Desarrollo de Robótica humanoide para fútbol en el Tec. de Monterrey aspectos fundamentales para el desarrollo y construcción de robots de tipo humanoides para que jueguen fútbol según las reglas publicadas por la Federación Internacional de RoboCup.

1. Desarrollo de robots
humanoides para jugar futbol
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Tecnológico de Monterrey
Campus Estado de México

2. Motivación
• Desarrollar un robot con forma humana capaz de interactuar
y apoyar las tareas cotidianas de los seres humanos
(prótesis dinámicas, rehabilitación, policíacas y militares,
asistencia médica, uso doméstico, aplicaciones recreativas y
de educación)
• Veremos humanoides en la vida-cotidiana a condición que:
beneficio-social, amigable-usuario, tecnológicamente-viable,
costo-accesible y sea-durable.
• Establecer una plataforma de alto grado de dificultad para
estudiantes de áreas afines (electrónica, mecánica y
computación) tanto a nivel licenciatura como posgrado.

3. Equipo de Trabajo
• Dr. Alejandro Aceves ITESM-CEM (Líder)
Graduados:
• MC. Raul Serna
• MC. Enrique González
• IMT Alejandro Melendez
• IMT: Guillermo Villarreal
• IMT: Hector M. Sánchez
• IMT: Osvelia Urbán
Estudiantes actuales:
• DCI: Aarón Alvarez
• DCI: Carmen Juárez • IMT: Salvador Sumohano
• MCI: Lucia Barrera • IMT: Oscar R. Hernández
• MCI: Gabriel González • IMT: David Alonso Quiroz
• MCI: Jorge Quesadas • IMT: Arturo Camarillo
• MCI: Erik Cruz

4. Extremidades inferiores
Diseño de una estructura a dos piernas capaz de
desplazarse en terrenos planos, no-nivelados,
escalonado e irregular manteniendo el equilibrio,
transportando una carga útil y de forma autónoma.

5. 1er prototipo (2004)
(θ4,θ5
(θ6,θ7
)
)
d
θ z
3 Altura =
θ 8 52cm
3 x y
d
(θ9,θ1
Peso total:
2 0) 2.358K
g
(θ1,θ2 d
13c
m) 1 25c
m
R. Serna, “Discusión y selección de los elementos necesarios para la construcción de un robot
bípedo de tipo medio-humanoide llamado Mayra”,Tesis de maestría, MCI Enero 2005.

6. 1er prototipo (2004)
Como caminamos: ciclo de la marcha
Fase de apoyo D Fase Swing D
DS SS DS SS
Fase Swing I Fase de apoyo I

7. 1er prototipo (2004)
Cómo lograr que camine un robot humanoide:
Static Frame-Based Dynamic Walking
Motion Motion
Motion Frames Walk
Parameters
Frame Walk Engine
Interpolator
Robot Humanoide

8. 1er prototipo (2004)
(θ6,
El caminado estáticamente (θ4,
θ7)
estable hacia adelante de un θ5)
bípedo se puede lograr separando
dos movimientos: balanceo y θ
avance. 8
θ
3
Si el robot camina rápido, su inercia (θ9,
θ10)
podría ocasionar que la PNCM se (θ1,
θ2)
mueva muy cerca del borde del (xrf, yrf,
polígono de soporte ocasionando zrf)
que el robot se caiga. (xlf, ylf,
zlf) NPCM
Serna&Aceves, " From mechatronic design to the construction of a statically stable biped robot ", 2do IEEE
LARC and VII Simposio Brasileiro de Automatización Inteligente, Sao Luis-MA, Brazil, 18-23 September 2005,

9. 1er prototipo (2004)
Resolver:
 θ1    xd  
(θ4,
(θ6,
θ7)
   = f −1  y 
θ5)     d 
 θ 10    zd  
θ
    
θ 8 imponiendo:
3 (θ9,  0    θ1  
 0  = g  M  
z θ10)
(θ1,
θ2)    
x (xr, yr,
 zcm   θ  
y zr)     10  
PNC
M Cada postura es estáticamente estable !

10. 1er prototipo (2004)
Resolver:
 θ1    xd  
(θ4,
(θ6,
θ7)
   = f −1  y 
θ5)     d 
 θ 10    zd  
θ     
θ
8 imponiendo:
3 (θ9,  0    θ1  
 0  = g  M  
z θ10)
(θ1,
θ2)    
x (xr, yr,
 zcm   θ  
y zr)     10  
PNC
M Cada postura es estáticamente estable !

