Arquitectura de control de los robots industriales.
Se presenta un modelo de referencia para la arquitectura funcional del sistema de control de un robot industrial.
La estructura jerárquica y su articulación en módulos funcionales, permite determinar los requisitos y características del entorno de programación y la arquitectura hardware.
Arquitectura funcional.
El sistema de control para supervisar las actividades de un sistema robótico deberá ser dotado de un número de herramientas que ofrecen las siguientes funciones:
- La capacidad de mover objetos físicos en el ámbito de trabajo.
- La capacidad de obtener información sobre el estado del sistema y el ámbito de trabajo.
- La capacidad de explotar la información para modificar el comportamiento del sistema de manera programada.
- La capacidad de almacenar, elaborar y proporcionar datos sobre la actividad del sistema.
Una implementación efectiva de estas funciones puede obtenerse por medio de una arquitectura funcional, considerando ésta como la supervisión de varios niveles de actividad dispuestos en una estructura jerárquica.
Los niveles bajos de la estructura están orientados para la ejecución de movimientos físicos, mientras que los niveles más altos están orientados hacia la planeación lógica de acciones.
Los niveles están conectados por el flujo de datos; aquéllos dirigidos hacia los niveles más altos se refieren a mediciones o resultados de acciones, mientras que los que están dirigidos hacia los niveles más bajos se enfocan en la transmisión de directrices.
En cuanto a las funciones del sistema de control que implementan el manejo de las actividades de sistema que se enumeraron antes, en general, conviene asignar tres modelos funcionales a cada nivel.
- El primer módulo se dedica a la gestión de datos sensoriales (módulo sensorial).
- El segundo se dedica a proporcionar información relevante del entorno (módulo de modelado).
- El tercer módulo se dedica a decidir la política de la acción (módulo de decisión).
Los módulos sensoriales adquieren, elaboran, correlacionan e integran datos sensoriales en tiempo y espacio, con el fin de reconocer y medir los datos del sistema y las características del ambiente.
Queda claro que las funciones de cada módulo están orientadas al manejo de los datos sensoriales relevantes de su nivel.
Los módulos de modelado contienen modelos derivados con base en conocimientos a priori del sistema y el ambiente.
Estos modelos se actualizan mediante la información que proviene de los módulos sensoriales, mientras que la activación de las funciones requeridas se encarga a los módulos de decisión.
los módulos de decisión realizan la descomposición de tareas de alto nivel en acciones de nivel bajo.
Esta descomposición de tareas tiene que ver tanto con la descomposición en tiempo de acciones secuenciales como con la descomposición en el espacio de acciones simultáneas.
Cada módulo de decisión queda encargado de las funciones referentes a la gestión de asignaciones de acción elemental, a la planeación y a la ejecución de tareas.
Las funciones de un módulo de decisión caracterizan el nivel de la jerarquía y determinan las funciones necesarias para los módulos de modelado y sensoriales que operan en el mismo nivel.
Esto implica que los contenidos de estos dos módulos no permiten la determinación privilegiada del nivel jerárquico, ya que la misma función podrá estar presente en varios niveles, dependiendo de las necesidades de los módulos de decisión en los niveles relativos.
La arquitectura funcional necesita una interfaz de operario en cada nivel de la jerarquía, de tal modo que se permita que un operario realice funciones de supervisión e intervención en el sistema robótico.
Las instrucciones impartidas al módulo de decisión en un cierto nivel pueden ser proporcionadas por el módulo de decisión en el siguiente nivel superior o por la interfaz de operador, o por una combinación de los dos.
En vista del alto flujo de datos relacionados con el intercambio de información entre los distintos niveles y módulos de la arquitectura funcional, vale la pena asignar una memoria global compartida que contenga las estimaciones actualizadas sobre el estado de todo el sistema y el entorno.
La estructura del modelo de referencia para la arquitectura funcional se representa en la Figura 1, donde se ilustran los cuatro niveles jerárquicos potencialmente relevantes para los sistemas robóticos en aplicaciones industriales.
Figura 1. Modelo para la arquitectura funcional.
Dichos niveles se refieren a la definición de la tarea, su descomposición en acciones elementales, la asignación de primitivas a las acciones y la implementación de acciones de control en el servomanipulador.
A continuación, se describen las funciones generales de los tres módulos en cada nivel.
