Propuesta de temario y material didáctico para un curso sobre robots bípedos autónomos.

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Título :	Propuesta de temario y material didáctico para un curso sobre robots bípedos autónomos.
Autor :	NEGRETE VILLANUEVA, MARCO ANTONIO
Fecha de publicación :	2019
Resumen :	El proyecto consiste en la realización de prácticas y ejercicios sobre robots bípedos autónomos empleando un robot real y simulación en 3D interactiva. El material a desarrollar contempla temas relacionados con Control Automático, Inteligencia Artificial y Diseño Mecatrónico. Se planean dos piloteos durante los semestres 2019-2 y 2020-1 para obtener realimentación de los estudiantes. Al finalizar el proyecto, se tendrá un simulador interactivo, un robot real, un conjunto de prácticas y ejercicios y una selección de tópicos que puedan constituir un curso sobre robots bípedos autónomos.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6200
metadata.dc.contributor.responsible:	NEGRETE VILLANUEVA, MARCO ANTONIO
metadata.dc.coverage.temporal:	2019-2020
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.objective:	Realizar una selección de tópicos que brinden al estudiante la formación básica necesaria para el desarrollo de robots bípedos autónomos. Dicha selección deberá tener un enfoque de integración de manera que los diferentes conceptos que el alumno ha adquirido a lo largo de su carrera, en conjunto con aquellos que sean nuevos, se consoliden en la interrelación que implica la solución de un problema específico. Desarrollar un simulador en 3D interactivo que permita a los estudiantes una mejor comprensión de los conceptos relacionados con la dinámica de los robots bípedos. Mejorar y replicar el robot bípedo con el que ya se cuenta en el laboratorio de Biorrobótica de modo que los estudiantes puedan realizar prácticas con éste. En https://www.youtube.com/watch?v=MdO7wm6l9Ps se muestra un video del robot bípedo en su estado actual. Diseñar un conjunto de ejercicios y prácticas que consistirán en la implementación, tanto en el simulador 3D como en el robot bípedo real, de los conceptos seleccionados de acuerdo con el primer objetivo. Para estas prácticas y ejercicios se redactarán documentos con los conceptos relacionados, los pasos a seguir y los resultados esperados. Además, se tendrá un repositorio en línea con el software necesario para su realización. Realizar dos piloteos, uno a finales del semestre 2019-2 y otro a finales del semestre 2020-1, ambos con alumnos de la materia Robots Móviles y Agentes Inteligentes, para obtener realimentación por parte de los estudiantes y así mejorar el material desarrollado. Adaptar todos los contenidos de manera que puedan ser consultados en línea.
metadata.dc.description.hypothesis:	El aprendizaje de temas puede ser más significativo cuando se tiene como meta resolver un problema específico y además con un componente lúdico de por medio. En esta dirección, la competencia 'Robocup Humanoid' plantea dicha meta: construir un robot humanoide autónomo capaz de jugar futbol soccer. Esta meta plantea varios subproblemas que involucran diversas áreas como el control automático, requerido para el seguimiento de trayectorias de las extremidades, la visión computacional, para la identificación y localización del balón, la portería y los demás jugadores, la inteligencia artificial para la toma decisiones y el diseño mecatrónico para el diseño del robot en sí. Los alumnos consolidarán los conceptos antes mencionados mediante la integración de diversos temas en la solución de un problema. El enfoque de integración permitirá a los estudiantes un mayor refuerzo de los temas al explicitar las relaciones entre ellos y los problemas que surgen como propiedades emergentes de dicha interrelación. La realización de ejercicios y prácticas en simuladores interactivos en 3D facilitará la asimilación de conceptos como punto de momento zero, caminata pasiva, centro de presión, entre otros. Esta facilitación deriva del hecho de poder detener o ralentizar el movimiento y visualizar los diferentes vectores involucrados, lo cual no es posible en un robot bípedo real. Por otra parte, la realización de prácticas en un robot bípedo será un factor de motivación para el estudiante al ver su trabajo funcionando en un sistema real. Además, el uso el un robot bípedo real conllevará problemas que no se presentan en el simulador, lo que ayudará al estudiante a analizar más a fondo las soluciones que proponga. El contar con un
