Análisis y diseño de una cabeza robótica para aplicaciones...

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Análisis y diseño de una cabeza robótica para aplicaciones interactivas hombre-robot. TITULACIÓN: Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial AUTOR: César Pérez Iglesias . DIRECTOR: Albert Oller Pujol FECHA: Junio / 2012.

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Análisis y diseño de una cabeza robótica para aplicaciones interactivas hombre-robot.

TITULACIÓN: Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial

AUTOR: César Pérez Iglesias .

DIRECTOR: Albert Oller Pujol

FECHA : Junio / 2012.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ÍNDICE

1

Agradecimientos:

Al Consorci Sociosanitari del Garraf por su colaboración en el proyecto.

A Albert Coma, porque a pesar de ser un desconocido para ti te reuniste conmigo y me explicaste todo lo que necesitaba saber. También a Arnau

Quiles, por gestionarme dicha reunión.

A m-BOT Solutions SL y a Albert Oller, por el esfuerzo y la dedicación al proyecto. Ha sido más fácil gracias a vosotros.

A mis amigos, por la paciencia y la compresión.

A mi hermana Mónica, por sus contactos, ayudas con los audios y demás colaboraciones propias de su especialidad. Valor incalculable.

A Laia, imprescindible para que este trabajo esté ahora acabado, a todos los niveles.

Y finalmente: “…Papá, ves cómo sí….”desconfiao”!?!?!?!...”

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ÍNDICE

2

Índice

Índice de códigos ................................................................................................................. 14

1. Introducción..................................................................................................................... 15

1.1 Como convertir a R2D2 en C3PO............................................................................ 15

1.2 Escenario de trabajo................................................................................................... 16

1.3 Horizonte de trabajo .................................................................................................. 17

1.4 Fases del proyecto ..................................................................................................... 19

2. Estudio Previo ................................................................................................................. 20

2.1 Estudio documental ................................................................................................... 20

2.2 Ideas básicas extraídas de la documentación............................................................. 23

2.2.1 Conceptos de base .............................................................................................. 23

2.2.2 Consideraciones generales de diseño ................................................................. 25

2.2.3 Expresividad ....................................................................................................... 26

2.2.4 Reconocimientos de voz..................................................................................... 27

2.2.5 Cámaras .............................................................................................................. 27

2.3 Cómo obtener la expresividad ................................................................................... 28

2.3.1 Squash and stretch .............................................................................................. 28

2.3.2 Esquemas para la decodificación de expresiones faciales.................................. 30

2.4 Comunicación Multimodal ........................................................................................ 37

2.4.1 Reguladores ........................................................................................................ 38

2.4.2 Muestras de estado ............................................................................................. 39

2.4.3 Ilustradores ......................................................................................................... 39

2.5 Interacción expresiva basada en emociones: la lógica emocional............................. 40

2.5.1 KISMET ............................................................................................................. 40

2.6 Visión general del diseño hardware: WE-4RII. ......................................................... 45

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ÍNDICE

3

2.6.1 Ojos y párpados .................................................................................................. 47

2.6.2 Cuello ................................................................................................................. 48

2.6.3 Tronco................................................................................................................. 48

2.6.4 Mecanismos de expresión facial......................................................................... 48

2.6.5 Sensores.............................................................................................................. 49

2.6.6 Expresiones emotivas ......................................................................................... 50

2.7 Estudio psicológico del diseño. ................................................................................. 53

2.7.1 Entrevista con psicólogos. .................................................................................. 54

2.7.2 Desarrollo de la reunión y conclusiones............................................................. 54

2.8 Búsqueda de experiencias.......................................................................................... 57

2.8.1 Puntos clave de la reunión con Albert Coma ..................................................... 58

3. Prediseño ......................................................................................................................... 60

3.1 Estructura................................................................................................................... 60

3.2 Generación de movimiento. Consideraciones generales de la parte electrónica....... 62

3.3 Composición general. Accionamiento mecánico ...................................................... 63

3.3.1 Movimiento de los ojos ...................................................................................... 64

3.3.2 Movimiento de las cejas ..................................................................................... 65

3.3.3 Movimiento de los párpados .............................................................................. 66

3.3.4 Movimiento del cuello........................................................................................ 67

3.3.5 Movimiento de la boca ....................................................................................... 69

3.4 Selección de los servos.............................................................................................. 71

3.4.1 Cálculos y consideraciones de la selección de servos. ....................................... 74

3.4.2 Tarjeta controladora de los servos. ..................................................................... 78

3.5 Superficie exterior de la cara ..................................................................................... 81

3.6 Uso general de materiales.......................................................................................... 81

4. Justificación de la solución adoptada .............................................................................. 83

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ÍNDICE

4

4.1 Cálculo estimativo de los pesos................................................................................. 83

4.2 Servomotores............................................................................................................. 83

4.3 Engranajes, coronas, cremalleras y demás sistemas mecánicos................................ 85

4.3.1 Engranajes cónicos. ............................................................................................ 85

4.3.2 Corona-cremallera actuación centro de la ceja...................................................87

4.4 Rodamientos .............................................................................................................. 87

4.4.1 Rodamiento en la parte baja del cuello............................................................... 88

4.4.2 Rodamiento para movimiento de inclinación del cuello. ................................... 89

4.5 Uso final en lo que respecta a materiales. ................................................................. 90

4.6 Tolerancias................................................................................................................. 90

4.7 Generación de expresiones. ....................................................................................... 91

4.8 Justificación de posibilidades de movimiento mediante Matlab 6.5 ®..................... 93

4.9 Solución adoptada del diseño. ................................................................................... 95

4.9.1 Cuello ................................................................................................................. 95

4.9.2 Boca.................................................................................................................... 96

4.9.3 Cejas ................................................................................................................... 97

4.9.4 Ojos y párpados .................................................................................................. 97

4.9.4 Conjunto. ............................................................................................................ 98

5. Planos. ........................................................................................................................... 101

5.1 Plano de conjunto total. ........................................................................................... 101

5.2 Plano de conjunto y partes del PAN-TILT.............................................................. 101

5.3 Plano de conjunto y partes de los ojos..................................................................... 101

5.4 Plano del conjunto y partes de las cejas. ................................................................. 101

5.5 Plano de conjunto y partes de la boca...................................................................... 101

5.6 Plano de accesorios.................................................................................................. 101

6. Presupuesto.................................................................................................................... 102

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ÍNDICE

5

6.1 Criterios de coste. .................................................................................................... 102

7. Condiciones de montaje................................................................................................. 105

7.1. Lubricación............................................................................................................. 105

7.2. Montaje de los ejes de los servomotores y análogos. ............................................. 105

7.3 Montaje sobre cabeza existente. .............................................................................. 105

7.4 Protección contra la corrosión de elementos de acero al carbón............................. 106

7.5 Acabados estéticos exteriores.................................................................................. 106

8. Conclusiones.................................................................................................................. 107

9. Anexos........................................................................................................................... 109

9.1 Grabación de la reunión con los psicólogos. ........................................................... 109

9.2 Proyectos y referentes de Albert Coma. .................................................................. 109

9.3 Información sobre MOLYKOTE® PG-65 Plastislip. ............................................. 109

9.4 Ficha técnica adhesivo PEKECHO MP06. ............................................................. 109

9.5 Ficha técnica adhesivo Araldite............................................................................... 109

9.6 Flyer ilustrativo de la misión de RoinBot................................................................ 109

9.7 Archivos de 3D en Pro/Engineer® Wildfire 4.0. .................................................... 109

9.8 Guión preguntas para los psicólogos. ...................................................................... 110

9.9 Bill of Materials con detalle de los pesos considerados elemento a elemento. ....... 114

9.10 Código aplicado en el cálculo con Matlab ® y resultados numéricos................... 119

9.11 Información útil para la programación de la tarjeta controladora. ........................ 121

9.11.1 Registros internos ........................................................................................... 121

9.11.2 Resumen de comandos ................................................................................... 121

9.11.3 SET_SERVO (0x01) ...................................................................................... 122

9.11.4 GET_SERVO (0x02)...................................................................................... 123

9.11.5 SET_SPEED (0x03) ....................................................................................... 123

9.11.6 SET_MODE (0X04)....................................................................................... 124

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ÍNDICE

6

9.11.7 GET_MODE (0x05) ....................................................................................... 124

9.11.8 SET_AD_CNT (0x06).................................................................................... 125

9.11.9 GET_AD_CNT (0x07)................................................................................... 126

9.11.10 GET_INPUT (0x08) ..................................................................................... 126

9.11.11 GET_ADC (0x09) ........................................................................................ 126

9.11.12 GET_VERSION (0x0A) .............................................................................. 127

9.11.13 GET_BULK (0x15)...................................................................................... 127

9.11.14 TEST (0x16)................................................................................................. 128

9.11.15 MODOS DE CANAL................................................................................... 128

9.11.16 CODIGOS DE ERROR................................................................................ 128

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ÍNDICE

7

Índice de Fotografías

Fotografía 1. C3PO y R2D2 respectivamente de izquierda a derecha. .............................. 15

Fotografía 2. Roinbot®. ..................................................................................................... 16

Fotografía 3. KISMET, un ejemplo de cabeza robótica..................................................... 17

Fotografía 4. Ejemplo de robot guía de museos. Versión con y sin carcasa...................... 18

Fotografía 5. Kismet es un ejemplo de cabeza robotizada humanoide para interacción social............................................................................................................................ 24

Fotografía 6. Kismet. Ejemplo de posicionamiento de sensores en la cabeza. .................. 24

Fotografía 7. “Chips the Dinosaur Hall Robot”. ................................................................ 25

Fotografía 8.Unidad Pan-Tilt SPT100 System................................................................... 26

Fotografía 9. Keepon. Ejemplo de la utilización del método de estiramiento y aplastamiento para transmitir, en este caso, el baile del robot. ................................... 28

Fotografía 10. Hadaly2....................................................................................................... 38

Fotografía 11. Robisuke y Robita respectivamente............................................................ 39

Fotografía 12. WE-4RII...................................................................................................... 46

Fotografía 13. Resultado de los sensores visuales. ............................................................ 49

Fotografía 14/15. Felicidad. ............................................................................................... 51

Fotografía 16/17. Miedo..................................................................................................... 51

Fotografía 18/19. Sorpresa. ................................................................................................ 51

Fotografía 20/21. Tristeza. ................................................................................................. 52

Fotografía 22/23. Enfado.................................................................................................... 52

Fotografía 24/25. Disgusto................................................................................................. 52

Fotografía 26/27. Neutral. .................................................................................................. 53

Fotografía 28/31. Otros patrones........................................................................................ 53

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ÍNDICE

8

En las fotografías desde la 14 a la 31 se pueden observar los diversos estados de ánimo que puede expresar el robot WE-4RII. ............................................................................... 53

Fotografía 32. Tarjetas controladoras de servos SD84. ..................................................... 79

Fotografía 33. Conexionado de los servos en la placa. ...................................................... 80

Fotografía 34. Muestra de esponja tipo..............................................................................81

Fotografía 35/36. Felicidad. ............................................................................................... 91

Fotografía 37/38. Miedo..................................................................................................... 91

Fotografía 39/40. Sorpresa. ................................................................................................ 91

Fotografía 41/42. Tristeza. ................................................................................................. 92

Fotografía 43/44. Enfado.................................................................................................... 92

Fotografía 45/46. Disgusto................................................................................................. 92

Fotografía 47/48. Neutral. .................................................................................................. 93

Fotografía 49. PAN-TILT. ................................................................................................. 96

Fotografía 50. Boca. ........................................................................................................... 96

Fotografía 51. Ceja............................................................................................................. 97

Fotografía 52. Ojos y párpados. ......................................................................................... 98

Fotografía 53/54. Visión lateral del conjunto total. ........................................................... 99

Fotografía 55. Conjunto final. Vista superior. ................................................................... 99

Fotografía 56. Conjunto final. Vista inferior.................................................................... 100

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ÍNDICE

9

Índice de Esquemas y Figuras.

Esquema 1. Representación iconográfica de una cara con varias expresiones. ................. 27

Esquema 2. Dibujo del método Squash and Stretch para conseguir reforzar la expresividad................................................................................................................. 29

Esquema 3. Reproducción de fonemas por el método Squash and Stretch....................... 29

Esquema 4. Representación esquemática de una pelota rebotando mediante el método Squash and Stretch. .....................................................................................................30

Esquema 5. Las medidas objetivo en línea con el modelo FACEM (Pilowsky, 1985)...... 37

Esquema 6. Posturas faciales de base de Kismet, que son interpoladas para generar multitud de expresiones............................................................................................... 42

Esquema 7. Un muestreo de expresiones faciales interpoladas. ........................................ 43

Esquema 8. La arquitectura cognitiva-afectiva de Kismet. Las cajas con esquinas redondeadas y grises indican los sistemas cognitivos responsables de la percepción, atención, impulsos, arbitrado de metas y ejecución. Las cajas blancas representan los procesos afectivos, incluyendo las evaluaciones afectivas, las respuestas emotivas básicas y el comportamiento motor expresivo. ........................................................... 44

Esquema 9. La implementación de la respuesta emotiva al miedo. ................................... 45

Esquema 10. Unidad Ojo del RE-W4II.............................................................................. 47

Esquema 11. Mecanismos de expresión facial. .................................................................. 49

Esquema 12. Mecanismo olfativo. ..................................................................................... 50

Esquema 13. Croquis a mano del prediseño de los ojos. Esquema básico de movimiento...................................................................................................................................... 64

Esquema 14. Croquis a mano del prediseño de los ojos. Forma de accionarlos y de sujetarlos...................................................................................................................... 65

Esquema 15. Croquis a mano del prediseño de las cejas. Las posiciones que tendría el elementos, así como la colocación de los servos......................................................... 66

Esquema 16. Croquis a mano del prediseño de los párpados............................................. 67

Esquema 17. Croquis a mano del prediseño del cuello. ..................................................... 68

Esquema 18. Croquis a mano del prediseño del total de la estructura. .............................. 69

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ÍNDICE

10

Esquema 20. Croquis a mano del prediseño de la boca. Sistema de actuación previsto inicialmente para la boca. ............................................................................................ 71

Esquema 21. Plano de los RX-64 de Dynamixel. ............................................................. 74

Esquema 22. Plano dimensiones Servo S3154................................................................... 77

Esquema 23. Plano dimensiones Servo S9254................................................................... 78

Esquema 24. Esquema de conexiones de la controladora. ................................................. 80

Esquema 25. Engranaje cónico y su aplicación al proyecto............................................... 86

Figura 1. Gráfico 3D de las diferentes posiciones que puede tomar el iris del ojo. ........... 93

Figura 2. Gráfico 3D de las diferentes posiciones de la boca en posición horizontal........ 94

Figura 3. Gráfico 2D de la posición central de la ceja. ...................................................... 95

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ÍNDICE

11

Índice de tablas

Tabla 1. Unidades de Acción para el fax y su imagen explicativa. .................................... 36

Tabla 2. Resumen de respuestas protosociales de KISMET. ............................................. 41

Tabla 3. Listado de reparto de los grados de libertad. ........................................................46

Tabla 4. Selección de modelos existentes más adecuados con sus adaptaciones............... 57

Tabla 5. Características técnicas de los RX-64 de Dynamixel.......................................... 73

Tabla 6. Descripción de las diferentes partes de la cara y sus características de diseño. ... 75

Tabla 7. Selección de los servos. ........................................................................................ 76

Tabla 8. Características del servo S3154............................................................................ 77

Tabla 9. Características del servo S9254............................................................................ 77

Tabla 10. Cálculo de pesos de los elementos ..................................................................... 83

Tabla 11. Tabla final de dimensionado de los servos en cuanto a velocidades.................. 84

Tabla 12. Tabla final de dimensionado de los servos en cuanto a par................................ 84

Tabla 13. Características del engranje seleccionado. ......................................................... 86

Tabla 14. Características corona y cremallera.................................................................... 87

Tabla 15. Coste total de los materiales a emplear. ........................................................... 104

Tabla 16. Coste final del producto.................................................................................... 104

Tabla 17. Densidad de los materiales en Kg/m3. .............................................................. 115

Tabla 18. Listado de partes del ensamblaje completo. ..................................................... 115

Tabla 19. Listado de partes del subensamblaje del PAN-TILT........................................ 116

Tabla 20. Listado de partes del subensamblaje de la boca. .............................................. 116

Tabla 21. Listado de partes del subensamblaje de un conjunto de potencia y transmisión de la boca........................................................................................................................ 116

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ÍNDICE

12

Tabla 22. Listado de partes del subensamblaje del otro conjunto de potencia y transmisión de la boca. .................................................................................................................. 116

Tabla 23. Listado de partes del subensamblaje de los ojos. ............................................. 117

Tabla 24. Listado de partes de un subensamblaje utilizado para modelar varias partes de los ojos....................................................................................................................... 117

Tabla 25. Listado de partes del subensamblaje de las cejas. ............................................ 118

Tabla 26. Listado de partes del subensamblaje de un conjunto de potencia y transmisión de las cejas...................................................................................................................... 118

Tabla 27. Listado de partes del subensamblaje del otro conjunto de potencia y transmisión de las cejas. ................................................................................................................ 118

Tabla 28. Resumen de comandos de la controladora SD-84............................................ 122

Tabla 29. Trama del comando SET_SERVO (0x01). ...................................................... 122

Tabla 30. Ejemplo de comando SET_SERVO (0x01). .................................................... 123

Tabla 31. Ejemplo del comando GET_SERVO (0x02). .................................................. 123

Tabla 32. Ejemplo del comando SET_SPEED (0x03). .................................................... 123

Tabla 34. Ejemplo 2 del comando SET_SPEED 0x03..................................................... 124

Tabla 34. Ejemplo del comando SET_MODE (0X04)..................................................... 124

Tabla 35. Ejemplo del comando GET_MODE (0x05)..................................................... 124

Tabla 36. Correspondencia cruzada entre canales analógicos y digitales. ....................... 125

Tabla 37. Ejemplo del comando SET_AD_CNT (0x06). ................................................ 125

Tabla 38. Ejemplo del comando GET_AD_CNT (0x07)................................................. 126

Tabla 39. Ejemplo del comando GET_INPUT (0x08)..................................................... 126

Tabla 40. Ejemplo del comando GET_ADC (0x09). ....................................................... 126

Tabla 41. Ejemplo del comando GET_VERSION (0x0A). ............................................. 127

Tabla 42. Ejemplo del comando GET_BULK (0x15)...................................................... 127

Tabla 43. Correspondencia entre los canales y los bits. ................................................... 127

Tabla 44. Ejemplo del comando TEST (0x16)................................................................. 128

Tabla 45. Modos disponibles para los canales.................................................................. 128

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ÍNDICE

13

Tabla 46. Códigos de error. .............................................................................................. 129

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ÍNDICE

14

Índice de códigos

Código 1. Programa de Matlab® para simulación de movimientos. ............................... 120

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INTRODUCCIÓN

15

1. Introducción

1.1 Como convertir a R2D2 en C3PO Para quien sea aficionado a la saga Star Wars ®, yo no lo soy especialmente, la introducción casi termina aquí.

Paro los que no lo somos, conviene recordar quien es R2D2 y quien es C3PO. Para más datos adjunto esta fotografía:

Fotografía 1. C3PO y R2D2 respectivamente de izquierda a derecha.

R2D2 para los profanos es un robot con una forma exterior particular. No es parecido a un animal, a un objeto determinado o a una persona. Con capacidad para moverse de manera más o menos ágil. Finalmente, que puede comunicarse a través de sonidos a diferentes frecuencias, una especie de foco que cambia de color en su parte superior y ciertos movimientos. C3PO, por el contrario, es un robot con forma asimilable a una humana. Se mueve también de manera similar a la humana pero de forma un tanto patosa. Por otro lado, se comunica mediante gestos y, lo más importante, mediante palabras de un determinado idioma.

