Tutorial:ODE y robots modulares:Robot ápodo
Contenido
- 1 Simulación de un robot ápodo del grupo cabeceo-viraje
Simulación de un robot ápodo del grupo cabeceo-viraje
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Introducción
En este ejemplo se simula un robot ápodo del grupo cabeceo-viraje de 16 módulos. El usuario puede establecer los diferentes modos de caminar mediante el teclado: línea recta, desplazamiento lateral, rotación, rodar, girar, etc. Para la generación de todos los movimientos se utiliza la misma técnica de generadores sinusoidales que en el ejemplo de la cocnfiguración PP.
Objetivo
- Mostrar cómo mover un robot ápodo de cualquier número de módulos
Código
Programa principal | |
Creación y dibujo del robot | |
Definición de las constantes. | |
Definición de los prototipos de robot.cpp y las estructuras de datos. |
Compilación
Todos los ejemplos de este tutorial compilan tecleando "make". Sin embargo se describe a continuación cómo se compila directamente usando el GCC:
g++ -Iinclude -c -o snake_ex/snake.o snake_ex/snake.cpp g++ -Iinclude -c -o snake_ex/robot.o snake_ex/robot.cpp g++ -o snake snake_ex/snake.o snake_ex/robot.o libdrawstuff.a -lm -lode -lX11 -lGL -lGLU
Ejecución
Para probar el ejemplo, teclear:
./snake
Además de los mensajes impresos en pantalla por la drawstuff, aparecerá el siguiente menú:
Keys for selecting the gaits: 1: Straight 2: Turning 3: Side-winding 4: Inclined side-winding 5: Flapping 6: S-shaped rotating 7: U-sahped rotating 8: Rolling q: Quit simulation
Mediante las diferentes teclas se pueden seleccionar las 8 maneras de caminar del robot ápodo
Capturas de pantalla
Visualización del robot moviéndose de diferentes maneras:
Vídeo
![]() |
video.mpg |
Clasificación de robots ápodos
![]() |
Figura 1: Clasificación de los robots ápodos: grupo cabeceo-cabeceo (izquierda), viraje-viraje (centro) y cabeceo-viraje (derecha) |
Los robots ápodos se pueden clasificar en tres grupos dependiendo de la conexión entre sus módulos, como se muestra en la figura 1. Los grupos son: cabeceo-cabeceo, viraje-viraje y cabeceo-viraje.
En este capítulo se simula la locomoción de un robot ápodo del grupo cabeceo-viraje.
Modelo de robot
El robot está constituido por la unión en cadena de MOD módulos, numerados desde el módulo 0 hasta el MOD-1. Los impares son de cabeceo y los pares de viraje. En la Figura 1 se muestra la geometría de los dos primeros módulos del robot, el 0 y el 1.
El robot está formado por:
- MOD módulos iguales, de masa MASS y dimensiones (W,L,H).
- MOD articulaciones, de cuales las impares son de cabeceo y las pares de viraje. Sus ejes de rotación son el x (1,0,0) y el z (0,0,1) respectivamente.
- MOD+1 cuerpos:
- El izquierdo y derecho están formados por una única geometría hexaédrica, de dimensiones (W,L/2,H) y masa MASS/2
- Los cuerpos centrales están compuestos por la unión de dos geometrías hexaédricas. Tienen masa MASS y dimensiones (W,L,H)
- 2*MOD geometrías, de dimensiones (W,L/2,H). Los cuerpos centrales tiene dos geometrías, denominadas 1 y 2,
Las posiciones de los elementos con respecto al origen de coordenadas son:
Cuerpo izquierdo: | (0,-L/4,H/2) |
Cuerpo derecho: | (0, -MOD*L + l/4, H/2) |
Cuerpo central i: | (0, -L(i+1), H/2) |
Articulación i | (0, -iL-L/2, H/2) |
Las dos geometrías de los cuerpo central están desplazadas -L/4 y L/4 a lo largo del eje y.
