DPI2008-00553

 

 

3D Maneuvering strategies for a tele-autonomous 
search and rescue robot operating in natural and
disaster scenarios (REMOTE)

 

 

The primary objective of this project is to develop new methods and techniques for the exploration of natural areas and environments affected by disasters, and to support the search and rescue of hazardous objects and victims. The mobile manipulator to be used in this project is based on ALACRANE-I, a mobile robot produced by a previous project.

To obtain the desired results, we intend to approach the development of appropriate outdoor and disaster area navigation methods, including manoeuvres in complex environments, centre of gravity modification techniques or vehicle/arm cooperative manoeuvres for coping with different ground levels with interaction of the arm on the terrain.

Another of our objectives is dextrous control of the manipulator. This involves improving monitoring of the manipulation environment, inclusion of tactile perception, the application of visual servoing techniques and remote operation techniques based on bilateral control.

Finally, we shall develop a set of aids for the robot’s remote, remote-autonomous or autonomous operation: victim detection aids (including infrared vision and other biometric sensors), improvement of the remote operation station (including 360º vision and haptic devices), the generation of 3D maps, the application of SLAM techniques and remote-autonomous planning.

 

Referencia: DPI2008-00553
Título del Proyecto: ESTRATEGIAS PARA MANIOBRAS-3D EN UN ROBOT TELE-AUTONOMO DE BUSQUEDA Y RESCATE OPERANDO EN ESCENARIOS NATURALES Y DE DESASTRE
Investigador Principal : GARCÍA CEREZO, ALFONSO gcerezo@ctima.uma.es
Centro: DPTO. INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA. UNIVERSIDAD DE MÁLAGA

 

OBJETIVOS PLANTEADOS Y OBJETIVOS ALCANZADOS

Los objetivos básicos son:

• Desarrollo de metodologías adecuadas para la navegación en espacios naturales y zonas catastróficas. incluyendo maniobras en terrenos bacheados, accidentados, técnicas de modificación del centro de gravedad o maniobras cooperativas para negociación de desniveles con la interacción del brazo sobre el terreno.
  
• Mejorar el comportamiento del manipulador. que incluye mejoras en la monitorización del entorno de manipulación, con nuevos sistemas de percepción, la inclusión de sistemas  táctiles y técnicas de tele-operación por control bilateral.
  
• Mejora de la estación base. Sistemas de ayuda  para la tele-operación y la tele-autonomía.
  

El porcentaje  de objetivos cumplidos, está en torno del 80 por ciento, restando solo algunas modificaciones  a implantar en la estación base, y se están terminando trabajos sobre los sistemas sensoriales táctiles instalados en los brazos del manipulador de ALACRANE, previéndose alcanzar el 100% de objetivos cumplidos al término de proyecto.

RESULTADOS PRINCIPALES

Sistema robot: Se ha desarrollado un nuevo escáner 3D de altas prestaciones. Se le han implantado cámaras de tiempo de vuelo para la detección de obstáculos y del entorno cercano a la zona de manipulación.  Se ha construido un sistema háptico para la operación del R-L Arm. El sistema consiste en un brazo a escala R-L Arm con 3 grados de libertad activos por brazo (3L+3R) + 1 común pasivo, permitiendo el control de par.

Se le ha dotado de un sistema sensorial de gran superficie para montar en antebrazos para manipulación precavida.

Técnicas desarrolladas: Se han implementado nuevas  técnicas de localización basadas en ICP. Se ha desarrollado técnicas basadas en el emparejamiento 3D de  Nüchter para la generación de mapas  3D del terreno. así como la generación de grids del terreno mediante técnicas neuro-borrosas. Se han generado mapas de pendientes, de  atravesabilidad, Se han desarrollado mapas georreferenciados.