A nivel de ejemplo, supondremos por un momento que queremos, a través de uno de estos robots, transmitir una determinada información a una persona. Dejamos de lado inicialmente detalles como el tipo de persona y el tipo de información, es decir, una persona muy expresiva puede gesticular exageradamente; una médico que transmite una defunción a familiares debe cambiar el gesto y hacerlo de una manera determinada. No buscaremos ese tipo de casos, y nos centraremos en un tipo de comunicación básica, solamente mostrar emociones básicas (aburrimiento, tristeza, alegría…etc) y transmisión verbal. Entonces: para R2D2 será casi imposible comunicarse. Como paso previo, el interlocutor del robot tendría que entender:

1. Que se trata de un robot con una intencionalidad comunicativa.

2. Que es capaz de comunicarse.

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INTRODUCCIÓN

16

3. Que sus movimientos, luces, y sonidos no son arbitrarios.

4. Que se está intentando comunicar.

5. Que significan dichos sonidos y luces (cosa casi imposible a corto plazo).

Al mismo tiempo, para C3PO será mucho más fácil la comunicación dado que todos los puntos indicados anteriormente son deducibles por su interlocutor al instante. Un “artefacto” que “habla” puede explicar muchas cosas y si además consideramos los gestos también como información no verbal las posibilidades son infinitamente superiores a las del sistema anterior. Eso dejando de lado, que la fisonomía del robot permite un acercamiento más fácil al interlocutor por el simple hecho que se parece más a un humano.

Por lo que la conclusión inmediata es que es más fácil la transmisión de la información con uno que con otro. O lo que es lo mismo, el intercambio de información es más eficiente. La comunicación llegaría, por tanto, más rápido y de manera más exacta a un espectador utilizando para comunicarla un C3PO. Ya se oía decir en la película que esta era una versión más novedosa.

Finalmente, en este PFC se busca realizar toda una serie de modificaciones en un robot existente y diseñado por m-BOT Solutions SL. La finalidad de estas modificaciones será la de ampliar la “comunicabilidad” del robot con aplicación en diversos campos: el de la medicina, el de la cultura, el comercial…etc.

1.2 Escenario de trabajo Llegados a este punto, sentaremos las bases de nuestro escenario de trabajo.

Disponemos de un robot prototipado y en base de explotación inicial comercial: Roinbot®. Diseñado y fabricado por m-Bot Solutions SL.

Fotografía 2. Roinbot®.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

INTRODUCCIÓN

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La sede de esta empresa se sitúa en la planta piloto que la Universitat Rovira i Virgili tiene en el Campus Sescelades (Sant Pere i Sant Pau), de Tarragona. Aunque los órganos de gobierno de esta empresa son independientes de la universidad, esta empresa está formada por capital de la misma URV, además del de varios profesores.

En propias palabras de sus creadores, Roinbot® es un robot autónomo móvil para eventos públicos, como puedan ser ferias, museos, congresos y que puede desarrollar tareas relacionadas con el marketing, como son las de hacer encuestas. Como se puede ver en la Fotografía 2, tiene forma de atril, que incorpora una pantalla táctil y que realiza movimientos autónomos.

Establecido el punto de partida, señalaremos seguidamente el horizonte de trabajo, o lo que es lo mismo, hasta donde se quiere llegar. Se considerarán estas bases como objetivo del presente PFC.

1.3 Horizonte de trabajo El trabajo consiste en añadir una cabeza robotizada al equipo anteriormente descrito, de tal manera que se consigan las siguientes premisas de funcionalidad:

• Aumentar la comunicabilidad del sistema. Permitir, de esta manera:

o Transmitir más información al usuario.

o Hacer la comunicación en menos tiempo.

o Una mayor efectividad, confiriendo una mayor permeabilidad al usuario, de tal manera que la retención de información del mismo sea mayor. La información que “atraviesa el canal y fructifera” en el publico espectador debe ser superior.

Fotografía 3. KISMET, un ejemplo de cabeza robótica.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

INTRODUCCIÓN

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• Ampliar las posibilidades del equipo propiciando su uso en labores médicas. Sirva como ejemplo el tratamiento de enfermedades mentales degenerativas.

• Conseguir un diseño de cabeza lo más justificado posible en lo que se refiere a todos sus parámetros. Dado que en un diseño de este tipo, entran en juego criterios que no siempre tienen que ver con la funcionalidad del equipo, conviene tener claros los criterios a seguir cuando no se trate de una solución encontrada mediante la ingeniería exclusivamente.

Los puntos anteriores se podrían resumir en uno:

• Preparar el equipo final para que pueda comunicar y coordinar un comportamiento basado en tres modalidades fundamentales:

� Verbal

� No Verbal

� Afectiva.

En la fotografía 3 se puede ver un ejemplo de diseño de cabeza robotizada. En la fotografía 4 se puede observar la versión sin carcasa y con ella de un robot que realiza las funciones de guía de un determinado museo alemán. Esta sería una de las funciones que debería poder hacer de manera mejorada nuestro equipo una vez finalizados los cambios.

Fotografía 4. Ejemplo de robot guía de museos. Versión con y sin carcasa.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

INTRODUCCIÓN

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No es objetivo de este proyecto el diseño estético de la cabeza robótica, más allá de las premisas técnicas que puedan permitir su posterior estudio. Es decir, el proyecto no se basará en la parte externa del robot, el acabado final. Si que tendrá en cuenta los parámetros técnicos necesarios para no coartar este proyecto final. Se preparará el diseño para no limitar la solución estética final por la parte técnica, pero no se definirá la estética.

Tampoco es objetivo de este proyecto el incorporar sensores que permitan recibir información en uno u otro formato por parte del interlocutor-persona. En todo caso, el robot puede llegar a preveer futuras incorporaciones de estos elementos.

Como añadido, el criterio de base será que el diseño debe poder ser construido y explotado en las mismas condiciones de trabajo de proyectos que lleva a cabo actualmente m-Bot Solutions SL. Es decir, debe ser útil para ellos.

1.4 Fases del proyecto Para llevara cabo este proyecto se trabajará en el siguiente orden:

1. Introducción. Ya se ha llevado a cabo en este mismo apartado.

2. Estudio Previo. Documentación sobre productos existentes, recogida de información a través de personas en los diferentes ámbitos de aplicación…etc. Es decir, estudio teórico.

3. Prediseño. En este apartado, a partir de la información del apartado anterior haremos una propuesta de diseño. En este sentido, deberá seguir una cierta lógica y coherencia.

4. Diseño. En este apartado justificaremos técnicamente la solución adoptada.

5. Planos. Se incorporan a este proyecto planos del diseño que permitan un montaje completo del mecanismo y una comprensión, también completa, del mismo. Para ello se utilizará el programa Pro/ENGINEER WILDFIRE 4.0. Este es un entorno que nos permitirá diseñar comprobando las interferencias mecánicas entre piezas, poder hacer un pequeño video demostrativo que permita ver previamente la comunicabilidad del elemento y nos facilitará la posterior fabricación y montaje de sus partes.

6. Presupuesto. Se valorará la fabricación del robot con la condición de que sea viable localmente y que cuadre con el modelo de negocio de m-Bot Solutions SL. Es decir, sea útil para ellos.

7. Condiciones de montaje. Se dará información añadida sobre el montaje de los elementos. Esta información servirá para ampliar información de los apartados anteriores.

8. Conclusiones. Finalmente se indicarán las conclusiones.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ESTUDIO PREVIO

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2. Estudio Previo En esta sección intentaremos documentarnos de diversas maneras para obtener un conjunto de criterios generales de diseño como base para la fabricación de la cabeza.

Los fundamentos de las decisiones tomadas en este apartado serán multidisciplinares. No serán de momento de tipo técnico.

El guión seguido en esta fase del proyecto será el siguiente:

1. Estudio documental: Realizaremos una búsqueda documental a través de diversas fuentes y soportes: bibliotecas, Internet, contactos relativos a esta temática…etc.

2. Estudio psicológico: Buscaremos los criterios en esta temática para tener en cuenta este punto de vista a la hora de sentar las bases del diseño.

3. Estudio práctico experimental: Realizaremos contactos con profesionales o amateur en ejercicio que realicen o hayan realizado trabajos que tenga que ver con la representación de emociones de manera artificial. Este punto de vista también se ha considerado interesante dado que sirve como complemento a la parte de ingeniería. Bajo el punto de vista del que suscribe, la práctica es una de las carencias más importantes que presentan los profesionales que se dedican a la ingeniería al comienzo de su experiencia laboral o al cambiar de trabajo.

2.1 Estudio documental El estudio documental se ha realizado en varios ámbitos. En este apartado se relacionan de manera no exhaustiva la mayoría de los soportes consultados. En algunos casos han sido de poca utilidad y en otros todo lo contrario. Los más importantes aparecen remarcados.

Revistas:

[1] IEEE ROBOTICS & AUTOMATION MAGACINE (ISSN: 1070-9932.)

[2] ROBOTICS WORLD (ISSN: 0737-7908)

Libros:

[3] Angulo Usategui, José María. Robótica práctica: Tecnología y Aplicaciones.

Madrid : Paraninfo, cop. 2000 (ISBN:8428322392)

[4] Asimov, Isaac. EL ROBOT COMPLETO. Edhasa, 2009. (ISBN: 9788435018364)

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ESTUDIO PREVIO

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[5] Conrad, James M; W. Mills, Jonathan. Stiquito : advanced experiments with a simple and inexpensive robot. Los Alamitos, CA : IEEE Computer Society Press, 1997. (ISBN:0818674083)

[6] Christensen, H. I.; Bowyer, K. W.; Bunke, H. ACTIVE ROBOT VISION: CAMERA HEADS, MODEL BASED NAVIGATION AND REACTIVE CONTROL. Singapore [etc.] : World Scientific, cop. 1993 (ISBN: 9810213212)♦

[7] Fellous, Jean-Marc; Arbib, Michael A.. WHO NEEDS EMOTIONS? : THE BRAIN MEETS THE ROBOT. Oxford; New York : Oxford University Press, cop. 2005 (ISBN:0195166191) ♦

[8] Hoshizaki, Jon; Bopp, Emily. ROBOT APPLICATIONS DESIGN MANUAL. New York [etc.] : John Wiley & Sons, cop. 1990. (ISBN:0471506915)

[9] Institution of Engineering and Technology. FLEXIBLE ROBOT MANIPULATORS : MODELLING, SIMULATION AND CONTROL. Editado por M.O. Tokhi y A.K.M. Azad, 2008. (ISBN: 9780863414480).

[10] Mann, Steve. INTELLIGENT IMAGE PROCESSING. New York : Wiley : IEEE, cop. 2002. (ISBN: 0471406376)

[11] Manssur, Rachid. ROBOT MODELING AND KINEMATICS. Boston, Mass. : Da Vinci Engineering Press,, cop. 2006. (ISBN: 9781584508519)

[12] McComb, Gordon. THE ROBOT BUILDER'S BONANZA : 99 INEXPENSIVE ROBOTICS PROJECTS. New York [etc.] : TAB Books, cop. 1987 (ISBN: 0830628002 (pbk.) 0830608001 (hbk.))

[13] Moravec, Hans. MIND CHILDREN : THE FUTURE OF ROBOT AND HUMAN INTELLIGENCE. Cambridge (Mass.); London : Harvard University Press, 1988 (ISBN:0674576187)

[14] Siciliano, Bruno; Khatib, Oussama. SPRINGER HANDBOOK OF ROBOTICS. Berlin : Springer, cop. 2008 (ISBN: 9783540239574) ♦

[15] Voss, Wilfried. A COMPREHENSIBLE GUIDE TO SERVO MOTOR SIZING. Copperhill Technologies Corporation. (ISBN: 978-0-9765116-1-8) ♦

♦ Documentos destacables.

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ESTUDIO PREVIO

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Proyectos Finales de Carrera:

[16] PFC-186 CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT Y ACCESORIOS. Autor Azcona Torres, Julio. Ponent: Joaquim Cruz Pérez. Publicació Tarragona : Universitat Rovira i Virgili. Escola Tècnica Superior d'Enginyeria, 1990.

[17] DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA EL ESTUDIO DE PROCESOS DE INTERACCIÓN CON PERSONAS. Enrique Paz Domonte, Javier Pérez Castro, Joaquín López Fernández, Rafael Sanz Domínguez. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Vigo. Extracto para las XXV Jornadas de Automática de Ciudad Real de 2004. ♦♦♦♦

CD:

[18] SPRINGER HANDBOOK OF ROBOTICS. Autor: Bruno Siciliano, Oussama Khatib (eds.) Publicación: Berlin : Springer, cop. 2008 (ISBN: 9783540239574) ♦♦♦♦

WWW:

Robots

http://www.geckosystems.com/

http://aldibuju.wordpress.com/robotica-in-progress/

Servos

http://www.servocity.com/

http://www.lynxmotion.com/Product.aspx?productID=395&CategoryID=52

Animación

http://farm3.static.flickr.com/2074/2389444869_d0f16fd9a6.jpg

http://www.animationarchive.org/2006/05/meta-100000-animation-drawing-course_15.html

♦ Documentos destacables.

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http://www.donbluth.com/acdmy/dilog.html

Ejemplos de robots

http://www.takanishi.mech.waseda.ac.jp/top/research/we/we-4rII/index.htm#top_navigation

Sensórica:

http://infusionsystems.com/catalog/product_info.php/products_id/72

http://www.tekscan.com/

Materiales:

http://www.durplastics.com/home.htm

http://www.plasticosferplast.com

2.2 Ideas básicas extraídas de la documentación Seguidamente pasamos a describir las ideas fundamentales extraídas de la búsqueda documental.

2.2.1 Conceptos de base

• La interacción hombre-robot es más fácil cuando el hombre puede conocer de alguna manera el estado interno del robot, y esto se puede conseguir mediante las expresiones de una cara que se asemeje a una humana. Además, hay factores psicológicos, que influyen en que las personas tengamos mejor predisposición a interactuar con agentes que tienen caras humanas. En la fotografía 5 se puede ver el aspecto exterior del robot KISMET, que está específicamente diseñado para ello.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

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Fotografía 5. Kismet es un ejemplo de cabeza robotizada humanoide para interacción social.

Fotografía 6. Kismet. Ejemplo de posicionamiento de sensores en la cabeza.

• Una cabeza robotizada tiene 2 funciones principales:

o Orientar los sensores direccionales según necesidades para propósitos de percepción. Mientras, se permite la libertad del cuerpo para cumplir como otras restricciones, como pueda ser mantener el equilibrio. Entre otros sensores se podrían considerar los micrófonos y las cámaras. Ver fotografía 6 para ejemplo reflejado sobre KISMET.

o Generar expresiones propias del lenguaje no verbal, conjuntamente con el resto del cuerpo.

• Según diversos estudios a partir de la implantación del robot CHIPS1 (ver fotografía 7) se puede incrementar en más de un 50% el ratio de aprendizaje

1 Desarrollado por la universidad de Carnegie Mellon.

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fructífero, cuando los visitantes de un museo son guiados a través de las diferentes partes exhibidas.

Fotografía 7. “Chips the Dinosaur Hall Robot”.

2.2.2 Consideraciones generales de diseño

• El diseño de una cara debe ser tal que la expresión facial del robot sea fácilmente interpretable por las personas. Por otro lado, no debe imitar a la perfección una cara humana. Sino que debe dejar bien claro que es un robot, ya que si fuese una reproducción fiel de una cara humana esto produciría falsas expectativas. Al no satisfacerse las expectativas creadas inicialmente el usuario se sentiría probablemente defraudado.

• Desde el punto de vista de un espectador, un robot humanoide hace pensar que tiene las mismas facultades que una persona normal. De la misma manera un robot que puede “hablar” se sobreentiende que debería poder seguir una conversación. Estos son dos factores a tener en cuenta para no crear falsas expectativas.

• El robot debe tener aspecto atractivo de modo que acerque a las personas a interactuar con él de forma natural.

• El robot debe tener capacidad sensorial y motriz y la potencia de cálculo suficiente para un comportamiento natural al interactuar con personas. Un retardo, incluso de un segundo, puede ser demasiado para el sistema. Por ejemplo, si un cliente pulsa un botón y pasa demasiado tiempo sin ninguna reacción, esto puede generar una reacción inapropiada en el espectador, como martillear el mismo. Este concepto también está sujeto a cuestiones culturales.

• Las partes que parecen frágiles tienden a ser respetadas por el espectador, mientras que las que aparentan ser robustas tienden a ser castigadas por el mismo, con lo que

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deben ser lo suficientemente resistentes. En el caso de las frágiles tendríamos los ojos. En el caso de las duras tendríamos los parachoques. En nuestro caso puntual, la mayoría tendrán consideración de fragilidad, dado que todas pertenecerán a la cabeza.

• Algunos diseños utilizan una unidad Pan-Tilt para hacer las funciones de cuello. Este elemento “Recorrido-Inclinación”, consta de dos servos cuyos ejes trabajan a 90 º. Ver fotografía 8.

2.2.3 Expresividad

• Hay dos maneras básicas de poder dotar de cara a un robot. La primera sería a través de una pantalla incorporada al mismo. La segunda se basa en formar físicamente la misma. Las ventajas y desventajas de una y otra son claras. Los humanos asumimos que los objetos móviles deben tener una solución para su movimiento que implique inteligencia. Por otro lado, una pantalla puede ser fruto de una secuencia pregrabada. Una solución tridimensional puede verse desde muchos ángulos, permitiendo a la gente verla sin estar parado delante de ella.

• Una solución posible consiste en representar iconográficamente una cara. El añadir detalles complementarios, que no proporcionen significado añadido pueden encarecer el conjunto y no aportar apenas expresividad. Estos deberían ser desechados. Ver esquema 1.

• En paralelo a la observación anterior, conviene indicar que aspectos como el que el robot pueda reproducir palabras y el que pueda entender diversos comandos simples puede ser también interesante para la interacción, eso sin contar con la propia expresividad no verbal.

Fotografía 8.Unidad Pan-Tilt SPT100 System.

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Esquema 1. Representación iconográfica de una cara con varias expresiones.

2.2.4 Reconocimientos de voz.

• El uso de micrófonos incrustados en el robot es problemático. La razón es que los programas de reconocimiento de voz de propósito general están optimizados para reconocer la pronunciación recogida por micrófonos cercanos al interlocutor. Por esa razón se están investigando nuevos métodos (según bibliografía de 2008). Estas investigaciones van encaminadas a compensar cada fuente indeseable de sonido, tal y como puede ser el sonido de los motores o el viento ambiental. Para ello se utiliza al mismo tiempo varios micrófonos a la vez.

• Propiedades de la voz, como por ejemplo, diferenciar entre la voz de un adulto y de un niño, o la de una persona susurrando, o gritando, han podido ser reconocidas a través de un modelo mixto de Gauss de máxima probabilidad de estimación. En este sentido, las señales son multimodales, dado que, a parte de incorporar información sobre palabras, también aportan datos sobre la edad e información sobre el contexto. Los diferentes modos en este caso serían: palabras, edad y tono de voz.

• Las ambigüedades más importantes, como puedan ser palabras cuya pronunciación fonética sea muy similar, pueden ser resueltas a través del reconocimiento gestual del interlocutor.

2.2.5 Cámaras

• La incorporación de una o varias cámaras al diseño puede suponer un gran aumento de las posibilidades del equipo. Con la ayuda de las cámaras se podría:

o Calcular distancias de posicionamiento o hasta dimensiones de objetos.

o Mediante visión artificial poder recibir información del exterior, como por ejemplo, información no verbal del usuario.

o Realizar tareas de vigilancia o cuidados a distancia.

o Realizar movimientos coordinados en el espacio tiempo, como atrapar elementos en movimiento.

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• En muchos de los diseños actuales de robots, los sistemas de visión están inspirados en los seres vivos. Es decir, se suelen utilizar dos cámaras por “ojos”. Por una de las cámaras se obtiene la visión localizada y por la otra la periférica, propias ambas de la vista humana entre otras. La localizada correspondería al enfoque de un objeto concreto, por ejemplo. La periférica sería la capacidad añadida de visión alrededor del objeto manteniendo el enfoque.

• Se realizan dos movimientos fundamentales en los sistemas de cámaras:

o Saccades. Movimientos de alta velocidad para fijar un nuevo objetivo o alcanzarlo con un movimiento rápido. Desde un punto controlado de visión, estos movimientos son balísticos (como mínimo en los humanos). Una vez iniciados, continúan sin responder a cambios del estímulo.

o Seguimiento lento. Estos son movimientos continuos de seguimiento de objetos en movimiento. Se realizan a bajas velocidades. Estos movimientos responden continuamente a los cambios de posición del objetivo. Un objetivo que se mueve a alta velocidad puede también disparar pequeños saccades.

