Zooides: Bloque de construcción para la Interfaz de usuario de Swarm

  1. Inria, 2. Universidad de Stanford, 3. Université Paris-Sud, 4. Université Paris-Saclay

Este documento presenta las interfaces de usuario de swarm, una nueva clase de interfaces hombre-ordenador compuesta por muchos robots autónomos que manejan tanto la visualización como la interacción. Describimos el diseño de Zooids, una plataforma de hardware abierto de código abierto para desarrollar interfaces de enjambre de sobremesa. La plataforma consta de una colección de micro robots con ruedas diseñados a medida, cada uno de 2,6 cm de diámetro, una estación base de radio, un proyector de luz estructurada DLP de alta velocidad para seguimiento óptico y un marco de software para el desarrollo y control de aplicaciones. Ilustramos el potencial de las interfaces de usuario de swarm de sobremesa a través de un conjunto de escenarios de aplicación desarrollados con Zooides, y discutimos consideraciones generales de diseño exclusivas de las interfaces de usuario de swarm.

Hardware

Los zooides son pequeños robots a medida como se muestra arriba; sus dimensiones son de 26 mm de diámetro, 21 mm de altura y pesan unos 12 g. Cada robot funciona con una batería LiPo de 100 mAh y utiliza ruedas impulsadas por motor. Contiene un elctrode flexible para la detección táctil capacitiva. Se comunica con el ordenador principal a través de un chip NRF24L01+.

Seguimiento

Nuestro sistema utiliza un sistema de seguimiento basado en proyector para el seguimiento de la posición del robot como se muestra a continuación. Usando un proyector de alta velocidad de fotogramas (3000 Hz) (DLP LightCrafter) de Texas Instruments Inc., una gran cantidad de patrones codificados en gris se proyectan sobre una superficie plana. Luego, los fotodiodos del robot se decodifican de forma independiente en una ubicación dentro del área proyectada. Las instrucciones para configurar este sistema de seguimiento basado en proyector se incluyen en el repositorio.

Software

La estructura de comunicación consta de cuatro capas principales del nivel más alto al más bajo: Aplicación, Simulación, Servidor y Hardware.

A nivel de aplicación, se calculan las posiciones deseadas de los robots. Estas posiciones deseadas se transmiten a la capa de simulación a través de un conector de red. El programador de aplicaciones puede elegir entre dos estrategias de control: Control de posición de Derivada Proporcional Integral (PID) o Obstáculos Híbridos de Velocidad Recíproca (HRVO) combinados con PID (estas opciones se explican en los párrafos siguientes). En función de la estrategia de control elegida, la capa de simulación calcula las posiciones de meta de los robots, ya sea posiciones finales para PID o puntos intermedios para HRVO, y las envía al servidor. Finalmente, la capa de servidor envía comandos a los zooids individuales, mientras que al mismo tiempo monitorea su estado y posición.

Cada robot controla su movimiento de forma independiente a través de un controlador PID basado en la máquina de estado que se muestra a continuación. Dado un objetivo final, el robot inicialmente se gira en la dirección correcta y, una vez alineado, acelera a su velocidad preferida definida por el usuario. Cuando alcanza la velocidad, la mantiene con un control PID en la orientación para asegurar su dirección hacia la meta final. Cuando se da un nuevo objetivo incremental, todavía se moverá a la misma velocidad, pero el control PID en la orientación dirigirá al robot hacia el nuevo objetivo intermedio. Cuando el robot llega a menos de 5 cm de la meta final, se ralentiza a su velocidad mínima y una vez dentro de 1 cm de la meta final, se detiene y se orienta según lo ordenado por el programador de aplicaciones. Para permitir transiciones suaves entre las posiciones de objetivo incrementales, los robots reciben su siguiente posición a 60 Hz.

Agradecimientos

Este es un trabajo conjunto entre la Forma de Laboratorio de la Universidad de Stanford (EEUU) y el equipo de Aviz en el Inria (Francia).Fue parcialmente financiado por la Région Ile de France, DIM ISC-PIF. También nos gustaría agradecer a Alexa Siu, Shenli Yuan, Ernesto Ramírez y Pham Minh Hieu por invertir tanto tiempo y esfuerzos para hacer posible este trabajo.

Papeles

  • Zooids: Bloques de construcción para Interfaces de usuario de Swarm
    Mathieu Le Goc, Lawrence H. Kim, Ali Parsaei, Jean-Daniel Fekete, Pierre Dragicevic,Sean Follmer
    16 Actas del 29º Simposio Anual sobre Software y Tecnología de Interfaz de Usuario, 2016

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