Ingeniero Civil Mecánico / Las nuevas tecnologías de fabricación digital, permiten producir elementos complejos de manera rápida y eficiente. Una aplicación de estas tecnologías es el desarrollo de vehículos voladores no tripulados. En particular, en el último tiempo interesan los micro vehículos aéreos que se asemejan a los pequeños insectos debido a las ventajas que estos presentan. Estos últimos, entre las características que exhiben es una mayor maniobrabilidad y estabilidad, además que se pueden pilotar en lugares de difícil acceso o peligrosos para una persona. El objetivo de esta memoria es diseñar y construir un mecanismo inspirado en características biológicas de aves o insectos y estudiar perfiles de alas que presenten mejores propiedades aerodinámicas. Para lograr el objetivo se cuenta con diversas fuentes de financiamiento (Fondecyt, ANR-Conicyt, etc.), además de los equipos, software e impresoras de fabricación digital disponibles en el laboratorio de robótica del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Chile. La metodología consiste en una etapa de recopilación de información y antecedentes relacionados con la aerodinámica, materiales y construcción de robots similares. Luego se diseñarán los distintos componentes mecánicos involucrados, poniendo principal énfasis en el diseño y construcción de las alas del vehículo. Se estudiaron dos perfiles de alas para determinar cual presenta mejores propiedades aerodinámicas. Se midieron experimentalmente el empuje y sustentación que son capaces de generar y se modificaron parámetros en el diseño que influyen en la flexión y torsión de las alas para medir como estos afectan en su desempeño. Se midió en un túnel de viento la sustentación que genera el paso del aire a través de las alas para distintas velocidades de circulación del viento. Con el sistema mecánico definitivo, se realizaron pruebas de vuelo para estudiar la capacidad de vuelo del MAV. Se traslado el centro de masa y el ángulo de ataque de las alas para lograr condiciones de vuelo mas estables. Finalmente se construyó un micro vehículo aéreo el cual logro volar por unos instantes, pero que no fue capaz de mantener un vuelo estable.

La generación de trayectorias es uno de los aspectos básicos del desarrollo de robots móviles. Permite al móvil poder desplazarse de un lugar a otro de manera óptima y segura, a partir de un modelo de obstáculos que lo rodean y a un camino ya calculado. Los estudios en generación de trayectorias son importantes debido a que son la base del desplazamiento de un robot móvil. El movimiento debe de ser seguro, esquivando los obstáculos, y eficiente, que se traslade de un lugar a otro en el menor tiempo posible, o con el menor consumo de potencia. Para esto, en primer lugar, se debe de calcular una trayectoria. Ésta puede ser calculada por distintos métodos dependiendo del algoritmo utilizado. Una vez calculada la trayectoria, debe ser realizada por el robot real, lo que lleva a un problema de incertidumbre en su ejecución. Esto se debe a la inexactitud de la ejecución de las órdenes de velocidad y a la inexactitud en la localización del robot mediante los cálculos odométricos. Esta incertidumbre es acumulativa, es decir, mientras más larga sea la trayectoria, se generan errores mayores. La implementación de un sistema de generación de trayectorias servirá para que luego existan estudios sobre mejoras en la automatización de robots móviles, y que lleve a su vez a un impulso al desarrollo de la robótica en general. La presente investigación aplicada propone un sistema de generación de trayectorias que permitirá a un usuario aplicar parámetros iniciales a un algoritmo generador de trayectorias para luego ser enviado al robot móvil que recorrerá el camino planteado y llegar al lugar de destino. El objetivo es el diseño y construcción de un robot móvil para pruebas de generación de trayectorias óptimas, usando distintos algoritmos para este propósito, con la finalidad de poder realizar estudios posteriores sobre el tema. / Tesis

