Vehículos autoguiados

Electrónica. Componentes. Alimentación. Movimiento. Funcionamiento. Aplicaciones

  • Enviado por: Ignacio Benítez
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 26 páginas
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Vehículos autoguiados

Qué son

Vehículos autoguiados

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.

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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 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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Componentes:

Chasis:

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Mástil de 1.2 m situado en mitad de la plataforma, con enganches que permiten la colocación de sensores.

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Las seis ruedas están controladas por motores independientes alimentados con baterías eléctricas.

Brazo robot:

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Sensores:

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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.

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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.

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Cámara digital de alta resolución.

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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 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.

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  • 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, 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.

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Detección de movimiento. El robot es capaz de detectar a la persona que se mueve andando de derecha a izquierda.

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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 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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Imagen renderizada de la sonda exploradora Marsokhod en un entorno virtual.

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Ventana de trabajo del VEVI, controlando el vehículo MEL desarrollado por el IM Group.

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.

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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:

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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.

    • 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:

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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 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.

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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.

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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

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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 memoria RAM programable y una arquitectura de control por layers o niveles, que le permite tomar decisiones.

Simplhex

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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

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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 Company que pretende emular al aparato locomotor humano. Lleva en desarrollo más de diez años y ha servido de ayuda e inspiración para otros proyectos posteriores. Posee doce grados de libertad (seis en cada pierna). El control se realiza con lógica fuzzy, y se divide en tres partes: supervisión del sistema, panel frontal de control y control del equilibrio. El esqueleto es de madera y los actuadores son Shadow Air Muscles, válvulas de aire que imitan músculos, reguladas por un compresor controlado electrónicamente. Hay 28 de ellos, 14 en cada pierna.

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Implementa más de 80 sensores y 56 válvulas. Para mantener el equilibrio hace uso de un cuadro de interruptores de mercurio y de la información de los sensores especiales de presión que lleva debajo de los pies. Actualmente es capaz de mantener el equilibrio durante unos veinte minutos y reaccionar ante una inclinación de 10 grados.

Bibliografía