La estructura de datos está definida en el fichero robot.h:
struct MySnake { dJointID joint[MOD]; //-- Robot joints dBodyID body[MOD-1]; //-- Central bodies //-- Every central body is composed of two boxes dGeomID geom1[MOD-1]; //-- One in the left and another dGeomID geom2[MOD-1]; //-- in the right dBodyID body_left; //-- This is the body on the left of the snake dGeomID geom_left; //-- and its geometry (a box) dBodyID body_right; //-- This is the body on the right of the snake dGeomID geom_right; //-- and its geometry (a box) dReal servo_ref_pos[MOD]; //-- Reference positions for the servos };
Modelo de control
Para el control del robot usaremos la misma idea que para la configuración PP del capítulo anterior: un modelo bioinspirado basado en generadores sinusoidales que hacen oscilar las articulaciones.
Se usan dos grupos de generadores, que denominaremos verticales y horizontales para controlar las articulaciones de cabeceo y viraje respectivamente. El esquema se muestra en la figura 2. Los generadores pares son los verticales y los impares los horizontales.
Las posiciones de referencia de los servos se calculan mediante las siguientes ecuaciones:
- Módulos verticales:
- <math>\varphi_{vi}\left(n\right)=A_{v}\sin\left(\frac{2\pi}{N}n+\frac{i}{2}\Delta\phi_{v}+\phi_{0}\right) </math>, para valores de i pares entre [0,MOD-1]
- Módulos horizontales:
- <math> \varphi_{hi}\left(n\right)=A_{h}\sin\left(\frac{2\pi}{N}n+\frac{\left(i-1\right)}{2}\Delta\phi_{h}+\Delta\phi_{v}+\phi_{0}\right)+o_{h} </math>, para valores de i impares entre [1,MOD-1]
Los parámetros son:
<math>A_{v}</math> | Amplitud de los osciladores verticales (grados) |
<math>A_{h}</math> | Amplitud de los osciladores horizontales (grados) |
<math>\Delta\Phi_{v}</math> | Diferencia de fase entre los generadores verticales (radianes) |
<math>\Delta\Phi_{h}</math> | Diferencia de fase entre los generadores horizontales (radianes) |
<math>\Delta\Phi_{vh}</math> | Diferencia de fase entre los generadores verticales y horizontales (radianes) |
<math>\Phi_{0}</math> | Fase inicial (radianes) |
<math>o_{h}</math> | Offset de los generadores horizontales (grados) |
N | Número de muestras por ciclo |
n | Tiempo discreto |
Espacio de formas
El modo de caminar de los robots ápodos del grupo cabeceo-viraje depende de la forma de la onda tridimensional que recorre su cuerpo. Esta onda es el resultado de la superposición de una que se propaga por las articulaciones horizontales (la onda horizontal) y otra por las verticales (la onda vertical).
Tanto las ondas verticales como horizontales son de tipo serpentinoide, caracterizadas por sus dos parámetros ángulo de serpenteo <math>\alpha</math> y número de ondulaciones k. La forma de la onda tridimensional está determinada por los siguientes parámetros:
<math>\alpha_v</math> | Ángulo de serpenteo de la onda vertical |
<math>k_{v}</math> | Número de ondulaciones de la onda vertical |
<math>\alpha_h</math> | Ángulo de serpenteo de la onda vertical |
<math>k_{h}</math> | Número de ondulaciones de la onda vertical |
<math>\Delta\Phi_{vh}</math> | Diferencia de fase entra la onda vertical y horizontal |
El punto de trabajo en el espacio de formas permite establecer las características de la locomoción. Aplicando las siguientes ecuaciones se obtienen los parámetros en el espacio de control para aplicar a los generadores:
- <math>A_{h}=2\alpha_{h}\sin\left(\frac{2\pi k_{h}}{MOD}\right)</math>
- <math>A_{v}=2\alpha_{V}\sin\left(\frac{2\pi k_{v}}{MOD}\right)</math>
- <math>\Delta\phi_{V}=\frac{4\pi k_{v}}{MOD}</math>
- <math>\Delta\phi_{h}=\frac{4\pi k_{h}}{MOD}</math>
Hay dos casos particulares para cada una de las ondas horizontales o verticales:
- Curva circular. El ángulo de serpenteo es cero por lo que la amplitud también lo es. La forma que se obtiene es la de un sector circular, según el valor dado al parámetro offset. Además esta forma no cambia con el tiempo. Se calcula mediante la ecuación: <math>o=\frac{2\alpha}{MOD} </math>. En esta caso <math>\alpha</math> representa el ángulo del sector circular.