11. 1er prototipo (2004)
La interpolación de posturas estáticamente estables resulta
en un caminado estáticamente estable.
Paso
Paso
Pa
Pa
Pa
Pa
so
so
so
so
P
o
32
P
a
s
o
1
7
a
8
4
5
s
6 Paso
9

12. 1er prototipo (2004)
Resolver todos los Mandas las Interpolación en
IK-problemas soluciones de tiempo real
todas las posturas

13. 1er prototipo (2004)

14. Mejoras a MAYRA (2005)
Static Frame-Based Engine Walking
Motion Motion
Motion Frames Walk
Parameters
Inverse
Frame
Kinematics
Interpolator
Robot Humanoide

15. Mejoras a MAYRA (2005)
 0 
 
deseada
PPD ( t ) = Crf
xyz
+  r cos ( ω t ) 
 
 r max ( 0,sin ( ω t ) ) 
 
 0 
 
deseada
PPI ( t ) = Clfxyz +  r cos ( ω t + π ) 
 
 r max ( 0,sin ( ω t + π
 ) ) 
Aceves et. al. "Borregos Salvajes - Team Description Four-legged Sony League", Proceeding of the 7th RoboCup
International Symposium, 2-1 1 July 2003, Padua Italy.

16. Mejoras a MAYRA (2005)
Cinemática inversa del pie derecho:

( ) ( ) ( ) − d 2 − d32 
2 2 2
Prf + Prf + Prfz
x y 2
θ 3 = arccos  1 + 
 2d 2 d3 
 
 
− Prfx
θ 5 = arcsin
d 2 + d3 cos θ 3
Prfy cos θ 5 ( d 2 + d3 cos θ 3 ) + Prfz d3 sin θ 3
θ 4 = arctan
Prfy d3 sin θ 3 − Prfz cos θ 5 ( d 2 + d3 cos θ 3 )
ACEVES, MELENDEZ, “Human-inspired walking-style for a low-cost biped prototype”, IEEE 3rd Latin American
Robotics Symposium, October 26 & 27, 2006 Universidad de Chile. ISBN 1-4244-0537-8S.

17. 2do prototipo (2008)
Construcción de un prototipo más alto.
Cruz, Villarreal, Salvador Sumohano, Aceves, “Team Descripction Paper Bogobots Humanoide Team (Teen Size), Robocup Suzhou
China 2008

18. Modelo Dinámico (2006)
Vitruvian MAYRA
Modelo de 10DOF Modelo de 6DOF
Enrique González Núñez, "Modelado y control de las dinámicas del caminado del bípedo MAYRA“, Tesis de
Maestría, Marzo 2007.

19. Modelo Dinámico (2006)
Modelo reducido a 6 DOF (Euler-Lagrange):
Ley de control aplicada:
Enrique González Núñez, Alejandro Aceves López, Marco Iván Ramírez-Sosa M. CONTROL PARA EL SEGUIMIENTO DE
TRAYECTORIA DE MOVIMIENTO DE UN BÍPEDO CON FASES: PIE DE SOPORTE - PIE EN MOVIMIENTO, Primer Encuentro
Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaría, ITESM Campus Chihuahua 2007.

20. Modelo Dinámico (2006)
Programas diseñados en Mathematica v5

21. Modelo Dinámico (2006)
Simulación de medio paso:

22. Modelo Dinámico (2006)
Resultados de la simulación:
Varios servomotores comerciales cumplen:

23. Sistema de percepción
Diseño de un sistema que permita conocer la
situación del medio ambiente considerando que
existen objetos conocidos y que algunos de ellos
están fijos.

24. Diseño electro-mecánico

25. 2do Prototipo (2007)
Y - Luminance (brightness)
U (Cb) - Blueness (Blue vs.
Green)
V (Cr) - Redness (Red vs. Green)

26. 2do Prototipo (2007)
1.- Definición de los colores a discriminar
2.- Analizar cada nueva imágen en tiempo real
Raziel Alvarez, “Desarrollo de algoritmos robustos para la clasificación de colores en condiciones variantes de
iluminación”, Tesis de Maestría 2005.

27. 2do Prototipo (2007)

28. 2do Prototipo (2007)
1. 4.
2. 3.

29. 2do Prototipo (2007)
Identificación de regiones en la imagen con pixeles
iguales

30. 2do Prototipo (2007)
Por “corridas lineales”
Por “crecimiento de semillas”

31. Integración
Diseño de un sistema completo humanoide
(piernas, brazos y sistema de percepción) con
el propósito de jugar futbol: reconocer objetos,
caminar en el campo, acercarse a la pelota,
patear en dirección correcta.

32. 2do Prototipo (2007)
Integración de:
• Basado en una estructura
comercialmente disponible
• Una estructura mecánica de
humanoide completo
• Algoritmos da caminado
estáticamente estable
• Sistema de visión
• Algoritmos de
comportamientos básico
• Comportamientos compuestos
ROBONOVA-1

33. 2do Prototipo (2007)
Programa integrador: Visión-Locomoción

34. 2do Prototipo (2007)

35. 2do Prototipo (2007)

36. 3er Prototipo (2008)
Análisis estructural de BOGOBOT1 para conocer:
• Tensores de inercia
• Esfuerzos máximos en los eslabones
• Torcas máximas en las articulaciones
En proceso: Tesis Ing. Jorge Quezadas, MCI

37. 3er Prototipo (2008)
Integración de:
• Diseño en base a
servomotores comerciales
• Captura (piernas, brazos,
torax) y ensamble en CATIA
• Construcción
BOGOBOT-1

