Vehículos autoguiados

Vehículos autoguiados
Qué son
AGV transportando contenedores en un Puerto.
Un vehículo autoguiado o AGV (Automatic Guided Vehicle, siglas en inglés) es un robot capacitado para
moverse de forma autónoma en un entorno determinado, realizando tareas como el transporte de objetos
pesados o la manipulación y recolección de muestras, evitando la colisión con los demás elementos que le
rodean. Los primeros AGVs comenzaron a usarse en la década de 1950. Un AGV consiste principalmente en
una plataforma con ruedas con un microprocesador incorporado y una fuente de alimentación propia, que
es capaz de moverse por sí misma, y recibe órdenes de una unidad de control o de otro AGV por medio de
señales de radio (normalmente FM). Si bien en un principio los AGVs se usaban sólo para transportar piezas
pesadas, actualmente incorporan toda una gama de herramientas, desde pallets para apilar contenedores hasta
brazos robot que realizan funciones de manipulación de objetos.
Dos AGVs en línea insertando piezas de automóvil en
una cadena de montaje.
Distintos tipos de AGVs:
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Componentes de un AGV
• Unidad de control: se compone de tres partes, que pueden ir implementadas en el mismo dispositivo
o bien situadas por separado en tres unidades (normalmente van por separado):
♦ Control de conducción (Drive Unit): controla los convertidores (normalmente choppers) que
alimentan los motores del sistema locomotor. Se encarga de la aceleración / desaceleración, la
velocidad, si el frenado ha de ser suave o rápido, etc.
♦ Unidad de control (Control Unit): controla todos los aspectos necesarios para llevar a cabo
las funciones que debe realizar el AGV (control del brazo robot, las herramientas, la
suspensión del elevador, etc.)
♦ Unidad de seguridad (Safety Unit): su función es la de estar alerta y actuar para evitar las
colisiones, sobretodo con seres humanos.
• Unidad de control externa: todos los AGVs incorporan un panel de control manual en la parte
trasera accesible para el técnico, que puede así controlar el AGV y modificar su comportamiento al
tiempo que se mueven.
• Fuente de alimentación: un AGV debe llevar su fuente de alimentación autónoma. Esta suele
consistir en baterías eléctricas, selladas y recargables. En las factorías industriales, son los propios
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AGVs quienes acuden cada cierto tiempo a recargar sus baterías para luego volver al trabajo.
• Sistema locomotor: lo que hace que pueda moverse. Pueden ser ruedas, rodillos, patas articuladas
como un insecto, hélices o incluso piernas.
• Herramientas: pallets, brazos robot, ventosas, sondas,...
• Actuadores: se usan motores, normalmente de corriente continua y con realimentación, cilindros,
válvulas de aire,...
• Sensores: cumplen una doble función. Por una parte, la de seguridad, para evitar colisiones con
personas u objetos, y por otra, la de realimentación, para enviar a la unidad de control información
sobre el entorno que le rodea, información necesaria para conformar la trayectoria a seguir. Sensores
que puede llevar implementado un AGV son: cámaras para detectar objetos, antenas para enviar y
recibir ondas, lasers para barrer el área circundante, sensores de ultrasonidos para detectar
proximidad, encoders y potenciómetros para medir velocidad y ángulo de giro, bumpers para detectar
colisiones, sensores de infrarrojos...
El Marsokhod o Mars Rover es un AGV diseñado para explorar otros mundos. Técnicos rusos construyeron
el chasis y un equipo internacional de científicos han integrado un sistema avanzado de sensores y lógica de
control. Para poder moverse dispone, entre otros dispositivos, de una brújula y un sistema GPS (Global
Positioning System). Ha llevado a cabo con éxito varias misiones, entre ellas una incursión al volcán Kilauea.
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Chasis:
Mástil de 1.2 m situado en mitad de la plataforma, con
enganches que permiten la colocación de sensores.
Las seis ruedas están controladas por motores
independientes alimentados con baterías eléctricas.
Brazo robot:
Sensores:
Cámaras estereo de separación corta: están montadas
sobre el mástil, y la separación entre ellas es pequeña
(aproximadamente 10 cm). Se usan para el control del
vehículo y para el reconocimiento del terreno
circundante más cercano. Las imágenes obtenidas
pueden ser digitalizadas y mezcladas por el propio
AGV y ser enviadas como matrices en escala de
grises, o bien ser enviadas directamente a la estación
de control como una única señal de vídeo analógica.