2.3 Cómo obtener la expresividad

2.3.1 Squash and stretch

Este es un principio básico de la animación que fue muy utilizado en los años 20 para animación de dibujos animados. El efecto de aplastamiento y estiramiento permite dar información añadida a la persona que está viendo la imagen. Cuando se trata de objetos se puede informar de las características físicas de los mismos, como la flexibilidad de una pelota. Cuando se trata de personas, animales y demás se consigue un efecto de refuerzo de la información no verbal. Incluso se puede llegar a hacer hablar al individuo mediante esta técnica. En la fotografía 9 se puede ver un ejemplo de la escenificación del baile de un robot mediante esta técnica.

Fotografía 9. Keepon. Ejemplo de la utilización del método de estiramiento y aplastamiento para transmitir, en este caso, el baile del robot.

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Esquema 2. Dibujo del método Squash and Stretch para conseguir reforzar la expresividad.

Esquema 3. Reproducción de fonemas por el método Squash and Stretch.

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ESTUDIO PREVIO

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Esquema 4. Representación esquemática de una pelota rebotando mediante el método Squash and Stretch.

2.3.2 Esquemas para la decodificación de expresiones faciales.

Cada vez se han ido desarrollando sistemas más sofisticados para descomponer las expresiones faciales en componentes. Es importante destacar el sistema FACS (Facial Action Coding System), enunciado por Ekman y Friesen en 1978, identifica la actividad de los músculos de la cara en términos de Unidades de Acción (AU). Hasta ahora no ha habido consenso en como tales componentes trabajan juntos. Un componente facial único raramente se limita a definir una impresión completa pero puede aparecer en un rango de expresiones.

AU Descripción Imagen Ejemplo

1 Subida interior de la frente.

2 Subida exterior de la frente.

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ESTUDIO PREVIO

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4 Bajada de la frente.

5 Subida de párpado superior.

6 Subida de mejilla

7 Ajustado de párpado

9 Arrugado de nariz

10 Subida labio superior.

11 Profundización nasolabial.

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ESTUDIO PREVIO

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12 Tirón de las esquinas labiales.

13 Inflado de mejilla.

14 Hoyuelos.

15 Rebajado de las esquinas labiales.

16 Rebajado del labio inferior.

17 Subida de la barbilla.

18 Fruncido del labio

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ESTUDIO PREVIO

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20 Ensanchado de labio.

22 Labios acanalados

23 Ajustado de los labios.

24 Apretado de los labios.

25 Labios entreabiertos.

26 Caída de la mandíbula

27 Extensión de la boca

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ESTUDIO PREVIO

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28 Succión del labio

41 Caída del párpado.

42 Resquicio

43 Ojos Cerrados

44 Estravismo

45 Parpadeo

46 Guiño

51 Giro de la cabeza a la izquierda

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ESTUDIO PREVIO

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52 Giro de la cabeza a la derecha

53 Cabeza hacia arriba

54 Cabeza hacia abajo

55 Cabeza inclinada a la izquiera

56 Cabeza inclinada a la derecha

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ESTUDIO PREVIO

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57 Cabeza hacia delante

58 Cabeza hacia atrás

61 Ojos giran a la izquierda.

Tabla 1. Unidades de Acción para el fax y su imagen explicativa.

Posteriormente al enunciado del sistema FACS, Ekman y Friesen intentaron complementar el mismo con una alternativa que permitiera más rapidez en la interpretación de acciones faciales relacionadas con emociones. Lo llamaron EMFACS, Facial Action Coding System Expresión Measurement. EMFACS considera solo expresiones emocionales y, sobre estas, solo AUs y combinaciones de AUs que son mejor defendidos por hallazgos científicos y teoría como señales emocionales. EMFACS es realmente un sistema de codificación teórico.

EMFACS se basa en la FACS y requiere el conocimiento y la capacidad de identificar a) Las unidades de acción participantes en cada movimiento facial, b) la intensidad de las unidades de acción y c) el grado de asimetría. Las unidades de acción que no afectan a la interpretación de la emoción no son tenidas en cuenta.

La puntuación se realiza sin la ayuda de ver el movimiento más lento y la ubicación de una expresión se simplifica al requerir un solo punto de ubicación cerca del comienzo del evento. La fiabilidad de este método es del orden de un 80 %.

Este método reduce a una décima parte el tiempo requerido para la evaluación. Por otro lado, no es tan exhaustivo como el FACS y es recomendado para estudios de mezclas.

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ESTUDIO PREVIO

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Esquema 5. Las medidas objetivo en línea con el modelo FACEM (Pilowsky, 1985)

La manera de poner en la práctica el modelo FACEM es a través de las medidas del esquema 5. Según este método teórico, haciendo unas determinadas relaciones de proporcionalidad entre estas medidas se pueden comparar la totalidad de los individuos. Como es lógico las dimensiones dependerán del tamaño de la cabeza de cada uno y de la distribución de los órganos. Se encuentran las relaciones de proporcionalidad y se puede llegar a extraer la información emocional.

Es importante conocer el método por el cual se decodifican las expresiones faciales humanas, dado que el robot debe poder ser decodificado también. Si soy capaz de decodificar una impresión de una cara robótica entonces es que esa cara tiene una expresividad similar a la humana. Por otro lado, no entra dentro del ámbito de este PFC el describir por completo el método. Sí el justificar lo más objetivamente posible, los elementos, por ejemplo, que incorporará en la cara el robot.

2.4 Comunicación Multimodal La habilidad de conversar con naturalidad es una característica importante para los robots sociales. En conversaciones humanas naturales, sin embargo, las personas enviamos y recibimos información no verbal para suplementar la información lingüística. Estas señales paralingüísticas permiten facilitar y regular la comunicación entre individuos.

Los roles más representativos de este tipo de información (la paralingüística) son los que siguen:

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1. Reguladores: expresiones tales como gestos, poses y vocalizaciones que son usadas para regular y controlar los turnos de palabra.

2. Muestra de estado: señales del estado interno incluyendo afectividad, cognitividad, o estados conversacionales que mejoran la transparencia de la interfase.

3. Ilustradores: gestos que suplementan información para la pronunciación. Esto incluye gestos puntuales, iconos gestuales…etc

En muchos casos, la misma información paralingüística puede ser transportada a través de métodos auditivos y visuales. Sin embargo, las características de estos canales tienen diferentes propiedades. El sonido tiene como punto fuerte el que atrae la atención instantáneamente. Puede ser utilizado efectivamente para interrumpir pero puede ser irritante y molesto. Por eso su uso no puede ser prolongado. Por otro lado, las señales visuales son silenciosas y se pueden utilizar continuamente. La solución más óptima es la combinar estos dos canales, en función del caso, para conseguir la mayor eficiencia posible.

2.4.1 Reguladores

Los humanos tendemos, en general, a establecer contacto visual y a elevar nuestras cejas para acabar un turno de palabra. De la misma manera, rompemos el contacto visual y parpadeamos al comenzar nuestro turno de palabra.

Hadaly2 (ver fotografía 10) fue el primer robot en usar el contacto visual mutuo para regular una conversación. Para ello usaba un sistema de reconocimiento facial y así determinaba cuando el humano estaba mirándolo. Este mismo robot expresaba su disposición a empezar su turno de palabra parpadeando. Otros ejemplos de equipos con similares características son Kismet y Leonardo (MIT Media Lab).

Fotografía 10. Hadaly2.

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2.4.2 Muestras de estado

Un tipo muy característico de muestra de estado es el asentir mientras se escucha una conversación. Da muestras a la persona que habla de que la información está llegando al receptor convenientemente. El tiempo de respuesta para estas señales es muy importante para que puedan asociarse al contenido que interesa. El robot Robisuke (fotografía 10) emplea un transductor de tecnología de estados finitos para llegar a una rápida respuesta a la señal de discurso. Esto permite a este diseño el resolver ambigüedades de significado y preparar su propia respuesta aún estando el interlocutor a media frase. Robita (fotografía 10) es otro diseño que genera muestras de estado mediante las típicas inclinaciones de cabeza y cara con expresión estirada mientas escucha, que expresaría preparación para empezar la conversación.

Fotografía 11. Robisuke y Robita respectivamente.

Otra muestra de estado habitual, sea verbal o no, es la de confusión. El efecto que se espera del hablante es que pare el hilo de la conversación e intente reparar el mismo desde el punto en el que se haya quedado el receptor.

La dirección de la mirada, también es una muestra de estado ocasionalmente. Es muy usual en humanos cuando se quiere señalar un determinado objeto o referencia. Esta muestra de estado es muy importante para aclarar y facilitar con mucho en proceso conversacional. Errores o faltas de entendimiento son rápidamente identificados y subsanados a través de elementos como estos.

2.4.3 Ilustradores

Algunos robots presentan implementadas señales de ilustración para dirigir la atención de las personas. Por ejemplo, en casos en los que el robot tiene que interactuar con más de una persona, este debería tener en cuenta la localización del objeto que quiere señalar, la de él mismo y la de las dos personas que están interactuando con él. Robita, usa tal información

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para elegir el gesto más apropiado mientras considera el punto de vista de las otras personas.

2.5 Interacción expresiva basada en emociones: la lógica emocional Como hemos comentado con anterioridad, un robot del tipo del que queremos diseñar, deberá, una vez completado el proyecto, ser capaz de interpretar y reconocer las señales afectivas humanas, plantear sus propios modelos de emocionales (habitualmente inspiradas por teorías psicológicas) y de comunicar estos estados afectivos a otros. Nuestro diseño no incorporará estas facultades pero si debe estar previsto y estudiado para contemplarlas ampliándolo en un futuro.

En psicología, el comportamiento emocional depende de muchos factores internos. A nivel de ejemplo podríamos indicar el estado emocional del momento, el estado cognitivo, los deseos del momento, los estados físicos….etc.

Estudiaremos en este apartado un ejemplo de diseño de robot con finalidades de expresividad desde el punto de vista de la lógica emocional: KISMET.

2.5.1 KISMET

Kismet es el primer robot autónomo explícitamente diseñado para explorar interacciones socioemotivas cara a cara con personas. La investigación con Kismet se basó en explorar los orígenes de la interacción social y comunicación en las personas, esto es, qué ocurre entre un cuidador y un niño. Todo ello a través de extensos modelos computacionales guiados desde la psicología y la etología (costumbres).

Los intercambios niño-cuidador iniciales están fuertemente basados en la regulación de emociones y sus expresiones. Inspirado en estas interacciones, la arquitectura cognitiva-afectiva de Kismet fue diseñada para implementar respuestas de núcleo prosocial2 encontradas en niños y mostrando un rol crítico en desarrollo social normal (Ver Tabla 1).

2 Definición.- Se entiende por conducta prosocial toda conducta social positiva con o sin motivación altruista. Positiva significa que no daña, que no es agresiva. A su vez se entiende por motivación altruista el deseo de favorecer al otro con independencia del propio beneficio. Por el contrario, la motivación no altruista es aquella que espera o desea un beneficio propio además del, o por encima del, ajeno. Como se ve, la definición incluye un aspecto conductal (alude a conductas) y otro motivacional (alude a motivaciones).

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Cond. Precedentes Emoción Comportamiento Función

Retraso, dificultad en conseguir una meta o

comportamiento adaptativo.

Enfado, Frustración.

Queja. Muestra disgusto al cuidador para que cambie su comportamiento.

Presencia de un estímulo indeseado.

Disgusto. Retracción, rechazo. Señal de rechazo o estímulo

presentado al cuidador.

Presencia de actitud dañina, estimulo contundente

Miedo y angustia.

Escape. Movimiento de alejamiento del

estímulo dañino.

Presencia prolongada de un estímulo deseado.

Calma. Atraer. Interacción continuada con el

estímulo deseado.

Éxito en la consecución de una meta de comportamiento

activo, o alabanza. Alegría. Mostrar placer.

Reposicionar recursos para el próximo comportamiento importante o refuerzo del

comportamiento en una situación de aprendizaje.

Ausencia prolongada de estímulo deseado, o regaño.

Dolor. Mostrar dolor.

Evocar la simpatía y la atención del cuidador o un comportamiento

desalentador en un contexto de aprendizaje.

Un repentino y cercano estímulo.

Sorpresa. Respuesta asustadiza. Alertar.

Aparición de un estímulo deseado.

Interés. Orientación. Atender al nuevo objeto.

Necesidad de un estímulo ausente y deseado

Aburrimiento. Buscar. Explorar el medio buscando el

estímulo deseado.

Tabla 2. Resumen de respuestas protosociales de KISMET.

Uno de los propósitos de las respuestas emotivas de Kismet fue el de reflejar el grado al cual sus impulsos y metas se unían exitosamente. Un segundo propósito fue el de usar las señales de comunicación emotiva para regular y negociar las interacciones sociales con personas. Especialmente Kismet utilizaba muestras emotivas para regular la intensidad de las interacciones con personas, asegurando el preservar la complejidad de los estímulos perceptuales dentro de un rango de complejidad que el robot pudiera manejar y potencialmente aprender de ellos. De hecho, Kismet negocia socialmente su interacción con personas vía sus respuestas emotivas para tener ayuda humana para alcanzar sus metas, saciar sus impulsos y mantener un medio de aprendizaje útil.

Con respecto a sus habilidades expresivas, Kismet ha desarrollado una gran variedad de posturas, expresiones faciales para reflejar su estado afectivo. Las expresiones faciales de Kismet son generadas usando una técnica basada en interpolación sobre un espacio en 3

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dimensiones. Las posturas faciales de base han sido diseñadas de acuerdo con el modelo componencial de expresiones faciales teorizadas por Smith y Scott. Mediante dicho modelo se modifican los rasgos faciales individuales para transportar información afectiva. Las tres dimensiones afectivas del espacio de interpolación corresponden a excitación, valencia (positiva o negativa) y postura. Estas mismos tres atributos son usados para evaluar afectivamente la multitud de factores ambientas e internos (estimulos, metas, motivaciones…etc) que contribuyen al estado emocional de Kismet.

Esquema 6. Posturas faciales de base de Kismet, que son interpoladas para generar multitud de expresiones.

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Esquema 7. Un muestreo de expresiones faciales interpoladas.

Adicionalmente a las expresiones faciales, Kismet es capaz de generar un amplio rango de pronunciaciones emotivas, mediante un sistema de vocalización expresiva, correspondientes a la alegría, el dolor, el disgusto, el miedo…etc. El discurso del robot viene acompañado de movimientos de sus labios, mandíbula y cara.

Bréasela y Aryananda descubrieron que incluso las características acústicas simples (tales como los tonos medios y la variación de energía) pueden ser utilizadas por el robot para clasificar la prosodia3 afectiva de la pronunciación a lo largo de la valencia y las dimensiones de la excitación. Usando estas y otras características acústicas sugeridas por Fernald, Kismet podría reconocer la intención afectiva en el discurso de un humano comunicada a través de la prosodia vocal que corresponda a elogiar, calmar, regañar y los intentos de atención.

3 Estudio de los rasgos fónicos que afectan a la métrica, especialmente de los acentos y de la cantidad.

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Esquema 8. La arquitectura cognitiva-afectiva de Kismet. Las cajas con esquinas redondeadas y grises indican los sistemas cognitivos responsables de la percepción, atención, impulsos, arbitrado de metas y

ejecución. Las cajas blancas representan los procesos afectivos, incluyendo las evaluaciones afectivas, las respuestas emotivas básicas y el comportamiento motor expresivo.

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Esquema 9. La implementación de la respuesta emotiva al miedo.

2.6 Visión general del diseño hardware: WE-4RII. Seguidamente mostraremos a grandes rasgos varios detalles mecánicos del robot WE-4RII. Hemos restringido la explicación a las partes directamente responsables y algunas relativas a la expresión facial y a la interacción directa con las personas.

En 2003, fueron desarrollados brazos de 9 grados de libertad para humanoides que podían expresar emociones con la finalidad de mejorar la expresión emocional. Los brazos fueron integrados en WE-4 (Waseda Eye No.4) para desarrollar el WE-4R (Waseda Eyes No.4 Refined), que podía expresar sus emociones usando sus expresiones faciales, torso y brazos. En 2004, se desarrollo WE-4RII (Waseda Eye No.4 Refined II), mediante la integración de la mano robótica antropomórficas RCH-1 (RoboCasa Hand No. 1) en el

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WE-4R. RCH-1 tenía 6 grados de libertad y habilidades para la expresión emocional, agarrar y la posibilidad de detección táctil.

Fotografía 12. WE-4RII.

La fotografía 12 presenta una visión general del robot, de 59 grados de libertad:

Manos 12 Brazos 18 Cintura 2 Cuello 4

Globos oculares 3 Párpados 6

Cejas 8 Labios 4

Mandíbula 1 Pulmones 1

Tabla 3. Listado de reparto de los grados de libertad.

Una cantidad enorme de sensores hacen las funciones de organismos sensoriales para estímulos externos: visual, auditivo, cutáneo y sensación olfativa.

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2.6.1 Ojos y párpados

Los globos oculares tienen 1 grado de libertad para el eje de elevación y dos para el eje de orientación. La velocidad angular mayor que pueden alcanzar es similar a un humano, esto es 600º/s.

Los párpados tienen 6 grados de libertad. Esto es, la subida y bajada de cada párpado independiente y la posibilidad de variación del ángulo que forman entre ellos. Esto último se explica porque el robot puede rotar su párpado superior, proporcionándole esto la capacidad de expresar usando la esquina del ojo. Esto es, al final 3 grados por cada par de párpados, en total 6. La máxima capacidad de apertura y cierre del párpado se produce a 900º/s , un valor este, muy similar al de los humanos también. Dado este dato, el robot puede parpadear en 0,3s, esto es, tan rápido como los humanos.

Para hacer más pequeña la cabeza, se desarrolló una unidad integrada con los globos oculares y los párpados. Además, en la “Unidad Ojo” del robot, el movimiento mecánico del eje de elevación del ojo sincroniza el movimiento de apertura i cierre de los párpados. Por esa razón podemos controlar el movimiento de los ojos y los párpados de manera controlada por hardware.

Esquema 10. Unidad Ojo del RE-W4II

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2.6.2 Cuello

El cuello tiene 4 grados de libertad, estos son: el nivel superior, el nivel inferior, la rotación y la orientación.

WE-4RII puede estirar su cuello y comprimirlo usando su posición superior e inferior grado de libertad como un humano. La velocidad angular máxima de cada eje es similar a la de los humanos, esto es 160 grados/segundo.

2.6.3 Tronco

El robot tiene una cintura de 2 grados de libertad compuestos por el eje de orientación y el de elevación. Mediante el uso del movimiento de cadera, WE-4RII puede producir expresiones emocionales con la parte superior de su cuerpo.

2.6.4 Mecanismos de expresión facial

El WE-4RII expresa su expresión facial usando sus cejas, labios, mandíbula, color facial y voz. Las cejas consisten en esponjas flexibles, y cada una tiene 4 grados de libertad.

El sistema usa muelles con forma tubular para los labios. Los labios cambian su forma al tirar desde 4 direcciones y la mandíbula, que tiene 1 grado de libertad abre y cierra los labios.

Para el color facial, el dispositivo usa hojas azules y rojas electroluminescentes, que se aplican sobre las mejillas. El robot puede expresar colores rojos y pálidos en la cara.

Para el sistema de voz, el equipo dispone de un altavoz pequeño que ha sido incorporado en la mandíbula. La voz del robot es una voz sintética fabricada por LaLaVoice 2001 (TOSHIBA Corporation).

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Esquema 11. Mecanismos de expresión facial.

2.6.5 Sensores

Describiremos 4 partes diferenciadas en cuanto a sensórica se refiere.

Percepción visual

WE-4RII tiene dos cámaras CCD de color en sus ojos. Las imágenes de sus ojos son capturadas a un PC a través de una tarjeta de captura de imágenes. La cara puede reconocer cualquier color objetivo y puede reconocer ocho objetivos al mismo momento. Después de calcular el centro de masas y área de los objetivos, WE-4RII puede seguirlo después con el ojo, el cuello y la cintura. Esto hace posible seguir al objetivo de cualquier color especificado en las tres dimensiones del espacio. En la fotografía 13 se puede observar la percepción del robot desde la cámara.