metadata.dc.description.strategies:	Desarrollar un modelo del robot bípedo con el que ya se cuenta, así como modelos de las porterías y una cancha de futbol, de acuerdo con las dimensiones de la competencia Robocup Humanoid Kid Size (http://wiki.robocup.org/Humanoid_League) para tener un simulador de la dinámica del robot (2 semanas). Desarrollar un ambiente virtual empleando los modelos anteriores y el software de desarrollo de videojuegos Unity. Este ambiente virtual permitirá que el usuario pueda interactuar con el simulador (4 semanas). Escribir programas para el cálculo de las cinemáticas directa e inversa empleando diferentes métodos, geométricos y numéricos, y diferentes paquetes ya existentes como MoveIt (https://moveit.ros.org/) (2 semanas) Calcular diferentes trayectorias de caminata empleando el criterio del punto de momento zero y realizar pruebas, tanto en el simulador como en el robot real, para determinar parámetros como el consumo de batería, tiempo de ejecución, entre otros. Con los datos recabados de estas pruebas se diseñarán posteriormente las prácticas. (4 semanas). Escribir prácticas y ejercicios sobre cálculo de cinemáticas directa e inversa y cálculo de trayectorias de caminata estable. Realizar un piloteo con los alumnos de la materia Robots Móviles y Agentes Inteligentes, del semestre 2019-2, y obtener realimentación por parte de ellos (6 semanas). Adecuar el material didáctico de acuerdo con la realimentación dada por los estudiantes (2 semanas). Implementar varios algoritmos de visión computacional para segmentar y localizar los diferentes elementos de un juego de soccer: el balón, las porterías y los otros jugadores. Se tomarán datos sobre el tiempo de ejecución y confiabilidad de los algoritmos implementados. Con base en estos datos se elaborarán posteriormente los ejercicios y prácticas (5 semanas). Paralelizar los algoritmos del punto anterior empleando el lenguaje Cuda y GPUs, primero en computadoras de escritorio o portátiles, y después en tarjetas de desarrollo como la Nvidia Jetson Tx2 (5 semanas) Realizar modificaciones mecánicas al robot actual para sustituir la computadora con la que cuenta por la tarjeta Nvidia Jetson Tx2. (4 semanas) Cambiar los actuadores de las extremidades inferiores para generar más par en las articulaciones. Se realizarán pruebas empleando servomotores Dynamixel Mx-106. (4 semanas). Diseñar comportamientos básicos para el juego de futbol soccer como seguimiento del balón y evasión de otros robots. Realizar pruebas tanto en el simulador como en el robot real (4 semanas) Escribir prácticas y ejercicios sobre algoritmos de visión computacional y su implementación en paralelo, así como el diseño de comportamientos para jugar futbol soccer. Realizar un piloteo con los alumnos de la materia Robots Móviles y Agentes Inteligentes, del semestre 2020-1, y obtener realimentación por parte de ellos (5 semanas). Adecuar el material didáctico del punto anterior de acuerdo con la realimentación dada por los estudiantes (2 semanas). Adecuar los materiales desarrollados para que puedan ser consultados y utilizados en línea (3 semanas). Realizar una selección de tópicos, congruente y con un enfoque de integración, que puedan ser impartidos en un curso que brinde al estudiante los conceptos y herramientas básicas necesarias para el desarrollo de robots bípedos autónomos. Diseñar material didáctico consistente en prácticas y ejercicios que, mediante el uso de simuladores en 3D y un robot bípedo real, permitan al estudiante implementar y poner en práctica los conceptos adquiridos. Realizar dos piloteos de las prácticas y ejercicios diseñados, durante las últimas semanas de los semestres 2019-2 y 2020-1 y adecuar las prácticas de acuerdo con la realimentación obtenida de los alumnos.