Cámaras estereo de separación larga: separadas unos
35 cm entre sí, también van montadas sobre el mástil
y se usan para la reconstrucción virtual del entorno,
tomando imágenes de alcance lejano. Las imágenes
son digitalizadas por el propio Marsokhod y enviadas
a la estación de control como imágenes en escala de
grises.
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Cámara mono: que puede transmitir la imagen de las
dos formas anteriores, como señal de vídeo analógica
o digitalizada en escala de grises.
Cámara digital de alta resolución.
Difractómetro de rayos X.
Cómo se mueven
Un AGV precisa de una realimentación sensorial para moverse, que le informe si va por buen camino, si va
a chocar con algo o alguien, o qué es lo que tiene delante Si bien existen unos cuantos modelos de guiado
standard, actualmente cada fabricante ha adoptado uno o dos de estos modelos y ha desarrollado nuevos
sistemas basados en ellos, con potentes dispositivos SW+HW registrados, que guardan celosamente sus
secretos. En una factoría industrial, un AGV sigue usualmente una trayectoria prefijada, de forma que sólo ha
de asegurarse de no salirse del camino y no chocar con nada. Normalmente se le ordena que vaya del punto A
al punto B y se le deja hacer. Cuando hay más de un AGV, la gestión del tráfico se realiza, o bien con
semáforos (fototransistores), o bien una unidad de control se encarga de tener localizados a todos los AGVs y
mandarles órdenes en el momento oportuno. Cuando no existe una guía o trayectoria prefijada, la
sensorización es más compleja. Mediante cámaras o herramientas de software, un operador humano le dice al
robot dónde tiene que ir y qué es lo que tiene que hacer. También puede dejarle hacer, en cuyo caso el AGV
tendrá que apañárselas para explorar y reconocer el entorno y lograr su misión sin sufrir ningún percance.
Los métodos principales de guiado son los siguientes:
• Wire Guidance (guiado por cable): es el más extendido actualmente, debido principalmente a que
fue el primero que se usó, y todavía sigue siendo el método más simple y preciso. La trayectoria está
fijada por un cable que va por debajo del suelo (normalmente a unos 20 mm). Alrededor de este cable
se genera un campo electromagnético cuando por él circula una corriente alterna, siendo este campo
más fuerte cuanto más próximo se está al conductor, y más débil cuanto más se aleja uno de él. Si este
campo atraviesa una bobina, se generará un voltaje entre los terminales de ésta. El AGV circula por
encima del cable, y lleva una antena consistente en dos bobinas situadas a ambos lados del cable. La
diferencia de potencial entre los terminales de ambas bobinas es la tensión de alimentación
amplificada del motor de rotación del AGV. Si éste avanza centrado sobre el cable, las tensiones
generadas en las bobinas serán iguales, y por lo tanto su diferencia es cero. Si el AGV se desvía de la
trayectoria, la diferencia de potencial que se crea entre las bobinas le indicará cuánto debe girar y en
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qué sentido hacerlo. Además de esta antena, los AGVs incorporan otra antena transversal para
detectar cables perpendiculares al cable de guiado. Estos cables transversales se usan para actualizar
la posición del AGV. Este sistema es el más sencillo y eficaz. La desventaja está en la necesidad de
levantar el suelo para instalar el cable y en la cantidad de metros de cable necesarios para el rutado.
• Láser Guidance (guiado por láser): un scanner de láser va montado en el punto más alto del AGV.
