Projeto Robot Packing

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SISTEMAS DE INFORMAÇÃO ERIVAN DE SENA RAMOS JOSÉ RILDO LESSA ROBOT PACKING
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    19-Oct-2014
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Ao mesmo tempo em que a autonomia de robôs pessoais e domésticos aumenta, cresce a necessidade de interação dos mesmos com o ambiente. A interação mais básica de um robô com o ambiente é feita pela percepção deste e sua navegação. Para uma série de aplicações não é prático prover modelos geométricos válidos do ambiente a um robô antes de seu uso. O robô necessita, então, criar estes modelos enquanto se movimenta e percebe o meio em que está inserido através de sensores. Ao mesmo tempo é necessário minimizar a complexidade requerida quanto a hardware e sensores utilizados. No presente trabalho, é apresentado um projeto para um robot packing, definindo seu ambiente e seus comportamentos. Palavras-chave: Robot Packing, Sistemas Multiagentes.

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A segurana na internet e uso da tecnologia de firewalls

SISTEMAS DE INFORMAO

ERIVAN DE SENA RAMOS

JOS RILDO LESSA

ROBOT PACKING

Fortaleza

2009

ERIVAN DE SENA RAMOS

JOS RILDO LESSA

ROBOT PACKING

Trabalho apresentado ao Curso de Sistemas de Informao da Faculdade Integrada do Cear como requisito para obteno da nota de AVII, da disciplina de Sistemas Multiagentes. Sob a orientao do Professor Ms. Cludio Olany Alencar de Oliveira.

Fortaleza

2009

RESUMO

Ao mesmo tempo em que a autonomia de robs pessoais e domsticos aumenta, cresce a necessidade de interao dos mesmos com o ambiente. A interao mais bsica de um rob com o ambiente feita pela percepo deste e sua navegao. Para uma srie de aplicaes no prtico prover modelos geomtricos vlidos do ambiente a um rob antes de seu uso. O rob necessita, ento, criar estes modelos enquanto se movimenta e percebe o meio em que est inserido atravs de sensores. Ao mesmo tempo necessrio minimizar a complexidade requerida quanto a hardware e sensores utilizados. No presente trabalho, apresentado um projeto para um robot packing, definindo seu ambiente e seus comportamentos.

Palavras-chave: Robot Packing, Sistemas Multiagentes.

ABSTRACT

As the autonomy of personal service robotic systems increases so has their need to interact with their environment. The most basic interaction a robotic agent may have with its environment is to sense and navigate through it. For many applications it is not usually practical to provide robots in advance with valid geometric models of their environment. The robot will need to create these models by moving around and sensing the environment, while minimizing the complexity of the required sensing hardware. This work proposes a design for a robot packing, setting environment and behavior.

Keywords: Robot Packing; Systems Multiagentes

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Robart I, Robart II e Robart III 08

FIGURA 2 - Rob Sojourner 09

SUMRIO

1 INTRODUO 06

1.1 Histrico 07

2 OBJETIVOS 10

2.1 Objetivo geral 10

2.2 Objetivos especficos 10

3 ROB PACKING 11

3.1 Ambiente 11

3.1.1 Caractersticas do ambiente 12

3.1.1.1 Comunicao 13

3.1.1.1 Coordenao 14

3.2 Robs 14

3.2.1 Sensores 15

3.2.2 Atuadores 16

3.2.3 Comportamento 16

4 CONCLUSO 18

REFERNCIAS UTILIZADAS 19

INTRODUO

A Robotic Industries Association (RIA) define um rob como sendo um manipulador programvel multi-funcional capaz de mover materiais, partes, ferramentas ou dispositivos especficos atravs de movimentos variveis programados para realizar uma variedade de tarefas

Esta definio descreve toda uma categoria de mquinas. Desta forma, qualquer equipamento capaz de ser programado de alguma forma considerado um rob. A indstria j utiliza esta tecnologia como substituta da mo-de-obra humana, em especial onde h riscos envolvidos.

