Medellín - Minas - Maestría en Ingeniería - Ingeniería de Sistemas · 2021
Método para el desarrollo de aplicaciones en robótica de servicios basados en industria 4.0 y computación en la nube.
En el presente trabajo se llevó a cabo el desarrollo de una metodología para el desarrollo de aplicaciones en robótica de servicios basado en industria 4.0 y computación en la nube. La primera parte del trabajo consiste en caracterizar los elementos de industria 4.0 aplicables a la robótica de servicios para interiores. Una vez definidos, se identificaron los modelos de computación en la nube aplicables a la robótica de servicios, y luego se incorporaron técnicas en inteligencia artificial para el control de la navegación de robots móviles en entornos interiores. Después se integraron los elementos de la industria 4.0 y computación en la nube, para la navegación autónoma de un sistema robótico. Con lo anterior se construyó una metodología, adicionándole elementos como sensorica, locomoción, manipulación, desarrollo web, fuentes de datos, entornos de desarrollo en la nube, simulación, arquitecturas de control, y marcadores fiduciales visuales. Finalmente se validó el método propuesto a través de la realización de un conjunto de pruebas en un escenario logístico, generando con ello resultados y conclusiones. (Texto tomado de la fuente)
Texto completo 126 páginas con texto de 133
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Contenido
- Introducciónp. 19
- Planteamiento del problemap. 21
- Objetivosp. 23
- 1.2.1 Objetivo Generalp. 23
- 1.2.2 Objetivos Específicosp. 23
- Marco Teóricop. 23
- 1.3.1 Robots autónomosp. 23
- 1.3.2 Simulacionesp. 25
- 1.3.3 IoT (Internet de las cosas)p. 24
- 1.3.4 Computación en la nubep. 26
- Metodologíap. 27
- Alcances y limitantesp. 28
- Elementos de la industria 4.0 aplicables a la robótica de serviciosp. 30
- Robótica avanzada, flexible y colaborativap. 31
- 2.1.1 Controlesp. 32
- 2.1.2 Condiciones de funcionamientop. 32
- 2.1.3 Comunicaciónp. 32
- 2.1.4 Características Estructuralesp. 32
- 2.1.5 Complejidadp. 32
- Sensorica avanzada a nivel de fábricap. 34
- 2.2.1 Robótica guiada por visiónp. 34
- Sistemas ciberfisicos (CPS)p. 37
- Robótica en la nubep. 39
- 2.4.1 Arquitectura orientada a Servicios (SOA)p. 40
- 2.4.2 Robótica en la nube a nivel de sistema (RaaS)p. 41
- 2.4.3 Robot Management System (RMS):p. 41
- 2.4.4 Cloud Robotics Administratorp. 42
- 2.4.5 Virtual Robot System (VRS)p. 42
- Modelos de computación en la nube aplicables a la robótica de serviciosp. 45
- Arquitectura de comunicación M2M/M2Cp. 46
- Arquitectura de computación en la nube elásticap. 47
- 3.2.1 Modelo basado en paresp. 48
- 3.2.2 Modelo basado en proxyp. 48
- Arquitectura de desarrollo de robots basado en la nubep. 49
- Arquitectura RoboWeb Systemp. 50
- robótica de serviciosp. 53
- Pasos de la metodologíap. 56
- 4.1.1 Levantamiento de requisitosp. 56
- 4.1.2 Selección de tecnologíasp. 58
- 4.1.3 Sensórica Inmersa en el robotp. 58
- 4.1.4 Sensórica incorporada al entornop. 59
- 4.1.5 Locomociónp. 60
- 4.1.6 Manipulaciónp. 62
- 4.1.7 Desarrollo de la aplicaciónp. 64
- 4.1.8 Simulaciónp. 23
- 4.1.9 Desarrollo webp. 66
- 4.1.10 Análisis jerárquico de tareasp. 68
- 4.1.11 Fuentes de Datosp. 69
- 4.1.12 Selección de Control y navegaciónp. 70
- 4.1.13 Análisis cinemático y dinámico para Sistema de Manipulaciónp. 76