Fotografía 13. Resultado de los sensores visuales.

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Percepción auditiva

Se usan 2 pequeños micrófonos de condensador como sensores de audición. WE-4RII puede localizar las direcciones del sonido por el volumen entre la derecha y la izquierda.

Percepción cutánea

El robot tiene sensores “cutáneos” de temperatura y táctiles. Usa un FSR (Force Sensing Resistor) como sensor táctil. Este es capaz de detectar fuerzas muy débiles, y es un dispositivo estrecho y ligero. Los diseñadores han ideado un método para reconocer no solo la magnitud de la fuerza, sino también la diferencia de la forma de tocar, que es empujar, acariciar o golpear mediante el uso de 2 capas de estructura FSR. Por el otro lado, el robot tiene un termistor para la temperatura. Las FSR también están instaladas en las palmas para discriminar si ha habido contacto o no.

Percepción Olfativa

Se usan para esta habilidad 4 sensores semiconductores de gas. Se han situado estos en la nariz del robot. A través de la nariz, el sistema puede reconocer el olor del alcohol, el amoniaco y el humo de un cigarro.

Esquema 12. Mecanismo olfativo.

2.6.6 Expresiones emotivas

Se usan las 6 expresiones faciales de Ekman en el control facial del robot. Además, se han definido 7 patrones faciales de expresiones emocionales: “alegría”, “enfado”, “disgusto”, “miedo”, “tristeza”, “sorpresa” y “neutral”. La dureza de cada expresión emocional varia

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entre un total de 5 grados interpolando las diferencias de localización desde la expresión neutral.

Fotografía 14/15. Felicidad.

Fotografía 16/17. Miedo.

Fotografía 18/19. Sorpresa.

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Fotografía 20/21. Tristeza.

Fotografía 22/23. Enfado.

Fotografía 24/25. Disgusto.

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Fotografía 26/27. Neutral.

Fotografía 28/31. Otros patrones.

En las fotografías desde la 14 a la 31 se pueden observar los diversos estados de ánimo que puede expresar el robot WE-4RII.

2.7 Estudio psicológico del diseño. Como parte del estudio previo y dadas las diversas utilidades que puede llegar a tener la cabeza robótica, es importante hacer un estudio psicológico previo a la concepción del dispositivo. Este estudio, no nos debe hacer perder la generalidad del proyecto. La observación y el enfoque de estos datos desde el punto de vista de ingeniería hace que sea un nuevo criterio a tener en cuenta para cerrar la inmensa mayoría de incógnitas iniciales que encierra el proyecto. Muchas de ellas, no están sujetas a aspectos de tipo técnico ni se pueden justificar técnicamente en un sentido u otro sino que, a vista de pájaro pueden estar sujetas a criterio subjetivo. Nuestro criterio técnico, por tanto, será el psicológico.

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2.7.1 Entrevista con psicólogos.

A través de la mediación de m-BOT Solutions SL, contactamos con un equipo de psicólogos del Consorci Sociosanitari del Garraf, cuyo trabajo diario se centra en el hospital que gestiona dicho consorcio en Vilanova i la Geltrú (Hospital Sant Antoni Abat). Previamente a la reunión preparamos una batería de preguntas y un guión de la reunión de tal manera que se pueda enfocar el encuentro a responder diversas de las preguntas surgidas desde el punto de vista de la ingeniería. El guión de dichas preguntas se puede observar por completo en el Anexo 9.8.

Realizamos visita para reunión por tanto, el día 14/01/2010, con los siguientes profesionales:

- Dr. Antoni Yuste. Director de Investigación, Innovación y Docencia del Consorcio Sanitario del Garraf y Gerente de la Fundación Privada San Antonio Abad.

- Dra. Carme Tayó. Neuropsicóloga

- Sr. Jesús Plano. Licenciado en Psicología. Experto en Neuropsicología Clínica.

- Dra. Esther González. Neuropsicóloga / Jefe de Proyectos en Consorci Sanitari del Garraf. Investigadora / Responsable de Proyectos en Fundació privada Sant Antoni Abat .

- Sergi Plana. Fundador y CEO en m-BOT Solutions SL.

- Jose Manuel Díaz. Socio fundador y responsable de proyectos I+D en m-BOT Solutions SL.

Este equipo de trabajo se enfrenta diariamente con pacientes que sufren gran diversidad de enfermedades mentales. Entre ellas, y por poner algún ejemplo, las degenerativas como puedan ser la demencia senil o el alzheimer. Tanto estos profesionales, como el resto de personas que colaboramos en el proyecto entendemos que este equipo puede ser útil para tratar algunos de estos tipos de enfermedades.

2.7.2 Desarrollo de la reunión y conclusiones

La reunión transcurre en un tiempo aproximado de 1h 30m y en ese tiempo se llegan a formular la totalidad de las preguntas. Además, se tienen en cuenta las observaciones añadidas que van haciendo los expertos. Los puntos más relevantes obtenidos de la reunión son los siguientes:

1. La fisonomía de la cara tiene que ser humana. Queda descartada la representación simbológíca como pueda ser la de un emoticon o similar. La razón de esto es que los símbolos tienen implícitos factores culturales y son de más complejo entendimiento. Profundizando más en el tema. Decir que predomina la importancia

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de los ojos (con cejas y pestañas) y la boca sobre la nariz y las orejas. Sería interesante que la cabeza tuviera forma humanoide o humano experto con posibilidad, por ejemplo de incluir unas gafas y otros accesorios.

2. En género debería ser preferiblemente femenino más que masculino. Una cabeza andrógena no sería deseable. Podría ser una niña con gafas y apariencia inteligente.

3. Las proporciones de la cabeza del robot deberían ser similares a las de una cabeza humana y, en todo caso, proporcionadas al tronco del robot. Esto está claro, dado que el tamaño de una cabeza humana en variable y normalmente acorde con el propio cuerpo.

4. Sería interesante que el robot generase ruidos y sonidos siempre relacionados con onomatopeyas derivadas de expresiones humanas. Nunca ruidos ni luces aleatorias.

5. Sería interesante que la cabeza tuviera una máquina interna común y su aspecto exterior fuera intercambiable en función de los diferentes usos a darle.4

6. El material con el que se fabrique el equipo puede ser de diversa índole, pero el producto debe tener un aspecto parecido a un humano y totalmente acabado. Nada de circuitos vistos, ni tubos ni mecanismos.

7. El color preferible es en gris para un robot informativo. Como alternativa estarían los colores cálidos no estridentes. Todo esto desde el punto de vista de los usos sanitarios.

8. El equipo no tendría necesariamente por qué estar preparado para ser tocado ni presentar comportamiento alguno en el momento de que se le tocara.

9. En cuanto a las distancias de acercamiento a los interlocutores, y dadas las premisas anteriores de formas y apariencia, el robot utilizará los patrones de acercamiento a extraños habituales. Se propone como distancia la de 0,5 m.

10. El canal de transmisión más ventajoso sería el humano, es decir, el sistema gesticular, el habla y la interpretación de gestos y demás información proveniente del interlocutor.

11. Se muestra a los profesionales varios ejemplos, en diversas fotografías. Se pregunta cual sería el caso existente más representativo de las ideas mostradas. Resultan representativas para los presentes en la reunión los siguientes:

4 Esto toma especial relevancia cuando cambia la temática del uso completamente. El propósito es muy diferente cuando se trata de curar y cuando se trata de vender (en una feria de muestras). Este concepto sería un punto fuerte diferenciador de la cabeza.

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Modificando los ojos para agrandar el iris, con pestañas y ovalando los ojos.

Los ojos de esta cabeza robótica.

Retocando ojos y boca. Más ovalados, más grandes la parte de color y la negra.

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Este ejemplo como muy aproximado.

En lo que respecta al cuello. Que resulta muy parecido al humano.

Tabla 4. Selección de modelos existentes más adecuados con sus adaptaciones.

Estos puntos serán considerados desde la lógica del uso terapéutico, como más apropiados para nuestro producto.

2.8 Búsqueda de experiencias A causa del tipo de entramado industrial de nuestra demarcación, o dado a una red de contactos poco extensa en estos temas, no ha sido posible entrevistarnos con ninguna gran potencia diseñadora en la robótica.

Por otro lado, si que hemos conseguido hablar con un experto en emotividad aplicada del tipo de robótica que nosotros fabricaremos. En ocasiones, no hace falta ser Honda® para tener buenas ideas, ofrecer un producto competitivo y trabajar los elementos de manera profunda hasta alcanzar soluciones coherentes,

Nuestro objetivo no es obtener un producto perfecto, ni altamente sofisticado. Entendemos que es más válido incluso el conocimiento desde el punto de vista de un desarrollador a pié de calle, que el de un responsable de comunicación de una internacional. Las grandes corporaciones no tienen por qué obedecer a los mismos principios o necesidades, eso en primer lugar. En segundo lugar, desde la URV y desde m-BOT Solutions SL puede que no tengamos alcance a los recursos que controlan. En tercer y último lugar, la finalidad del producto, en algunos casos, es más científica y experimental que práctica y comercial.

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Por esa razón, contacto con el Sr. Arnau Quiles Pascual a través de la Facultad de Comunicación y Periodismo de la URV. Arnau, pertenece a la Unidad Predepartamental de Comunicación Audiovisual, Publicidad i Periodismo. En este sentido és importante la unión de un experto en audiovisuales, dadas las características del proyecto.

Después de explicarle la profundidad y temática del proyecto me remite al Sr. Albert Coma. Albert ha trabajado en diversos proyectos relativos a la expresividad y a la comunicación gesticular. Algunos de ellos se adjuntan en el CD adjunto en formato video. Ver el Anexo 9.2. El más destacable a mi juicio sería MARCEL, una cabeza robótica.

2.8.1 Puntos clave de la reunión con Albert Coma

Los puntos clave que se extraen de la reunión mantenida con Albert Coma se corresponden con la visión que tiene Albert desde su experiencia. Los más relevantes son los siguientes:

- La boca debe tener un espacio preponderante en la cara. Gran parte de la expresividad se consigue a través de los labios. Es recomendable agrandar incluso por encima de lo proporcionado para aumentar la expresividad. Eso sin caer en el gigantismo desagradable. Debe ser bien visible.

- Los párpados tienen un papel muy importante y también deberían sobredimensionarse un poco. Aunque parece nimio, el papel de estos dos elementos en la expresividad es muy grande.

- La nariz y las orejas carecen de excesiva importancia en lo que respecta a la expresividad. Podrían ser elementos fijos de la cara.

- La pupila y el iris deberían estar bien definidos. Se recomienda utilizar materiales para los ojos como: EPS, madera o metacrilato.

- Es interesante tener servos independientes para los ojos. Cuando los ojos convergen generan un efecto de estrabismo gracioso y que puede ser útil en algunos casos para expresar mucho sin ni siquiera hablar.

- Para el exterior de la cara, Albert es partidario de usar un sistema de chapas posicionadas estratégicamente como en el WE-4RII o, por el contrario, constituir un molde (negativo) y preparar una capa (“piel”) de cobertura con látex. Las gesticulaciones quedarían más reales utilizando una serie de rótulas que tensarían y destensarían el mismo látex.

- Es interesante colocar altavoces para expresar los sonidos del robot. Lo mejor es colocarlos cercanos a la boca para el efecto sea similar al de una persona hablando y oído no nos juegue una mala pasada desvirtuando el proyecto.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ESTUDIO PREVIO

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- Existen toda una serie de detectores que pueden permitir tener datos cuando una persona toca sobre la superficie de la cabeza. Estos detectores posibilitarían la reacción de la cabeza al contacto directo humano.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

PREDISEÑO

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3. Prediseño

Hasta este punto, hemos visto:

• La documentación existente a nuestro alcance y los conceptos básicos que se pueden extraer de ella.

• Algunos de los productos existentes en el mercado y sus características generales.

• La aplicación desde un punto de vista psicológico.

• La aplicación desde un punto de vista del desarrollador con fines recomunicación en general.

A partir de aquí, comenzamos el prediseño de la aplicación. En el cual vamos a tratar de sentar las bases, conjugando todos los aspectos anteriores para llevar posteriormente al desarrollo de detalle de la cabeza robotizada.

Para ello, separaremos el problema en diversos aspectos e intentaremos justificar en cada uno una decisión tomada en un sentido u otro.

3.1 Estructura El material que se utilizará para construir la estructura de suportación de la cabeza deberá presentar las siguientes cualidades principales:

• No ser muy pesado. Es decir, baja densidad.

• Fácilmente mecanizable para ensamblaje atornillado y a poder ser para soldadura, aunque no es prioritario. El mecanizado se haría, o bien por parte de la misma empresa implementadora, como por alguno de los talleres cercanos. Debe tenerse en cuenta, que la tecnología para mecanizar la misma debe poder estar al alcance de estos dos puntos de trabajo.

• Resistente a una temperatura interior que pudiera generar los elementos de maniobra y movimiento de la cabeza.

• Resistente a una temperatura ambiente exterior típica de la costa mediterránea que podría estar entre 8 ºC y 40 ºC típicamente y teniendo en cuenta factores de seguridad. La dilatación y contracción debería ser baja. Se entiende en este caso, que el robot puede estar trabajando tanto en una nave industrial de una sala de convenciones en un mes de invierno o de pleno verano, como en un hospital, donde la temperatura ya es más controlada.

• De coste de producto final económico. Por eso, debe presentar un formato de compra adecuado y modular de tal manera que se pueda mecanizar con el mismo coste de tiempo posible. Por otro lado, el precio del coste/hora del mecanizado debe

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ser coherente. De nada sirve que el producto presente mucha variedad de formatos si luego el poco mecanizo que se debe hacer es carísimo.

• Resistente a la humedad y a la oxidación.

Después de evaluar todos los condicionantes, valoramos como más óptimos dos materiales por encima de los otros, el aluminio y el PE-HMW.

El aluminio destaca sobre el resto de los metales más habituales: acero, acero inoxidable…por ser más caro, pero menos denso. La resistencia de una estructura se determina al final por la resistencia típica a la rotura en los diversos supuestos (cizallamiento, compresión, alargamiento) del material y por la sección resistente que se llama del mismo. Por lo tanto, aún siendo no tan duro o resistente como el resto de los metales comparados, este elemento no es crítico para nuestra aplicación, dado que se puede llegar a complementar aumentando sección. Con todo y con eso, el aluminio, no presenta mucha elasticidad al doblado. Es fácil de mecanizar, se puede llegar a soldar y aguantaría sin problemas el rango de temperatura de trabajo. Se puede conseguir en formato pletina (aunque este formato no es muy habitual), perfil estructurado y en diversas alternativas.

Por otro lado, el polietileno de alta densidad (PE-HMW en este caso), es un plástico utilizado comúnmente en la industria. El resto de los plásticos habituales tienen un precio en el mismo orden de magnitud o por encima. Aguanta en continuo temperaturas del orden de 80-90ºC. Es más barato que el aluminio y mucho menos denso (2.700 kg/m3 contra 950 kg/m3 típicamente). Se puede llegar a soldar, aunque el procedimiento es un tanto específico y no es tan generalizado como el del aluminio. Por otro lado, es fácilmente mecanizable a través de maquinaria ordinaria que podríamos encontrar en todo taller de trabajo. El formato que se puede llegar a comprar es tipo plancha con espesores de 2 hasta 180 mm y en planchas que pueden ser de 2000x1000 mm hasta 4000x2000mm y dependiendo de los espesores y fabricantes.

Finalmente decidimos, de manera preliminar por la perfilaría de alumino anodinado. Esto es porque:

• Es un estándar muy habitual.

• Presenta muchas facilidades de ensamblaje con un mecanizado prácticamente nulo y totalmente usual, no hace falta herramienta fuera de lo habitual.

• Precio asequible. Además de que no compraremos en cantidades muy elevadas, con lo que no será un precio crítico.

• Con un coeficiente de dilatación térmica del orden de 23,8·10-6·K-1 la dilatación no va a ser un problema dado que:

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

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[1]

[2]

[3] mml

l

TTlll

f

f

ff

29,600

)20·(6,0·10·8,236,0

)·(·6

000

=

+=

−+=−

α

Esto es, si consideramos una longitud de perfil de 600 mm a una temperatura de 20º inicialmente y finalmente a 40º (salto térmico de 20 ºC) obtendremos una dilatación de 0,29mm, que pensamos que es del todo asumible.

3.2 Generación de movimiento. Consideraciones generales de la parte electrónica. Los mecanismos, que finalmente nos van a permitir mover todos los elementos de la cabeza deben presentar las siguientes características fundamentales:

• Deben ser lo más simples y compactos posibles. El espacio de que disponemos será reducido.

• Deben ser eficientes y generar poca energía térmica. La ventilación en el interior de la cabeza será limitada.

• Las posibilidades existentes de alimentación de los equipos son de diversos puertos serie RS-485 y USB. El control se realizará desde un PC ya disponible en el robot actualmente.

• Las tensiones típicas serán de 24/12/5 Vdc. La energía de base se generará a través de una batería de automoción estándar. La eficiencia energética cobra especial protagonismo por lo que respecta también a este punto.

• Los movimientos serán de tipo segmentario, a velocidades como las indicadas en el apartado del WE-4RII y repetitivos. Está claro que a través de sistemas mecánicos se puede llegar a diferenciar entre una velocidad de ataque a un mecanismo y la velocidad de salida del mismo pero se debe tener en cuenta el orden de magnitud.

• El factor coste aparece en este apartado, como aparece en todos los incluidos en este proyecto.

• Mantenimiento. Como serán elementos que estarán sujetos a mantenimiento deben poder ser conseguidos de manera relativamente fácil y de forma prolongada en el tiempo. Es decir, que hay que intentar que sean unos elementos lo suficientemente comunes como para poderse encontrar durante el tiempo en que el ciclo de vida de la cabeza dure. No sería útil, por ejemplo, un elemento con tecnología casi obsoleta, ni que fuera fabricado por una empresa en exclusiva…etc

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• Deben generar poco nivel sonoro. No queremos que este ruido interfiera en la comunicación entre la persona y el elemento de manera negativa.

El elemento que se adecua mejor a las características indicadas es el servomotor típico de aeromodelismo. Se ha valorado también el uso de la neumática, por su simplicidad de control y su idoneidad para el tipo de movimiento. Finalmente se descarta por todos los inconvenientes que presenta la inclusión de un compresor y un acumulador en el interior del “cuerpo” del robot: falta de refrigeración, excesivo ruido por el motor y el paso del aire, necesidad de mucha potencia….etc. También se descarta el uso de motores de tensión continua, por su mayor coste, peso, y mayor complejidad de control.

Hay otros tipos de motores similares en el mercado como pueden ser los PaP, pero no tienen el mismo coste, ni la simplicidad de control y sobretodo al ser motores de par variable, ya que ejecutan los movimientos “Paso a paso” pueden llegar a dar una impresión de arrancada y parada de los mismos que iría de contra de la expresividad del movimiento, aunque no fuera grave.

El tipo de servos elegidos, son simples de utilizar y compactos. Pueden trabajar a las tensiones anteriormente indicadas a través de una serie de circuitos de acondicionamiento de la señal. Se pueden encontrar fácilmente en muchos proveedores y en un momento dado, con pocos cambios de diseño (sobretodo la forma de acoplarlos por dimensiones) se podrían adaptar en caso de tenerlos que cambiar.

3.3 Composición general. Accionamiento mecánico Como humanoide, la cabeza presentará los siguientes elementos con movilidad:

• Dos ojos, con movimientos independientes.

• Dos cejas, también con movilidad diferenciada.

• Párpados, con movilidad independiente.

• Cuello, con movimientos de giro y agachado.

• Boca. A través de la cual podrá realizar las gesticulaciones propias de los diversos estados de ánimo. Además, podrá posicionar los labios en la posición adecuada para representar cualquiera de las vocales.

Seguidamente, presentaremos los movimientos básicos que deberán hacer los diferentes elementos de la cara.