metadata.dc.description.goals:	ROBOT BÍPEDO AUTÓNOMO Se realizaron mejoras al robot bípedo con que ya se contaba. Las correcciones y mejoras realizadas fueron las siguientes: * Reemplazo de los motores que estaban fallando * Desarrollo de programas para generación de trayectorias de caminado y trayectorias para pateo. * Desarrollo de programas para estimación de posición y velocidad de objetos en movimiento. Estos resultados fueron reportados como parte de la tesis de licenciatura del estudiante Luis González Nava. * Se cambió la computadora NUC por una NVidia Jetson. En el repositorio en línea https://github.com/mnegretev/PAPIME_PE116219 hay dos videos que muestran el funcionamiento de este robot. SIMULADOR INTERACTIVO CON REALIDAD VIRTUAL Se desarrolló un simulador interactivo empleando el software Unity y los lentes para realidad virtual Oculus Rift de Google. Este programa servirá para que los estudiantes puedan visualizar, en un ambiente de inmersión, los sistemas coordenados del robot bípedo y las transformaciones entre ellos. El programa desarrollado, las instrucciones de instalación, el código fuente y un video donde se muestra el funcionamiento del simulador, se encuentran en el repositorio en línea https://github.com/mnegretev/PAPIME_PE116219. SELECCIÓN DE TÓPICOS Considerando la duración de un curso regular y la cantidad de herramientas que los alumnos deben aprender a utilizar, se eligieron los siguientes tópicos: uso de la plataforma ros, transformaciones homogéneas, cinemáticas directa e inversa, generación de trayectorias de caminado y visión computacional. Todos estos tópicos se ven reflejados en el conjunto de prácticas desarrolladas. Como trabajo futuro se plantea mejorar este temario mediante la inclusión o exclusion de tópicos de acuerdo con la realimentación de los alumnos. CONJUNTO DE PRÁCTICAS Se desarrollaron siete prácticas con las que los alumnos podrán asimilar mejor los temas mencionados en el punto anterior. Estas prácticas contemplan el uso de los simuladores desarrollados y también del robot real. Se pueden consultar en https://github.com/mnegretev/PAPIME_PE116219. REPOSITORIO EN LÍNEA Todo el software desarrollado se encuentra en un repositorio en línea en la dirección https://github.com/mnegretev/PAPIME_PE116219. El contenido de este repositorio está organizado como sigue: * Media: en esta carpeta se encuentran videos donde se muestra el funcionamiento del simulador desarrollado y del robot bípedo funcionando. * Prácticas: en esta carpeta se encuentran los PDFs con instrucciones para el desarrollo de cada práctica. Los documentos fueron escritos en LaTex, por lo que en esta carpeta también se encuentran los códigos fuente de dichos documentos. * Simulador Interactivo: esta carpeta contiene el simulador de realidad virtual interactivo, el manual de instalación, los requerimientos y el código fuente (desarrollado en Unity). * Software del Robot: esta carpeta contiene todo el software desarrollado para operar al robot bípedo autónomo.
metadata.dc.description.selfAssessment:	Como parte de los objetivos se pretendía realizar un piloteo en los grupos de robótica a cargo del responsable del proyecto. Se decidió no aplicar dichos piloteos debido a que las prácticas no estaban terminadas en su totalidad en los meses de mayo y noviembre de 2019 (finales de los semestres), lo que resultaría inconveniente, pues los alumnos no podrían visualizar la continuidad y relación entre los temas propuestos. En la estrategia metodológica se consideró realizar, de manera concurrente, desarrollos de software y hardware y la elaboración de prácticas, sin embargo, en la práctica no se hizo así. Se consideró más conveniente desarrollar primero todo lo relacionado con la operación del robot y el simulador y al final se redactaron las prácticas. Esta metodología se tomará en cuenta para futuras propuestas. Una decisión acertada fue el uso del software Unity para el desarrollo del simulador. El software para operar el robot real corre en el sistema operativo Ubuntu y se ha observado que muchos estudiantes no están familiarizados con su uso. Puesto que el simulador interactivo corre en Windows, su uso puede servir como paso intermedio hacia la operación de robots bípedos en Ubuntu. En general, el desarrollo del proyecto se llevó a cabo de acuerdo con lo planeado, lo que puede comprobarse en los productos entregados. Las dificultades enfrentadas y los aciertos serán considerados para futuras propuestas.
metadata.dcterms.provenance:	Facultad de Ingeniería
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías Aprendizaje Lúdico Control Automático Recursos en Línea Robots Bípedos Simulación 3D Vision Computacional
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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