Este scanner realiza un barrido del área circundante en busca de unos targets, unos cilindros de
plástico que llevan una película reflectante, y que han de estar situados en lugares estratégicos a lo
largo del recorrido. Para moverse, el AGV necesita detectar un mínimo de estos tres reflectores. La
distancia que le separa con ellos y el ángulo que forman son analizadas para obtener coordenadas X e
Y de posición absoluta. Un software adecuado procesará estas coordenadas para generar las señales
de control correspondientes. De esta forma, el AGV sabe en todo momento dónde está y hacia dónde
tiene que ir (actualmente, el láser realiza el chequeo de la posición unas 20 veces por segundo,
obteniéndose unas coordenadas con una tolerancia de +/− 2 mm). El operario puede indicar al AGV la
ruta a seguir trazándola, por ejemplo, usando el Autocad. Este sistema es más caro que el guiado por
cable y precisa de un software especial, pero es absolutamente fiable a la hora de conocer la posición
de un AGV. La gran ventaja es que ya no es preciso cavar el suelo y tender un cable. Se debe
asegurar, sin embargo, que los reflectores (que pueden estar colocados hasta 30 m por encima del
AGV) estén bien a la vista, no los tape ningún obstáculo, y se encuentre siempre el suficiente número
de ellos como para poder seguir la trayectoria.
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• Inertial Guidance and encoder system (guiado por inercia y encoders): a través de sensores de
posición, velocidad y ángulo de giro se obtiene información sobre la distancia recorrida, la posición
actual y el ángulo de giro. De esta forma se puede controlar el AGV indicándole la trayectoria de una
manera secuencial: avanza tantos metros, gira tantos grados en un sentido, avanza otros tantos
metros, etc. El sistema se completa con un sensor de colisión con obstáculos. Un fallo de este modelo
es que un bache en el camino (como una piedra, por ejemplo) puede hacer que el encoder salte y
registre una información errónea que introduce un error de posición que puede aumentar con el
tiempo.
• Magnet−Gyro Guidance (guiado por imanes + giroscopio): aplica la misma filosofía que el guiado
por cable, sustituyendo éste por unos pequeños imanes en el suelo (normalmente tres cada diez
metros) que indican la trayectoria a seguir. El sistema se completa con sensores de ángulo de giro y
un giroscopio que mantiene siempre la dirección y la estabilidad del AGV. La actualización de la
posición se realiza cada vez que el AGV pasa por encima de un imán. Este es uno de los métodos más
baratos, con el inconveniente de una menor precisión y las zonas de incertidumbre entre imanes. Este
sistema suele usarse como complemento del guiado por cable, por ejemplo trazando las curvas que
unen dos cables conductores perpendiculares.
• Visión: la visión artificial y su aplicación en reconocimiento de entornos es un campo en constante
desarrollo. Las primeras investigaciones comenzaron en la década de 1970, y desde entonces cada vez
son más las aplicaciones industriales, científicas y de investigación que hacen uso de ella. En cuanto
al guiado de AGVs, comentamos tres métodos:
♦ Guiado por trazado: es el más sencillo y la forma más básica de aprovechar la capacidad del
procesador de imágenes. A lo largo del suelo se dispone una cinta o tira de algún material
luminoso y de color muy vistoso, que conforma la trayectoria a seguir. La detección se realiza
filtrando el color. Es importante, pues, que el color de la cinta sea distinto al de los colores del
entorno.
♦ Visión artificial: un paso más en la escala evolutiva tiene lugar cuando no existe ningún
trazado ni cinta en el suelo, y el movimiento de un robot depende exclusivamente de su
habilidad para reconocer el entorno. Es este un problema para el que, pese a los avances
logrados, todavía no se ha hallado una solución idónea. Actualmente se trabaja en el
desarrollo de complejos algoritmos que, intentando imitar las funciones del cerebro humano,
se centran en los tres principales problemas: la detección y reconocimiento de un objeto,
diferenciándolo de los demás, la distancia que le separa de él, y la detección de objetos en
movimiento. Para poder precisar la distancia que le separa de un punto, al robot se le dota de
visión estereoscópica, es decir, de dos o más cámaras cuyas imágenes en dos dimensiones, al
igual que en el sistema de visión humano, son fusionadas por un procesador para generar una
vista tridimensional. La separación de distintos objetos en una imagen se realiza por métodos
estadísticos: la imagen es procesada y pixelizada en matrices de puntos a las que se aplican
diversos gradientes: de color, de luminosidad, escala de grises, contraste,... Este proceso se
conoce con el nombre de segmentación. El área que contenga la misma información o muy
aproximada debe conformar un objeto. Una vez este está reconocido, se puede almacenar. Un
ejemplo son los patches o parches, unidades de información que consisten en la forma de un
objeto (su silueta) más unos cuantos datos, como su color y su posición en la pantalla. Estos
patches pueden ser, al mismo tiempo que se detectan, comparados con los que ya existan en
una base de datos. De esta forma el robot tendría capacidad para distinguir entre el objeto flor
y el objeto caballo, por ejemplo. En cuanto a detección de objetos en movimiento por
observadores que también pueden estar moviéndose, existen estudios basados en dos hechos
que se dan para estos casos. Primero: cuando el observador se mueve, la velocidad proyectada
sobre cualquier punto de la imagen es un vector cuya orientación depende del movimiento del
observador. Si conocemos este movimiento, conocemos la orientación. El truco consiste en
que un objeto moviéndose en la pantalla tendrá un vector de velocidad cuya orientación no
suele coincidir con la del movimiento del observador. El segundo hecho es aún más
impreciso, y consiste en que el observador (robot) normalmente se mueve lentamente,
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mientras que un objeto en la pantalla suele moverse más deprisa; luego si se supera un límite
de velocidad de movimiento, es indicativo de que hay algo ahí fuera moviéndose, en vez de
moverse uno mismo.