Pode-se distribuir os robs em geraes segundo sua complexidade:

Primeira Gerao: So robs tipicamente utilizados em ambientes industriais, desprovidos de "inteligncia" seno aquela programada. O mundo onde atuam deve ser preparado pois eles no so capazes de perceber os objetos ao seu redor com exatido. Poucos utilizam um computador dedicado embarcado. No entanto, ainda so usados em fbricas devido ao aumento de produtividade e qualidade do produto gerado e da durabilidade. Tendem a desaparecer medida que as exigncias em termos de produtividade e velocidade aumentarem ainda mais

Segunda Gerao: A rpida expanso do mercado de semicondutores fez com que computadores se tornassem produtos baratos o suficiente para equipar robs. Isto permitiu um avano significativo pois mquinas anteriormente muito limitadas puderam ser equipadas com controladores que permitiram clculos em tempo real e controle mais preciso dos atuadores ao longo de trajetrias. Sensores de fora, torque e proximidade puderam ser integrados proporcionando maior adaptabilidade e preciso ao trabalho desempenho pelo rob em seu ambiente. Entre as aplicaes esto, pintura, montagem e soldagem.

Terceira Gerao: Representam os modelos mais avanados hoje disponveis. Caracterizam-se por incorporarem mltiplos processadores, cada um deles funcionando de forma assncrona e independente dos demais. Tambm possuem sistemas supervisores e de controle destes processadores utilizando funes de alto nvel. So capazes de se comunicarem com outros sistemas.

Todo rob, mvel ou no, possui caractersticas estruturais em comum, tais como:

Manipulador: parte mecnica mvel do rob; geralmente representado por uma garra.

Atuador: dispositivo responsvel pela movimentao do manipulador, os atuadores so responsveis por atuarem no mundo fsico. Eles representam esta interface.

Sensor: dispositivo sensorial do rob. ele que "sente" o mundo ao seu redor. Representa a outra "ponta" do par sensor-atuador. Assim como o dispositivo atuador, uma parte vital para o bom funcionamento de qualquer rob, pois o mundo do rob restringe-se s interfaces

1.1 Histrico

O interesse pela mobilidade de robs teve incio com hobistas das reas de eltrica/eletrnica. Estes entusiastas construram seus primeiros prottipos impulsionados pela curiosidade. Compostos a partir de peas de equipamentos como rdios, televisores e pequenos motores, tinham como inspirao os filmes de fico cientfica da poca. Estes modelos tambm tinham em comum a imitao da forma humana (antropomrficos), a teleoperao e o total desprovimento de "inteligncia"

A partir do final da dcada de 70 e incio dos anos 80, comearam a aparecer projetos srios para aplicaes como patrulhamento de ambientes, transporte de carga, segurana, explorao, entre outros, quase sempre patrocinados por rgos militares, governamentais ou grandes empresas.

Percebeu-se a um importante nicho ainda inexplorado e de grande futuro se ns pensarmos no enorme potencial econmico disto. Tambm alimentou o sonho de tornar realidade mquinas queo cinema imortalizou na srie Star Wars, como o andride C3PO e o rob R2D2.

Um dos primeiros modelos a obter sucesso foi o Robart I, desenvolvido pela marinha norteamericana entre os anos de 1980 e 1982. Este rob tinha como funo patrulhar ambientes fechados a procura de situaes indesejveis, tais como indcios de incndio e vestgios de intrusos .

Aplicaes como estas foram escolhidas para demonstrar a utilidade destas funes livrando pessoas destas tarefas e para provar que no eram necessrios dispositivos avanados, reduzindo a complexidade de todo sistema. Estes modelos j exibiam caractersticas como fuso sensorial e dispositivos sintetizadores de voz para anncio destas situaes indesejveis detectadas. Tambm eram capazes de encontrar sozinhos para a recarga da bateria pontos previamente configurados com base na troca de sinais de rdio entre o rob e esta central. Os modelos seguintes, Robart II (1982-1992) e III (1992), eram mais avanados, possuindo processamento distribudo de cada grupo desensores, planejamento de trajetria, criao de mapas do ambiente, utilizao de cmeras de vdeo para a transmisso de imagens e muitos mais.

FIGURA 1 - Robart I, Robart II e Robart III

O desenvolvimento prosseguiu com a adio de novos tipos de sensores, atuadores e programas de controle tornando-os cada vez mais autnomos e precisos na realizao de suas tarefas. Tambm passaram a ser utilizados em outros ambiente alm do terrestre. Robs para explorao submarina como aqueles utilizados na descoberta de naufrgios famosos e robs para o patrulhamento areo, como os avies espies Predator norte-americanos usados na guerra do golfo. Ou seja, robs permeiam praticamente todas as atividades humanas dos dias de hoje, mesmo sem nos darmos conta disso.

