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Revista Guayana Moderna
ISSN: 2443-5658
Revista Guayana Moderna, N° 4, Ciepv, Ucab-Guayana, 2016, pp. 118-134
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO ROBÓTICO
AUTÓNOMO CAPAZ DE CORTAR CÉSPED EN UN ÁREA
PLANA DEFINIDA.
Enrique Pérez y Antonio Saad
RESUMEN
El presente artículo abarca los principales aspectos a considerar para desarrollar un agente
robótico, tomando como caso de estudio el desarrollo de un prototipo robótico autónomo capaz de
cortar césped en un área plana definida. Esto con el fin de incrementar el desarrollo tecnológico
nacional, además de promover el uso de la tecnología como medio para evitar el deterioro de la
salud de las personas a causa de la realización de tareas repetitivas.
La ingeniería conceptual comprendió el problema y el planteamiento de la solución utilizando un
agente robótico capaz de realizar autónomamente el barrido del terreno mientras corta el césped,
además, se expusieron los distintos elementos necesarios para su construcción, así como también
los factores medioambientales que pudiesen impactar en su desempeño. Luego, se procedió con la
ingeniería básica en donde se presentaron mediante diagramas los distintos elementos que
conforman al prototipo, así como también la estrategia de navegación implementada. Y por último,
la ingeniería de detalle que abarcó el diseño definitivo del prototipo y su posterior construcción.
El producto final es un agente robótico autónomo capaz de cumplir los objetivos para los que fue
diseñado y construido, evidenciándose el éxito del procedimiento utilizado para lograr tal fin.
Palabras clave: Robótica, informática, electrónica, autonomía, navegación.
Key words: Robotics, Computing, Electronics, autonomy, navigation.
Correo electrónico:
Recibido: 07-04-15
Aprobado: 04-07-16
eaperezmartinez@gmail.com
antoniosaadkhalil@gmail.com
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EL PROBLEMA
En el caso de estudio particular del desarrollo de un prototipo robótico
autónomo capaz de cortar césped en un área plana definida, el problema se
enmarca en tres aspectos principales:
a. Salud
b. Ambiente
c. Economía.
Donde, (a) la salud de los trabajadores se ve afectada por la realización de
tareas repetitivas y rutinarias, además de estar expuestos a condiciones
ambientales desfavorables que pueden ocasionarles problemas a largo plazo al
realizar el trabajo de corte de césped, como la exposición al sol y la permanencia
en posturas de trabajo perjudiciales durante espacios de tiempo prolongados, (b)
el ambiente es expuesto a gases nocivos al utilizar herramientas que necesitan de
la combustión fósil para realizar el trabajo, y por último, (c) desde el punto de vista
económico, al automatizarse el proceso de corte del césped con un agente
robótico autónomo se evita la necesidad de contratación de este servicio o la
implementación de personal en esta tarea, siendo necesaria únicamente una
inversión inicial para desarrollar el agente y pequeñas inversiones en
mantenimiento para garantizar un funcionamiento constante y sin interrupciones
que asegurará un césped de calidad y que cumpla con los rangos de altura
recomendados.
Una vez definido el problema y las características negativas de la situación
actual, se plantea una solución viable junto con los beneficios asociados a su
implementación y para lograr esto se debe hacer una investigación de todos los
aspectos relacionados con la solución, principalmente si se desea innovar y en el
caso particular de la robótica existen muchos factores importantes relacionados
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con el éxito de la solución, especialmente porque abarca tres grandes áreas de
conocimiento: la informática, la electrónica y la mecánica.
SOLUCIÓN
Muchas veces, al hablar de soluciones robóticas la primera aproximación se
hace en cuanto a lo físico, lo tangible; sin embargo, este enfoque no es el más
adecuado, primero se debe comenzar estudiando el comportamiento lógico que
tendrá el agente robótico para satisfacer los criterios para los que sería concebido.