La robótica móvil ha buscado desde sus inicios la autonomía móvil en su desplazamiento hacia sus objetivos. Conforme fue evolucionando esta área de la robótica se desarrollaron diversas metodologías para hacer más eficiente el movimiento autónomo de los robots. Gran cantidad de estas metodologías se desarrollaron para movilizar al robot en un entorno con obstáculos no estables. Se obtuvieron buenos resultados a costa de la alta complejidad de sus algoritmos, así como la gran cantidad de sensores implementados en el robot y entorno. La presente tesis busca reducir la complejidad de algoritmos para calcular las trayectorias más cortas hacia el objetivo de recorrido de un robot móvil en un entorno con obstáculos estables (entorno estructurado). Para la solución del problema se elige trabajar con un robot móvil de tracción diferencial. Se elaboró un programa en lenguaje C++/CLI con una interfaz gráfica de usuario (IGU) para poder, en esta, detallar información sobre el entorno y la posición final del robot y, también, para habilitar la comunicación usuario-robot. Posteriormente en el algoritmo principal del programa se hacen cálculos matemáticos para determinar la trayectoria que es más corta a recorrer con las condiciones especificadas previamente en la IGU. Con la trayectoria obtenida se generan las señales de control que son enviadas al robot móvil para que recorra dicha trayectoria. Se hacen pruebas de la generación de trayectorias y seguimiento de las mismas con obstáculo y sin obstáculo. En los resultados de las pruebas experimentales se presentaron errores de precisión y se mejoraron con un arreglo correctivo de velocidades de los motores del robot. Con este ajuste los resultados obtenidos fueron los esperados en relación con la correcta generación de la trayectoria así como el seguimiento de la misma. Se concluye que las velocidades a las que se desempeñan los motores deben ser corregidas para disminuir el error de precisión en las pruebas experimentales del sistema. Finalmente, la precisión del sistema depende de la longitud y forma de las trayectorias a seguir. / Tesis

Swarm robotics focuses on the study and development of robot systems containing a large number of agents that interact with each other in a collective behaviour in order to achieve tasks or overcome obstacles. Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application – qualities which are advantageous for agents of swarm robotic systems. However, most studies have been developed over systems with no control or systems with two or more actuators. The aim of this master thesis is the development of a bristle based robot agent for a swarm robotics microsystem with units for locomotion, sensing, data processing, control, communication and energy storage. New approaches in modelling and development of swarm agents are given, and a robot prototype is presented. The robot is driven by a single DC motor and uses a bristle system to create locomotion. It should be noted, that within the system design, considerations for the size, weight and minimalist architecture are taken. Experiments are presented and the system’s capabilities for displacement, velocity and trajectory generation are analysed. While the parallel velocity maintains a positive magnitude in both motor rotation directions, the rotation speed and transversal velocity of the robot have opposite directions, creating curved trajectories with opposite orientations. In Frequencies up to 210 Hz, the rotation direction of the robot is maintained while the magnitude slightly varies. However, for higher frequencies, the rotation direction of the robot is reversed, maintaining a similar magnitude. The transversal speeds at this frequency range, maintain their direction but are clearly reduced compared to lower frequencies. / Tesis

Swarm robotics focuses on the study and development of robot systems containing a large number of agents that interact with each other in a collective behaviour in order to achieve tasks or overcome obstacles. Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application – qualities which are advantageous for agents of swarm robotic systems. However, most studies have been developed over systems with no control or systems with two or more actuators. The aim of this master thesis is the development of a bristle based robot agent for a swarm robotics microsystem with units for locomotion, sensing, data processing, control, communication and energy storage. New approaches in modelling and development of swarm agents are given, and a robot prototype is presented. The robot is driven by a single DC motor and uses a bristle system to create locomotion. It should be noted, that within the system design, considerations for the size, weight and minimalist architecture are taken. Experiments are presented and the system’s capabilities for displacement, velocity and trajectory generation are analysed. While the parallel velocity maintains a positive magnitude in both motor rotation directions, the rotation speed and transversal velocity of the robot have opposite directions, creating curved trajectories with opposite orientations. In Frequencies up to 210 Hz, the rotation direction of the robot is maintained while the magnitude slightly varies. However, for higher frequencies, the rotation direction of the robot is reversed, maintaining a similar magnitude. The transversal speeds at this frequency range, maintain their direction but are clearly reduced compared to lower frequencies. / Tesis