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3.3.1 Movimiento de los ojos

El movimiento de los ojos será concéntrico, como es lógico. Tomando como base el centro de la esfera que compone el globo ocular. Los puntos de orientación serán referenciados por la pupila, que es la parte que da la expresividad al mecanismo. Los puntos podrían ser infinitos e indefinidos por el hardware pero serán limitados por software a posteriori a los mínimos necesarios para mostrar las emociones.

El movimiento de los dos ojos será independiente. De esta manera, se puede crear un pequeño desfase entre los mismos que dará realismo. La posición convergente y apuntando hacia la nariz puede ser interesante en un momento dado para crear una escena de cara graciosa. Dos grados de libertad por cada ojo.

Esquema 13. Croquis a mano del prediseño de los ojos. Esquema básico de movimiento.

Como se puede ser, el diseño inicial estaba basado en la suportación del ojo en dos pletinas y su movimiento a través de dos pistones. Finalmente, esto último se descartó por los problemas de introducir un compresor en el Roinbot.

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Esquema 14. Croquis a mano del prediseño de los ojos. Forma de accionarlos y de sujetarlos.

Las dos pletinas pasaron de ser como unas gafas a ser una con forma completa rectangular.

3.3.2 Movimiento de las cejas

El movimiento de las cejas se generará a través de 3 puntos básicos, que ejecutarán movimientos siguiendo líneas paralelas y en sentido vertical. En cuanto a las paradas intermedias entre las posiciones extremo, podrían también ser muchas, pero también se limitará en un futuro por programa, dado que con del orden de 7 posiciones se pueden expresar la mayoría de las gesticulaciones. Tres grados de libertad por cada ceja.

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Esquema 15. Croquis a mano del prediseño de las cejas. Las posiciones que tendría el elementos, así como la colocación de los servos.

En el esquema de arriba se indica esquemáticamente las posiciones posibles de los ejes de las cejas y el diseño inicial de posicionamiento de los servos.

3.3.3 Movimiento de los párpados

El movimiento de los párpados será de apertura y cierre de cada uno. Existirán varias posiciones intermedias. En total tendremos un grado de libertad por cada párpado.

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Esquema 16. Croquis a mano del prediseño de los párpados.

El diseño inicial de los párpados estaba basado en un hilo de nylon que subía o bajaba una cubierta o capota. Giraba a lo largo de un eje a cada extremo. Ver esquema 16 para más detalles.

3.3.4 Movimiento del cuello

El movimiento del cuello será más limitado que el del humano. Dos grados de libertad. Se moverá en plano vertical (asintiendo) y en el plano horizontal (negando).

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Esquema 17. Croquis a mano del prediseño del cuello.

En el esquema 17 vemos el principio de funcionamiento del sistema pan-tilt. Los datos de abajo son simplemente factores de conversión de las velocidades para poder seleccionar los servos. Estos servos se cambiaron de modelo ya en la fase de prediseño.

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Esquema 18. Croquis a mano del prediseño del total de la estructura.

La estructura inicial de cabeza a base de varias pletinas con forma de humanoide, que se puede ser en el esquema 18, ha dado paso a la forma final que veremos en apartados siguientes. Como se podrá ver, el diseño gana es simplicidad, se convierte en modular permitiendo adaptación de varios exteriores, baja de precio, menor peso…

3.3.5 Movimiento de la boca

La boca presentará 4 puntos diferenciados e independientes de movimiento. Esto es, 4 grados de libertad. Estos cuatro puntos se moverán en el mismo plano curvado de la cara. Dos de ellos en dirección vertical y los otros dos en la dirección que coja la cara del robot.

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Esquema 19. Croquis a mano del prediseño de la boca. Clarifica las posiciones que ha de tener y los grados de libertad.

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Esquema 20. Croquis a mano del prediseño de la boca. Sistema de actuación previsto inicialmente para la boca.

Se conservan de este diseño la forma estratégica de las posiciones del esquema 19. Se ha sustituido para el diseño final la forma de empujado que inicialmente se planteó con sistemas de pistones o sistemas de sinfín.

3.4 Selección de los servos Inicialmente y para el caso del cuello, que será la parte que previsiblemente presentará más inercia y esfuerzo, se ha considerado la utilización de dos Dynamixel RX-64. Estos dos elementos ya están disponibles para un diseño anterior de m-BOT Solutions SL, con lo que viendo que son costosos y que cumplen con los requerimientos hemos considerado aplicarlos.

A la hora de seleccionar el resto de los servos se han seguido los siguientes criterios:

• Se ha calculado de manera aproximada el par que tienen que generar y la velocidad angular a la que tienen que trabajar como máximo. En el caso de esto último, hay varios parámetros que teníamos como datos y otros los hemos extrapolado por coherencia. Estos datos nos servirán para dimensionar el servomotor.

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• Respecto a elegir entre digital y analógico nos hemos decantado por el digital. Las razones fundamentales serían:

o Presenta una velocidad de reacción superior, aunque esto no sea crítico para el equipo.

o Típicamente los analógicos presentan unas velocidades de 0,24 s/60º, que están por debajo de lo que necesitamos. Siendo esto del orden de 0,13-0,07 s/60º. Los digitales pueden cumpler con estos valores.

o En los digitales se puede conseguir un par más constante.

o Son más adecuados para movimientos cortos y rápidos.

o Aunque consumen más que los analógicos, hoy en día con la tecnología de baterías de las que disponemos esto está asumido.

• En otro orden de cosas, no hemos considerado el uso de servos brushless porque a pesar de que son mejores tecnológicamente, son los más caros. No aportan, en este caso, ventaja para nosotros que lo justifique.

• No hemos considerado sistemas de guiado ni rodamientos añadidos a los propios del servo. Para evitar desalineaciones de los ejes y problemas de sufrimiento excesivo de los rodamientos del servo se diseñará la cabeza acorde con los esfuerzos a realizar. También se tendrá en cuenta en el diseño de los elementos mecánicos la forma en que trabajan los mismos para no someter a cargas en una dirección en la que no estén preparados para trabajar.

• No se ha considerado que las cargas y los desgastes requieran de ruedas engranajes metálicos.

• El sistema deberá trabajar en interiores o en exteriores en condiciones atmosféricas suaves. No se requiere por tanto de resistencia añadida al agua o al polvo.

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Tabla 5. Características técnicas de los RX-64 de Dynamixel

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Esquema 21. Plano de los RX-64 de Dynamixel.

3.4.1 Cálculos y consideraciones de la selección de servos.

Hemos considerado la velocidad de diseño para cada elemento estipulado en apartados anteriores y en robots existentes, sobretodo en el WE-4RII. Además, hemos considerado para el movimiento de los labios y de las cejas 450 º/s por coherencia con el resto de elementos de la cara. Se detalla en la tabla 6 los diferentes tipos de mecanismos de transmisión del movimiento y sus requisitos y valores de diseño.

Para calcular la inercia, dado que la cabeza está compuesta por gran cantidad de componentes de diferentes materiales, dimensiones… Hemos optado por dimensionar con una carga por encima de lo que, a priori, pesará finalmente cada subconjunto y considerado de manera puntual en el extremo más alejado del eje. Para ello, hemos utilizado la formula del cálculo de momentos de inercia para masas puntuales. En este sentido estamos considerando un predimensionado por el lado de la seguridad y un cálculo que siendo simple, también supone un criterio conservador. No tiene sentido calcular con mucho detalle ni métodos muy exactos estos parámetros, dado que al final, el ahorro sería nimio comparado con las horas de ingeniería y teniendo en cuenta sobretodo que hay que usar elementos reales y comerciales, no los deducidos del cálculo.

[4] ∑= ii mxI ·2

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En la fórmula [4] tenemos que x (m) es el radio de giro, m (kg) la masa del objeto e I (kg·m2) el momento de inercia.

Finalmente calculamos el par máximo que debe soportar el mecanismo multiplicando la aceleración máxima por la inercia y comparamos con los valores del servomotor.

Después de realizar los cálculos, obtenemos los siguientes resultados.

º/s s/60º s rad/s2 kg·m2 N·m oz/in

Descripción movimiento Velocidad Máxima

Tº Rampa

Aceleración Máxima

Inercia Par Máximo

Giro del cuello 160 0,375 0,10 27,93 0,05 1,26 174,51

Agachar y erguir la cabeza 160 0,375 0,50 5,59 0,90 5,03 698,04

Centro labio superior e inferior 450 0,133 0,10 78,54 0,00 0,02 2,73

Comisuras 450 0,133 0,10 78,54 0,00 0,02 2,73

Pupila arriba/abajo 600 0,100 0,10 104,72 0,00 0,08 10,91

Pupila izquierda/derecha 600 0,100 0,10 104,72 0,00 0,08 10,91

Parpado 900 0,067 0,10 157,08 0,00 0,08 10,91

Centro de ceja 450 0,133 0,10 78,54 0,00 0,02 2,73

Extremos de ceja 450 0,133 0,10 78,54 0,00 0,02 2,73

Tabla 6. Descripción de las diferentes partes de la cara y sus características de diseño.

Finalmente, optaremos por usar servos marca FUTABA®. Esta marca es de reconocido prestigio, se puede encontrar con facilidad y de un precio asequible. De la misma manera presenta un abanico de posibilidades bastante importante y permite mantener el uso de solamente una única marca.

Por lo tanto, la cosa quedaría como se puede ver en la tabla 7.

Zona Referencia Descripción movimiento Mecanismo Selección

PAN-TILT 1 Giro del cuello Directo RX-64

PAN-TILT 2 Agachar y erguir la cabeza Directo RX-64

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BOCA 3-4 Centro labio superior e inferior Coliso FUTM0654 / S3154

BOCA 5-6 Comisuras Coliso FUTM0654 / S3154

OJO 7-8 Pupila arriba/abajo Coliso FUTM0224 / S9254

OJO 9-10 Pupila izquierda/derecha Coliso FUTM0224 / S9254

OJO 11-12 Parpado Tijera FUTM0224 / S9254

CEJAS 13-16 Centro de ceja Leva FUTM0654 / S3154

CEJAS 14-15-17-18 Extremos de ceja Coliso FUTM0654 / S3154

Tabla 7. Selección de los servos.

Como se puede ver, las conclusiones al resultado de los cálculos son las siguientes:

• Como ya hemos dicho, los dos primeros elementos usarán el servo existente, el RX-64. En cuanto a la velocidad van sobrados de capacidad. En cuanto al par, el que va más limitado es el que agacha y levanta el cuello. Esto es de esperar porque es el que aglutina prácticamente el peso de toda la cabeza en un movimiento giratorio que implica el radio de giro más desfavorable de todos. Para conseguir entrarlo en parámetros consideraremos un tiempo de rampa ascendente de velocidad de 0,5s. No es abusivo teniendo en cuenta de que se trata de un movimiento del cuello.

• Por lo que respecta al resto de elementos, podríamos decir que la inercia es despreciable en todos ellos y la velocidad será el parámetro que nos marcará la elección del servo. Intentaremos (por eso lo incluimos así en el prediseño) por otro lado que el servo sea de tipo micro o mini dado que nos facilitará el diseño de los utillajes de la propia cabeza. Considerar una rampa de aceleración de 0,1s no es desorbitado considerando que los tiempos típicos de refresco de la señal cuadrada rondan las 30 veces por segundo en los servos analógicos y superiores en los digitales. Intentaremos trabajar con un cierto coeficiente de seguridad pero homogeneizando modelos.

Las fichas técnicas de los servos seleccionados y sus dimensiones son las siguientes:

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Tabla 8. Características del servo S3154.

Tabla 9. Características del servo S9254.

Esquema 22. Plano dimensiones Servo S3154

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Esquema 23. Plano dimensiones Servo S9254.

Tendremos inicialmente un total de 18 servos repartidos como se indica:

• 2 RX-64

• 6 FUTM0224 / S9254

• 10 FUTM0654 / S3154

3.4.2 Tarjeta controladora de los servos.

Para el control de los RX-64, la programación se hace directamente a través del puerto RS-485. A pesar de que existen soluciones en el mercado para facilitar dichas comunicaciones y programaciones, el modelo actual realiza esto a través del PC presente.

Para los 16 servos restantes hemos considerado la utilización de la placa SD84 suministrada por INTPLUS. SD84 es un circuito controlador de servos de 84 canales capaz de controlar hasta 84 servos de radio control con un refresco de 20 ms. con independencia del numero de servos conectados. El circuito controla tanto la posición como la velocidad de los servos mediante comandos enviados a su puerto USB. Además, cada canal puede ser utilizado como una entrada digital, una salida digital, o una salida de servo y

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adicionalmente, 36 de los canales pueden ser utilizados como entradas analógicas de 10 bits, convirtiéndolo en un gran controlador para animatrónica5. La parte lógica del circuito se alimenta directamente del bus USB, por lo que solo hay que proporcionar tensión para los servos o los circuitos que se quieran conectar. Cada grupo de 8 servos tiene su propio conector de alimentación independiente permitiendo usar diferente tensiones en cada caso. Desde el punto de vista de la programación, el circuito se controla como si fuese un puerto serie, por lo que es muy fácil de controlar desde aplicaciones como visual Basic, visual C, etc.

Fotografía 32. Tarjetas controladoras de servos SD84.

En la fotografía superior de puede observar la distribución de la tarjeta controladora. Por otro lado, en la fotografía 33 hay un detalle de las conexiones. Las características de la misma son:

• Hasta 84 canales de entradas digitales

• Hasta 84 canales de salidas digitales

• Hasta 84 canales de salidas de servo

• Hasta 36 canales de entradas analógicas de 10 bit

• Controlado y alimentado desde el bus USB

• Drivers disponibles para Windows, Apple, Linux y Open BSD

5 Es la técnica que usando mecanismos robóticos o electrónicos simula el comportamiento de un ser vivo o de una criatura.

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Fotografía 33. Conexionado de los servos en la placa.

Esquema 24. Esquema de conexiones de la controladora.

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3.5 Superficie exterior de la cara La superficie exterior de la cara estará formada básicamente por esponja sintética esculpida y pintada en base a cada diseño. El uso de este material se puede ver aplicado en multitud de ferias de artesanía para la creación de marionetas. Por esta razón, cumple con las siguientes especificaciones:

• Es flexible, de hecho se puede adquirir industrialmente con diversas densidades para adaptarlo a los usos. Adquiere formas aplicándole esfuerzo mecánico y luego vuelve a su posición.

• Presenta una alta expresividad. Se puede esculpir y moldear a gusto por parte de un artesano.

• No presentará frustración al interlocutor dado que no da la sensación de realismo propia del látex.

• Tiene un coste bajo.

• Dado su bajo coste y su facilidad de conseguir permite generar diversos diseños y trabajar con la cara robótica en multitud de ámbitos.

La esponja se adherirá por la parte interior a diversos tipos de corchetes propios de la mercería o sistema similar. Estos corchetes quedarán fijados también a la estructura interior de la cabeza. De esta manera el conjunto será intercambiable para diferentes usos. El personaje propio que interpretará la cabeza variará en función de esto. La fotografía que se ve debajo incluye la esponja que se utilizaría para el exterior.

Fotografía 34. Muestra de esponja tipo.

3.6 Uso general de materiales Para el diseño de los materiales se tendrá en cuenta el siguientes criterios:

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• Se necesita que los materiales sean poco densos, para que no incrementen mucho el peso. Esto generaría inercias que no podrían vencer los servos.

• Como norma general se usará:

o Inoxidable en los ejes finos. No merece la pena mecanizar y luego tratar un hierro por la diferencia de precio.

o Acero al carbón para casquillos de pared fina y para pletinas estrechas. Así como última alternativa para plásticos técnicos que no se pueden mecanizar por espesor o característica de la pieza. Posteriormente se galvanizará o cincará en frío la pieza.

o PE para las pletinas que necesiten deslizamiento o aquellas de un volumen que en acero al carbón implicarían gran peso.

o PA en los casos anteriores en que el PE sea difícil de mecanizar por las características de la pieza. Permite menos deslizamiento pero, por otro lado, es una solución intermedia con los metales.

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4. Justificación de la solución adoptada Después del trabajo de prediseño se han tomado toda una serie de decisiones que han desembocado en el producto. En este apartado justificarán las más importantes.

4.1 Cálculo estimativo de los pesos Para justificar el uso de los rodamientos y los servos, se hace un cálculo del peso de los elementos de la cabeza. Para agilizar, no se han tenido en cuenta mecanizados sino que se han considerado los elementos como sólidos. En este sentido se va del lado de la seguridad y no perdemos generalidad siempre y cuando los elementos seleccionados tengan un valor comercial de resistencia muy elevada.

Tipo Descripción Peso (g) Ensamblaje PANTILT 4.829,84 Ensamblaje BOCA 314,49 Ensamblaje OJOSMEC2 1.170,56 Ensamblaje CEJAS 1.177,87

Parte ACCESORIOS 1.229,63 PESO TOTAL6 (g) 8.722,39 Tabla 10. Cálculo de pesos de los elementos

Como se puede ser en la tabla adjunta. El peso total de la cabeza es inferior a 9kg. Los elementos por encima del pan-tilt tienen una desalineación aproximada de 100 mm con respecto al eje vertical y central del a cabeza. Todo esto siempre que la cabeza estuviera erguida. El radio de giro a efectos de cálculo para el caso en que se curve es de unos 350 mm.

4.2 Servomotores Inicialmente valoraremos la capacidad en cuanto a la velocidad.

º/s s/60º s/60º Descripción movimiento Vel. Máx Vel. Máx Mecanismo Vel. Servo

Giro del cuello 160 0,375 Directo 0,198 Agachar y erguir la cabeza 160 0,375 Directo 0,198

Centro labio superior e inferior 450 0,133 Coliso 0,1 Comisuras 450 0,133 Coliso 0,1

Pupila arriba/abajo 600 0,100 Coliso 0,06 Pupila izquierda/derecha 600 0,100 Coliso 0,06

Parpado 900 0,067 Engranaje 0,06

6 Se ha considerado 1 Kg en tornillería en el apartado de accesorios.

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Centro de ceja 450 0,133 Cremallera 0,1 Extremos de ceja 450 0,133 Coliso 0,1

Tabla 11. Tabla final de dimensionado de los servos en cuanto a velocidades.

Las velocidades teóricas del diseño se mantienen. En este caso, los tiempos de actuación de los mecanismos son superiores a las velocidades de los servos máximas en vacío. Daremos entonces la selección de servos por válida. Es posible que varíe un poco la velocidad a la salida por las pérdidas por las transmisiones pero seguiríamos dando el sistema por bueno dado que se busca también como criterio el tener los materiales aquí cerca y que no sean excesivamente caros.

La transmisión por engranaje de los párpados no implica pérdida de velocidad, dado que los engranajes son del mismo módulo. Para lo único que se usan es para conseguir un giro a 90º de la transmisión. En cuanto a los colisos, La velocidad radial se transmite directamente a los extremos, con lo que pasa lo mismo que en caso anterior. Idénticas conclusiones tenemos para el sistema de cremallera.

Los márgenes de trabajo van de un 12% hasta un 50% en el servo del cuello.

Por otro lado, analizaremos el par y la inercia de los sistemas.

s rad/s2 kg m kg·m2 oz/in oz/in Descripción movimiento Tº Rampa Acel. Máx Masa Radio Inercia Pmax P Servo

Giro del cuello 0,10 27,93 3,90 0,1 0,04 151,24 736 Agachar y erguir la cabeza 0,30 11,17 3,90 0,35 0,48 617,57 736

Centro labio superior e inferior 0,10 78,54 0,1 0,08 0,00 6,98 21 Comisuras 0,10 78,54 0,1 0,05 0,00 2,73 21

Pupila arriba/abajo 0,10 104,72 0,1 0,02 0,00 0,58 47 Pupila izquierda/derecha 0,10 104,72 0,1 0,02 0,00 0,58 47

Parpado 0,10 157,08 0,1 0,02 0,00 0,87 47 Centro de ceja 0,10 78,54 0,2 0,08 0,00 13,96 21

Extremos de ceja 0,10 78,54 0,1 0,05 0,00 2,73 21 Tabla 12. Tabla final de dimensionado de los servos en cuanto a par.

Como se puede ver por la tabla anterior. Todos los servos cumplen con los requisitos de trabajo. Además, estarían dimensionados como para poder asumir los ligeros incrementos de carga que supondría el recubrir la cabeza con esponja y la estructura auxiliar de aluminio para soportar la misma.