Detección de movimiento. El robot es capaz de detectar a
la persona que se mueve andando de derecha a izquierda.
Reconocimiento de objetos. Imagen de un patch obtenido
por el robot.
♦ Realidad virtual: es esta una nueva aplicación que se vale del control por visión desde una
perspectiva totalmente distinta. Poderosas herramientas de generación de gráficos en 3D han
posibilitado el desarrollo de interfaces de software que sirven de comunicación entre el
humano y la máquina. Un ejemplo de ello es el VEVI (Virtual Environment Vehicle
Interface), sistema desarrollado por la NASA y que ya ha sido probado con éxito en varias
misiones. Haciendo uso de una completa sensorización del vehículo, el ordenador genera un
entorno en tres dimensiones en el que el propio vehículo está presente. De esta manera, el
operador humano tiene una visión completa del AGV y el entorno que le rodea, lo que facilita
enormemente su labor. Para un correcto funcionamiento, la aplicación ha de estar
constantemente actualizando la información que le llega de los sensores, y este tiempo de
respuesta ha de ser bastante rápido. En previsión de que la maniobra del operador llegue
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tarde, el programa incorpora comandos de supervisión en el ámbito de tarea que controlan el
AGV guiándolo por el buen camino hasta que la orden superior es recibida.
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El TROV (Telepresence Remotely Operated Vehicle) es un mini submarino Phantom II modificado en
vehículo por control remoto capaz de alcanzar los mil pies de profundidad. Incorpora, entre otros dispositivos,
cuatro cámaras y un sónar. Puede ser manejado localmente, mediante un panel con joysticks y pulsadores, o
bien a larga distancia, vía Internet. Ha sido probado con éxito en varias misiones, una de ellas en la Antártica.
En todas ellas, el sistema de control fue el VEVI, y el robot fue controlado a larga distancia desde el centro
NASA Ames, en Moffet Field, USA.
Fotografía del
vehículo
autoguiado TROV.
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Imagen virtual del
robot y su entorno
generada por el
VEVI.
Aplicaciones y ejemplos
Tradicionalmente, los AGVs se han usado para llevar cargas pesadas de un sitio a otro. En un almacén, por
ejemplo, el AGV realiza de forma automática tareas como la recepción de un contenedor directamente de una
cinta transportadora, su traslado a su emplazamiento final, y el apilado de contenedores a diversas alturas
predeterminadas. Fuera del entorno industrial, un AGV se usa en misiones que entrañan o pueden entrañar un
peligro para la vida humana. Ejemplos de esto son: robots usados por los artificieros para desactivar bombas;
robots−sonda que exploran y limpian cañerías, desagües y, en un futuro, venas y arterias; robots exploradores,
usados para visitar el interior de los volcanes, el epicentro de un terremoto, barcos hundidos, las fosas
abisales, la superficie de otros planetas,...
A continuación presentamos unos cuantos ejemplos de vehículos autoguiados:
• AMERDEN APT−20: AGV fabricado por la casa AMERDEN Inc. para funciones de transporte en
una factoría industrial:
Características:
♦ Incorpora bumpers y otros dispositivos de seguridad.
