Resúmen—El objetivo de nuestra investigación es la creación

de una interfaz flexible de interacción y planificación de

movimientos. Por flexible entendemos que tal interfaz sea capaz

de tratar diferentes robots y planificar distintos tipos de

movimientos tales como pasos omnidireccionales, pateo, etc. En

este trabajo se presenta el estado actual de un programa que

sirve para interactuar con el robot humanoide Bioloid

Premium kit en configuración humanoide (HumBioPrem). Se

tiene una visualización de un modelo en realidad virtual del

humanoide en el que se pueden cambiar los colores y los

elementos dibujados, una pestaña para mover individualmente

las articulaciones del robot y otra pestaña para mover las

extremidades del robot resolviendo su cinemática inversa.

Consideramos que el programa presentado en este artículo,

escrito en lenguaje MATLAB es una base importante hacia la

consecución de nuestro objetivo de investigación.

I. INTRODUCCIÓN

OBOCUP es un torneo internacional de robótica que se

viene realizando año con año desde 1997. La

motivación de la RoboCup es impulsar el desarrollo en

Inteligencia Artificial y Robótica. Existen 4 categorías:

Soccer, Rescue, Junior, @Home. La RoboCup rescue se

dedica a robots de búsqueda y rescate en caso de desastres

mientras que la RoboCup @Home considera aplicaciones

del mundo real y la interacción hombre-máquina con robots

autónomos. La Junior RoboCup tiene por objetivo la

participación de estudiantes de niveles primaria y secundaria

e incluye retos enfocados en el aprendizaje de la robótica

[1].

A. Robocup.

La meta en lo que se refiere a Soccer es que un equipo de

robots pueda competir y ganar al campeón del mundo de la

FIFA a mediados del siglo presente; existe un símil de esta

meta con el triunfo de DeepBlue ante Gary Kasparov en una

partida de ajedrez.

Para alcanzar esta meta, robots y agentes autónomos

compiten jugando futbol bajo ciertas condiciones. Existen 5

ligas: Simulation league, Small size league, Middle size

league, Standard platform league, Humanoid league.

Las ligas simulation, small size y middle size league,

consideran agentes y robots que no son humanoides

(principalmente robots con ruedas). En la liga standard se

participa programando el robot humanoide NAO [2].

El reglamento de la liga soccer Humanoid está disponible en

[3]. Dependiendo de su tamaño se puede competir en las

categorías siguientes: Kidsize (robots de 30 a 60 cm),

TeenSize (robots de 100 a 120 cm) y AdultSize (robots de

* Universidad Politécnica de Sinaloa. Email de contacto: jnunez@

upsin.edu.mx).

más de 130 cm). La intención de nuestro equipo de

investigación es participar en la categoría Kidsize en la

RoboCup 2012 a realizarse en México.

B. Robocup soccer kid size.

Para cumplir tal compromiso, nos basaremos en el robot

humanoide Bioloid de ROBOTIS [4] y probablemente en el

KH3-3HV de KONDO [5]. El robot HumBioPrem fue

seleccionado y adquirido ya que se tiene experiencia en su

manejo y programación [6], [7], [8] y el KH3-3HV debido a

recomendaciones en foros de internet y para tener un punto

de comparación para investigaciones futuras. Consideramos

que son dos prototipos adecuados para iniciar trabajos sobre

el juego de futbol de robots humanoides, además de que

tiene un costo accesible.

Para participar en el torneo RoboCup del próximo año a

llevarse a cabo en World Trade Center, se dividió el trabajo

en tres áreas: Manejo de Hardware, Visión y Locomoción.

La primer área encargada de armar adaptar y mejorar el

robot HumBioPrem y el KH-3HV, la segunda de localizar el

balón y las porterías y la tercera del caminado y pateo del

robot en situaciones de juego. Asimismo, se está realizando

un esfuerzo por concretar sinergias con otros laboratorios,

expertos en tales temáticas.