- Onda circular. El número de ondulaciones k es cero, por lo que la diferencia de fase <math>\Delta\Phi</math> también es cero y todas las articulaciones oscilan en fase. La forma varía con el tiempo entre un sector circular máximo y mínima, cuya amplitud viene dada por: <math>A=\frac{2\alpha}{MOD}</math>, donde <math>\alpha</math> es el ángulo del sector circular máximo.
Realización de los modos de caminar
Los modos de caminar del robot se establecen dando valores a sus parámetros del espacio de forma y transformándolos al espacio de control. En la siguiente tabla se muestran los diferentes movimientos posibles y las restricciones que deben cumplir sus parámetros
Modo de caminar | Restricciones | Parámetros libres | Descripción |
---|---|---|---|
Línea recta | <math>\alpha_{h}=0, o_{h}=0</math> | <math>\alpha_{v}, k_{v}</math> | No hay onda horizontal |
Giro | <math>\alpha_{h}=0, o_{h}\neq0</math> | <math>\alpha_{v}, k_{v}, o_{h}</math> | Curva circular en articulaciones horizontales. Ángulo del giro dado por el valor de <math>o_{h}</math> |
Desplazamiento lateral | <math>\alpha_{v}\ll\alpha_{h}, k_{v}=k_{h}, o_{h}=0</math> | <math>\alpha_{h}, k_{h}</math> | Dos ondas serpentinoides con el mismo número de ondulaciones. La vertical con un ángulo de serpenteo mucho menor que la horizontal |
Desplazamiento lateral inclinado |
<math>\alpha_{v}=\alpha\sin\left(\beta\right)</math> |
<math>\alpha, k, \beta</math> | Dos ondas serpentinoides con mismo número ondulaciones. El parámetro beta determina la inclinación |
Rotación en S | <math>\alpha_{v}\ll\alpha_{h}, k_{v}=2k_{h}, o_{h}=0</math> | <math>\alpha_{h}, k_{h}</math> | Dos ondas serpentinoides. La vertical con ángulo de serpenteo mucho menor que el de la horizontal y con el doble de ondlulaciones |
Rotación en U | <math>\alpha_{v}\ll\alpha_{h}, k_{h}=0, k_{v}=2, o_{h}=0</math> | <math>\alpha_{h}</math> | Serpentinoide vertical con ángulo de serpenteo pequeño La onda horizontal es circular |
Remero | <math>\alpha_{v}=\alpha_{h}<\alpha_{min}, k_{v}=0, k_{h}=0, o_{h}=0 </math> | --- | Dos ondas circulares iguales, con parámetros <math>\alpha</math> pequeños |
Rodar | <math>\alpha_{v}=\alpha_{h}>\alpha_{min}, k_{v}=0, k_{h}=0, o_{h}=0 </math> | <math>\alpha</math> | Dos ondas circulares iguales. El parámetro <math>\alpha</math> determina el ángulo del sector circular que adopta el robot al rodar |
En la siguiente tabla se muestran los valores que se han usado para el ejemplo presentado en este capítulo:
Línea recta | <math>\alpha_{v}=20</math>, <math>k_{v}=2</math>, <math>\alpha_{h}=0</math>, <math>o_{h}=0</math> |
Giro | <math>\alpha_{v}=20</math>, <math>k_{v}=2</math>, <math>\alpha_{h}=180</math> |
Desplazamiento lateral | <math>\alpha_{v}=5</math>, <math>k_{v}=1</math>, <math>\alpha_{h}=40</math>,<math>k_{h}=1</math>, <math>o_{h}=0</math> |
Desplazamiento lateral inclinado | <math>\alpha=40</math>, <math>\beta=45</math>, <math>k=1</math>, <math>o_{h}=0</math> |
Explicación del código
Función Robot_new()
Función Robot_Render()
Función servos_sim()
Función sequence_generation()
Funciones Main y Command()
Enlaces
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