Se han desarrollado un conjunto de maniobras que permiten operar en terrenos accidentados y espacios naturales. Entre estas se incluyen, i) negociación de rampas de subida y bajada con  marcha adelante o marcha atrás estabilizadas con  el brazo apoyado en el terreno,  ii) negociación de rampas de subida y bajada, marcha adelante o marcha atrás con estabilización con  el brazo por compensación  del centro de gravedad, iii) marcha con compensación del centro de gravedad, iv) cambio de dirección por accionamiento del brazo, v) doble rampa, vi) negociación de zanjas…

Se han realizado operaciones teleautónomas, basadas en un conjunto de maniobras básicas, ya desarrolladas en anteriores proyectos (Proyecto CROMAT) como las más  las especificas para  3D desarrolladas en el marco del presente proyecto.

Se han desarrollado técnicas para planificación en base al modelo del terreno y los modelos derivados del mismo, en base a técnicas derivadas de tipo PRM. Asimismo, se han desarrollado técnicas de planificación basada en la descomposición de una trayectoria continua en un conjunto de eventos.

Pruebas y experimentos.

Se han realizado pruebas reales que comprenden las pruebas de navegación 3D del robot, pruebas de manipulación, y finalmente, pruebas en escenarios reales con intervención de equipos profesionales de rescate, en distintos terrenos (escombreras y zonas urbanas derruidas, terrenos naturales, terrenos abruptos, …)

 

CONTINUIDAD DE LA INVESTIGACIÓN

Se pretende avanzar en esta línea de investigación. Para ello se ha pedido un proyecto en la presente convocatoria con código DPI2011-22443 con el título: “RAMBLER: Hacia la autonomía en robots de exploración de largo alcance en espacios naturales”.

POSIBILIDADES DE TRANSFERENCIA DE RESULTADOS

Como se indicó en su día, los resultados del proyecto son potencialmente  transferibles dentro del sector  protección, y seguridad, de salvamento y rescate, industria de la exploración espacial, etc. Esto ya ha redundado en la participación en proyectos como el que se indica a continuación: VEHÍCULO 8X8 CON PROPULSIÓN HÍBRIDA-ELÉCTRICA. Investigador responsable: García Cerezo, Alfonso José; CONTRATO I+D con ITURRI S.A. dentro del proyecto HY88 (CDTI).

Asimismo, Se ha transferido la patente P201001410 a través de la transferencia a la empresa INGENIERIA UNO S.L. En la actualidad se está comercializando el producto.

 

FORMACIÓN EN EL MARCO DEL PROYECTO: TESIS DOCTORALES LEÍDAS O EN MARCHA

Natural Terrain Models for 3D Mobile Robot Navigation.  
Doctorando: Tomás J. Cantador Sánchez.
Director: Alfonso J. García Cerezo.
Fecha prevista de presentación,  finales 2011.

Sistemas de amortiguación activa en robots móviles. Aplicación a la navegación en espacios naturales.
Doctorando: Jorge Hurel Ezeta.
Director:es Alfonso J. García Cerezo y Anthony Mandow Andaluz.
Fecha prevista de presentación,  finales 2012.

 

COLABORACIONES CON OTROS GRUPOS NACIONALES E INTERNACIONALES

Se mantiene una relación fluida con grupos de Robótica y Mecatrónica de la Technical University of Dresden (Germany), Technical University of Brno (Czech Rep.) y Technical University of Wroclaw(Polonia) con las que se han celebrado 3 Summer-School  y Workshops.

El desarrollo de esta línea de investigación y este proyecto ha dado lugar también a colaboraciones con la empresa ENEROCEAN SL  dentro del marco del proyecto EUREKA EUROSTARS EU 4409 - Q-SAIL: Certificación de la tecnología basada en velas para la extracción de la energía de las corrientes de marea. Línea de trabajo b) Estudio de tareas de mantenimiento e inspección compatibles con sistemas robótico autónomos o sistemas tele-operados, adecuación necesaria para estas operaciones en medio marino.