C. Objetivo del artículo.

El trabajo presentado en este artículo se enmarca en la

locomoción de un robot futbolista y presenta un programa

para la interacción entre el usuario y el robot. Hay dos

propósitos esenciales: El primero es entender la estructura

del hardware a manejar desde un punto de vista de robótica y

el segundo es el de generar el software en sí, lo que nos

Interface para interacción con robots humanoides

Víctor Núñez*, Josué Sapiens*, Dora Rodríguez*, Abraham Briceño*, Víctor Rodríguez*.

R

Fig. 1. El programa presentado en este artículo, visualiza el modelo en realidad virtual del robot Bioloid premium kit en configuración

humanoide.

facilitará la tarea de parametrizar movimientos, optimizarlos

y programarlos. En la siguiente sección de éste artículo,

describiremos el robot Bioloid Premium kit y el software

RoboPlus de Robotis, en la tercer sección tratamos la

estructura y algunos detalles de nuestra interface, en la

cuarta sección se detalla la parte de cinemática inversa (IK)

del robot; la quinta sección presenta el software operando

conectado al robot Bioloid y finalmente concluiremos y

mencionaremos las tareas pendientes en la sexta sección.

II. HARDWARE Y SOFTWARE ROBOTIS

El kit Bioloid Premium de ROBOTIS, contiene una unidad

de control llamada CM-510 basada en el microcontrolador

ATMEGA 2561, 18 servomotores dynamixel AX-12,

Frames o partes de plástico para formar los robots, una

unidad USB2Dynamixel, Baterias Li-Po de 11.1 V @ 1100

mA, un Giroscopio de 2 ejes, Un control Remoto, Receptor

IR, módulo de comunicación zigbee, un medidor de

distancia y un sensor IR para detección de obstáculos. La

Fig. 2 muestra el Bioloid Premium Kit.

El CM-510 puede conectarse con los dynamixels en cadena

margarita (daisy chain) con una velocidad de 1 MBaudio,

cada motor en la cadena tiene un numero de ID único. La

unidad de control, tiene 6 puertos en E/S de propósito

general que pueden ser configurados como convertidores

análogo/digital, interface para zigbee ó receptor IR,

micrófono y buzzer integrados, y 5 conectores para cadenas

de dynamixels.

Los servomotores dynamixel AX-12 tienen reductores de

velocidad por engranes de plástico con un ratio de 1/254,

torque máximo de 15 Kg.cm y una velocidad de 59 rmp. En

[9], [10] se estudia el comportamiento de estos dispositivos a

fondo. Cabe mencionar que para nuestros propósitos se

adquirieron motores AX-18 que son compatibles físicamente

y lógicamente con los AX-12 pero que tienen un torque de

18 Kg.cm y una velocidad de 97 rpm.

El robot se programa mediante movimientos y

comportamientos, una vez programado se puede

interaccionar con el robot por medio del control remoto, de

los botones del CM-510. Los programas Task y Manager

sirven para estas dos tareas respectivamente.

Para controlar y monitorear el HumBioPrem en línea desde

una laptop o PC, se conecta el ordenador al CM-510 por

cable serial, con una velocidad de 57.6 KBaudios; Los

programas Manger y Terminal pueden interactuar con el

CM-510 o con los dynamixel de esta forma. Un quinto

programa: Dynamixel wizard, permite la interacción con los

dynamixels conectados en cadena margarita, sin pasar por el

CM-510 con un cable especial, en modo TTL y a una

velocidad de 1 MBaudio.

Los 5 programas mencionados forman parte de la suite

RoboPlus cuya ventana principal se muestra en la Fig, 2. A

continuación describiremos con un poco mas de detalle el

programa Motion y justificaremos la creación de un software

propio para la creación de movimientos, el cual se detalla en

la sección siguiente.

A. Robotis Motion

El programa Motion sirve para crear y editar archivos que

contienen la información que especifica el movimiento del

robot. Estos archivos tienen la extensión .mtn y pueden ser

abiertos (además de con el programa Motion) con un editor

de textos para ver su contenido.

Al inicio del archivo se especifica el número de motores

activos con que cuenta un robot dado; esto se hace por

medio de un conjunto de 25 valores. Para el caso del

HumBioPrem el archivo bio_prm_humanoidtypea_en.mtn

(movimientos programados de fabrica) especifica: enable=0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0,

lo que indica la presencia de servomotores

dynamixels con número de ID del 1 al 18. Es importante

notar que para otros robots que es posible armar con el kit se

contará con un número de motores diferente y que los

vectores compliance y pose (que se explican enseguida)

tienen 25 valores de los cuales solo se especifican los que

corresponden con un valor presente (1) especificado por el

enable.

