1. Diseño de tracciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.2. Diseño de piernas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.3. Diseño de brazos robóticos y manipuladores . . . . . . . . . . . 58

Capítulo 3. Entorno de programación NXT 61
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2. Conexión entre el robot NXT y LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3. Introducción a la programación básica en LabVIEW . . . . . . . . . . 63
3.4. Estructura de la caja de herramientas LEGO NXT . . . . . . . . . . . 73
3.5. Inicialización de la programación NXT en LabVIEW . . . . . . . . . 75
3.6. Manejo de sensores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.1. Sensor de contacto NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.2. Sensor de luz NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.3. Sensor ultrasónico NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.4. Sensor de sonido NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.5. Brújula NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6.6. Sensor de color NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.7. Acelerómetro NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.8. Sensor de temperatura NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.7. Manejo de motores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.8. Comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.8.1. Comunicación USB y comunicación Bluetooth . . . . . . . . . . 87
3.8.2. Programación de la comunicación en robots NXT . . . . . . . . 88
Capítulo 4. Sistemas de control empleando robots NXT 93
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2. Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.1. Señales que conforman un sistema de control . . . . . . . . . . 96
4.2.2. Componentes básicos de un sistema de control . . . . . . . . . 98
4.3. Sistema de control en lazo abierto y lazo cerrado . . . . . . . . . . . . 100
4.4. Tipos de controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.1. Controlador de dos posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.2. Controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5. Robot Segway. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.1. Transporte personal Segway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.2. Modelación de un Segway mediante robots NXT . . . . . . . . 116
4.5.3. Robot Segway NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.4. Implementación del robot Segway NXT . . . . . . . . . . . . . 120
Capítulo 5. Introducción al entorno de programación
de los LEGO Mindstorms 123

5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2. Funciones básicas en el NXT LEGO Mindstorms . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1. Funciones básicas con los comandos directos del NXT . . . . . 126
5.2.2. Sensor al tacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.3. Sensor ultrasónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.4. Sensor de luz y color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.5. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3. Funciones básicas con el Toolkit NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.1. Visualización de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.2. Sensor al tacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3.3. Sensor ultrasónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.4. Sensor de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.5. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.6. Sensor de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.7. Comunicación vía Bluetooth entre el robot NXT LEGO
MindsMindstorms y LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4. Ingeniería de control par a las ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Capítulo 6. Planificación de ruta 149
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2. Robots en la planificación de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.3. Técnicas básicas de planeación de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.3.1. Robots fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.4. Espacio de configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5. Robots móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.5.1. Hojas de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Capítulo 7. Planificación de trayectorias con espacios
variantes en el tiempo 177
7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2. Introducción del tiempo en el espacio de trabajo . . . . . . . . . . . . 178
7.3. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.4. Planificación para dos objetos en movimiento en un plano . . . . . . . 181
7.4.1. Un solo espacio de configuraciones . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.4.2. Desacoplando los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.4.3. Manteniendo el tiempo de recorrido constante . . . . . . . . . . 187
7.4.4. Movimientos secuenciales de los robots . . . . . . . . . . . . . . 190
7.5. Otros problemas de planificación con objetos en movimiento . . . . . . 192

Capítulo 8. Planificación de trayectorias en reversa
(o planificación invertida de trayectorias) 195
8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.2. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.3. Espacio discreto de planificación en reversa . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.4. Algoritmo de propagación de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.5. Algoritmo de búsqueda en árboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.6. Algoritmo de diagramas de Voronoi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.6.1. Conexión mediante búsqueda en árboles . . . . . . . . . . . . . 208
8.6.2. Recorrido mediante propagación de onda . . . . . . . . . . . . 209
8.7. Algoritmos de planificación en reversa en espacios continuos . . . . . . 210
Capítulo 9. Planificación de trayectorias con sensores 213
9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.1.1. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.2. Algoritmos de seguimiento de orillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.2.1. Algoritmo de seguimiento de orillas básico . . . . . . . . . . . . 216
9.2.2. Algoritmo de seguimiento de orillas modificado . . . . . . . . . 218
9.3. Algoritmos de navegación sin choque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.4. Algoritmos de seguimiento de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.5. Algoritmos para sensores de visión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Capítulo 10. Ejemplos de planificación LEGO 227
10.1. Ejemplos del capítulo 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2. Ejemplos del capitulo 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
10.3. Ejemplos del capitulo 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Bibliografía 243
Índice analítico 245