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4.3 Engranajes, coronas, cremalleras y demás sistemas mecánicos

Al final, dado el diseño previo, tenemos en la mayoría de los casos que transmitir movimiento circular de los servomotores en movimiento lineal de los colisos o transmitir el propio movimiento circular a 90º del eje del servomotor.

En este proyecto se han usado para ello los siguientes elementos transmisión mecánica de potencia:

• Pares de engranajes cónicos para transmitir el movimiento a 90 º también rotativo sobretodo en la parte de los ojos.

• Un sistema de corona-cremallera también para transmitir el movimiento en la posición central de las cejas.

• Un sistema a medida de doble coliso para adaptar el movimiento rotativo en boca y cejas

• Transmisión directa en el cuello.

Se han desechado:

• Todas las soluciones que no implican elementos habituales de compra o que se pueden conseguir fácilmente. La totalidad de los elementos se pueden adquirir en diversos proveedores y son de uso general.

• La solución mediante correas, como hemos podido ver en otros robots porque estos diseños:

o Son susceptibles de generar problemas de deslizamiento por el tensado de las mismas o por desgaste.

o Podrían llegar a ser difíciles de reparar en caso de rotura.

o Problemas de patinado que van surgiendo poco a poco o al generar movimientos segmentarios muy rápidos podrían dejar al sistema (en este caso el ojo) sin referencia de posición.

4.3.1 Engranajes cónicos.

Estos engranajes se han seleccionado en virtud de los siguientes criterios:

• Elementos pequeños. El diseño debe conseguir unas ciertas proporciones y no se sostiene con engranajes muy grandes.

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• El módulo vendrá un poco limitado por el criterio anterior en función de las soluciones que haya en el mercado. No es significativo usar uno u otro, ni siquiera por temas de resolución.

• La precisión, que no se requiere que sea muy elevada, la darán los servos.

• La relación de transmisión puede ser 1:1, dado que en cualquiera de los casos estudiados, el movimiento implica un giro inferior a 180º. Esto es totalmente admisible por los servos.

• El material debería proporcionar robustez y no ser muy pesada. Aunque después vimos que el material más estándar en el hierro. Por tanto, seleccionamos este material y después lo galvanizaremos o cincaremos en frío con un spray cualquiera. Finalmente vemos que el peso tampoco es exagerado para nosotros.

• Deben ser el formato cónico para poder transmitir la potencia a 90º como queremos.

Después de valorar todos estos criterios se ha seleccionado la figura siguiente:

Esquema 25. Engranaje cónico y su aplicación al proyecto.

Tipo Cónico recto tipo B Ángulo de presión 20 º Ángulo entre ejes 90º

Dientes 16 Módulo 1

Diámetro interior 4 mm Material C 43

Peso 0,02 kg.

Tabla 13. Características del engranje seleccionado.

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4.3.2 Corona-cremallera actuación centro de la ceja.

Para cada ceja, actuamos en cada una de las posiciones laterales con un sistema de coliso, que complementado con el propio del frontal de la ceja genera la posición única que nos interesa para el eje. Sin embargo, para la posición central diseñamos un sistema de cremallera-corona, que nos transforma el movimiento circular el longitudinal. Para esto último los criterios han sido los siguientes:

• La selección de los módulos viene condicionada a las dimensiones externas y a que, evidentemente, deben ser en los dos casos los mismos para que engranen.

• Por lo que respecta al material, nos pasa como en el elemento anterior. Finalmente seleccionados los elementos estándar en acero al carbón que son los que luego tendremos que cincar. El peso finalmente no resulta exagerado.

• La relación de transmisión podrá ser de 1. Dado que a 180º de trabajo del servomotor, tenemos una longitud lineal de trabajo a diámetro primitivo de 20,42mm (calculando la mitad de la longitud de la circunferencia). Dado que el coliso tiene una altura final de 16mm. El diseño es correcto.

• El tipo de corona debe ser cilíndrica para engranar bien, evidentemente, con la cremallera.

Tipo Corona

cilíndrica Cremallera

Ángulo de presión 20 º 20 º Dientes 13 1,6 Módulo 1 1

Diámetro interior a mecanizar - Material C 43 C 43 laminado

Peso 0,02 1,6 kg/m Tabla 14. Características corona y cremallera.

4.4 Rodamientos Se diseña el uso de rodamientos en dos posiciones. Por un lado en la parte más baja del “cuello” del robot, y por otro, en la unión entre las dos partes que conforman el propio pan-tilt.

Analizaremos, por tanto, el diseño y selección de estos dos elementos.

Podríamos haber considerado el uso de casquillos de fricción en vez de rodamientos. En este caso lo hemos descartado porque los rodamientos tienen algunas ventajas importantes para nosotros:

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• Escaso rozamiento, sobretodo en el arranque.

• Menor temperatura de funcionamiento.

• Menor tamaño a igualdad de carga.

• Facilidad y rapidez de recambio

Por otro lado consideraremos el uso de rodamientos de bolas en vez de rodillos. Esto es porque estos primeros presentan mayor precisión, bajo par torsional, baja vibración y trabajan a mayores velocidades.

Es definitiva por muy grande que sea el rodamiento, debe funcionar con el menor rozamiento posible para que los servos tengan suficiente fuerza para generar el movimiento. El peso lo debe poder aguantar la estructura, pero el rozamiento nos lo debe vencer el servo.

4.4.1 Rodamiento en la parte baja del cuello.

En esta posición tenemos varias posibilidades de uso, aún considerando todos los condicionantes anteriores. En esta parte de la estructura y después de observar el diseño tendremos:

• Cargas axiales generadas por el peso de la cabeza, tanto en estática como en dinámica y en el sentido de la gravedad.

• Cargas radiales por el hecho que la carga de la cabeza no está alineada con el centro del rodamiento, por lo tanto, generará momentos y esto a su vez fuerzas radiales.

• Finalmente, el movimiento de erguido y agachado de la cabeza generará fuerzas axiales dinámicas en el sentido paralelo o opuesto al gravitatorio en función del movimiento que sea.

Las velocidades de trabajo serán del orden de 160 º/s, esto es: 26,67 rpm. Esto es, como era de esperar, muy por debajo del máximo de trabajo de los rodamientos.

Buscaremos un rodamiento de modelo que sea lo más económico posible, considerando una marca de reconocido prestigio. Por otro lado, en cuanto al tamaño, hemos decidido que sea de diámetro interior 100mm. Esto se debe a que tiene que tener una buena estabilidad y permitir el paso de la transmisión hacia el chasis del robot actual y el paso del cableado de los elementos. En este diseño, el servo que realiza el giro genera un movimiento de toda su carcasa y la parte fija será el eje.

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El rodamiento no debe ser autoalineable, dado que el juego es perjudicial para el control de la posición y por posibles golpes que del sistema al cambiar de sentido.

Finalmente optamos por el modelo 6020-2RSR. Se trata de:

• Rodamiento rígido de bolas.

• Una de las versiones más estándar y comunes, si no la que más. Es decir, un rodamiento económico y común de encontrar.

• Permite cargas axiales y radiales. También lo permiten otras alternativas, como puedan ser la de 4 puntos de contacto, de bolas angular de doble hilera o el de bolas de contacto angular (dos puestos en tandem). De cualquier manera, estas otras soluciones son más caras, más pesadas, más voluminosas o todo.

• Obturadores de labio a ambos lados: lubricación de por vida y evitar la caída de grasa en otros elementos del robot.

• Jaula de chapa de acero.

• Peso ligero: 1,32 kg

• Diámetro interior 100 mm.

Según documentación del fabricante, las cargas son de 60.000 N en dinámico y 54.000 N en estático, con una velocidad máxima de 2.800 rpm.

Es evidente ver, sin hacer ningún cálculo, que las fuerzas calculadas en el apartado 4.3.1 no pueden generar valores de esfuerzo superiores a los indicados.

La razón de que haya tanta diferencia es que nos interesa darle una estabilidad a la estructura y que atraviesen varios elementos por el interior del hueco del eje, como puedan ser cableado y demás. No estamos dimensionando, por tanto, por capacidad sino por dimensiones.

4.4.2 Rodamiento para movimiento de inclinación del cuello.

Este rodamiento es el que está sujetando la horquilla que permite la inclinación de la cabeza. Las condiciones de trabajo serían muy similares aunque no iguales:

• Para eje de 5 mm

• Compacto.

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• Debe resistir el peso de la cabeza, menos el Pan-Tilt pero esta vez radialmente y no axialmente.

• No se describen cargas axiales significativas.

Finalmente optaremos por una solución similar a la anterior en características: 625-2RSR. Las razones son las mismas que en el apartado anterior.

En este caso, la capacidad de carga dinámica es de 1320N y la estática de 440N. La velocidad máxima será de 24.000 rpm. En este caso, el rodamiento también va claramente sobrado.

4.5 Uso final en lo que respecta a materiales. En lo que respecta a los materiales, con coherentes con el diseño y con la finalidad del producto. Ver anexo 9.9 Para comprobar el detalle de cada unidad.

Son coherentes por las siguientes razones:

• Es posible fabricar las piezas con esas dimensiones y formas. Queda corroborado esto dado que se han pedido precio a fabricantes y los elementos que no han tenido posibilidad de fabricación se han descartado por los mismos y los hemos vuelto a diseñar.

• Los fabricantes de estos elementos serían de ámbito local y nacional. No solo hay uno ni requiere de una máquina específica o similar.

• El peso de la cabeza no es exagerado para el conjunto.

• El coste de fabricación no es desorbitado en función de la amortización que se le pueda dar.

• Se han conseguido unas proporciones adecuadas para la cabeza.

4.6 Tolerancias. Se requiere para la fabricación de todos los elementos de la cabeza una tolerancia que está entre 0,25 y 0,5 mm. Es una tolerancia suficiente para el buen funcionamiento de la cabeza pero sin encarecer la producción.

De considerar precisiones más elevadas llegamos a un precio de la cabeza muy superior y no aportan beneficios añadidos. Al fin y al cabo, si la pupila del ojo se mueve 0,5 mm más arriba o abajo no va a variar el efecto de la expresión.

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4.7 Generación de expresiones. Para justificar la generación de expresiones vamos a comparar nuestro prototipo con el WE-4RII. Se puede ver el resultado en las fotografías de la 34 a la 48.

Fotografía 35/36. Felicidad.

Fotografía 37/38. Miedo.

Fotografía 39/40. Sorpresa.

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Fotografía 41/42. Tristeza.

Fotografía 43/44. Enfado.

Fotografía 45/46. Disgusto.

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Fotografía 47/48. Neutral.

Las conclusiones a comentar sobre esto son varias:

• Que el no tener carcasa exterior limita la expresividad. La disparidad de colores en los elementos y falta de una línea clara, por ejemplo en los ojos y la falta de acabados, genera que no se noten tan nítidamente las expresiones aunque estén.

• El prototipo es capaz de posicionar los puntos clave para la expresión en donde se necesita.

4.8 Justificación de posibilidades de movimiento mediante Matlab 6.5 ® Comprobaremos, mediante simulación las posibilidades de posicionamiento de los diferentes elementos.

En lo que respecta a los ojos tenemos una limitación de movimiento a ambos extremos de aproximadamente 45º. En este contexto las posibilidades de movimiento son las que se ven en la gráfica siguiente:

Figura 1. Gráfico 3D de las diferentes posiciones que puede tomar el iris del ojo.

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Considerando el centro del ojo en la posición 0,0 y el diámetro que tiene de 25mm. Los ángulos de trabajo son entre 45º y 135º según el diseño.

Cabe tener en cuenta que las cejas taparán parte del movimiento.

En cuanto a la posición horizontal de una de las comisuras de los labios es la que se puede ver en la gráfica siguiente:

Figura 2. Gráfico 3D de las diferentes posiciones de la boca en posición horizontal.

Consideramos el centro de la boca la posición (0,0). Tenemos el eje de uno de los servos en la posición (29.5,-22), considerando las unidades en mm. El ángulo de apertura va entonces desde 50º a 170º y algunas de las posiciones visibles son las que aparecen en la gráfica.

Finalmente, remarcamos el movimiento de la parte central de la ceja. En este sentido, se trata de la cremallera. El paso de la misma es 2,42 mm entre dientes, el piñón ya hemos visto que tiene 13 dientes y la simulación nos indica que con 180º aprox. que gire el servo sería suficiente. Para abarcar todo el recorrido.

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Figura 3. Gráfico 2D de la posición central de la ceja.

4.9 Solución adoptada del diseño.

4.9.1 Cuello

Para esta parte del diseño se ha optado por definir un sistema PAN-TILT, que permite los únicamente dos grados de libertad del cuello. En este sentido, la cabeza gira sobre su propio eje, se inclina y se echa hacia atrás.

El sistema incorpora el rodamiento haciendo de estructura de apoyo y los dos servos programables que generan cada uno un movimiento. La parte exterior del rodamiento es la fija y la interior la que permite el movimiento rotativo. El puente superior está actuado por el otro servo. En este último caso, el accesorio del servo es fijo y el movimiento se transmite a través del propio cuerpo del servo. La unión entre los mecanismos y el rodamiento de apoyo se materializa a través de un acoplamiento autoblocante. Todo ello se puede observar en la fotografía siguiente.

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Fotografía 49. PAN-TILT.

4.9.2 Boca

Para la boca se ha optado por un sistema de colisos (ver fotografía 50). En el frontal una pletina con un coliso en cruz que es atravesado por 4 ejes para formar las muecas de la cara. En la parte trasera se ha adaptado al servo un útil que acaba de definir el movimiento en altura del eje en función del eje que toma. Finalmente unos separadores para separar las dos placas, la de sujeción de los servos y la de actuación. Nótese que en la foto de este apartado aparece en transparente con línea roja la pletina frontal.

Fotografía 50. Boca.

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4.9.3 Cejas

Las cejas siguen un mecanismo equivalente al de la boca en sus dos entremos. En el centro, al tener menos espacio, se ha hecho a través de un sistema piñón-cremallera actuado a través de un servo. La pieza verde que se puede ver en la fotografia 51 forma parte del utillaje para evitarle esfuerzos innecesarios al sistema pero no tiene funcionalidad independiente. También en este caso hemos colocado separadores de las dos placas y en transparente se puede ser perfilado en rojo el coliso delantero. El resultado se puede observar en la fotografía 51.

Fotografía 51. Ceja.

4.9.4 Ojos y párpados

Los ojos (ver fotografía 52), que están constituidos por una esfera completa con un eje centrado, deslizan sobre si mismos a través de la pletina. Esta pletina delantera tiene hecho un chaflán diámetro 25 mm, es decir, del mismo diámetro que el ojo. La posición viene dada por un fleje perforado y un coliso mecanizado en una pieza (azul) que “trabaja” de manera concéntrica al ojo. Estas dos piezas, también evitan que se caiga el ojo, accionándolo a través del eje que lleva incorporado.

Los párpados están fabricados a través de varilla conformada. Son dos por ojo, superior e inferior. Se mueven de manera simétrica, con un solo grado de libertad a través de un sistema de 3 engranajes, un actúa directamente por acción del servo y hace girar los otros, uno en cada sentido para formar la apertura del ojo.

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Fotografía 52. Ojos y párpados.

4.9.4 Conjunto.

El conjunto final está consolidado de manera simple y ampliable a través de perfilería de aluminio, ángulos y algunas pletinas.

Tiene poco peso, es resistente y permite, a través de tuercas específicas de la misma marca el hacer añadidos a todo lo largo del perfil.

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JUSTIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN ADOPTADA

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Fotografía 53/54. Visión lateral del conjunto total.

Fotografía 55. Conjunto final. Vista superior.

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JUSTIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN ADOPTADA

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Fotografía 56. Conjunto final. Vista inferior.

En las fotografías anteriores se puede observar el acabado.

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PLANOS

101

5. Planos.

5.1 Plano de conjunto total.

5.2 Plano de conjunto y partes del PAN-TILT.

5.3 Plano de conjunto y partes de los ojos.

5.4 Plano del conjunto y partes de las cejas.

5.5 Plano de conjunto y partes de la boca.

5.6 Plano de accesorios.

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PRESUPUESTO

102

6. Presupuesto Un condicionante importante en todo proyecto es el factor económico y en nuestro caso no lo es menos. Sabiendo el coste de un proyecto se toman decisiones sobre el cuando llevarlo a cabo, si es viable o no lo es, la duración que se le debe dar al proyecto para evitar dejar a la empresa económicamente limitada, el precio de venta del producto, la capacidad que tendrá la empresa para recuperar la inversión… Por tanto, este dato, es útil para definir completamente el proyecto y lo será más en un futuro para llevarlo a cabo a través de m-BOT Solutions SL.

6.1 Criterios de coste. Los precios están extraídos, por lo que respecta a la parte mecánica, de la empresa Bandas Tarragona SL. La parte de electrónica se ha valorado a partir de páginas web de diversa índole. No todas las piezas tendrían un coste óptimo hecho a partir de directamente la empresa indicada (por los medios de que dispone), por lo que en algunos casos se subcontrata a terceros. Esto no tiene por qué encarecer necesariamente el producto dado que estos son proveedores habituales y eso comporta un precio más ajustado que el que podría pedir m-BOT Solutions SL. directamente sin ser cliente habitual. Entonces, al final, todo se compensaría. De la misma manera, hay veces que las empresas subcontratadas no disponen como material habitual de ciertos productos plásticos. Bandas Tarragona SL dispone en stock de estos productos y son habituales en uso y mecanizado con lo que hay un abaratamiento del coste en este punto. Todo ello dejando de lado la facilidad por el conocimiento de los mismos.

Evidentemente que la empresa m-BOT Solutions SL. puede pedir precios y las piezas a donde considere, pero el coste por la fabricación será de este orden de magnitud y tenderá a ser inferior en función de las negociaciones que se hagan y la eficiencia en el montaje.

Finalmente, este dato busca ser muy orientativo del coste del producto sin ser exacto dado que hay muchos factores que influyen en el precio. El paso del tiempo también lo podría llegar a incrementar o decrementar en función de la evolución económica. Todo ello no le resta utilidad, simplemente hay que tener en cuenta estas consideraciones anteriormente indicadas.