La información que contiene enable puede expresarse

matemáticamente como:

{

Eq. 1

con { }.

Fig. 2. El Bioloid Premium kit ensamblado en configuración

humanoide. Es posible formar otros robots: araña, dinosaurio, perro,

escorpión etc.

Fig. 3. La suite RoboPlus tiene 5 programas: Task, Terminal,

Manager, Dynamixel Wizard, Motion; además de la ayuda.

El numero máximo de motores presentes en caso específico

de la lógica de programación del kit Bioloid es 25 y el vector

enable denotado por tiene 25 valores que indican si el

motor con la ID correspondiente al subíndice está conectado

a la unidad de control CM-510.

El movimiento de un robot se especifica mediante páginas,

que están delimitadas por las palabras page_begin y

page_end. El límite de páginas es de 255 y se numeran

consecutivamente a partir del 0. El archivo .mtn contiene las

255 páginas aunque pueden haber páginas vacías.

La página contiene campo name cuyo valor puede ser nulo o

una cadena de caracteres que especifique el nombre de la

página, un campo compliance que especifica la rigidez que

tendrá cada servomotor correspondiente al índice i (Eq. 1) y

que puede variar de 0 a 1024; un valor típico utilizado en los

movimientos pregrabados por el fabricante es 5. El campo

play_param especifica 5 parámetros del movimiento

contenido en la pagina. Estos 5 parámetros se especifican a

continuación:

Next: Un número (de 1 a 255) correspondiente a una

pagina existente dentro del mismo archivo y que será

reproducida enseguida de la página actual. En caso de que

este parámetro sea 0, el movimiento del robot se detiene al

finalizar la pagina en curso.

Exit: Este parámetro indica la página en la que finaliza el

movimiento al presionar stop. Si se está, por ejemplo

ejecutando una zancada (pagina k) y deseamos que

forzosamente el robot termine con los pies juntos, después

de la zancada se debe realizar una media zancada, el

parámetro exit indicará la página de salida del movimiento,

es decir la media zancada (pagina m), donde k y m son dos

números cualesquiera correspondientes a paginas distintas.

Repeat Time: Es el número de veces que se repite el

movimiento especificado en una página (valor [1] en la Eq.

2).

Speed rate: Indica la rapidez con la que el movimiento

descrito en una página será realizado (valor [1.5] en la Eq.2).

Inertial Force: Es un parámetro que no tiene importancia

significativa para la mayoría de las páginas.

El campo paso contiene de 1 a 7 vectores de 25 valores

que indican las posiciones deseadas de los motores (de 0 a

1024), y dos parámetros:

Pausa: Es el tiempo que durará la pose del robot, es decir

el tiempo que se mantendrá estático el robot una vez

alcanzadas las posiciones angulares de los motores (valor

[2.98] en la Eq 2).

Tiempo: El tiempo que tomará para que todos los motores

lleguen a la posición deseada (valor [2.98] en la Eq. 2).

Los valores de pausa y tiempo correspondiente a cada

vector presente en un paso se suman y junto con los

parámetros repeat time y speed rate permiten calcular el

tiempo real que lleva cada página es calculado de la forma

siguiente. Como ejemplo se tiene el siguiente cálculo que se

tomó de la página Bravo del archivo

bio_prm_humanoidtypea_en que provee ROBOTIS para el

movimiento del HumBioPrem

Real Time = (3.98sec / 1.5) x 1 = 0min 2.65sec Eq.2

Robotis, la empresa fabricante del kit de robótica Bioloid,

propone pues esta estructura de archivo para almacenar los

posibles movimientos del robot. Para generar estos archivos

se puede trabajar en línea con el robot real o solo con los

valores de los ángulos y una visualización 3d del prototipo

de robot adecuado (humanoide en este caso). El software

Motion tiene además un módulo de cinemática inversa (IK)

para manos y pies del robot. Desafortunadamente la

visualización del robot presenta siempre la cadera fija, no se

tiene acceso al algoritmo de IK y no se cuenta con una

interacción directa de cada extremidad del robot. Al diseñar

y programar un software propio de código abierto en Matlab

estas áreas de oportunidad son aprovechadas y se logra la

generación de conocimiento e innovación.

