Simulación En Robots Humanoides

Centro de Investigaci´n y de Estudios o Avanzados del Instituto Polit´cnico Nacional e

Unidad Distrito Federal Departamento de Control Autom´tico a

Estrategias de modelado cinem´tico y a simulaci´n en robots humanoides o

Tesis que presenta: Ing. Rafael Cisneros Lim´n o

Para obtener el grado de Maestro en Ciencias En la especialidad de Control Autom´tico a

Director de Tesis: Dr.Juan Manuel Ibarra Zannatha

M´xico, D.F. e

Marzo 2009

Resumen Este trabajo de Tesis expone algunas de las estrategias de modelado cinem´tico y simulaci´n a o aplicables a robots humanoides, haciendo especial ´nfasis en las similitudes y diferencias exise tentes en su utilizaci´n con respecto a los robots manipuladores convencionales. Con ello se o inicia una nueva l´ ınea de investigaci´nsobre el modelado, simulaci´n, percepci´n y control de o o o robots humanoides en el Departamento de Control Autom´tico del CINVESTAV. a Con tal prop´sito se presentan dos casos de estudio que ejemplifican las estrategias de o modelado cinem´tico presentadas: Los robots humanoides SILO2 y Robonova-I. Cada proa totipo se describe someramente, de tal forma que las caracter´ ısticas mencionadas sirvande pauta para la generaci´n de su modelo cinem´tico, el cual contempla la resoluci´n tanto del o a o problema cinem´tico directo como del inverso. a El problema cinem´tico directo se aborda utilizando dos metodolog´ distintas: Denavita ıas Hartenberg y la llamada Teor´ de Tornillos, las cuales llegan al mismo resultado. As´ mismo, ıa ı se expone la necesidad de un continuo cambio de eslab´n baseen el an´lisis considerado, el o a cual queda implicado por el proceso de locomoci´n caracter´ o ıstico de estos robots. El problema cinem´tico inverso, por su parte, es altamente dependiente del prototipo, a exigiendo una soluci´n particular para cada caso. En el caso del SILO2 se desarrolla un algoo ritmo h´ ıbrido que resuelve de manera eficiente el problema cinem´tico inverso, considerando aprimero la obtenci´n de una soluci´n anal´ o o ıtica “aproximada” que se refina mediante el m´toe do num´rico de Levenberg-Marquardt. En el caso del Robonova-I es posible la obtenci´n de e o una soluci´n completamente anal´ o ıtica basada en relaciones geom´tricas, a´n cuando existen e u offsets tanto en la cadera como en el tobillo. Ambos algoritmos se validan con la ayuda de una herramienta desimulaci´n realista o desarrollada en el marco de esta Tesis y que tambi´n se describe, la cual considera el modelo e tridimensional del respectivo robot junto con una interfaz gr´fica que le permite al usuario a enviarle consignas cinem´ticas, tanto en el espacio articular como de la tarea. As´ mismo, este a ı simulador tambi´n incorpora un generador de caminado parametrizado, el cual representa una eaplicaci´n sencilla y util al modelo cinem´tico inverso. o ´ a Finalmente, se reportan los resultados de la simulaci´n, as´ como las conclusiones obtenidas o ı durante la elaboraci´n del presente trabajo. o

Abstract The kinematic modelling and simulation strategies exhibited to be applicable over humanoid robots are the aim of this Thesis. Also, it is shown the likeliness and differencespresent in the use of these strategies between classical manipulator robots and humanoid robots. This represents the beginning of a new research area concerning the modelling, simulation, perception and control of humanoid robots at the Departamento de Control Autom´tico of a CINVESTAV. Two cases of study that show how to apply these kinematic modelling strategies are presented: The SILO2 andRobonova-I humanoid robots. Each prototype is lightly described, in such a way that the characteristics mentioned would determine how each kinematic model is generated. This kinematic model would solve the direct and inverse kinematics problems. The direct kinematics problem is solved by the use of two different methodologies: DenavitHartenberg and Screw Theory. Both lead to the same result. Additionally,...