Al tratarse de un desarrollo multidisciplinario y con tantas áreas que
abarcar, es recomendable seguir una metodología de ingeniería, que comprende
una etapa conceptual, una básica y por último una etapa de detalle explicadas a
continuación.
a. Ingeniería conceptual:
Esta etapa es la etapa inicial de los proyectos de ingeniería, es donde se
determina por qué se quiere realizar el desarrollo y se generan conceptos
generales, que dan pie a una solución al contar con diseños o esquemas lo
suficientemente válidos para considerar que responden al problema planteado.
b. Ingeniería básica:
En esta segunda etapa se determina qué se quiere mediante diagramas y
diseños generales, además se avanza en la concretización de una solución al
problema.
c. Ingeniería de detalle:
Esta es la última etapa del diseño general de la solución y es donde se
delimita cómo se llevará a cabo mediante la ubicación exacta de elementos y
procesos. Se especifica todo lo obtenido en la ingeniería básica y este
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refinamiento y optimización lleva a establecer las especificaciones finales de
fabricación para posteriormente procurar los materiales, construir lo planificado y
en la etapa de terminación entregar el o los productos.
INGENIERÍA CONCEPTUAL
El primer paso sería definir el tipo de paradigma que utilizará el agente
cortacésped autónomo (ACA) para manejar la información que percibe del entorno
para tomar las decisiones que le permitan lograr su objetivo, de aquí que un robot
pueda tener un comportamiento jerárquico o deliberativo, reactivo o híbrido. Cada
uno de estos paradigmas tiene sus usos y particularidades, el más antiguo es el
jerárquico o deliberativo y consiste en la planificación de las acciones antes de
realizarlas, sin importar los estímulos que se puedan percibir del entorno durante
su ejecución.
Luego se tiene el paradigma reactivo que se asemeja al comportamiento
animal, pues reacciona por reflejo ante alguna señal. A diferencia del jerárquico,
no planea ninguna acción, sino que se ve influenciado por los estímulos recibidos
del entorno, lo que le permite una alta velocidad de respuesta.
Por último, se tiene el paradigma híbrido que es considerado el más
inteligente pues combina los atributos de los dos anteriores, permitiendo planificar
las acciones a realizar sin dejar de lado los estímulos que pueda percibir del
entorno, reaccionando de esta manera a posibles cambios en el ambiente y
permitiéndole llevar a cabo con éxito actividades en entornos de trabajo
dinámicos. Debido a las evidentes ventajas de este paradigma, en la actualidad la
mayoría de los agentes robóticos trabajan bajo este enfoque, sin embargo, la
selección debe estar íntimamente ligada a las actividades que se realizarán y las
características particulares del ambiente de trabajo. En el caso de estudio
presentado, éste fue el paradigma escogido, principalmente porque el proceso de
corte de césped es un proceso de barrido planificado, pero al tratarse de una
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actividad a realizar de manera autónoma y en un entorno dinámico, fue
imprescindible, principalmente por motivos de seguridad, tener la capacidad de
interrumpir la planificación y tomar acciones en presencia de ciertos estímulos.
Una vez definido el paradigma para el manejo de la información, se
establece una lógica de trabajo en la que se maximice la eficiencia en el uso de
recursos, pues es lo más importante en la mayoría de los casos en los que se
utilizan agentes robóticos cuya fuente de energía son baterías y cuya actividad a
realizar no requiere extrema precisión.
La estrategia de corte a seguir en el caso de ACA es un barrido del área de
trabajo, donde se abarque todo el terreno para asegurar que el césped quede
completamente cortado como se desea.
Además de definir el tipo de paradigma de comportamiento del agente, se
procede a buscar los componentes y herramientas que permitirán que sea llevada
a cabo la solución, donde se deben estudiar los siguientes elementos:
• Fuente de alimentación
• Sensores
• Actuadores
• Unidad de procesamiento
Fuente de Alimentación
Es uno de los cuatro componentes fundamentales pues proporciona la
energía para que el agente robótico realice el trabajo. Cuando se trata de energía
eléctrica se tienen que evaluar aspectos como la tecnología y las relaciones peso-
capacidad y costo-consumo, para encontrar un balance que permita llevar a cabo
el proyecto sin mayores complicaciones.