Da limpeza de ambientes aviao, das agncias bancrias aos supermercados tudo possui mquinas programveis para facilitar a vida das pessoas. Existem hoje robs extremamente avanados. A evoluo nesta rea surpreendente. O caso mais famoso de projeto bem sucedido o rob Sojourner. Construdo pelo Jet Propulsion Laboratory (JPL) do Instituto de Tecnologia da Califrina em parceria com a NASA e enviado a Marte com o objetivo de explorar as caractersticas do terreno deste planeta e realizar experimentos cientficos. Esta misso foi a primeira de uma srie de outras planejadas. Estes robs podem ser considerados o estado da arte na rea de robtica mvel autnoma. Uma vez lanados e em rbita, pouco pode ser feito em caso de falhas.

FIGURA 2 - Rob Sojourner

A viagem do Sojourner levou sete meses. Durante este perodo de tempo, tudo que os tcnicos responsveis pela misso tinham a sua disposio eram dados de telemetria. A interveno (envio de comandos por exemplo) tambm era possvel, apesar do longo intervalo de tempo necessrio para isto, entre 6 e 41 minutos.

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo dessa pesquisa entender e esclarecer os fundamentos da comunicao e interao de agentes inteligentes; aplicando conceitos na modelagem do projeto de um robot packing, atravs de um estudo realizado por meio de um levantamento bibliogrfico. Esse trabalho caracterizado como uma pesquisa conceitual, e visa contribuir na aplicabilidade do conjunto de princpios da disciplina de Sistemas Multiagentes.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Pesquisar aspectos relacionados robtica mvel de acordo com os preceitos da disciplina de Sistemas Multiagentes.

Estudar aspectos relacionados projetos de modelagem e construo de um robot packing.

Projetar ambiente, robs e comportamentos, identificando sensores e atuadores.

ROBOT PACKING

O presente projeto pretende apresentar uma simulao para um domnio bidimensional, onde robs devem mover pacotes em direo ao destino.

Neste domnio, robs s podem carregar um pacote por vez, e no permitido passar atravs dos pacotes, eles devem manobr-los ou contorn-los. Existindo um custo associado para mover o pacote, porem no existe um custo para levantar ou para baixar um pacote.

Se o rob encontrar um pacote quando j est carregando outro, ele deve empurrar esse outro pacote ou desviar dele. Empurrar o pacote acarreta num custo mais alto, porm isso poder trazer benefcios futuros ao prprio rob ou aos outros.

O rob tem benefcios de acordo com os movimentos em direo ao destino, quando carregando uma caixa.

O rob poder se movimentar para qualquer uma das casas vizinhas (caso estejam disponveis) e que, para faz-lo, precisa girar na direo que pretende ir.

3.1 Ambiente

O domnio apresentado para esse projeto consiste em um reticulado, cercado por paredes que modelam uma grid, dividida em 50 quadrados, cuja explorao ser feita pelos agentes a serem descritos.

Nessa grid existem 2 divises distintas, para um melhor controle das categorias, aes e mensagens dos robs que atuaram na mesma. So elas: rea Robs Buscadores, onde nessa a atuao ser exclusiva de um rob especfico na modelagem proposta; e rea Robs Entregadores, que tero interatividade s com robs que so encarregados de pegar os pacotes deixados por Robs Buscadores e levar at o alvo.

A montagem do reticulado obedece s seguintes regras:

Contm:

25 pacotes

Cada pacote possuir uma informao binria a qual definir seu status atual (0 espera da coleta e 1 sendo transportado).

4 robs

Orientados por sinais que sero enviados pelo ambiente ou outros robs.

2 alvos

Cada alvo possuir um sinalizador que emitir a posio em que ele se encontra.

Qualquer posio apresenta os seguintes estados:

Ocupada por um outro rob (OR)

Ocupada por um pacote (OP)

Desocupada (DE)

Posio do alvo (PA)

Posio atual do rob (PR)

3.1.1 Caractersticas do ambiente

As caractersticas do ambiente so fundamentais na definio da arquitetura e estrutura dos agentes. O ambiente do Robot Packing ser classificado de acordo com as seguintes caractersticas:

Acessvel: pois os sensores do agente so capazes de coletar todas as informaes relevantes sobre o ambiente.

Estocstico: pois seus estados futuros so afetados pelos outros agentes.