Asimismo se tienen relaciones con la Fundación  para la colaboración entre las universidades de Uppsala, Suecia), la Agencia para el desarrollo de Bravante, Holanda , la Universidad de Oxford Brookes, Gran Bretaña y el Instituto de investigación de los minerales, materias primas y energía de la Academia Polaca de las Ciencias, Polonia  relacionado con el uso de las tecnologías que desarrollamos dentro del proyecto POWER E-MOBILITY ACCELERATOR (INTERREG IV-C, financed by the European Regional Development Fund). El objetivo general del proyecto E-movilidad es definir una estrategia común y recomendaciones de política para acelerar la ejecución exitosa del mercado de los vehículos eléctricos.

 

 PUBLICACIONES Y PATENTES

Se han realizado ocho publicaciones SCI.  4 están en el primer tercil del JCR (Journal of Citation Reports) correspondiendo a los años 2008, 2009, y 2011, otras  4 están en el segundo tercil del JCR (Años 2009,2009, 2010,2010), Asimismo se han publicado en 10 congresos Internacionales.

Se tienen dos patentes. Corresponde a este proyecto. La otra corresponde a una internacionalización de una patente presentada en el proyecto anterior.  La patente registrada en este proyecto ha sido comercializada. 

“Analysis of the Actual Supporting Polygon for a Robotic Vehicle Towing a Single-Axle Trailer on Slopes”. 
J. Morales, J. L. Martínez, A. Mandow, J. Serón and A. García-Cerezo. 
To appear in IEEE/ASME   Transactions on Mechatronics, (2011) 1083-4435   índice de impacto en 2009 2.331 T1
Área: AUTOMATION & CONTROL SYSTEMS 8/59, ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC 30/245 Tercil: T1

“Large Area Smart Tactile Sensor for Rescue Robot“.
F. Vidal-Verdú, M.J. Barquero, J. Castellanos, R. Navas, J.A. Sánchez, J. Serón and A. García- Cerezo. 
To appear in Sensors, MDPI Publishing. año: 2011 (ISSN 1424-8220) Impact Factor: 1.821 (2009); 5-Year Impact Factor: 1.903 en 2009. Posición 11/56
Área: INSTRUMENTS & INSTRUMENTATION; Tercil: T1

“Power consumption modeling of skid-steer tracked mobile robots on rigid terrain“. 
Jesús Morales Rodriguez; Jorge Luis Martinez Rodriguez; Antonio Mandow Andaluz; Alfonso Jose Garcia Cerezo; Salvador Pedraza Moreno;. 
IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS 1552-3098 vol25 pp1098-1108, 2009 Base: SCI Indice de impacto: 2.035
Área: ROBOTICS 2/16 Tercil: T1

“Steering Limitations for a Vehicle Pulling Passive Trailers”. 
J.L. Martínez, J. Morales, A. Mandow and A. García-Cerezo.  
IEEE Transactions on Control Systems Technology (2008) 16 - 4,pp. 809 - 818.2008.ISSN 1063-6536. 
Categoría: Automation and Control Systems. Factor de Impacto: 2.13. Posición 14/46 Tercil: T1

“Telemetro 3D y procedimiento de obtención mediante cabeceo de  un telemetro 2D alrededor de su centro óptico”. 
Patente P201001410. Application Date: 3/11/2010.
Authors: García-Cerezo, Martínez, Morales, Mandow,  Reina, Pequeño, Fernández. Transferida a la industria.
Comercializada por INGENIERIA-UNO S.L.