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Sensores
Los sensores le permiten al agente robótico percibir los estímulos del
ambiente y transformarlos en señales eléctricas que pueden ser interpretadas por
la unidad de procesamiento para realizar las acciones pertinentes, mientras más
tipos especializados de sensores se tengan, más estímulos se percibirán,
incrementando de esta manera la versatilidad del agente y el abanico de acciones
que puede realizar. Haciendo una comparación con los seres vivos, los sensores
son como los sentidos.
Actuadores
Los actuadores permiten la incidencia directa del agente robótico sobre el
entorno que le rodea, generalmente relacionados con motores y son para para el
robot lo que son los músculos y extremidades para los seres vivos.
Unidad de Procesamiento
Es el componente que se encarga de procesar toda la información percibida
por los sensores y de enviar las órdenes a los actuadores según la lógica de
trabajo para interactuar con el entorno.
INGENIERÍA BÁSICA
Teniendo claros los conceptos generales de la solución al problema
planteado, se procede a profundizar en cada uno de los aspectos, sin llegar al
detalle, pero brindando una aproximación más tangible del resultado final.
Se conoce que el agente debe realizar un barrido del terreno a cortar, sin
embargo, es en esta etapa donde se especifica que la posición inicial del prototipo
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es conocida y la trayectoria es descrita por un conjunto de líneas rectas paralelas
a uno de los lados del área, desplazándose de extremo a extremo y al finalizar el
barrido regresando al punto de partida. En la imagen 1 se muestra esta estrategia
de navegación para realizar el corte.
Imagen 1. Estrategia de navegación.
Una vez definida la estrategia de navegación (proceso deliberativo), se
especifican las actividades que responden a los procesos reactivos asociados
directamente con mecanismos de seguridad, entre los que se encuentran:
• Suspensión del suministro eléctrico a los motores debido a la elevación del
agente
• Interrupción del trabajo ante condiciones ambientales perjudiciales, como
el aumento de la temperatura por encima de un umbral determinado para asegurar
la integridad de los componentes; y la presencia de lluvia en el ambiente de
trabajo
• Interrupción del trabajo debido a la disminución peligrosa de los niveles de
energía
• Evasión de obstáculos.
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En la imagen 2, se observa gráficamente la arquitectura del agente basada
en el paradigma de comportamiento escogido.
Imagen 2. Arquitectura basada en el paradigma híbrido.
Una vez definida la trayectoria que seguirá el agente para cortar el césped y
el paradigma robótico por el que se regirá, es importante establecer bajo qué
configuración cinemática se realizará mejor el trabajo. Para definir esto, se deben
estudiar los conceptos de holonomicidad y no holonomicidad referenciados por
Arkin (1998, p. 90) y tener en cuenta la estrategia de barrido a utilizar, un agente
de características holonómicas sería el más adecuado, pues tendría la capacidad
de cambiar su orientación sin necesidad de cambiar su posición en el plano,
facilitándose así el desplazamiento por el terreno y garantizando una mayor y
mejor cobertura de corte.
Para que un agente robótico realice una actividad definida, se deben cubrir
cuatro áreas fundamentales desde el punto de vista del procesamiento de la
información y la interacción con el entorno, definidas en:
a. Percepción
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b. Localización
c. Planificación de rutas
d. Seguimiento de rutas.
Percepción
La percepción se refiere a la información que será obtenida del entorno
mediante los sensores. En el presente caso de estudio se manejaron dos
procesos fundamentales, uno de ellos es el desplazamiento por el área de trabajo
y el otro la suspensión de las actividades debido a condiciones desfavorables.
Cada proceso maneja la siguiente información:
a. Desplazamiento por el terreno
• Posicionamiento
• Detección de perímetro
• Evasión de obstáculos
b. Suspensión de actividades
• Niveles de carga de la batería
• Presencia de lluvia
• Humedad
• Temperatura
• Inclinación
Localización
Uno de los aspectos fundamentales dentro de la localización es el mapeo,
pues es la representación del ambiente con la que se guiaría el agente robótico
para realizar las actividades, la relevancia que tenga la construcción del mapa
dependerá de la tarea en particular a realizar o el problema a solucionar, en este
caso particular, las dimensiones del mapa se conocen a priori debido a que el área
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de trabajo tiene dimensiones determinadas, permitiendo que el mapa no se
construya dinámicamente sino que se defina antes de iniciar el trabajo.