Episdico: a atuao dos agentes dividida em episdios atmicos, onde o agente percebe e efetua apenas uma ao por episdio independente dos anteriores. No h relao ou dependncia entre episdios.

Esttico: As alteraes que podem ocorrer no ambiente dependem da atuao dos agentes.

Discreto: por possuir um nmero fixo e finito de aes e percepes, um nmero definido de variveis e valores possveis.

Multiagente: O ambiente composto por muitos agentes.

O ambiente projetado propicia uma infra-estrutura computacional para que ocorra a interao entre os robs. Essa infra-estrutura inclui protocolos para comunicao e protocolos para a interao entre agentes.

3.1.1.1 Comunicao

A comunicao entre os agentes realizada de forma direta onde os Robs Buscadores ao detectarem por meio de seus sensores pacotes no grid atravs de uma propagao de sinais, enviam sinais pelos seus atuadores, que difundido pelo ambiente at atingir os Robs Entregadores, afim da definio da melhor rota, ou para obter resolues de conflitos. A partir disso, uma soluo criada atravs do agrupamento de agentes que trabalham cooperativamente, cada um deles resolvendo parte do problema.

Para a comunicao utilize-se o KQML - Knowledge Query and Manipulation Language, um protocolo e linguagem (alto-nvel) de comunicao orientada mensagem, para troca de informao, independente da sintaxe de contedo.

2.1.1.2 Coordenao

A alocao das tarefas descentralizada em uma estrutura de subordinao, onde os Robs Entregadores definem qual a rota a ser realizada pelos Robs Buscadores, e em caso de conflito define quem tem prioridade sobre o pacote. A partir disso, est envolvida a busca por uma funcionalidade neste sistema que permita que estes agentes possam coordenar seus conhecimentos, objetivos, habilidades e planos individuais de uma forma conjunta, em favor da execuo de uma ao ou da resoluo de algum problema onde se faa necessria a cooperao entre os agentes.

3.2 Robs

A comunicao entre o agente e o ambiente ser atravs da ao percebe, que pesquisar o status atual da coordenada que emitir sinais que corresponder ao estado da posio (OR, OP, DE, PA), retornando uma percepo.

Se o rob tentar caminhar para uma posio que uma parede, ele perceber um choque e continuar se movimentado para outra direo possvel.

O objetivo do Rob Buscador sensoriar o ambiente para identificar pacotes espalhados pela grid, e solicitar aos Robs Entregadores uma rota inteligente at uma regio de entrega.

O objetivo do Rob Entregador enviar aos Robs Buscadores, qual o alvo mais prximo e qual a melhor rota para chegar at a regio de entrega.

As outras aes possveis a serem realizadas pelos robs so as seguintes:

Direcao: muda a orientao do Rob. As possveis orientaes so: Norte, Sul, Leste ou Oeste, definidas respectivamente pelas c = (c, l) onde c identifica a coluna e l identifica a linha.

Carregar: o agente pega e segura o pacote.

Empurrar: empurra o pacote.

Soltar: solta o pacote.

Enviar_msg: Envia mensagem.

Receber_msg: Recebe mensagem.

3.2.1 Sensores

Os agentes projetados so capazes de sensoriar, perceber o ambiente por meio de sensores e trocas de mensagens.

Desta forma possvel saber como agir de acordo com o estado do ambiente.

Os sensores apresentados pelo Robot Packing so os seguintes:

Sensor tico executa a ao percebe.

Antena para sinal digital executa a ao Receber_msg.

Bssola auxilia na ao Direcao.

Leitor de freqncia - que informa a PR.

3.2.2 Atuadores

Aps perceber e processar as informaes, o agente opera no ambiente de acordo com seus objetivos e estado interno, utilizando seus atuadores.

Os atuadores apresentados pelo Robot Packing para agir no ambiente so:

Quatro rolamentos na parte inferior do rob e base giratria ente as rodas e o corpo do rob executa a ao Direcao.

Duas garras executa ao Carregar e Soltar.

Antena para sinal digital executa a ao Enviar_msg.

Comportamento

Os robs no reagem somente ao seu ambiente, mas tambm exibem um comportamento orientado satisfao de seus objectivos, conforme as definies e restries abaixo relacionadas:

Os Robs Entregadores atravm de sensores pricos percebem que existem pacotes no ambiente, e enviam mensagem para os Robs Buscadores.