III. INTERACT

La interfaz que hemos diseñado cuenta con 6 paneles o

pestañas los cuales se describen en los párrafos siguientes.

Edit Robot: Esta es una pestaña que nos da la posibilidad de

cambiar los elementos de despliegue en realidad virtual del

modelo del robot.

Interact: En esta pestaña se puede interaccionar con cada

uno de los 25 motores del robot, fijando su posición deseada

y la velocidad con que el robot real (en caso de estar

conectado) alcanzará su consigna de posición angular. El

modelo virtual del robot realiza también estos movimientos.

IK: Como se muestra en la Fig. 4, en este panel se controlan

las articulaciones del HumBioPrem tanto en el espacio de

juntas así como en el espacio cartesiano.

Motion: Es una sección que condensará la programación que

presenta el programa Motion de ROBOTIS para la lectura y

edición de archivos .mtn.

Walk: Se dan los parámetros del caminado (omnidireccional)

para la marcha del robot humanoide que se está tratando.

Está basado en el software TrayArtBio que se describe en [].

Robot Terminal: Esta parte de nuestro modulo de interacción

con un Robot Humanoide (en este caso el HumBioPrem)

dará acceso a nivel de comandos al microcontrolador del

robot.

En la continuación de esta sección se describirán los tres

primeros paneles; que han sido ya programados y probados.

Fig. 5. Edit Robot permite customizar la apariencia del modelo

virtual del robot humanoide.

A. Edit Robot

La Fig. 5 muestra la visualización del panel Edit Robot del

programa Interact. Está basado en el manejo de un mundo

vrml por medio del lenguaje Matlab.

En la parte izquierda del panel (Transparency) se

seleccionan los elementos del robot y el grado de

transparencia de dichos elementos (entre 0 y 1). Gracias a

vrml es posible hacer desaparecer o aparecer ciertos

elementos del mundo virtual: Robot, la cabeza y el pecho, la

cadena cinemática, los ejes del motor, un marco ortogonal

asociado a cada articulación y a las extremidades, los marcos

de origen y los centros de masa (CoM’s). En la parte derecha

del panel (Color) es posible elegir el color de los mismos

elementos. La programación de este panel utiliza

básicamente los comandos de MatLab: uipanel,

uibuttongroup, además de uicontrol de estilo radiobutton,

slider y edit.

B. Interact

La Fig. 6 muestra la visualización del panel Interact. Este

panel contiene 8 botones y N sliders para manipular los

motores del robot en cuestión. Para el caso mostrado se trata

del HumBioPrem.

El botón [Connect Robot] establece el intercambio de

información entre el programa y el robot humanoide;

también habilita los botones: [Get Angles], [Set Angles],

[All motors on], [All motors off] así como los sliders de

velocidad para cada uno de los motores. Los botones [Go

0´s], [Go Vertical], [Go Home], sirven para enviar al robot

virtual y en su caso al robot real a ciertas posturas

especificas. Los límites articulares naturales (sin considerar

auto colisión) de los 18 motores aparecen en la Tabla I.

Tabla I.- Limites de las articulaciones del robot Bioloid Humanoide

Premium

Motor

ID

Min.

(°)

Max.

(°)

Motor

ID

Min.

(°)

Max.

(°)

01 -150 150 02 -150 150

03 -100 90 04 -90 100

05 -100 100 06 -100 100

07 -95 10 08 -10 95

09 -73 50 10 -50 73

11 -128 23 12 -23 128

13 -142 0 14 0 142

15 -23 49 16 -99 23

17 -54 74 18 -74 54

Para este panel se usaron las instrucciones de Matlab:

uipanel, y uicontrol de estilo pushbutton, togglebutton,

text, slider y edit.

IV. EL PANEL IK

La visualización del panel IK se muestra en la Fig. 7. La

idea principal es que el movimiento de las articulaciones del

robot en cuestión se realice no de forma individual sino de

forma coordinada; así pues la velocidad de los motores es la

misma para cada articulación de la misma extremidad.