Sabiendo esto, el área a cortar es un plano (x,y), por lo que se debe
conocer el desplazamiento del agente en ambos ejes, sin embargo, también es
necesario estar al tanto de la dirección de dicho desplazamiento para planificar y
seguir la ruta definida. Por este motivo se define un vector de posiciones (x, y, ɵ),
donde x es el desplazamiento horizontal, y el desplazamiento vertical y ɵ la
orientación.
Planificación de Rutas
Para realizar la planificación de rutas, se deben tener claras las limitaciones
cinemáticas del robot, además debe estar en la capacidad de conocer su
ubicación y poseer una representación del entorno. Habiendo hecho referencia
anteriormente a los dos primeros aspectos, solo queda aclarar que la
representación del entorno estará compuesta por un conjunto de celdas de igual
tamaño, siguiendo así la teoría de rejillas regulares definida por Siegwart y
Nourbakhsh (2004, p.205).
Seguimiento de Rutas
Una vez definidas las etapas previas, se debe contar con mecanismos para
llevar a cabo la estrategia de navegación planteada. La ruta a seguir dependerá
directamente del mapa que se haya construido del entorno, de los mecanismos
que posea para conocer su ubicación en él y de las herramientas con las que
cuente para detectar la presencia de obstáculos en el mapa.
Partiendo de las premisas anteriores, ACA debe mantener trayectorias
rectas y también debe realizar giros para cambiar su orientación cuando así se
requiera. En el caso de detectar obstáculos en el área de trabajo, debe evadirlos
para continuar con el proceso de cortado de césped y culminar el proceso con
éxito. Existen algoritmos especializados en la evasión de obstáculos, cada uno
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con características particulares que cumplen funciones específicas según las
necesidades de la solución a implementar, lo mejor a la hora de realizar una
elección es evaluar los aspectos positivos y negativos de cada aproximación e
inclinarse por la que mejor se adecúe a los requerimientos. El algoritmo
seleccionado para la evasión de obstáculos es Bug2 especificado por Siegwart y
Nourbakhsh (2004, p. 273), el cual consiste en seguir el contorno del obstáculo
hasta el momento en que considera que se puede continuar el desplazamiento
hacia el objetivo. En la imagen 3 se observa una representación de la evasión de
obstáculos del agente robótico.
Imagen 3. Evasión de obstáculos mediante Bug2.
Para llevar a cabo la estrategia de navegación planteada, el prototipo
robótico necesita de un conjunto de componentes electrónicos que le permiten
censar su entorno, un sistema que le permita procesar dicha información y una
fuente de energía para, posteriormente, ejercer las acciones correspondientes
sobre el ambiente mediante actuadores, además de necesitar una estructura física
para agrupar todos estos elementos.
Sensores. En esta etapa se especifican los estímulos que se necesitará obtener
del ambiente para tomar las decisiones según las especificaciones del trabajo a
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realizar. Cada estímulo del ambiente, debe ser percibido por un sensor
especializado. A continuación, se presentan los sensores con los que cuenta ACA
y sus estímulos relacionados:
Sensor de batería: Mide los niveles de la batería
Sensor de lluvia: Detecta la presencia de lluvia
Sensor de proximidad: Mide distancia entre el agente y objetos externos
Sensor de temperatura y humedad: Mide la temperatura y la humedad del
ambiente de trabajo
Acelerómetro: Detecta fuerzas que actúan sobre el agente, información que
será utilizada para desactivar los actuadores al ser elevado de la superficie
mientras esté en funcionamiento
Brújula: Mide orientación basándose en el campo magnético de la tierra
Encoder óptico: Detecta luz entrecortada por un disco giratorio con malla
óptica que es interpretada en un desplazamiento lineal
Sensor de borde: Detecta cuando se alcanzan los límites perimetrales del
área a cortar.