Os Robs Buscadores iniciam a busca aps receberem sinal dos Robs Entregadores, e s finalizam aps percorrem todo o ambiente.

Os robs buscadores conseguem andar a uma velocidade de 1k/h sem nenhum pacote

Os robs buscadores conseguem andar a uma velocidade de 0,5k/h com um pacote

O rob consegue andar a uma velocidade de 0,25k/h com um pacote e empurrando outro.

O Rob Buscador ao pegar um pacote, ir se comunicar com o Rob Entregador para que o mesmo envie a melhor rota at a rea de entrega, esse escolha feira atravs de Busca Heurstica Best-First Search, que por sua vez a funo dessa prioriza caminhos em linhas restas, que sempre mais perto, caso o caminho no seja em linha reta a busca utilizar outras tcnicas.

No ato de carregar um pacote, o Rob Buscador ao se deparar com mais um pacote na sua rota (obstculo) ir utilizar sempre a seguinte condio: se perto desse obstculo tiver outros pacote o Rob Entregador empurrar esse obstculo para poder passar, caso contrrio ir desviar do mesmo. Pois se houver mais de um obstculo o Buscador teria mais trabalho para desviar, assim perdendo mais tempo e diminuindo seu desempenho.

Ao chegar na rea de entrega o Rob Buscador detecta a fronteira entre sua rea e a de referida e solta o pacote em um dos lugares pr-definidos.

Na coleta de pacotes em coordenadas do grid, quando houver conflito entre Robs Buscadores (quando chegarem ao mesmo tempo em um pacote para coletar - prioridade de coleta), o mesmo ir solicitar ao Rob Entregador quem tm mais prioridade, o Rob Entregador ir decidir quem tem essa prioridade a partir de um histrico previamente armazenado de custo de entregas dos Robs Buscadores calculado a partir de uma base de dados que gerada a cada entrega de pacotes do Rob Buscador, nesse histrico guardado o custo das entregas e quem tiver o melhor custo ser priorizado no conflito, isto , ir pegar o pacote em discusso.

A rea de entrega ser divida igualmente entre os dois Robs Entregadores, e cada um responsvel pela entrega dos pacotes em um alvo. Os Robs Entregadores percorrero sua respectiva rea de entrega constantemente enquanto houver pacotes no ambiente.

4 CONCLUSO

Ao mesmo tempo em que a autonomia de robs aumenta, cresce a necessidade de interao dos mesmos com o ambiente. A interao mais bsica de um rob com o ambiente feita pela percepo deste e sua navegao.

Alm das habilidades de percepo e raciocnio, tambm fundamental para um rob, aprender e evoluir quais os melhores comportamentos a serem tomados.

Podemos concluir ainda, que tambm de fundamental importncia para um Sistema Multiagente tomar decises a partir um protocolo de comunicao e negociao. Desta forma, pode haver uma reao de forma correta s aes que venham a ocorrer no ambiente, buscando evitar aes desnecessrias.

REFERNCIAS UTILIZADAS

BELO, Felipe Augusto Weilemann. Desenvolvimento de algoritmos de explorao e mapeamento visual para robs mveis de baixo custo. Rio de Janeiro: PUC-Rio, 2006. Disponvel em , acessado em 07/06/2009.

ENDLER, Markus. Algoritmos para Tomada de Deciso Cooperativa entre Robs Mveis. Rio de Janeiro: PUC-RIO, 2006. Disponvel em , acessado em 07/06/2009.

SILVA, Luciano Rottava. Anlise e programao de robs mveis autnomos da plataforma eyebot. Florianpolis: UFSC, 2003. Disponvel em , acessado em 07/06/2009.

OLIVEIRA, Cludio Olany Alencar. Sistemas Multiagentes - Agentes Inteligentes. Fortaleza: FIC, 2008.

OLIVEIRA, Cludio Olany Alencar. Sistemas Multiagentes - Sensores e Atuadores. Fortaleza: FIC, 2009.

OLIVEIRA, Cludio Olany Alencar. Sistemas Multiagentes - Coordenao em SMA. Fortaleza: FIC, 2009.

Busca genrica que seleciona o caminho de menor custo, mas altera o caminho caso um outro ramo apresente menor distncia. Baseia-se em uma funo de avaliao f(n) = h(n)

(heurstica) = estima o custo da raiz (n) at o objetivo.

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