A nivel de tarea, el usuario especifica la tarea que debe ejecutar el sistema robótico; esta especificación se realiza con un alto nivel de abstracción.
El objetivo de la tarea deseada se analiza y desglosa en una secuencia de acciones que se coordinan en el espacio y el tiempo y permiten la implementación de la tarea.
La elección de acciones se realiza a partir de modelos de conocimiento, así como del escenario de interés para la tarea.
En el nivel de la acción, los comandos simbólicos provenientes del nivel de la tarea se traducen en secuencias de configuraciones intermedias que caracterizan una trayectoria de movimiento para cada acción elemental.
La elección de las secuencias se realiza sobre la base de modelos del manipulador y del entorno donde se va a realizar la acción.
En el nivel primitivo, sobre la base de la secuencia de configuraciones recibidas por el nivel de acción, se calculan las trayectorias de movimiento admisibles y se decide la estrategia de control.
La trayectoria de movimiento se interpola para generar las referencias para el nivel del servo.
La elección de las primitivas de movimiento y control está condicionada por las características de la estructura mecánica y su grado de interacción con el entorno.
En el nivel del servo, sobre la base de las trayectorias de movimiento y las estrategias de control impartidas por el nivel primitivo, se implementan algoritmos de control que proporcionan las señales de activación a los servomotores de las articulaciones.
El algoritmo de control opera con señales de error entre la referencia y los valores reales de las cantidades controladas, utilizando el conocimiento del modelo dinámico del manipulador y de la cinemática, si es necesario.
En particular, el módulo de decisión realiza una microinterpolación sobre la trayectoria de referencia para aprovechar plenamente la característica dinámica de los accionamientos; calcula la ley de control y genera las señales (voltaje o corriente) para controlar los accionamientos específicos.
El módulo de modelado elabora los términos de la ley de control en función de la configuración de corriente del manipulador y los pasa al módulo de decisión; tales términos se calculan sobre la base del conocimiento del modelo dinámico del manipulador.
Finalmente, el módulo sensorial proporciona medidas de los sensores propioceptivos (posición, velocidad y fuerza de contacto, si es necesario); el módulo de decisión utiliza estas medidas para calcular los errores del servo y, si es necesario, el módulo de modelado para actualizar los términos dependientes de la configuración en el modelo.
Con respecto a este modelo de referencia de arquitectura funcional, los sistemas de control de los robots industriales actuales no están dotados de todas las funciones ilustradas, debido a limitaciones tanto de tecnología como de costos.
El nivel de tarea se implementa muy poco ya que aún no existen paquetes de software de aplicación efectivos y confiables que permitan soportar las funciones complejas requeridas en este nivel.
Figura 2. Niveles funcionales de los modelos de referencia que se implementan, típicamente, en los sistemas de control de robots industriales avanzados.
Los módulos sensoriales y de modelado están siempre presentes en el nivel más bajo, debido a los exigentes requisitos a nivel de servo para que los robots de alto rendimiento dinámico se empleen incluso en aplicaciones relativamente simples.
En el nivel primitivo, el módulo de modelado suele estar presente, mientras que el módulo sensorial está presente solo en un número reducido de aplicaciones que requieren la interacción del robot con un entorno menos estructurado.
En el nivel de la acción, el módulo de decisión está presente solo como un intérprete de los comandos de alto nivel impartidos por el operador. Todas las funciones de desglose de tareas se confían al operador y, por lo tanto, el módulo de modelado y sensorial está ausente en este nivel. La posible verificación de la viabilidad de la acción se traslada al nivel primitivo donde existe un módulo de modelado.
En vista del modelo de referencia de arquitectura funcional altamente estructurado ilustrado en la Figura 1, es posible la evolución del sistema de control hacia capacidades cada vez más poderosas.
De hecho, se puede prever que el progreso de la tecnología de la información puede permitir la adición de niveles jerárquicamente más altos que el nivel de la tarea.
Estos deberían caracterizar funcionalmente las tareas complejas para dividirlas en tareas elementales y, sin embargo, en un nivel aún más alto, las misiones para dividirlas en tareas complejas.
Bibliografía:
Siciliano, Bruno & otros. (2010). Robotics. Modelling, Planning and Control. Capítulo 6. Inglaterra: Springer-Verlag London Limited.
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