Los sensores utilizados dependerán directamente del problema a resolver en
particular, por lo que es un área que se debe estudiar cuidadosamente para
realizar un diseño adecuado a la solución requerida.
Procesamiento. La recolección de la información proporcionada por los sensores,
la toma de decisión y las órdenes enviadas a los actuadores son manejadas por
una unidad central de procesamiento, la cual está compuesta, generalmente, por
pines de entrada y salida, memoria, unidad de control y unidad para la realización
de cálculos matemáticos. La selección de la unidad de procesamiento depende de
la cantidad de información que se deba procesar y la dificultad de las actividades a
realizar, donde el procesamiento es directamente proporcional a la complejidad de
los procesos y actividades.
Baterías. En el mercado existen diversos tipos de baterías, cada una con ventajas
y desventajas asociadas a la naturaleza del trabajo para el que fueron diseñadas.
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En el caso de los desarrollos robóticos, las baterías de polímero de litio (LIPO) son
las más recomendables, en primer lugar por su capacidad de carga y descarga
continua y en segundo lugar por su baja relación peso-capacidad. Otras baterías
de tecnología similar a las LIPO son las de iones de litio (LI-ION), con la salvedad
de que el tamaño es un poco mayor en comparación. Por último, se tienen las
baterías de plomo-ácido, este tipo es el menos recomendable para
implementaciones robóticas debido a que son bastante pesadas y los tiempos de
carga son elevados.
Locomoción. Otro de los aspectos fundamentales es el tipo de locomoción que
tendrá el agente robótico pues junto con las características del trabajo a realizar es
el punto de partida para comenzar a diseñar la estructura mecánica. Como se
especificó anteriormente, se desea una configuración holonómica para facilitar el
seguimiento de rutas, por lo que la elección de la locomoción se reduce entre
sincro-drive y diferencial.
Por motivos de simplicidad y practicidad, ACA cuenta con una locomoción
diferencial. Este tipo de locomoción es una de las más usadas en la robótica
debido a su facilidad de implementación y maniobrabilidad, caso contrario en la
sincro-drive, considerada una de las más complejas.
Actuadores. Al decantarse por una locomoción diferencial, indudablemente se
deben tener dos motores independientes entre sí, que permiten el desplazamiento
por el área del terreno del agente robótico, aunado también a un tercer actuador
encargado de hacer girar la herramienta de corte para cumplir con el objetivo para
el que fue concebido el proyecto, cortar el césped.
Materiales. La estructura principal del agente robótico debe ser construida con un
material firme y liviano para reducir la carga de los actuadores, entre las opciones
de materiales que se estudiaron se tiene aluminio, acrílico y madera. La elección
del material depende, principalmente, de las condiciones del lugar de trabajo y del
propósito del prototipo, además del presupuesto con el que se cuente. En este
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caso se escogió trabajar con madera por su resistencia, flexibilidad, firmeza y bajo
costo.
INGENIERÍA DE DETALLE
Esta es la etapa más importante del diseño del agente robótico, pues el
resultado de ella será lo que brinde la información necesaria para proceder a la
construcción del mismo. Sin embargo, para llegar a esta etapa se debió cubrir
previamente la lógica de funcionamiento y los componentes que permitirán que
sea llevada a cabo.
Para todos los elementos que componen al agente robótico, como por
ejemplo los sensores, los actuadores, los controladores o procesadores, las
baterías y los materiales para la construcción de la estructura de soporte; se debe
especificar el modelo y las características, además de los diagramas para
construir alguno de ellos en caso de ser necesario. También se deben realizar los
diagramas del funcionamiento lógico y detallar los algoritmos que le permitirán
llevar a cabo el trabajo.
En caso de querer ahondar en los detalles de cada aspecto del caso de
estudio, referirse a (Pérez & Saad, 2014).