- 4.1.14 Marcadores fiduciales visuales y sistemas de decodificaciónp. 78
- Validación experimental y resultadosp. 81
- Descripción del experimentop. 81
- Establecimiento de requisitosp. 82
- Selección de tecnologíasp. 58
- 5.3.1 Sensóricap. 84
- 5.3.2 Locomoción y manipulaciónp. 85
- 5.3.3 Entorno de desarrollop. 88
- 5.3.4 Simulaciónp. 23
- 5.3.5 Desarrollo webp. 66
- 5.3.6 Fuente de datosp. 95
- 5.3.7 Control de navegación y manipulaciónp. 97
- 5.3.8 Marcadores fiducialesp. 106
- Resultados y análisisp. 108
- objetosp. 110
- 5.4.2 Validación de comportamiento evasión de obstáculosp. 111
- 5.4.3 Validación de comportamiento orientación al destinop. 114
- 5.4.4 Validación de comportamiento avanzar al destinop. 115
- 5.4.5 Prueba de validación para brazo manipulador en la toma de objetop. 115
- 5.4.6 Prueba de validación para brazo manipulador en la entrega de objetop. 117
- 5.4.7 Prueba de validación de conmutación de los comportamientosp. 118
- 5.4.8 Prueba de validación de tiempos de respuestap. 119
- 5.4.9 Prueba de validación de entregas exitosasp. 121
- Conclusiones y recomendacionesp. 122
- Conclusionesp. 122
- Recomendacionesp. 124
- Bibliografíap. 127
- Figura 2-1: Elementos principales de la industria 4.0p. 30
- Figura 2-2: Comparación de robots no colaborativos y robots colaborativosp. 33
- Figura 2-3: Gamas de robots colaborativos y móviles industriales Omronp. 33
- Figura 2-4: Cámara RGB-D Kinectp. 37
- Figura 2-5: Elementos principales del ROS-TMSp. 38
- Figura 2-6: Componentes de SOA a nivel de computación en la nubep. 40
- Figura 2-7: Descripción general de alto nivel de la comunicación entre RMS y ROSp. 41
- Figura 2-8: Arquitectura VRSp. 42
- Figura 3-1: Comunicación M2C y M2M en robótica cloudp. 46
- b) Modelo basado en proxy c) Modelo basado en clonesp. 48
- Figura 3-3: Arquitectura del IDE basado en la nubep. 50
- Figura 3-4: Arquitectura del sistema RoboWebp. 51
- industria 4.0 y computación en la nubep. 23
- Figura 4-2: Ejemplo de requisitos técnicos de un proyecto de robóticap. 57
- Figura 4-3: Ejemplo de especificaciones meta u objetivosp. 58
- Figura 4-4: Configuraciones de locomociónp. 61
- Figura 4-5: Tipos de robots manipuladoresp. 63
- medio de un robot manipulador………………………………………………………………p. 67
- Figura 4-8: Representación de un análisis jerárquico de tareasp. 68
- Figura 4-9: Paradigma de arquitectura basada en comportamientosp. 70
- Figura 4-10: Representación de mapas Geométricosp. 71
- Figura 4-11: Representación de mapas Topológicosp. 72
- Figura 4-12: Representación de mapas semánticosp. 73
- Figura 4-13: Grafo de visibilidad en un entorno de dos obstáculosp. 74
- Figura 4-14: Mapa de una casa aplicando diagramas de Voronoip. 75
- Figura 4-15: Representación gráfica de método de descomposición de celdasp. 76
- Figura 5-1: Entorno de diseño experimental en el simulador Gazebop. 81
- Figura 5-2: Relación de clientes con el ciclo de vida del robotp. 82
- Figura 5-3: Apartado de metodología correspondiente a la sensóricap. 84
- Figura 5-5: Dimensiones de plataforma robótica y brazo manipuladorp. 87
- Figura 5-6: Plataforma Turtlebot 3 integrada con OpenManipulatorp. 87
- Figura 5-7: Apartado de metodología correspondiente al entorno de desarrollop. 88
- Figura 5-8: Entorno de desarrollo ROS development Studio (RDS)p. 88
- Figura 5-9: Interfaz gráfica de Azure DevOpsp. 90
