Rob

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Robótica

• Prof. Herman M GomesSlides baseados no livro
  Artificial Intelligence a Modern Approach

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Definições preliminares

• Robôs são agentes físicos que executam tarefas
  por meio da manipulação do mundo físico.
• Equipados com atuadores, tais como pernas, rodas,
  juntas etc., de modo a exercerem forças sobre o
  ambiente, além de sensores, os quais permitem a
  percepção do ambiente.
• Robôs modernos possuem um conjunto diverso de
  sensores, incluindo câmeras e ultra-som para
  avaliar o ambiente e giroscópios e acelerômetros
  para medir a própria movimentação do robô.

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Definições preliminares

• A maioria dos robôs atuais pode ser classificada
  em três categorias primárias
• Robôs Manipuladores (fisicamente ancorados ao
  ambiente)
• Robôs Móveis
• Robôs Híbridos (móveis com manipuladores, como os
  robôs humanóides)

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Alguns exemplos
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Outros cenários

• A robótica também inclui dispositivos protéticos
  (membros artificiais, ouvidos, olhos para
  humanos), ambientes inteligentes (como uma casa
  inteligente equipada com sensores e atuadores
  automáticos), e sistemas de múltiplos agentes
  robóticos nos quais um objetivo é obtido através
  da cooperação de grupos de pequenos robôs
  cooperantes (e.g. futebol de robôs)

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Considerações sobre os Ambientes

• Robôs reais usualmente precisam lidar com
  ambientes que sejam parcialmente observáveis,
  dinâmicos, estocásticos e contínuos.
• Parte dos ambientes robóticos também são
  sequenciais e multiagente.

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Considerações sobre os Ambientes

• A principal razão para as características do
  ambiente ser parcialmente observável e
  estocástico são o resultado do mundo real ser
  muito amplo e complexo.
• Em outras palavras, o robô não pode normalmente
  ver além das esquinas e os comandos de movimento
  estão sujeitos ao incerteza (e.g. fricção,
  engrenagens deslizando, etc).

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Sensores

• Sensores Passivos, como câmeras são os
  verdadeiros observadores do ambiente pois
  capturam os sinais que são gerados sem interferir
  com o ambiente.
• Sensores Ativos, como sonar, enviam energia para
  o ambiente e dependem do fato desta energia ser
  refletida de volta ao sensor.
• Sensores Ativos normalmente fornecem mais
  informação que sensores passivos, mas ao custo de
  maior consumo de energia, possibilidade de
  interferência entre múltiplos sensores ou de
  gerar perturbações no ambiente.

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Exemplos de Sensores

• Sensores de proximidade (Range Finders), Sonares,
  Sensores tácteis, GPS
• Sensores de Imagem (cameras, fotoreceptores etc)
• Sensores propriosensitivos (percebem o próprio
  estado do robô), como contadores de passo (shaft
  decoders), giroscópios.
• Sensores de torque e força.

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Atuadores

• Atuadores permitem a movimentação e mudança da
  forma dos robôs.
• A fim de entender o projeto de atuadores, é
  importante primeiro conhecer o conceito de grau
  de liberdade (degree of freedom DOF).
• Conta-se 1 grau de liberdade para cada direção
  independente na qual um robô ou um de seus
  atuadores pode mover-se.

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Atuadores

• Exemplo um robô rígido com movimentos
  arbitrários (como um avião robótico não
  tripulado) possui 6 graus de liberdade, 3 para
  suas coordenadas (x,y,z) mais 3 para sua
  orientação angular Yaw, Pitch and Roll.
• Estes 6 graus de liberdade definem o estado
  cinemático ou pose do robô.
• O estado dinâmico do robô inclui uma dimensão
  adicional para a taxa de mudança de cada dimensão
  cinemática.

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Atuadores

• Para corpos não rígidos, existem graus de
  liberdade adicionais no próprio robô
• Por exemplo, em um braço humano, o cotovelo tem
  um grau de liberdade ele pode flexionar em uma
  direção. Já o pulso tem 3 graus de liberdade
  ele pode mover-se para cima e para baixo, de um
  lado para o outro, assim como rotacionar.
• Juntas robóticas também possuem 1, 2 ou 3 graus
  de liberdade.
• 6 graus de liberdade são requeridos para colocar
  um objeto, como uma mão, em um ponto particular
  do espaço e numa dada orientação.

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Atuadores

• O braço na figura abaixo possui exatamente 6
  graus de liberdade, criados a partir de 5 juntas
  de revolução que geram movimento rotacional e 1
  junta prismática que gera movimento
  translacional.