Además la posición (y orientación para las piernas) en

espacio de trabajo pueden ser fijadas por el usuario. Nótense

los recuadros Brazo Derecho, Brazo Izquierdo, Pierna

Derecha y Pierna Izquierda.

La solución de la cinemática inversa de las piernas del

Bioloid está basada en [ (6)]. El recuadro Support permite la

operación del robot en doble soporte, o apoyado en uno de

sus pies ya sea el derecho o el izquierdo. Si ninguno de los

botones esta activo, la cadera se considera fija y es posible

desplazar los pies en posición y orientación (el recuadro

Hips de posición de la cadera no está activo).

Al activar cualquiera de los botones de Suport, los controles

del recuadro Hips se activan para poder desplazar la cadera.

En doble apoyo solo se puede desplazar la cadera, en apoyo

izquierdo se puede desplazar la cadera y el pie derecho y en

el caso de apoyo derecho se desplazaran la cadera y el pie

derecho.

En este sentido es necesario decir que las restricciones

holonómicas aplicadas a los robots humanoides -que

provocan que una o varias extremidades del robot se

encuentren fijas- son un tema de investigación aun de

actualidad. Más aún cuando se visualiza considerar un

modelo dinámico e híbrido que considere fases de apoyo a

pies planos, con giro sobre los bordes del pie, impactos y

fases aéreas.

Desde un punto de vista puramente algorítmico es suficiente

calcular la cinemática directa y en seguida la inversa para

colocar la cadera en un punto deseado considerando un pie

fijo en cierto plano de apoyo.

El panel de Symmetry es útil para realizar movimientos

simétricos de brazos y piernas, de esta forma es posible

hacer movimientos coordinados de brazos y piernas: ya sea

con ambas manos (pies) hacia adelante, una hacia adelante y

otra hacia atrás, una hacia la izquierda y la otra a la derecha

o ambas a la izquierda.

Para tener una visualización del robot, se realizó el

despliegue de la cadena cinemática del Bioloid en lenguaje

Matlab y se implementaron tres botones para cambiar el

punto de vista Lateral, en Perspectiva, Frontal o Superior.

La programación de este panel fue la más compleja y se

emplearon los comandos descritos en las otras secciones:

paneles, botoneras, sliders, plots, etc. Cabe mencionar que

toda la GUI fue realizada en código y no dibujada y

compilada.

Fig. 6. Interact permite interactuar con el robot virtual o real por

medio de la posición y la velocidad de cada uno de sus motores.

La interfaz se conecta al Robot a través del cable serial

colocando el CM-510 en Modo Toss, lo que significa que el

ATMEGA 2651 funcionara solo como buffer entre el

ordenador y los dynamixels [7].

A. Motion, Walk y Robot Terminal

Las pestañas Motion, Walk y Robot Terminal, están

actualmente desarrollándose. La primera servirá para

recuperar las poses editadas en IK y generar archivos .mtn

que puedan ser enviados directamente al robot Bioloid; la

segunda estará basada en TrayArtBio [11] y sera de utilidad

para parametrizar y posiblemente optimizar el caminado

omnidireccional del HumBioPrem y la tercera nos permitirá

una interacción a nivel código con el robot HumBioPrem.

V. EXPERIMENTOS

La Fig. 7 muestra la operación del Software Humanoid

Interact con un robot HumBioPrem. En [12] [13] está

disponible un video de la operación del software Humanoid

Interact.

En primer lugar se muestra la operación del panel Robot

Edit para cambiar la apariencia del robot en realidad virtual.

La parte de interact se utiliza para mover las articulaciones

del robot virtual y finalmente el panel de IK permite el

mover las extremidades del robot en el espacio de trabajo

tanto en posición (x, y, z) cartesiana como en orientación (r,

p, y) roll pitch yaw.