- Figura 5-10: Apartado de metodología correspondiente a la simulaciónp. 90
- Figura 5-11: Simulador Gazebo con robot turtlebot 3 open manipulatorp. 91
- Figura 5-12: Apartado de metodología correspondiente al desarrollo webp. 91
- Figura 5-13: Arquitectura de rosbridge integrada con ROSp. 92
- Figura 5-14: Análisis jerárquico de la aplicación web logística robóticap. 93
- Figura 5-15: Interfaz de iniciop. 94
- Figura 5-16: Interfaz de pedidosp. 94
- Figura 5-17: Interfaz para ingresar datosp. 94
- Figura 5-18: Interfaz de ejecución de pedidosp. 95
- Figura 5-19: Interfaz de teleoperaciónp. 95
- Figura 5-20: Apartado de metodología correspondiente a las fuentes de datosp. 96
- Figura 5-21: Interfaz gráfica MySQL inmersa en el servidor XAMPP®p. 97
- manipulaciónp. 62
- Figura 5-23: Representación de distancia y error angular con respecto al Marcadorp. 99
- Figura 5-24: Conos de detección en sensor laserp. 100
- Figura 5-25: Arquitectura de control reactivap. 102
- Figura 5-26: Etapas de configuración en el asistente de MoveIt!p. 103
- Figura 5-27: Interfaz gráfica de MoveIt!p. 104
- Figura 5-28: Interfaz gráfica de Rviz integrado con Moveit!p. 104
- Figura 5-29: Uniones del brazo manipulador y efector finalp. 105
- Figura 5-30: Apartado de metodología correspondiente a los marcadores fiducialesp. 106
- Figura 5-31: Procedimiento para el uso de la herramienta ar_track_alvarp. 107
- Figura 5-32: Identificación de los marcadores fiduciales en la herramienta Rvizp. 108
- Figura 5-33: Recorrido de robot móvil en una misión logísticap. 109
- Figura 5-35: Velocidad lineal en función de la distancia recorridap. 111
- distancia del cono derechop. 112
- distancia del cono centralp. 112
- distancia del cono izquierdop. 113
- Figura 5-39: Prueba de validación de comportamiento de orientación al destinop. 114
- Figura 5-40: Prueba de validación de comportamiento avanzar al destinop. 115
- Figura 5-41: Velocidades de articulaciones en brazo manipulador al tomar el objetop. 116
- Figura 5-42: Esfuerzo de articulaciones en brazo manipulador al tomar el objetop. 116
- Figura 5-44: Esfuerzo de articulaciones en brazo manipulador al entregar el objetop. 118
- Figura 5-45: Validación de conmutación de los comportamientosp. 119
- Tabla 2-1: Comparación entre sensores pasivos y activosp. 36
- industria 4.0p. 43
- móvilp. 61
- Tabla 4-3: Ventajas y desventajas de los diferentes brazos manipuladoresp. 63
- Tabla 4-4: Comparación entre Servidor nube y servidor localp. 64
- Tabla 4-5: Características del software de control de versionesp. 65
- Tabla 4-6: Descripción de Cinemática directa e inversap. 77
- Tabla 4-7: Características de los métodos para el análisis dinámicop. 77
- Tabla 4-8: Características de los marcadores fiduciales visualesp. 78
- Tabla 5-1: Necesidades asociadas al robot manipulador logísticop. 83
- Tabla 5-2: sensores empleados en la validación experimentalp. 85
- Tabla 5-3: Características técnicas turtlebot 3p. 86
- Tabla 5-4: Características técnicas del OpenManipulator-Xp. 87
- Tabla 5-5: Características de las herramientas de XAMPP®p. 96
- Tabla 5-6: Posiciones del brazo manipulador para la aplicación logísticap. 105
- Tabla 5-7: Tiempos de ejecución para destino con marcador fiducial AR tag 7p. 120
- Tabla 5-8: Tiempos de ejecución para destino con marcador fiducial AR tag 9p. 120
- Tabla 5-9: Tiempos de ejecución para destino con marcador fiducial AR tag 11p. 120