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Atuadores

• Um experimento simples para verificar que um
  braço humano possui mais que 6 graus de liberdade
  envolve colocar a mão sobre uma mesa e perceber
  que você ainda possui liberdade para rotacionar o
  ombro sem mudar a configuração de sua mão.
• Manipuladores que possuem mais graus de liberdade
  do que os requeridos para uma determinada tarefa
  são mais simples de controlar do que aqueles com
  um número mínimo de graus de liberdade.

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Percepção Robótica

• A percepção robótica pode ser vista como uma
  inferência temporal a partir de sequências de
  ações e medidas do ambiente, conforme ilustrado
  na figura abaixo.
• Xt é o estado do ambiente (incluindo o próprio
  robô) no tempo t, Zt é a observação recebida no
  tempo t, e At é a ação tomada após a observação
  ter sido recebida.

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Percepção robótica

• A tarefa da filtragem (ou atualização do estado
  de crença) consiste essencialmente em computar o
  novo estado P(Xt1 Zt1, At), a partir do
  estado corrente P(Xt Zt, At-1) e da nova
  observação Zt1.

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Localização

• Localização é um exemplo de percepção robótica
  que consiste em determinar onde estão os objetos
  no ambiente.
• Trata-se de um problema extremamente relevante
  pois o conhecimento sobre onde estão as coisas no
  mundo é essencial para qualquer interação física.
  
• Como exemplo, manipuladores robóticos precisam
  conhecer a localização dos objetos que vão
  manipular.
• Robôs de navegação precisam salber onde eles
  estão a fim de encontrar a rota para localizações
  alvo.

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Localização

• O problema da localização pode ser dividido em 3
  sub-categorias
• Se a pose inical do objeto a ser localizado é
  conhecida, então trata-se de um problema de
  rastreamento. Esse tipo de problema é
  caracterizado por incertezas porém limitadas a um
  campo local.
• Uma categoria mais complexa é a localização
  global, na qual a localização inicial do objeto
  não é totalmente conhecida. Esse tipo de problema
  são reduzidos a problemas de rastreamento após os
  objetos de interesse terem sido localizados.
• Finalmente, há situações em que, para efeito de
  teste da robustez de técnicas de localização sob
  condições extremas, o objeto que o robô esta
  tentando localizar é sequestrado (removido
  forçosamente) do ambiente e eventualmente
  devolvido em um tempo futuro.

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Localização

• Um modelo cinemático simplificado de um robô
  móvel é apresentado na figura abaixo

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Controle

• Controladores são técnicas em tempo real que
  utilizam feedback do ambiente com o objetivo de
  manter estáveis os movimentos do robô
• Se o objetivo do controle é manter o robô dentro
  de uma rota pré-programada, este é geralmente
  citado como um controlador de referência e o
  caminho é chamado de caminho de referência.
• Controladores que otimizam uma função de custo
  global são conhecidos como controladores ótimos.

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Controle

• Exemplo de controlador reativo para um robô
  hexapode

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Arquiteturas para Software Robótico

• A arquitetura de subsunção (Brooks, 1986) é um
  arcabouço para montagem de controladores reativos
  (como o da figura no slide anterior)
• Nós nestas máquinas podem conter testes para
  certas variáveis de sensores, as quais
  condicionam o funcionamento da máquina de estados
  finitos.
• Arcos são rotulados com mensagens que geral
  geradas quando atravessados. Tais mensagens são
  enviadas aos motores do robô ou para outras
  máquinas de estados finitos.
• Adicionalmente, máquinas de estados finitos
  possuem timers internos (clocks) que controlam o
  tempo que leva para um arco ser percorrido.

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Arquiteturas para Software Robótico

• Arquiteturas híbridas combinam reação com
  deliberação.
• A arquitetura híbrida mas popular é a
  arquitetura de 3 camadas, a qual consiste de uma
  camada reativa, uma camada executiva e uma camada
  deliberativa.
• A camada reativa é responsável pelo controle de
  baixo nível do robô. É caracterizada um um loop
  estrito de sensor-ação. Seu ciclo de decisão é
  normalmente da ordem de milisegundos.
• A camada executiva (o camada de sequenciamento)
  serves como o elo entre as camadas reativa e
  deliberativa. Aceita diretivas dadas pela camada
  deliberativa e as sequencia para a camada
  reativa.
• Por exemplo, a camada executiva pode gerenciar um
  conjunto de coordenadas de um caminho geradas por
  um planejador deliberativo, e tomar decisões com
  respeito aos tipos de comportamentos reativos a
  serem evocados.