Uni Tipo Descripción Unitario Parcial 1 Parte RODAMIENTO R6020-2RSR FAG 75,00 € 75,00 € 1 Parte PANTILTAPA 51,24 € 51,24 € 1 Parte PANTILTCASC 35,24 € 35,24 € 1 Parte ACOPL10065X95 89,00 € 89,00 € 1 Parte PANTILTBASE 60,50 € 60,50 € 1 Servo RX64T 214,62 € 214,62 € 1 Parte RX-46TJUNT 24,77 € 24,77 € 2 Parte RODEJE5 R625-2RSR FAG 1,70 € 3,40 € 2 Parte PASADOR30MM 35,71 € 71,43 € 1 Parte PANTILTORRE 62,54 € 62,54 € 1 Servo RX64T 214,62 € 214,62 €

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

PRESUPUESTO

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1 Parte RX-46TJUNT15MM 30,63 € 30,63 € 25 Parte SEEGER 0,30 € 7,50 € 1 Parte COLISOBOCA 24,77 € 24,77 € 10 Servo FUTABAS3154 30,00 € 300,00 € 2 Parte BIELASERVOBBOCAH2 51,24 € 102,49 € 8 Servo FUTABAS3154CRUZ 0,00 € 0,00 € 16 Parte BOCASUJETA 50,00 € 800,00 € 8 Parte EJEPARED10 25,71 € 205,71 € 2 Parte BIELASERVOBBOCAH 51,24 € 102,48 € 1 Parte BOCABACK 30,63 € 30,63 € 9 Parte BOCAESPAC 18,57 € 167,14 € 1 Parte GAFAS 52,26 € 52,26 € 2 Parte OJOCOLMOV 122,00 € 244,00 € 2 Parte OJOSFLEFE 42,00 € 84,00 € 2 Parte OJOS 37,00 € 74,00 € 1 Parte OJOSPARDADO2 89,00 € 89,00 € 10 Parte OJOSOPEJEFLE 44,00 € 440,00 € 11 Parte EJEAUX5 22,86 € 251,43 € 4 Parte OJOSOPEJEFLEB 42,00 € 168,00 € 2 Parte OJOSPARDADO 89,00 € 178,00 € 14 Parte CONICO_OJOS 21,64 € 303,00 € 1 Parte OJOSPARDADO2B 89,00 € 89,00 € 1 Parte OJOSSOPCENT 25,36 € 25,36 € 6 Servo FUTABAS9254 75,00 € 450,00 € 1 Parte OJOSBACK 51,24 € 51,24 € 4 Parte OJOSESPAC 40,00 € 160,00 € 6 Parte OJOSEJESERV 17,86 € 107,14 € 2 Parte COLISOCEJAS2 24,77 € 49,54 € 4 Parte BIELASERVOCEJA 51,24 € 204,97 € 2 Parte PRT0001 0,86 € 1,71 € 2 Parte EJECUADRAD2 52,27 € 104,54 € 2 Parte A1-573-03-2-2505MM 1,00 € 2,00 € 2 Parte A1-573-03-2-250 7,51 € 15,03 € 2 Parte CEJASTAPON 38,77 € 77,54 € 2 Parte CEJASCUNA 24,77 € 49,54 € 2 Parte CEJASBACK 24,77 € 49,54 € 1 Parte TOTALPLETINA3 23,65 € 23,65 € 1 Parte TOTALPLETINA3B 23,65 € 23,65 € 1 Parte PB30X60 3,87 € 3,87 € 1 Parte PB30X60B 3,87 € 3,87 € 8 Parte ESC20X20 0,62 € 4,96 € 1 Parte PB30X60C 0,57 € 0,57 € 1 Parte TOTALPLETINAC_C1 26,25 € 26,25 € 1 Parte TOTALPLETINAC_C2 26,25 € 26,25 € 2 Parte TAPETAS 30X30 FASTEN 0,45 € 0,90 € 1 Accesorios CONTROLADORA SD84 S310190 75,55 € 75,55 €

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

PRESUPUESTO

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2 Montaje MOLYKOTE PG-65 PLASTISLIP (bote 1kg)

49,00 € 98,00 €

2 Montaje ADHESIVO PEKECHO MP06 107,00 € 214,00 €

2 Montaje ADHESIVO ARALDITE® 2011 50 ML

80,66 € 161,32 €

1 Montaje TORNILLERIA 125,00 € 125,00 € COSTE TOTAL MATERIALES 6.782,40 €

Tabla 15. Coste total de los materiales a emplear.

A destacar, que algunas de las posiciones tienen coste 0. Solo significa que el coste viene incluido en otro de la propia lista.

Por otro, considerando un coste de 22 €/h (un importe bastante habitual) y un periodo de montaje y ajuste de 1 semana, tendríamos una aproximación al importe de montaje de 880€. El resultado final consideramos que es:

Descripción Importe Materiales 6.782,40 € Mano de obra 880 € Imprevistos 10% 766,24 €

TOTAL 8.428,64€ Tabla 16. Coste final del producto.

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CONDICIONES DE MONTAJE

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7. Condiciones de montaje. Conviene hacer toda una serie de aclaraciones finales para el montaje de la cabeza robótica. Son de alto nivel de detalle pero que pueden llegar a facilitar al montador la resolución del trabajo.

7.1. Lubricación. Es importante mantener una disciplina de mantenimiento y lubricación de la cabeza robótica.

Haciendo esto evitaremos fricciones innecesarias, ruido que puede interferir en la expresividad del producto, la rotura de piezas, el desgaste de las mismas, la generación de calor…

Para la lubricación de las uniones engranadas mecánicas se usará un producto de tipo aceite genérico existente en el mercado, que pueda trabajar a una temperatura no inferior a 60º C conservando sus facultades.

Para los colisos, y resto de uniones entre plásticos y metales o totalmente plásticas, usaremos el MOLYKOTE® PG-65 Plastislip o un equivalente. Este producto nos garantiza la compatibilidad con los plasticos, con lo que no los va a deteriorar.

Los rodamientos vienen cerrados y con lubricación de por vida. No requieren lubricación añadida.

7.2. Montaje de los ejes de los servomotores y análogos. Dado que las dimensiones de los ejes son extremadamente pequeñas, del orden de los 4mm, no es posible ni viable la fabricación de chaveteros y chavetas. En ese sentido se usarán los adhesivos que se indican o sus equivalentes:

• PEKECHO MP06: Para el caso de uniones plásticas o plástico-metal.

• ARALDITE® 2011: Para el caso de uniones metálicas.

Se adjuntan en el anexo 9.4/9.5 sus fichas técnicas para ver sus posibilidades.

7.3 Montaje sobre cabeza existente. Para el montaje sobre el robot existente se deberá adaptar un soporte que una la encajadura del rodamiento inferior existente y la perfilería de aluminio anodizado que forma la estructura superior del robot actual.

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CONDICIONES DE MONTAJE

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7.4 Protección contra la corrosión de elementos de acero al carbón. Es necesario proteger contra la corrosión todos los elementos que mecánicos que no presenten ya un acabado superficial para ello. En este sentido, simplemente se dará un cincado o un galvanizado a los mismos a través de métodos manuales y un spray estándar.

7.5 Acabados estéticos exteriores. Los acabados estéticos exteriores se finalizarán con la inclusión de la cubierta de esponja esculpida según necesidades y la colocación de cordones elásticos o elementos análogos entre los ejes de los diferentes colisos. También se colocará algún tipo de malla estática o tela también elástica que permita modelas por parpados.

Estos son todos elementos estéticos que ayudarán a la mayor expresividad de la cabeza pero que no son objetivo de este proyecto, aunque si que se han tenido en cuenta.

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CONCLUSIONES

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8. Conclusiones Finalmente se ha conseguido el objetivo marcado al inicio del proyecto. En este sentido disponemos de un diseño con las siguientes características:

• Es capaz de transmitir emociones al interlocutor.

• Se trata de un diseño con elementos que se pueden adquirir fácilmente en la provincia de Tarragona o Barcelona. Puede ser que alguno de los productos sea más cómodo adquirirlo por Internet, que directo en tienda.

• Con información sobre el montaje, diseño y planos de todos los elementos.

• Con información del coste del conjunto.

• Ampliable en un futuro añadiéndole la parte estética y, en un segundo término, la tecnología que le permita interpretar las expresiones emocionales humanas.

Por otro lado, desde el punto de vista del procedimiento seguido para llegar a la solución tenemos que:

Ha sido muy positivo (incluso lo calificaría de imprescindible) el trabajar con psicólogos dado que:

• Es indiscutible la utilidad del proyecto para fines sanitarios. Por tanto, el usuario del producto es quien mejor sabe lo que necesitaría. Por otro lado, el uso sanitario diversifica el mercado de la cabeza robótica y se debe tener en cuenta comercialmente.

• Desde el punto de vista de uso general (museos, ferias, actos divulgativos en general…) es importante la opinión de un psicólogo. Esta sería la vertiente no clínica de la opinión del especialista.

• La parte de la expresividad no es juzgable a partir de un criterio técnico. En este sentido, queda un poco fuera del alcance de la mayoría de las ingenierías. Es más bien del campo del arte o de la psicología. En este sentido, la actuación lógica desde un punto de vista de un proyecto real de ingeniería sería el asesorarse y considerar al psicólogo como especialista del tema.

El contacto con Albert Coma ha aportado las siguientes ventajas:

• Es un perfil accesible, es decir, trato de igual a igual. Perfiles de grandes multinacionales podrían no serlo.

• Acostumbrado a trabajar con materiales que están a nuestro alcance fácilmente. Es decir, no se da el caso de que utilice materiales altamente novedosos. Eso implicado que sus observaciones y conocimientos nos son útiles.

• El perfil del proyecto ha resultado ser muy similar al nuestro, con lo que lo podemos tomar como modelo.

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CONDICIONES DE MONTAJE

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• Ha resultado ser una persona con mucha experiencia ejecutiva. Esto se puede observar en su proyecto “MARCEL” en el que vemos desarrollado el conocimiento.

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ANEXOS

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9. Anexos Se han incluido toda una serie de anexos a este proyecto en formato digital. Estas informaciones no son de consulta imprescindible para el completo entendimiento del proyecto, sino que constituyen más bien un elemento accesorio para ampliar la información.

9.1 Grabación de la reunión con los psicólogos. Ver archivo en CD adjunto.

9.2 Proyectos y referentes de Albert Coma. Ver archivo en CD adjunto.

9.3 Información sobre MOLYKOTE® PG-65 Plastislip. Ver archivo en CD adjunto.

9.4 Ficha técnica adhesivo PEKECHO MP06. Ver archivo en CD adjunto.

9.5 Ficha técnica adhesivo Araldite. Ver archivo en CD adjunto.

9.6 Flyer ilustrativo de la misión de RoinBot. Ver archivo en CD adjunto.

9.7 Archivos de 3D en Pro/Engineer® Wildfire 4.0. Ver archivos en CD adjunto.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

110

9.8 Guión preguntas para los psicólogos. CUESTIONARIO PARA ENTREVISTA DEFINICIÓN PSICOLÓGICA DE LA CABEZA ROBÓTICA

Con esta batería de preguntas buscamos criterios que nos permitan enfocar el diseño y construcción de una cabeza robotizada. Esta cabeza se incorporará a un robot-panel informativo que se usa habitualmente en convenciones, ferias, museos…etc

Está claro que de este tema se podría hablar en una cantidad inmensa de ámbitos y aspectos y se podrían sacar conclusiones de muchos tipos pero nuestro interés es focalizar el tema en cuanto a la interacción con el ser humano (adulto, de mediana edad, joven, adolescente, anciano, hombre o mujer). La finalidad que se busca encontrar con este PFC es la de conseguir una interacción hombre-máquina:

� Más fiel, � Larga en caso de quererla (poder mantener la atención del interlocutor el tiempo

que se desea o el máximo del tiempo que se intente), � Efectiva (que la información transmitida sea asimilada por el interlocutor de

manera tan rápida y clara como si la transmitiera una persona que se explica perfectamente),

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

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� Didáctica (que permita informar correctamente y, por ejemplo, no distraiga de la adquisición de información) y

� A poder ser que estos elementos sean posteriormente claramente justificables de cara a un posible comprador.

Este criterio, y no otros deben guiar las opiniones psicológicas. Al final de esta reunión, conseguiremos los objetivos de la misma si podemos concretar el mayor número de criterios no-técnicos posibles para los fines anteriores. Estos se cruzarán con otros criterios de tipo técnico, económico, comercial…etc

Pasamos en este punto a formalizar las preguntas que para nosotros son mínimas y clave en este tema.

A la hora de realizar el diseño de una cabeza robótica:

1. La literatura a veces nos indica que un aspecto visual muy complejo y posteriormente una respuesta interactiva poco compleja de la cabeza podría provocar frustración y desinterés en el interlocutor. En cuanto a la complejidad de la cabeza: ¿Qué es más interesante que tenga un aspecto: - Lo más humano posible (dos orejas, una nariz….etc)? - De humanoide (equivalente robot a un humano)? - De robot sin tener porque parecerse a una humano? - Abstracto con comunicación simplista a través de símbolos (♥☺☻☼�) - De un determinado animal? - De un determinado objeto (por ejemplo, relacionado con el evento)?

2. ¿ Que es más beneficioso para nuestro fin, que sea una cabeza con rasgos masculinos, femeninos o andrógenos?

3. ¿ Que tamaño aproximado debería tener la cabeza con referencia a una cabeza

humana?

4. ¿Sería conveniente poder generar sonidos/ruidos y/o luces a través del dispositivo? 5. Desde el punto de vista del interlocutor, ¿requeríamos de diversos diseños en

función de: - La edad del mismo? - La tipología de la convención, museo, feria…o actividad para la que se usaría? - El sexo del mismo? - El horario de la actividad, dado que la atención del interlocutor se ve afectada

por el cansancio entre otros factores?

6. ¿Debería el equipo estar fabricado en unos materiales específicos? 7. ¿Debería el equipo presentar unos colores determinados que favorecieran alguno de

los temas hablados anteriormente?

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ANEXOS

112

8. ¿Debería el equipo estar preparado para poder tocarlo y/o transmitir sensaciones al

tacto? 9. ¿Qué distancia de interlocución debería mantener con la persona?

10. El canal de transmisión sería más ventajoso si fuera a través de:

- Sistemas simples de colores o símbolos. - Sonidos simples. - Sistema fonético de una lengua determinada: catalán, castellano…etc - La pantalla de visualización de datos del dispositivo. (en este caso la cabeza

serviría de reclamo únicamente. - Sistema gesticular. - Una combinación de los anteriores.

Ordenar este conjunto de soluciones de la que mejor resultado daría a la que peor, teniendo en cuenta que conocemos únicamente su aspecto:

1 2 3

A

B

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ANEXOS

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C

D

E

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ANEXOS

114

F

G

H

9.9 Bill of Materials con detalle de los pesos considerados elemento a elemento. Estos son los cálculos de los pesos, elemento por elemento de la cabeza. Se han utilizado en el apartado 4 para justificar la solución adoptada. En este punto se muestran con una resolución de dos decimales.

Como ya se ha indicado anteriormente, se realizan del lado de la seguridad evitando ir mucho al detalle. Por ejemplo, el peso de la pletina de PE que constituye el coliso de la boca, no se ha considerado la mecanización del coliso a efectos de peso del mismo. De esta manera, se simplifica el calcula, no se pierde generalidad y se va del lado de la seguridad.

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ANEXOS

115

Los resultados de todo ello se puede ver en las tablas a continuación.

Las densidades de los elementos son las siguientes:

Polietileno (PE) 950 Acero inoxidable AISI 304 (INOX) 8.000 Acero al carbón cincado en frío (AC) 7.850 Poliamida / Nylon (PA) 1.140

Tabla 17. Densidad de los materiales en Kg/m3.

Ensamblaje TOTAL contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Subensam. PANTILT 4,83 4,83 1 Subensam. BOCA 0,31 0,31 1 Subensam. OJOSMEC2 1,17 1,17 2 Subensam. CEJAS 0,59 1,18 1 Parte BOCAESPAC 10 26 INOX 0,02 0,02 1 Parte TOTALPLETINA3 70 12 2 AC 0,01 0,01 1 Parte TOTALPLETINA3B 70 12 2 AC 0,01 0,01 1 Parte PB30X60 ref. 5018 200 AL 0,05 0,05 1 Parte PB30X60B ref. 5018 60 AL 0,02 0,02 8 Parte ESC20X20 ref. 53301 AL 0,01 0,10 1 Parte PB30X60C ref. 5018 38 AL 0,01 0,01 1 Parte TOTALPLETINAC_C1 70 6 0,75 AC 0,00 0,00 1 Parte TOTALPLETINAC_C2 30 45 0,75 AC 0,01 0,01 2 Parte TAPETAS 30X30 Ref. 5508 AL 0,00 0,01

TOTAL

ENSAMBLAJE: 7,72

Tabla 18. Listado de partes del ensamblaje completo.

Subensam. PANTILT contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Subensam. RODAMIENTO R6020-2RSR RODAM. 1,32 1,32 1 Parte PANTILTAPA 160 25 PE 0,48 0,48 1 Parte PANTILTBASE 300 5 40 AC 0,47 0,47 1 Parte RX64T SERVO 0,13 0,13 1 Parte RX-46TJUNT 65 40 3,5 PA 0,01 0,01 2 Subensam. RODEJE5 R625-2RSR RODAM. 0,01 0,01 2 Parte PASADOR30MM 15 45 INOX 0,06 0,13 1 Parte PANTILTORRE 245 5 40 AC 0,38 0,38

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ANEXOS

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1 Parte RX64N SERVO 0,13 0,13 1 Parte RX-46TJUNT15MM 60 40 25 PA 0,07 0,07 4 Parte SEEGER AC 0,00 0,00 1 Parte PANTILTCASC 100/95 24 AC 0,21 0,21 1 Parte ACOPL10065X95 65/95 32 AC 1,50 1,50

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 4,83

Tabla 19. Listado de partes del subensamblaje del PAN-TILT.

Subensam. BOCA contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Parte COLISOBOCA 150 70 6 PE 0,06 0,06 1 Subensam. BOCASERVOYBIELA 0,02 0,02 4 Parte EJEPARED10 9 26,5 INOX 0,01 0,05 1 Subensam. BOCASERVOYBIELAV 0,02 0,02 1 Subensam. BOCASERVOYBIELA2 0,02 0,02 1 Subensam. BOCASERVOYBIELAV2 0,02 0,02 1 Parte BOCABACK 150 70 6 PE 0,06 0,06 4 Parte BOCAESPAC 10 26 INOX 0,02 0,07

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,31

Tabla 20. Listado de partes del subensamblaje de la boca.

Subensam. BOCASERVOYBIELA / BOCASERVOYBIELA2 contiene:

DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT.

UNITARIO (Kg)

PARCIAL (Kg)

1 Parte FUTABAS3154 SERVO 0,01 0,01 1 Parte BIELASERVOBBOCAH2 10 10 80 PE 0,01 0,01 1 Parte FUTABAS3154CRUZ PA 0,00 0,00 2 Parte BOCASUJETA 24 13 1 CINCADO 0,00 0,00

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,02

Tabla 21. Listado de partes del subensamblaje de un conjunto de potencia y transmisión de la boca.

Subensam. BOCASERVOYBIELAV / BOCASERVOYBIELAV2 contiene:

DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT.

UNITARIO (Kg)

PARCIAL (Kg)

1 Parte FUTABAS3154 SERVO 0,01 0,01 1 Parte BIELASERVOBBOCAH 10 10 50 PE 0,00 0,00 1 Parte FUTABAS3154CRUZ PA 0,00 0,00 2 Parte BOCASUJETA 24 13 1 AC 0,00 0,00

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,02

Tabla 22. Listado de partes del subensamblaje del otro conjunto de potencia y transmisión de la boca.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

117

Subensam. OJOSMEC2 contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Parte GAFAS 200 100 5 PE 0,10 0,10 2 Parte OJOCOLMOV 35 60 10 PE 0,02 0,04 2 Parte OJOSFLEFE 65 15 0,5 AC 0,00 0,01 2 Parte OJOS 25 PE 0,00 0,00 1 Parte OJOSPARDADO2 3 150 AC 0,01 0,01 5 Parte OJOSOPEJEFLE 70 16 0,5 AC 0,00 0,02 6 Parte EJEAUX5 5 20 INOX 0,00 0,02 4 Parte OJOSOPEJEFLEB 50 6 0,5 AC 0,00 0,00 2 Parte OJOSPARDADO 3 100 0,25 AC 0,01 0,01 14 Parte CONICO_OJOS AC 0,02 0,28 11 Parte SEEGER AC 0,00 0,00 5 Subensam. OJOSEJE 0,01 0,07 1 Parte OJOSPARDADO2B 3 150 AC 0,01 0,01 1 Parte OJOSSOPCENT 66 55 5 PE 0,02 0,02 6 Parte FUTABAS9254 SERVO 0,05 0,29 1 Parte OJOSBACK 200 100 6 PE 0,11 0,11 4 Parte OJOSESPAC 10 48 INOX 0,03 0,12 6 Parte OJOSEJESERV 8 23 INOX 0,01 0,06

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 1,17

Tabla 23. Listado de partes del subensamblaje de los ojos.

Subensam. OJOSEJE contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Parte EJEAUX5 5 20 INOX 0,00 0,00 2 Parte SEEGER AC 0,00 0,00 1 Parte OJOSOPEJEFLE 70 16 0,5 AC 0,00 0,00

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,01

Tabla 24. Listado de partes de un subensamblaje utilizado para modelar varias partes de los ojos.

Subensam. CEJAS contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Parte COLISOCEJAS2 100 27,5 5 PE 0,01 0,01 1 Subensam. CEJASERVOYBIELA 0,02 0,02 2 Parte EJEPARED10 9 26,5 INOX 0,01 0,03 1 Subensam. CEJASERVOYBIELA2 0,02 0,02 1 Parte FUTABAS3154 SERVO 0,01 0,01 1 Parte PRT0001 AC 0,02 0,02 1 Parte EJECUADRAD2 14 21,75 INOX 0,03 0,03

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

118

1 Parte A1-573-03-2-2505MM AC 0,00 0,00 1 Parte A1-573-03-2-250 AC 0,40 0,40 1 Parte CEJASTAPON 8 15 PE 0,00 0,00 1 Parte CEJASCUNA 14 20 5 PE 0,00 0,00 1 Parte CEJASBACK 120 45 5 PE 0,03 0,03 2 Parte BOCAESPAC 10 26 INOX 0,02 0,03

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,59

Tabla 25. Listado de partes del subensamblaje de las cejas.