CONSTRUCCIÓN
Al contar con el diseño y el detalle de todos los elementos que componen al
agente robótico, la siguiente etapa es la procura de los mismos y la posterior
construcción y ensamblaje.
En el caso de construcciones robóticas, es recomendable realizar prototipos
para asegurarse de que todo funciona correctamente antes de hacer una versión
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definitiva, porque si hay algo seguro en la robótica es que surgirán imprevistos
durante la construcción y al momento de realizar las pruebas.
Pruebas
Las pruebas se realizan a lo largo de la construcción, debido a que es
importante ir verificando el funcionamiento de cada componente para asegurarse
de que los resultados que se obtendrán luego de completar esta etapa sean los
esperados, resultados que serán corroborados también mediante pruebas.
Entre las principales recomendaciones para la realización de pruebas se tiene
que deben realizarse tanto en condiciones controladas como en el ambiente
donde el agente robótico realizará el trabajo. Esto debido a que generalmente los
sensores son sensibles a cualquier alteración de las condiciones de trabajo,
pudiendo verse afectados los datos recibidos y por consiguiente el funcionamiento
general del agente. Esto tiene vital importancia si se trata de agentes robóticos
que realizan trabajos en ambientes no controlados, donde están expuestos a
condiciones variables e impredecibles.
Las pruebas son una de las etapas fundamentales en el desarrollo del agente,
es necesario realizarlas y llevar un registro de los resultados obtenidos en cada
una de ellas, pues de esto dependerá que se pueda verificar que el producto final
es un producto de calidad que es capaz de cumplir con sus objetivos sin
problemas.
CONCLUSIONES
De los objetivos planteados al iniciar la investigación, se obtuvo una serie de
conclusiones presentadas a continuación:
• Para construir un agente robótico se deben tener en cuenta todos aquellos
factores medioambientales donde se desenvolverá, pues cada uno de ellos influirá
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directamente en su funcionamiento y si no se tienen en cuenta se verá afectado su
desempeño.
• Para construir el prototipo se debe realizar un diseño previo y asegurarse
de que sea el más adecuado para cumplir con el propósito para el cual es
concebido, pues un proceso de reingeniería en este tipo de desarrollos es costoso.
• Todos los sensores tienen errores asociados a sus mediciones, por lo que
es importante conocer en qué grado se ven afectadas en relación con la realidad y
aplicar estrategias para mitigar dichos errores.
• En la construcción de agentes móviles de este tipo, la utilización de
actuadores especializados mejoran el rendimiento general del prototipo en gran
medida.
• Los detalles de la construcción del prototipo son importantes, pues afectan
directamente el rendimiento del mismo, por lo que se deben cuidar aspectos como
la simetría, el balance y los apoyos para garantizar estabilidad y precisión en los
movimientos.
• Es importante la abstracción y modularización del código para facilitar el
entendimiento, la mantenibilidad y la escalabilidad del mismo.
• Al diseñar algoritmos para un prototipo robótico, se deben tener en cuenta
todos los factores que influyan en su desenvolvimiento en el entorno de trabajo,
pues de no considerarlos, aun cuando el algoritmo funcione correctamente en
condiciones ideales, al momento de la puesta en marcha, puede fallar.
• Al momento de desarrollar el software para prototipos robóticos se debe
tener en cuenta el comportamiento de los sensores y contar con la posibilidad de
aplicar filtros que ayuden a evitar la utilización de datos erróneos durante la
ejecución del mismo.
• Las pruebas realizadas en el laboratorio no siempre dieron los mismos
resultados al realizarse en el ambiente de trabajo.
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REFERENCIAS
Arkin, R. (1998). Behaviour-based robotics. Massachusetts: MIT Press.
Pérez, E. & Saad, A. (2014). Desarrollo de un prototipo robótico autónomo capaz
de cortar césped en la cancha de fútbol de la Universidad Católica Andrés
Bello extensión Guayana. Puerto Ordaz.(Tesis de Grado, Universidad Católica
Andrés Bello - Guayana).
Siegwart, R., & Nourbakhsh, I. (2004). Introduction to autonomous mobile.
Cambridge: The MIT Press.