El procesamiento de imágenes aplicado al campo de control y automatización de sistemas industriales ha tenido una gran influencia en la tecnología de los robots móviles; así se han venido desarrollando diversas técnicas de visión para poder obtener nuevos parámetros cada vez más precisos sobre el entorno de trabajo del robot móvil. Las técnicas de reconocimiento de objetos y visión estereoscópica han demostrado ser una herramienta muy útil, ya que gracias a esto, los vehículos no tripulados pueden llegar a tener una mejor interacción con su entorno, lo cual resulta en un mejor desenvolvimiento en las diferentes tareas que realizan El presente trabajo de tesis describe la implementación de un sistema de visión estéreo aplicado al campo de los robots móviles para la localización de objetos, el cual tiene como principal características encontrar la distancia en coordenadas XYZ de un objeto en particular; para que luego esta información sea llevada al robot. Tanto para la tarea de segmentación como del cálculo de coordenadas se utilizará a la librería OpenCV la cual nos permite el uso de los diferentes algoritmos de procesamiento de imágenes. La etapa de visión estéreo propiamente dicha se llevará a cabo mediante la implementación de las siguientes etapas: cálculo de los parámetros de las cámaras, calibración, rectificación de imágenes y finalmente la triangulación, método por el cual se obtienen las coordenadas deseadas. El sistema de visión estéreo desarrollado será implementado en un computador embebido y se va comunicar con el robot móvil mediante protocolo TCP/IP para el envió de las diferentes coordenadas. / Tesis

En los últimos años se han ido diseñando robots anfitriones y robots guías capaces de brindar todo tipo de información, dependiendo del ambiente de trabajo de este. Sin embargo, ninguno de los robots desarrollados en otros países (Anexo 4, 5 y 6) posee las funcionalidades del robot anfitrión planteado en el presente trabajo de tesis. Adicionalmente, al desarrollar este prototipo en la Pontificia Universidad Católica del Perú se busca contribuir a mejorar los siguientes aspectos: un mayor incentivo para desarrollar proyectos de investigación tecnológica y colaborar a reducir el atraso tecnológico del país. En el presente trabajo se muestra el desarrollo de un robot anfitrión cuya principal función es la de brindar información y, además, servirá de guía para los visitantes que acudan al 3er Piso del CETAM (Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura). Con este robot anfitrión, las personas podrán interactuar y hacer preguntas relacionadas a las actividades que se realizan en este ambiente. Asimismo, el robot anfitrión tendrá la capacidad de reconocer el rostro de las personas, ya sea un alumno o un profesor de la especialidad, y reconocer e interpretar las frases dichas por los visitantes. Cada uno de los subsistemas que se encargan de realizar el movimiento del prototipo, la interacción humano - robot y el sistema de reconocimiento de rostros son claramente detallados a lo largo del trabajo. / Tesis