38. 3er Prototipo (2008)
• Basado en piezas de LyxnMotion, BOGOBOT-1
• Procesamiento imágenes con
CMUcam3
• Diseño propio basado en
procesamiento distribuido
• Fuente conmutada de energía
• Recuperación caídas (F.Kalman)
• Caminado en lazo cerrado (IMU)
• Balanceo por ZMP
• Brújula electrónica
• Caminado omnidireccional
• Comportamientos complejos
Aceves, Cruz, Villarreal, Salvador Sumohano, “Team Descripction Paper Bogobots Humanoide Team (Kid Size),
Robocup Suzhou China 2008

39. 3er Prototipo (2008)
Separación de algoritmos en tres procesadores:
IMU

40. 3er Prototipo (2008)

41. 3er Prototipo (2008)
Secuencia de levantado con Frame-Based Motion y giroscopio:

42. 3er Prototipo (2008)
Refinamiento (mejoras) de los movimientos:

43. 3er Prototipo (2008)
Prototipo 2007 vs Prototipo 2008

44. 3er Prototipo (2008)
Zero Momento Point (Vukobratovic 1969-1973)
Salvador Sumohano Verdeja; “Secuencias de caminado para robot humanoide Bogobot-1 por Zero-Moment-Point” Reporte de Estancia
de Investigación del Tec de Monterrey Campus Estado de México, 2008.

45. 3er Prototipo (2008)
Algoritmo de caminado omnidireccional con control equilibrio dinámico:
Foot_Traj + ZMP

46. 3er Prototipo (2008)
Feet path IK-Biped Control MATLAB
joints model

47. 3er Prototipo (2008)
Caminado estáticamente Caminado dinámicamente
estable (sin ZMP) estable (con ZMP)

48. 3er Prototipo (2009)
• Identificación de objetos
– Pelota, portería y marcas de cancha
• Localización del robot en la cancha.

49. 3er Prototipo (2009)
Determinación de la distancia relativa a los objetos de la
cancha (fijos=portería, marcas; y móviles=pelota)
La distancia es inversamente
proporcional al tamaño de la
imagen.
 1   1 
d = a  + b
 Dy 

 Dx   
En curso: Lucia Barrera, “Desarrollo de algoritmos robustos para la clasificación de colores en condiciones
variantes de iluminación”, Tesis de Maestría

50. 3er Prototipo (2009)
Auto-ubicación por triangulación:
Si la distancia es precisa,
basta con 2 marcas para
obtener la posición.

51. 3er Prototipo (2009)
Decisión en función de la ubicación (rodear o patear):

52. 3er Prototipo (2009)
Decisión en función de la ubicación:

53. 3er Prototipo (2009)

54. RoboCup 2009
Bogobot 1
(08)
http://www.tzi.de/humanoid/bin/view/Website/Teams2009

55. RoboCup 2009

56. RoboCup 2009

57. Resultados 2009
EVENTO: RoboCup 2009, June 29-July 5, 2009, Graz, Austria.
RESULTADO: séptimo lugar de la categoría humanoides kid-
size y mejor equipo de América.
REFERENICA WEB: (liga)
EVENTO: Torneo Mexicano de Robótica 2009, Universidad Panamericana
Campus Guadalajara del 10 al 12 de septiembre 2009.
RESULTADO: Segundo lugar de la categoría humanoides y mejor equipo
mexicano.
REFERENCIA WEB: (liga)

58. TMR 2009

59. TMR 2009

60. ¿Qué SIGUE?
• Más rápidos
• Más fuertes

61. 4to Prototipo (2010)
BOGOBOT-2

62. 4to Prototipo (2010)
• 6 GDL Por Pata • 7 GDL Por Pata
• Velocidad 15 cm / s • Velocidad 40 cm / s
• Altura: 43 cm • Altura: 60 cm
• Componentes básicos • Componentes avanzados

63. 4to Prototipo (2010)
• Bogobot 1 • Bogobot 2
– Hitec HSR 5990 TG – Robotis Rx 64
– 30 kg – cm – 72 Kg – cm
– .12 seg / 60º – .12 seg / 60 º
– PWM – RS 485
Retroalimentado

64. 4to Prototipo (2009)
• Bogobot V1 • Bogobot V2
– CMUCAM2 – uEye UI1226LE
– 255 x 280 – 1280 x 1400
– 10 FPS – 100 FPS
– RS232 115 200bps – USB 480 000 000 bps
– 50º – 180º
– Segmentación con fotos – Segmentación en tiempo real.

65. 4to Prototipo (2009)
• Bogobot V1 • Bogobot V2
– DsPic 30f4013 – Vaio VNG
– 20 Mhz – 1200 Mhz
– 200KB RAM – 1GB RAM y 20GB DD
– Programación bajo nivel (C)
– Programación alto
nivel (MATLAB,
LabView)

66. 4to Prototipo (2010)
Mensaje recibido Objetos
reconocidos
Decisió
n Buscar objeto
Mensaje a
enviar Iniciar
Excepción comportamiento
Mover
Comunica Locomoci robot Percepció
ción ón n
Bocina Imagen
IM
Micrófono Motores Encoders U
Brújula
Humanoide
WLAN

67. Gracias por su atención!