♦ 4400 libras de capacidad de carga.
♦ Autoajuste de la suspensión para circulación suave sobre todo tipo de suelos.
♦ Control manual o automático.
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♦ Control punto a punto, con sensores de infrarrojos y comunicación por radio.
♦ Velocidad máxima de 300 pies / minuto.
♦ Precio: 35000 dólares.
• HK 40 Automated Guided Vehicle: AGV diseñado por la compañía HK para el transporte de cargas
pesadas:
Características:
♦ Puede transportar cargas de hasta 10000 libras de peso.
♦ Sistema de guiado: por inercia y encoders. El AGV sigue un trazado prefijado en un mapa de
bits, y es supervisado en todo momento por una unidad externa de control del tráfico en
tiempo real.
♦ Sistema diferencial de conducción centrado en el eje principal, que le permite girar 360
grados sobre sí mismo.
♦ Eje central articulado, para poder acometer rampas y suelos con baches, y brazo de carga con
soporte flotante, para mantener la horizontalidad de la carga en todo momento.
♦ Sistema de frenado E−Stop, que realiza una deceleración controlada para frenar el AGV de
forma suave en el menor tiempo posible. Si algo falla, un watchdog del sistema corta la
alimentación de los motores y acciona los frenos, parando el AGV en seco.
♦ Brazo de carga extensible para elevar y depositar la carga a distintas alturas.
♦ Capaz de interaccionar con otros AGVs para intercambio de cargas, por ejemplo. Para ello, el
AGV incorpora un fotodiodo que le indica cuándo está alineado con otro AGV.
♦ Autonomía de hasta diez horas sin recargar las baterías.
♦ Incorpora software de autodiagnóstico.
♦ Sistema de detección de obstáculos mediante sensores de ultrasonidos. Una vez detectado un
obstáculo en el camino, el AGV se para hasta que el camino está libre.
♦ Capaz de amoldarse a geometrías y longitudes inusuales de carga.
♦ Dispositivos de seguridad, que incluyen luces intermitentes, señales audibles de alarma,
frenos de seguridad, pulsador de emergencia y bumpers.
♦ Todos los sistemas están alimentados con energía eléctrica.
• DANTE II: se trata de un vehículo autoguiado de ocho patas diseñado por el CMU Field Robotics
Center para explorar entornos hostiles. Una de sus misiones consistió en el descenso al cráter del
volcán Mt. Spurr, en Alaska.
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El control de Dante se realiza mediante el sistema VEVI, y la comunicación entre este y la estación de control
se realiza vía satélite o a través de Internet(conexión privada, claro está), con lo cual Dante puede ser
controlado en tiempo real desde el otro lado del mundo.
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Misión del Monte Spurr: Dante envía la información de los sensores a un receptor en una unidad móvil. Este
la manda vía satélite a Anchorage. Allí se divide la información y es enviada a Washington. La señal de
vídeo analógica llega a través de otro satélite. La información de telemetría es enviada a través de una red
Internet de banda ancha, pasando por el Ames Research Center de la NASA.
La estructura de Dante está formada por dos plataformas, una sobre la otra, de cuatro patas cada una, y un
mástil central sobre la plataforma superior que, además de servirle de contrapeso, lleva arrollado un cable de
1000 pies de longitud que le permite realizar descensos por paredes escarpadas al estilo rappel. La forma de
moverse es muy sencilla: las dos plataformas de cuatro patas cada una están separadas por un eje a lo largo del
cual las plataformas se pueden desplazar una respecto de la otra. Partiendo de la posición en que todas las
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ocho patas están en contacto con el suelo, una de las plataformas eleva sus patas del suelo, se desliza sobre la
otra plataforma hasta el final de carrera, planta sus patas en el suelo y distribuye las tensiones entre sus patas
de forma que la otra plataforma pueda deslizarse sin problemas. De esta manera, al moverse, Dante tendrá
normalmente una de sus plataformas con las cuatro patas en el suelo.
En cuanto a sensores, debido al entorno en que trabaja y al tipo de control implementado, Dante tiene gran
cantidad de ellos, especialmente cámaras de vídeo. Estos son:
♦ Sensores de posición y de fuerza axial en las ocho patas.