VI. CONCLUSIONES

Con el fin de participar en la RoboCup KidSize, se trabaja

con el kit de robótica de ROBOTIS Bioloid Premium. La

parte de locomoción requiere una comprensión profunda de

la estructura cinemática para llegar a tener caminados y

movimientos que sean rápidos y estables; esta será una de

las bases para una participación competitiva en RoboCup de

un equipo de futbol basado en el HumBioPrem. En este

sentido hemos realizado un software de interacción con el

robot HumBioPrem que permite mover cada una de sus

articulaciones y desplazar sus extremidades resolviendo la

cinemática inversa. En este artículo presentamos el software

Humanoid Interact y delineamos los paneles Motion, Walk y

Robot Terminal que se consideran trabajos a futuros y que

forman parte integral del software que estamos diseñando y

programando. Otro trabajo a futuro es la inclusión de más

robots humanoides. Los movimientos pueden ser

visualizados en un modelo en realidad virtual del robot y ser

trabajados en línea con el robot real.

REFERENCIAS

[1] The RoboCup Federation (2011). RoboCup. Robo Cup Main Page

[Online]. Available: http://www.robocup.org/. [2] Gouaillier, D., Hugel, V., Blazevic, P., Kilner, C., Monceaux, J.,

Lafourcade, P.. (2008). The NAO humanoid: a combination of

performance and affordability. submitted to IEEE Transactions on Robotics, currently at Computer Research Repository (CoRR).

[3] The RoboCup Federation. (2011). Humanoid League Rules and Set

Up. RoboCup Humaoid League. [Online]: http://www.tzi.de/humanoid/pub/Website/Downloads/HumanoidLeag

ueRules2011.pdf

[4] Robotis (2011). Bioloid. Robotis website. [Online]. http://www.robotis.com/xe/bioloid_en.

[5] Robosavvy (2011). KHR-3HV Humanoid Robot Kit. Robosavvy

online store. [Online] http://robosavvy.com/store/product_info.php/products_id/554.

Fig. 7. Pestaña de la cinemática inversa. Las cuatro extremidades pueden realizar un control en espacio de trabajo (coordenadas cartesianas) x, y, z

de manos y pies; las piernas tienen los grados de libertad suficientes para controlar también la orientación deseada (ángulos de Euler) r, p , y.

Fig. 6. Interact permite interactuar con el robot virtual o real por

medio de la posición y la velocidad de cada uno de sus motores.

[6] Pámanes, J. A., J. Nuñez, J. V. y Guzmán, J. A. (2009). Un nuevo

enfoque sobre la cinemática inversa de robots bípedos y su aplicación al robot bioloid. Memorias del 9° Congreso Iberoamericano de

Ingeniería Mecánica. ISBN 978-84-692-8516-9. Palma de mallorca,

España. [7] Nunez, V., Olvera, L. I. y A., Pámanes J. Estudio teórico y

experimental del equilibrio de la marcha del robot humanoide bioloid

(2009). Actas del XI Congreso Mexicano de Robótica. Celaya, México.

[8] Nunez, V., Olvera, L. y Pámanes, A.(2011). Simulation and

experimentation of walking of the bioloid humanoid robot. In Proceddings of the 13th World congress in mechanism and machine

science(IFToMM).Guanajuato México.

[9] Teodoro, P. (2007). Humanoid Robot, Development of a simulation environment of an entertainment humanoid robot. Master Thesis en el

Instituto Superior Tecnico de la Universidade Técnica de Lisboa.

[10] Mensink, Arno (2008). Characterization and modeling of a Dynamixel servo. Trabajo Individual de Investigación en el Electrical

Engineering Control Engineeringde la University of Twente.

[11] Olvera, Luis I., Nuñez, J. V. y Pámanes, J. A. (2009). Evaluación experimental de patrones de marcha cicloidales en el robot humanoide

bioloid. . Memorias del 9° Congreso Iberoamericano de Ingeniería

Mecánica (cibim9). Palma de mallorca, España. [12] Nuñez, J. V. (2011) . Humanoid Interact 01. Video ilustrativo de

investigación .Universidad Politecnica de Sinaloa. [Online].

http://www.youtube.com/watch?v=otZetkodHFo. [13] Nuñez, J. V. (2011) . Humanoid Interact 02. Video ilustrativo de

investigación .Universidad Politecnica de Sinaloa. [Online]. http://www.youtube.com/watch?v=lsm7_Ee9m4E