Desde varios años, las investigaciones en el tema del uso de robots móviles han ido en aumento con el objetivo de poder utilizar los robots móviles para múltiples actividades que suelen ser difícil para una persona realizar; es por eso que, se ha ido desarrollando técnicas de control para distintos tipos de robots móviles, así como también en la mejora de su desempeño en trayectorias a recorrer frente a entornos al cual se aplique. El desarrollo se enfoca principalmente en el control del robot móvil, ya que existen varios métodos para controlarlos, ya sea de manera lineal o de manera no lineal, dependiendo sea el caso, llevándolos a llegar a su objetivo siguiendo ciertas trayectorias especificas o trayectorias más cortas a su objetivo. Para los casos de trayectorias específicas, suelen definirse formas geométricas conocidas y fáciles de realizar; sin embargo, para el caso de trayectorias con la distancia más corta, aún sigue habiendo más investigación a nivel aplicativo. Es por eso que se busca desarrollar un método para la generación de trayectoria mínima enfocado para un robot móvil tipo Ackerman, que permita llevarlo a su objetivo, considerando que el robot móvil funcionará con movimiento en avance y retroceso en cualquier momento. Esta investigación busca aplicar una técnica de control no lineal, para así trabajar en todo el espacio de funcionamiento del vehículo, que le permita al robot móvil describir trayectorias óptimas, la cual va a ser diseñada en base al análisis de movimiento que tiene un tipo Ackerman, considerando que se puede cambiar de velocidad en una misma trayectoria; para lo cual se ha realizado la obtención del modelo del tipo Ackerman y así definir correctamente el controlador a utilizar, mientras que a su vez se desarrolla el algoritmo de generación de trayectoria mínima y al final realizar la corroboración del funcionamiento en base a simulación y luego con un prototipo. El desarrollo de la investigación se ha realizado analizando diferentes técnicas de control, decidiendo al final utilizar un control basado en linealización por realimentación utilizando el método de flatness diferencial, el cual permite introducir de manera práctica una trayectoria deseada a seguir por el robot móvil en sus variables de posición. Dicha trayectoria deseada ha sido diseñada mediante un análisis geométrico compuesto por segmentos de rectas y curvas de circunferencia, basado en la teoría de Dubins y Reed & Shepp, permitiendo describir la ruta más corta posible desde el punto de origen a su punto de destino. Las pruebas realizadas de su funcionamiento han sido simuladas bajo un software que permitió validar el controlador y la correcta generación de una ruta mínima; y también se realizó pruebas en un prototipo para corroborar que puede ser aplicable en un sistema real Al final de la investigación se muestra como el controlador permite llevar al robot móvil a su objetivo describiendo trayectorias optimas, generando la velocidad y el ángulo de dirección adecuados que permitan guiarlo por dicha ruta; considerando también un sistema de navegación para la aplicación real del sistema. / Tesis

El objetivo principal de esta tesis fue el desarrollar un sistema de navegación autónomo para la aplicación en robots móviles, para ello se uso el enfoque reactivo por presentar una aproximación más real al problema del planeamiento. El sistema de navegación se dividió en dos partes para fines del diseño; en la primera se desarrolló e implementó un controlador para el planeamiento de la trayectoria mediante el uso de controladores neuro-difusos y el uso de cuadrículas de certeza; mientras que en la segunda parte, se afrontó el problema de la localización del robot en un entorno desconocido, para lo cual se hizo uso de la fusión de sensores odométricos, inerciales y de redes inalámbricas. Para este propósito se diseño e implementó el controlador para diferentes plataformas de simulación, además se implementó el mismo en un robot Pioneer P3-AT, lográndose resultados interesantes que permiten apreciar este algoritmo como una alternativa atractiva en la navegación autónoma de los robots móviles, el método presentado representa un híbrido entre los métodos de navegación por fusión de conductas y los métodos basados en campo de fuerzas por lo cual permite aprovechar las ventajas de ambos métodos. Para la localización se implementó la fusión de sensores presentes en los celulares modernos y sensores de velocidad o encoders, la fusión de sensores se implementó en dos instancias, la primera para la estimación precisa de la orientación por medio de filtros de Kalman y la segunda en donde se realiza la estimación de las coordenadas de la posición con el uso de filtros de Kalman para sistemas no lineales. / Tesis

Navigation and obstacle avoidance are important tasks in the research field of au- tonomous mobile robots. The challenge tackled in this work is the navigation of a 4- wheeled car-type robot to a desired parking position while avoiding obstacles on the way. The taken approach to solve this problem is based on neural fuzzy techniques. Earlier works resulted in a controller to navigate the robot in a clear environment. It is extended by considering additional parameters in the training process. The learning method used in this training is dynamic backpropagation. For the obstacle avoidance problem an additional neuro-fuzzy controller is set up and trained. It influences the results from the navigation controller to avoid collisions with objects blocking the path. The controller is trained with dynamic backpropagation and a reinforcement learning algorithm called deep deterministic policy gradient. / Tesis