♦ Sensor de tensión y de ángulo de salida para el cable de descenso.
♦ Dos sensores de inclinación en el eje principal.
♦ Sensores para nivel de gases: H2S, SO2, CO2.
♦ Termopares para la temperatura ambiente y en las terminaciones de las patas.
♦ Dos cámaras estereo a color en el mástil, una cámara para zoom a color, una cámara digital y
cuatro cámaras más, una en cada pata de la plataforma inferior.
♦ Un scanner de láser.
Otras características:
♦ Peso: 1700 libras.
♦ Velocidad máxima: 1 m/min.
♦ Giro máximo: 11 grados por paso.
♦ Rango de temperatura: entre 0 y 100 grados Fahrenheit.
♦ Microprocesador Sparc a bordo, con sistema operativo VxWorks.
♦ Alimentación: 2 KW de potencia nominal, 3 A y 1000 VAC de pico.
♦ Incorpora codificadores de vídeo y enlace para satélite.
♦ Precio aproximado: 2 millones de dólares.
Galería de imágenes
Shakey
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Shakey fue construido en 1970 y fue el primer
AGV controlado por inteligencia artificial. Sus
sensores (cámara de vídeo, scanner de láser y
bumpers) recogían información del entorno y la
enviaban a una unidad de control. Un software
denominado STRIPS resolvía los problemas de
control y radiaba órdenes de vuelta al AGV. Su
velocidad máxima era de dos metros por hora.
Quester
Quester es uno de esos robots fabricados para la competición de Micromouse que se celebra todos los años.
En ella, los robots primero se sueltan dentro de un laberinto y tienen que memorizarlo usando su propia
capacidad de procesamiento; más tarde se les deja a la entrada del laberinto y gana el robot que antes llegue al
centro del mismo. Quester usa visión artificial para detectar las paredes del laberinto mediante segmentación
y, si eso falla, lleva bumpers para detectar las paredes por contacto. Su unidad de control es un chip con
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memoria RAM programable y una arquitectura de control por layers o niveles, que le permite tomar
decisiones.
Simplhex
AGV desarrollado en gran parte en el Robotics Department de la East London University. Consta de seis patas
articuladas, cada una de ellas controlada por dos servos. La unidad de control es un microprocesador. Similar
al comportamiento de los insectos, las antenas de su parte frontal detectan los obstáculos, y le hacen variar su
rumbo al tiempo que se mueve.
Tiny Tim
Un ejemplo de AGV diminuto. El chasis está conformado por el propio circuito impreso, donde van soldados
los componentes. Lleva un microprocesador programado en lenguaje de alto nivel y bumpers para detección
de obstáculos. Está programado para dirigirse hacia fuentes de luz, evitando obstáculos.
Shadow Biped
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El Shadow Biped es un prototipo de la Shadow Robot
aparato locomotor humano. Lleva en desarrollo más d
inspiración para otros proyectos posteriores. Posee do
pierna). El control se realiza con lógica fuzzy, y se div
sistema, panel frontal de control y control del equilibr
actuadores son Shadow Air Muscles, válvulas de aire
un compresor controlado electrónicamente. Hay 28 d
Implementa más de 80 sensores y 56 válvulas. Para m
cuadro de interruptores de mercurio y de la informaci
presión que lleva debajo de los pies. Actualmente es c
durante unos veinte minutos y reaccionar ante una inc
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Bibliografía
• AGV electronics: http://www.agve.se/School/agvsch.htm
• HK Systems: http://www.hksystems.com/mhs/agv_content.html
• http://www.munck.com/agvs.htm
• NDC Automation: http://www.ndca.com/lazerway.htm
• TROV: http://img.arc.nasa.gov/TROV/trov.html
• Marsokhod:http://img.arc.nasa.gov/Marsokhod/technicalinfo.html
• Dante: http://img.arc.nasa.gov/Dante/dante.html
• Amerden AGV: http://www.amerden.com/amerden2.htm
• AGV Products: http://www.agvp.com/
• Shadow Robot Company http://www.shadow.org.uk/index.shtml
• The computer museum: http://net.org/html/history/timeline/threads/robots/index.html
Control y Programación de Robots
Vehículos autoguiados
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