Subensam. CEJASERVOYBIELA contiene: DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT. UNITARIO

(Kg) PARCIAL

(Kg) 1 Parte FUTABAS3154 SERVO 0,01 0,01 1 Parte BIELASERVOCEJA 10 10 45 PE 0,00 0,00 1 Parte FUTABAS3154CRUZ PA 0,00 0,00 2 Parte BOCASUJETA 24 13 1 AC 0,00 0,00

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,02

Tabla 26. Listado de partes del subensamblaje de un conjunto de potencia y transmisión de las cejas.

Subensam. CEJASERVOYBIELA2 contiene:

DIMENSIONES (mm) PESO

UNI. TIPO DESCRIPCIÓN DIAM. A B C MAT.

UNITARIO (Kg)

PARCIAL (Kg)

1 Parte FUTABAS3154 SERVO 0,01 0,01 1 Parte BIELASERVOCEJA 10 10 45 PE 0,00 0,00 1 Parte FUTABAS3154CRUZ PA 0,00 0,00 2 Parte BOCASUJETA 24 13 1 AC 0,00 0,00

TOTAL

SUBENSAMBLAJE: 0,02

Tabla 27. Listado de partes del subensamblaje del otro conjunto de potencia y transmisión de las cejas.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

119

9.10 Código aplicado en el cálculo con Matlab ® y resultados numéricos. Seguidamente se adjunta el código que ha servido para hacer la justificación de los movimientos de los elementos. Se ha considerado como evidente el movimiento del Pan-Tilt y el resto se han simulado. El de los laterales de las cejas y de la boca son equivalentes en funcionamiento.

clear; x0=0; y0=0; z0=0; r=25; axis square; title('POSICION IRIS DEL OJO'); i=(pi/4); h=(pi/4); hold on; while i<(pi*3/4)

while h<(pi*3/4) X=x0+(r*sin(i)*cos(h)); % Ec. paramétricas de la e sfera. Y=y0+(r*sin(i)*sin(h)); Z=z0+(r*cos(i)); plot3(X,Y,Z); h=h+0.05;

end i=i+0.05; h=0;

end % Movimiento de la boca en posición horizontal. h=1; figure; axis square; hold on; i=(50*pi/180); ejeserv=[104.5,-22]; % Posicion del eje del servomotor while i<(168*pi/180)

angserv=i; % Angulo de inclinacion del servo angcalc=(pi/2)-angserv; base(h)=abs(ejeserv(2))*sin(angcalc)/sin(angserv);

plot(base(h)+ejeserv(1),0);

i=i+0.05;

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

120

h=h+1; end title('BOCA POSICION HORIZONTAL'); % Movimiento ceja a través de punto central de la m isma asimilable a la % del ojo mismamente. figure; axis square; hold on; diametro=5 z=13; paso=pi*2*diametro/z; angpaso=(2*pi)/z; % Se calcula el paso en tre dientes de la rueda dentada y su longitud. % Se relaciona todo ell o con el angulo de giro. i=0; while i<(183/180*pi) plot(0,i/angpaso*paso); i=i+0.05; end title('POSICION DE CEJA CENTRO'); hold off;

Código 1. Programa de Matlab® para simulación de movimientos.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

121

9.11 Información útil para la programación de la tarjeta controladora.

9.11.1 Registros internos

Hay tres registros internos asociados con cada uno de los 84 canales:

Un registro “Mode” (1 byte) que define el modo de trabajo del canal, INPUT, OUTPUT_LOW,OUTPUT_HIGH, SERVO o ANALOGUE ( ENTRADA, SALIDA BAJA, SALIDA ALTA, SERVO O ANALOGICA)

Un registro “Servo” ( 2 byte) que define la posición del servo en µs. El registro “Servo” es un número entero (dos bytes). que representa la posición en formato byte bajo/alto.

Un registro “Speed” (1 byte) que define la velocidad a la que el servo cambia de posición.

9.11.2 Resumen de comandos

Seguidamente vemos el resumen de los comandos.

Dec Hex Comando Descripción Respuesta

1 0x01 SET_SERVO Establece la posición en µs de 1 a 84 servos.

1 Byte, código de error.

2 0x02 GET_SERVO Devuelve la posición actual (en µs) de un único servo.

2 Bytes, Posición del servo.

3 0x03 SET_SPEED Configura la velocidad de movimiento del 1 al servo 84.

Ver Códigos de Error.

4 0x04 SET_MODE Configura el modo de los canales 1 al 84, no analógicos.

1 Byte, código de error.

5 0x05 GET_MODE Devuelve el modo actual de un canal único.

1 Byte.

6 0x06 SET_AD_CNT

Configura el número de canales analógicos desde el 0 al 36. También configura el modo para el canal a analógico.

Ver Códigos de Error.

7 0x07 GET_AD_CNT Devuelve los números de la configuración de los canales analógicos actuales.

1 Byte, Números de canales analógicos.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

122

8 0x08 GET_INPUT Devuelve el estado de una única entrada.

1 Byte, 0x00 para bajo , 0xFF para alto

9 0x09 GET_ADC Devuelve el valor actual de un canal analógico.

2 Bytes, primero byte bajo, y luego el byte alto.

10 0x0A GET_VERSION Devuelve el número versión del chip del procesador seleccionado.

2 Bytes, primero el tipo de módulo y luego el número de versión.

21 0x15 GET_BULK Utilizado para test de calidad. Devuelve 21 entradas codificadas.

3 Bytes, 21 entradas de la CPU seleccionada

22 0x16 TEST Utilizado para test de calidad.

Tabla 28. Resumen de comandos de la controladora SD-84

9.11.3 SET_SERVO (0x01)

Este comando configura la posición de los servos en µs. El rango normal para un servo es 1000 µs a 2000 µs siendo la posición central 1500 µs. Aunque la mayoría de los servos irán más allá. En un servo Hitec HS422 podemos configurar la posición desde 800 a 2200 para dar un amplio rango de movimiento. Se debe tener cuidado pues es fácil que el servo se tope con su parada interna si le da impulsos amplios a los extremos superior o inferior. El SD84 no restringe los valores escritos, por lo que se no previene esto. Cada valor de servo es un número entero de 16 bits. Para configurar el canal 1 a 1500 µs (Centro el Servo). El comando formado es:

Sinc1 Sinc2 Sinc3 Comando Primer Canal

Nº Bytes

Byte Bajo

Byte Alto

0xAA 0xA 0x55 0x01 0x01 0x02 0xDC 0x05 Tabla 29. Trama del comando SET_SERVO (0x01).

Los primeros tres bytes son de sincronización y los necesitan todos los formatos de comandos. El siguiente es el SET_SERVO, para configurar el servo. El siguiente indica el número del canal del primer servo. En este caso canal 1. El séptimo es el contador: 2 bytes por canal para la configuración de la posición del servo. El valor 1500 decimal es 0x05DC en hexadecimal, por lo que inicialmente se envía 0xDC. Finalmente nosotros enviamos el byte más alto, 0x05.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

123

Algunos números de canales continuos pueden ser configurados con un comando SET_SERVO (Configuración de Servos). Por ejemplo para configurar los canales 37 y 38 para 1000 µs (0x03E8) y 2000uS (0x07D0), deberá enviar:

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Primer Canal

Nº Bytes

Byte bajo Canal 37

Byte alto Canal 37

Byte bajo Canal 38

Byte alto canal 38

0xAA 0xA0 0x55 0x01 37 4 0xE8 0x03 0xD0 0x07 Tabla 30. Ejemplo de comando SET_SERVO (0x01).

Si se quiere hacer lo mismo en los canales 37 y 51, se deberán enviar dos formatos de comandos. No se puede hacer todo en un formato porque los canales no son continuos. Después de que el byte final sea enviado, el SD84 responderá con un código de error de un byte simple. Si todo está correcto este será Ok. Ver el código de errores para los detalles.

9.11.4 GET_SERVO (0x02)

Este comando obtiene la posición del servo en µs.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Nº Bytes 0xAA 0xA0 0x55 0x02 23 0x00

Tabla 31. Ejemplo del comando GET_SERVO (0x02).

El ejemplo de arriba devolverá la posición del servo del canal 23. Se debe tener en cuenta que el contador del byte debe ser cero (0x00) porque no está enviando ninguna información al SD84. La respuesta desde el SD84 será dos bytes, el byte bajo primero y después el byte alto. Por ejemplo si se tiene configurada la posición en 1500 µs (0x05DC en hexadecimal) se deberá recibir 0xDC, 0x05. Al contrario que el comando SET SERVO, el GET SERVO solo puede trabajar con un canal único. Para recuperar la posición de múltiples canales se deberán obtener individualmente.

9.11.5 SET_SPEED (0x03)

Configura la velocidad a la que el servo se moverá a la nueva posición.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Primer Canal Nº Bytes Velocidad 0xAA 0xA 0x55 0x03 71 1 10

Tabla 32. Ejemplo del comando SET_SPEED (0x03).

El ejemplo de arriba configura la velocidad del canal 71 a 10.

Este es el registro de velocidad a la cual los servos se mueven a su nueva posición. Los impulsos de los servos son enviados automáticamente cada 20 ms. Si la velocidad del registro es cero (0x00) entonces el servo está configurado a la máxima velocidad. Al encender el circuito, los registros de velocidad están configurados a cero para dar plena velocidad, por eso, a menos que se necesite disminuirlos, la velocidad de los registros

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

124

pueden ser ignorada. Si la velocidad registro está configurada a un valor diferente de cero entonces el valor es añadido a la posición actual cada 20 ms hasta que se alcanza la posición deseada.

Como con el comando SET SERVO, el comando SET SPEED permite configurar de 1 a 84 canales de forma simultanea.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Primer Canal

Nº Canales

Canal 1

Canal 2

Canal 3

0xAA 0xA0 0x55 0x03 71 3 9 10 11 Tabla 34. Ejemplo 2 del comando SET_SPEED 0x03.

El ejemplo superior configura el canal 71 a velocidad de 9, canal 72 a velocidad 10 y canal 73 a velocidad 11.

9.11.6 SET_MODE (0X04)

Este comando se utiliza para configurar el Modo de funcionamiento de los 84 canales. No puede utilizarse con los canales que estén seleccionados como analógicos, para hacer eso deberá utilizar el comando SET_AD_CNT. Este comando seleccionará entre los modos INPUT (Entrada), OUTPUT_LOW (Salida a nivel 0), OUTPUT_HIGH (Salida a nivel Alto) o modo SERVO (Modo servo para controlar servomotores).

El siguiente ejemplo configura el canal 1 para INPUT_MODE, canal 2 para OUTPUT_MODE 0, canal 3 para OUTPUT_MODE 1 y canal 4 para SERVO_MODE.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Primer Canal

Nº de

Bytes Modo1 Modo2 Modo3 Modo4

0xAA 0xA0 0x55 0x04 1 4 23 21 22 25 Tabla 34. Ejemplo del comando SET_MODE (0X04).

9.11.7 GET_MODE (0x05)

Este comando obtiene el Modo de funcionamiento actual para un único canal.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Nº de byte 0xAA 0xA0 0x55 0x05 15 0x00

Tabla 35. Ejemplo del comando GET_MODE (0x05).

El ejemplo de arriba devuelve el modo actual del canal 15. La respuesta del SD84 será 1 byte. A diferencia del comando SET_MODE, el GET MODE solo puede trabajar con un canal único cada vez. Para recuperar el modo actual de canales múltiples se deberan obtener individualmente.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

125

9.11.8 SET_AD_CNT (0x06)

Este comando configura el número de canales analógicos disponibles. El SD84 utiliza 4 procesadores PIC18F2520, cada uno proporciona 21 canales de los cuales 9 pueden ser alternativamente entradas analógicas. Estos 9 canales analógicos aparecen dispersados por el SD84, (ver diagrama de conexión). Los números de los pines del procesador en los cuales aparecen está fijado. Una limitación del chip procesador es que estos pins no pueden ser entradas analógicas al azar, sino que tienen que ser asignados en orden ascendente empezando por AN1. Si AN8 es analógica entonces las entradas AN1 a AN7 deben serlo también. Esto significa que al cambiar un canal a analógico, es posible que también se cambien otros canales. Esta es la razón por la que se impide cambiar al modo analógico desde el Modo Registro.

El comando SET_AD_CNT configura los chips del procesador para el número de canales analógicos deseados, empezando por AN1. Si selecciona 5 canales analógicos entonces se configuran AN1 a AN5 como analógicos. El Modo de Registro para los canales 21, 22, 20, 18 y 28 serán configurados a analógico. Si se seleccionan previamente 10 canales como analógicos (AN1 a AN10), y después se seleccionan 5 canales (AN1 a AN5) los canales 27,29,26,30 y 11 (AN6- AN10) serán vueltos a cambiar a modo de entradas digital.

En la siguiente tabla se muestra la correspondencia cruzada entre canales analógicos y digitales:

AN CH AN CH AN CH AN CH 1 21 10 11 19 84 28 73 2 22 11 10 20 83 29 72 3 20 12 9 21 82 30 71 4 18 13 7 22 80 31 69 5 28 14 38 23 48 32 58 6 27 15 37 24 47 33 57 7 29 16 39 25 49 34 59 8 26 17 36 26 46 35 56 9 30

18 40

27 50

36 60 Tabla 36. Correspondencia cruzada entre canales analógicos y digitales.

Para configurar un canal analógico utilice el siguiente comando:

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Contador de Byte

Nº Canales Analógicos

0xAA 0xA0 0x55 0x06 0

(ignorado) 1 10

Tabla 37. Ejemplo del comando SET_AD_CNT (0x06).

El comando superior configurará AN1 a AN10 como entradas analógicas. El modo de los canales correspondientes 21, 22, 20, 18, 28, 27, 29, 26, 30 y 11 será configurado en modo

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ANEXOS

126

analógico. El SD84 responderá con un código de error de byte único. Si todo está bien este será OK.

El procedimiento normal de iniciación del circuito consistirá en configurar primero el número de canales analógicos requeridos mediante el comando SET_AD_CNT, y entonces configurar los canales digitales restantes como entrada, salida o modo servo con SET_MODE. Esto puede ser realizado para todos los canales con un simple comando de modo. El comando SET_ MODE no afecta a los canales analógicos, así que no hay problemas con el modo en que estén configurados, sin embargo obtendrá de vuelto un código WARNING en vez de un código Ok.

9.11.9 GET_AD_CNT (0x07)

Este comando devuelve la cantidad de canales analógicos seleccionados actualmente.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Contador de byte 0xAA 0xA0 0x55 0x07 0 (ignorado) 0

Tabla 38. Ejemplo del comando GET_AD_CNT (0x07).

El SD84 responderá con el número de canales analógicos actuales 0-36.

9.11.10 GET_INPUT (0x08)

Devuelve el estado de un único canal de entrada.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Contador de Byte 0xAA 0xA0 0x55 0x08 12 0

Tabla 39. Ejemplo del comando GET_INPUT (0x08).

El ejemplo de arriba devolverá 1 Byte, 0 (0x00) si la entrada del canal 12 es bajo o 255 (0xFF) si la entrada es alta. GET_INPUT puede trabajar solo con un único canal cada vez. Para recuperar el estado de múltiples canales deberá obtenerlos individualmente.

9.11.11 GET_ADC (0x09)

Devuelve el valor analógico del canal seleccionado. Tenga en cuenta que el número de canal es el número analógico AN, no el número del canal digital. En el ejemplo de abajo este es el canal analógico 21 que se corresponde con el canal digital 82.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Contador Byte 0xAA 0xA0 0x55 0x09 21 0

Tabla 40. Ejemplo del comando GET_ADC (0x09).

El ejemplo de arriba devolverá 2 bytes, el byte bajo primero y después el byte alto. El SD84 utiliza conversión 10-bit AD así que obtendrá un número en el rango 0-1023. Los

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

127

resultados son validos para canales analógicos que hayan sido previamente configurados en modo analógico utilizando el comando SET_AD_CNT.

9.11.12 GET_VERSION (0x0A)

Este comando se utiliza para devolver el número de versión del firmware del SD84. Hay 4 CPU’s en el SD84 y puedes especificar que número de versión CPU quiere obtener aunque todos ellos serán el iguales.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Número CPU Contador de Byte 0xAA 0xA0 0x55 0x0A 2 0

Tabla 41. Ejemplo del comando GET_VERSION (0x0A).

El comando está formado como se muestra arriba. En este ejemplo devolverá el número de versión de la CPU 2. El comando devolverá 2 bytes. El primero es el tipo modulo, este siempre será 84 para el SD84. El segundo byte es el número de revisión del firmware, actualmente 4 en el de escritura. Los números de CPU validos son 1-4.

9.11.13 GET_BULK (0x15)

Este comando se utiliza para test de calidad del SD84. Devuelve 3 bytes los cuales codifican las 21 entradas del procesador seleccionado. Si está acostumbrado a utilizar el procesador PIC, estos 3 bytes son puertos A, B, y C (en ese orden) del mismo. El formato del comando es:

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Numero CPU Contador de Byte 0xAA 0xA0 0x55 0x15 1 0

Tabla 42. Ejemplo del comando GET_BULK (0x15).

En este ejemplo los 3 bytes devueltos vendrán desde la CPU 1. Los números de CPU validos son 1-4.

La tabla siguiente muestra que canal representa cada bit.

Byte 1 – Puerto A Byte 2 – Puerto B Byte 3 – Puerto C 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0

CPU1 17 16 18 19 20 22 21 x 23 24 25 26 27 28 29 30 x x 31 32 12 13 14 15 CPU2 6 5 7 8 9 10 11 x 33 34 35 36 37 38 39 40 x x 41 42 1 2 3 4 CPU3 79 78 80 81 82 83 84 x 43 44 45 46 47 48 49 50 x x 51 52 74 75 76 77 CPU4 68 67 69 70 71 72 73 x 53 54 55 56 57 58 59 60 x x 61 62 64 63 65 66

Tabla 43. Correspondencia entre los canales y los bits.

El bit será alto si la entrada es alta.

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

128

9.11.14 TEST (0x16)

Este comando es utilizado, junto con el anterior GET_BULK, para realizar el control de calidad del SD84. Este comando no tiene otros usos, pero lo documentamos aquí.

Sync1 Sync2 Sync3 Comando Canal Contador de Byte 0xAA 0xA0 0x55 0x16 67 0

Tabla 44. Ejemplo del comando TEST (0x16).

Este comando configura:

- El número de canales analógicos a cero, para que todo sea digital.

- Cada canal en modo salida baja (0).

- Cada canal como entrada.

- El canal seleccionado en modo salida alta (1).

Para finalizar devuelve el código OK. La secuencia está desarrollada sin ningún retraso, tan rápido como vaya el procesador.

9.11.15 MODOS DE CANAL

Los modos disponibles para los canales son:

Decimal Hex Modo Descripción 21 0x15 OUTPUT_MODE0 Salida baja, lógica 0 22 0x16 OUTPUT_MODE1 Salida alta, lógica 1 23 0x17 INPUT_MODE Entrada

24 0x18 ANALOG_MODE Analógica 0-1023 (conversión de 10 bits)

25 0x19 SERVO_MODE Salida de pulso de control de servo, con una tasa de repetición de 20 ms.

Tabla 45. Modos disponibles para los canales.

9.11.16 CODIGOS DE ERROR

El SD84 puede responder con siguientes códigos de error:

Decimal Hex Código de Error

Descripción

0 0x00 OK Comandos procesados OK. 1 0x01 WARNING Se ignoran los intentos de escribir el

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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA CABEZA ROBÓTICA PARA APLICACIONES INTERACTIVAS HOMBRE-ROBOT.

ANEXOS

129

modo de funcionamiento de los canales analógicos.

2 0x02 RANGE El rango de canales es menor que 1 o mayor que 84.

3 0x03 MODE Modo de recepción desconocido. Tabla 46. Códigos de error.