Sistemas inteligentes y sus sociedades

Walter Fritz

Control de cilindros de aire

El uso de cilindros de aire para efectuar el movimiento de brazos y piernas tiene grandes ventajas y grandes desventajas. Explicaremos algunos de ellas.

Dificultades con el control de cilindros de aire

El suministro de aire a los cilindros de doble acción es por electro válvulas del tipo si/no. La duración de un impulso es de un instante (1/15 sec., 65 milisegundos) Hay 3 tipos de dificultades.

Intervalo
Para un cilindro típico de doble acción, con aire de 80 psi (5.62 atm) de presión, de 35 mm. de diámetro y 105 mm. de largo, el intervalo entre dar un impulso y notar su "efecto" es de 4 a 5 instantes. Este "efecto" es un cambio de la posición entre tener un impulso y no tenerlo. Este intervalo hace que al realizar un impulso basado en la posición y velocidad presentes, el efecto, 4 instantes mas tarde, puede no ser lo que se pretende. No queremos mejorar la posición presente, que es imposible, debido al "intervalo" de tiempo. Así que la decisión de qué impulso usar, debería basarse en la posición que existirá 4 instantes más tarde.

Gravedad
En la posición inicial el brazo cuelga hacia abajo. La gravedad no tiene efecto alguno. En la posición final el brazo es horizontal. El cilindro tiene que empujar contra la gravedad (el peso del brazo) y el impulso tiene mucho menos efecto.

Fricción
Cuando el brazo está sin movimiento, tenemos una fricción estática, que es alta. Cuando el brazo está en movimiento, tenemos una fricción dinámica, que es baja. Aquí el impulso tiene efecto mayor.

Debido a estos factores, es muy difícil escribir un programa de control de movimiento basado en física y matemática.

El actual método de control

Para evitar estas dificultades, se escribió un programa que aprende, basado en conceptos y reglas de actuación. Para cada sensor de posición (encoder) la entrada al programa es el objetivo de posición y el objetivo de velocidad para llegar a esta posición. Todo expresado con conceptos.
La salida del programa es el impulso a aplicar a cada cilindro. El programa aprende por experiencia cuál es el efecto de un impulso para una situación dada.

Las partes de la regla de actuación son:

• La situación actual: un código, "zp", la velocidad actual y la posición actual.
  El código lo usa para encontrar rápidamente las reglas aplicables y consiste del numero del encoder y los tres impulsos previos. "zp": 0 indica: que siempre hay movimiento, 1 indica que hay momentos de cero velocidad, 3 indica que hay dos instantes consecutivos con cero velocidad (en los 4 instantes venideros).
• un peso/una aprobación basado en lo correcto que fueron las predicciones.
• La acción: un concepto para un impulso de +1 (expansión del cilindro), sin impulso, ó impulso -1 (contracción del cilindro de doble acción).
• La situación futura dada como 4 delta velocidades (aumento o disminución de la velocidad entre los cuatro próximos instantes).

Con estas reglas el programa predice la posición y velocidad futura para cada alternativa de impulso. Después elige la mejor alternativa.

El programa

• DefinirImpulsos()
  • ListarReglasActuación() lista las reglas aplicables por "código" y teniendo el mismo "zp"
  • ObtenerMejorRegla() Para cada impulso +1, 0, -1; primero elige reglas de la misma velocidad, y posición cercana al principio del instante. Saca las 3 de mejor peso. Después promedia las predicciones. Esto da 3 reglas (una para cada caso de impulso).
  • DeterminaMejorImpulso() elige entre los tres, basado en la predicción de posición y velocidad.
  • AjustarPesoReglas() basado en predicción contra realidad.
• AprenderMovimiento() produce reglas basado en su experiencia.

Resultados

Aquí hay un gráfico que muestra el movimiento lateral del brazo izquierdo de Robby. Los demás cilindros están inactivos. La mano no lleva ningún objeto.

La escala vertical indica la posición del brazo. Los números son lo que indica el encoder angular. Por ejemplo un movimiento de 11 a 12 corresponde a un ángulo de 3 grados.

La escala horizontal es el tiempo en instantes. Un instante es el tiempo para un ciclo del programa y es 65 milisegundos (0,065 segundos). Así que 15 instantes son un segundo aproximadamente.

Al inicio, el brazo está en la posición angular 12 y se da un comando de ir a la posición objetivo, que es la posición 25.

En el inicio del movimiento vemos un intervalo de 4 instantes hasta que se produce algún movimiento. Este intervalo existe siempre, aun durante el movimiento.

Para las tres pruebas consecutivas, vemos que la précision del movimiento está dentro de 1 número de posición angular, que es la exactitud del encoder. Se llega al objetivo dentro de .75 de segundos.

Comparación con motores eléctricos
Una buena alternativa a cilindros de aire, parecen ser los motores de corriente continua con engranajes planetarios y encoders incluídos.

La ventaja de motores eléctricos es que no hay intervalo entre un aumento de corriente eléctrica y el resultante aumento de torque o velocidad. Así que el control es más fácil. Otra ventaja es que los motores y controladores se pueden conseguir en el mercado, mientras los cilindros de aire livianos (y compresor de aire) no se obtienen.

La desventaja es el precio mucho más alto y el peso mucho mayor en los brazos y piernas. Este peso mayor reduce la precisión de los movimientos.

Posiblemente lo dicho arriba le ayude en las decisiones de diseño de su robot.

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