Algoritmo para la planeación de trayectorias de un robot manipulador móvil utilizando cómputo bio-inspirado

Abstract

Sin duda, la robótica y sus aplicaciones están en continuo crecimiento debido a los grandes avances tecnológicos en el desarrollo de hardware y software. Aunque las aplicaciones de robótica estaban centradas en la industria manufacturera, actualmente se extienden en más áreas, como en exploración planetaria, cirugías, militares, investigación científica, aplicaciones agroindustriales, e incluso en servicio doméstico. Existe una gran variedad de robots diseñados para cumplir con diferentes tareas, donde el robot manipulador representa un elemento significativo en el campo de aplicación de la robótica. Los robots manipuladores pueden sustituir a los seres humanos para realizar tareas repetitivas durante largas jornadas, manejo de cargas pesadas, trabajo en ambientes peligrosos para un persona, entre otras. Estos manipuladores tienen muchas cualidades, sin embargo, el espacio de estos robots está limitado debido a que estos robots se colocan en una ubicación fija. Por otra parte, los robots míviles tienen la capacidad de moverse a través de su entorno y no se fijan a una ubicación física. Por estas razones, resulta conveniente utilizar un robot manipulador móvil, que combine el espacio de trabajo de una plataforma móvil y la habilidad de manipulación de un brazo robótico. Como podemos darnos cuenta, para esta combinación de robots la planeación de trayectorias es de vital importancia, ya que se pueden realizar tareas de navegación y manipulación simultáneamente, tareas en las que el uso de un manipulador sin plataforma móvil resultaría imposible de resolver. Para realizar la planeación de trayectorias es necesario resolver una tarea fundamental conocida como cinemática inversa. La cinemática inversa puede ser utilizada para resolver otros problemas como, planificación de movimientos guiados visualmente, sujeción de objetos, entre otros. Sin embargo, calcular la cinemática inversa de manipuladores móviles no es una tarea sencilla, debido a que la cinemática de un manipulador y una plataforma móvil son diferentes. Además, la combinación de grados de libertad de un manipulador y una plataforma móvil, suelen representar un robot redundante. Esta redundancia dificulta la solución de la cinemática inversa, porque existen múltiples soluciones donde solo algunas de ellas son físicamente posibles de aplicar. Dada la complejidad del problema, proponemos explorar métodos no convencionales para resolverlo, donde la inteligencia artificial aparece como una opción factible. Entre las aplicación de la inteligencia artificial se encuentran la minería de datos, control inteligente de robots, medicina, vida artificial, razonamiento automático, reconocimiento de patrones, sistemas bio-inspirados y demás. En particular, el cómputo bio-inspirado es un paradigma de la inteligencia artificial que se basa en emplear analogías con sistemas naturales para dar solución a problemas de optimización. Estos tipos de algoritmos han sido utilizados con éxito para dar solución a problemas que en general son difíciles de resolver o que requieren demasiado tiempo por métodos convencionales. Por lo general, resuelven problemas de optimización unimodal, multimodal, multiobjetivo y combinacional. Estos algoritmos son muy interesantes y resulta atractivo implementar estas técnicas para dar solución al problema de la cinemática inversa de robots manipuladores móviles. En este trabajo, se plantea resolver la cinemática inversa de un manipulador móvil, como si fuera un manipulador fijo convencional. Se propone modelar los movimientos de la plataforma móvil utilizando articulaciones virtuales. De esta forma, es posible obtener un modelo cinemático que considere las articulaciones reales del manipulador y las articulaciones virtuales de la plataforma, como si fuera un solo manipulador fijo convencional. Entonces, el modelo cinemático se puede obtener utilizando la convención de Denavit-Hartenberg. Además, se propone resolver el problema de la cinemática inversa de manipuladores móviles como un problema de optimización global con restricciones. Para resolver el problema de optimización, es necesario el planteamiento de una función objetivo. En este trabajo, se plantea una función objetivo que se basa en las ecuaciones de la cinemática directa. Esto debido a que la cinemática directa siempre tiene una solución. Además, cada manipulador tiene sus límites físicos para el valor de sus articulaciones. Estos límites representan las restricciones para el problema de optimización. Por lo que se propone utilizar funciones de penalización para incluir estas restricciones en la función objetivo. Finalmente, en este trabajo de tesis se pretende desarrollar un algoritmo basado en técnicas de computo bio-inspirado que sea capaz de calcular la mejor trayectoria posible para un robot manipulador móvil.