“Fast range-independent spherical subsampling of 3d laser scanner points and data reduction performance evaluation for scene registration“. 
Antonio Mandow Andaluz; Jorge Luis Martinez Rodriguez; Antonio Jesus Reina Terol; Jesús Morales Rodriguez.
PATTERN RECOGNITION LETTERS 0167-8655; Vol 31 pp1239-1250 2010 Base: SCI
Área: COMPUTER SCIENCE, ARTIFICIAL INTELLIGENCE Indice de impacto: 1.303 Posición de la revista en el area: 54
Número de revistas en el área: 103 Tercil: T2

“Pure-pursuit reactive path tracking for non-holonomic mobile robots with a 2d laser scanner“.
Jesús Morales Rodriguez; Jorge Luis Martinez Rodriguez; Maria Alcazar Martinez Sanchez; Antonio Mandow Andaluz. 
EURASIP JOURNAL ON ADVACES IN SIGNAL PROCESSING 1687-6172, 2009
Base: SCI Área: ENGINEERING, ELECTRICAL & ELECTRONIC Indice de impacto: 0.885 Posición de la revista en el area: 132/246 Tercil: T2

“Using NXT lego mobile robots with labview for undergraduate courses on mechatronics”. 
Jesús Manuel Gómez De Gabriel; Antonio Mandow Andaluz; Juan Jesús Fernández Lozano; Alfonso José García Cerezo.
IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION 0018-9359 2010 Tercil: T2

“Mobile robot localization based on Ultra-Wide-Band ranging: A particle filter approach“.
J. González, J. L. Blanco, C. Galindo, A. Ortiz-de-Galisteo, J.A. Fernández-Madrigal, F.A. Moreno y J.L. Martínez (2009).
Robotics and Autonomous Systems Vol. 57 pag. 496_507. Base: SCI
Área: AUTOMATION & CONTROL SYSTEMS Indice de impacto: 1.361 Posición de la revista en el area: 23 Número de revistas en el area: 59 Tercil: T2

“Simplified power consumption modeling and identification for wheeled skid-steer robotic vehicles on hard horizontal ground”. 
Jesús Morales Rodríguez; Jorge Luis Martínez Rodríguez; Antonio Mandow Andaluz; Alejandro Pequeño Boter; Alfonso García Cerezo. 
IEEE/RSJ INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTELLIGENT ROBOTS AND SYSTEMS. Taipei, 2010

“Incremental Closed-Form Solution to Globally Consistent 2D Range Scan Mapping with Two-Step Pose Estimation“. 
J. L. Martínez, J. Morales, A. Mandow y A. García-Cerezo (2010).. 
Proc. 11th International Workshop on Advanced Motion Control. Nagaoga (Japón).

“Virtual steering limitations for reversing an articulated vehicle with off-axle passive Trailers“. 
Jesús Morales Rodríguez; Jorge Luis Martínez Rodríguez; Antonio Mandow Andaluz; Itza Juliana Medina. 
35TH ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY (IECON 2009)

“Using lego robots with labview for a summer school on mechatronics“. 
Alfonso Jose Garcia Cerezo ; Jesus Manuel Gomez De Gabriel; Juan Jesus Fernandez Lozano; Antonio Mandow Andaluz; Victor Fernando Muñoz Martinez; Fernando Vidal Verdu; Klaus Janschek;
IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHATRONICS (ICM 2009)

“Large area smart tactile sensor for rescue robot“
Fernando Vidal Verdu; María José Barquero; Javier Serón; Alfonso Garcia Cerezo. 
INTERNATIONAL WORKSHOP ON ROBOTIC AND SENSOR ENVIRONMENTS 978-1-4244-47 Lecco, 2009

“Outdoor Scene Registration from 3D Laser Range Data with Coarse Binary Cubes“. 
J. L. Martínez, A. Mandow, A. Reina y J. Morales (2009). 
Proc. 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Oporto, Portugal.

“Center of Gravity Estimation and Control for a Field Mobile Robot with a Heavy Manipulator“. 
J. Morales, J. L. Martínez, A. Mandow, J. Serón, A. García-Cerezo y A. Pequeño-Boter (2009b). 
Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics, Málaga.

 

DOCUMENTACIÓN ADICIONAL

Para ver el resto de la información, pinche aquí.