1Robtica

TEMA 1: Introduccin.

Origen y Evolucin de los robots.Definiciones y Clasificaciones.CONCEPTOS Sobre RobticaCONCEPTOS Sobre Robtica industrial, Teleoperacin y Robots de Servicio.

ndice

nnIntroduccinIntroduccinooMorfologa del RobotMorfologa del RobotppModelado Modelado cinemticocinemtico de Robotsde RobotsqqControl de movimiento y planificacinControl de movimiento y planificacinrrProgramacin de robotsProgramacin de robotsssFundamento de FMS. Criterios de Fundamento de FMS. Criterios de

implantacin y aplicacionesimplantacin y aplicacionesimplantacin y aplicacionesimplantacin y aplicacionesttAplicaciones no industriales de la robticaAplicaciones no industriales de la robticauuIntroduccin al los Introduccin al los AGVsAGVs y Robtica mvily Robtica mvilvvSistemas de Sistemas de loscalizacinloscalizacin en robtica: el filtro en robtica: el filtro

de de KalmanKalman

2Hay quien dice que la robtica es anterior aHay quien dice que la robtica es anterior a

Antecedentes Histricos(I)

Hay quien dice que la robtica es anterior a Hay quien dice que la robtica es anterior a nuestro milenio anterior a Cristo.nuestro milenio anterior a Cristo.

Atendiendo al sentido de hacer trabajos forzados, Atendiendo al sentido de hacer trabajos forzados, repetitivos, poco edificantes.repetitivos, poco edificantes.

Muchos filsofos y pensadores de la antigedad seMuchos filsofos y pensadores de la antigedad seMuchos filsofos y pensadores de la antigedad se Muchos filsofos y pensadores de la antigedad se lo plantearon.lo plantearon.

El esclavo perfecto e Ideal.El esclavo perfecto e Ideal.

Antecedentes Histricos(II)Concepto ms antiguo: mquina/dispositivo capaz de imitar Concepto ms antiguo: mquina/dispositivo capaz de imitar las funciones y movimientos de los seres vivos.las funciones y movimientos de los seres vivos.

Los griegos Automatos AutmatasLos griegos Automatos Autmatas

85 d.C. Fuente de pjaros Cantores. Hern de 85 d.C. Fuente de pjaros Cantores. Hern de AlejandraAlejandra

3Antecedentes Histricos(III)rabes heredaron de los griegos esta automtica incipiente.rabes heredaron de los griegos esta automtica incipiente.

Diversin y sentido prctico: dispensadores de agua Diversin y sentido prctico: dispensadores de agua automticos.automticos.

Edad mediaEdad mediaHombre de hierro de Alberto Magno (1204Hombre de hierro de Alberto Magno (1204--1282)1282)Hombre de hierro de Alberto Magno (1204Hombre de hierro de Alberto Magno (1204--1282)1282)Cabeza Parlante de Roger Bacon (1214Cabeza Parlante de Roger Bacon (1214--1294)1294)Gallo de Estrasburgo (1352) Gallo de Estrasburgo (1352) El ms antiguo que se El ms antiguo que se conserva.conserva.

RenacimientoRenacimientoLen Mecnico de Leonardo da Vinci (1499)Len Mecnico de Leonardo da Vinci (1499)Hombre de Palo de Juanelo Turriano (1525)Hombre de Palo de Juanelo Turriano (1525)

Antecedentes Histricos(IV)Siglos XVIISiglos XVII--XIXXIX

Muecos (flautista) de Jacques Muecos (flautista) de Jacques VaucansonVaucanson (1738)(1738)Escriba, organista, dibujante de familia Escriba, organista, dibujante de familia DrozDroz (1770)(1770)Mueca dibujante de Henry Mueca dibujante de Henry MaillardetMaillardet

La industria textil XVIIILa industria textil XVIII--XIX.XIX.Diversos telares e hiladoras.Diversos telares e hiladoras.Telar de Telar de JacquartJacquart (1801). Utiliza una cinta de papel perforada (1801). Utiliza una cinta de papel perforada para programar la mquina.para programar la mquina.

Siglo XXSiglo XXAparicin de la palabra robotAparicin de la palabra robot

KarelKarel CapekCapek: : RossumsRossums Universal Robot (1921)Universal Robot (1921)Ciencia FiccinCiencia Ficcin

Metrpolis de Metrpolis de TheaThea von von HarbouHarbou--Fritz Fritz LangLangObras de Isaac Obras de Isaac AsimovAsimov (1920(1920--1992): Robtica1992): Robtica

Escriva de Jacques Droz (1721Escriva de Jacques Droz (1721--1790)1790)

4Antecedentes Histricos(V)Karel Capek: Rossums Universal Robot (1921)Karel Capek: Rossums Universal Robot (1921)

Antecedentes Histricos(V)Metrpolis de Thea Von Harbou (1926)Metrpolis de Thea Von Harbou (1926)

5Antecedentes Histricos(V)Isaac Asimov (1920Isaac Asimov (1920--1992)1992)

Leyes de la robtica (1945)Leyes de la robtica (1945)1. Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni 1. Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni

i i iti h fi i iti h fcon su inaccin permitir que un ser humano sufra con su inaccin permitir que un ser humano sufra daodao

2. Un robot ha de obedecer las rdenes recibidas de 2. Un robot ha de obedecer las rdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales rdenes entran en un ser humano, excepto si tales rdenes entran en conflicto con la primera leyconflicto con la primera ley

3. Un robot debe proteger su propia existencia 3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal proteccin no entre en conflicto con la mientras tal proteccin no entre en conflicto con la primera o segunda leyprimera o segunda ley

0. Un robot no puede lastimar a la humanidad o por falta 0. Un robot no puede lastimar a la humanidad o por falta de accin permitir que la humanidad sufra dao.de accin permitir que la humanidad sufra dao.

ORIGEN Y DESARROLLOTelemanipuladores de Goertz. Telemanipuladores de Goertz.

Argonne National LaboratoryArgonne National Laboratory

Mango Gatillo Herramientaintercambiable

Pinzas

Barrera plomo

EspejoEsfera plomo

Pinzas para manipulacin radioactiva (1940)Pinzas para manipulacin radioactiva (1940)

6ORIGEN Y DESARROLLOTelemanipuladores de Goertz. Telemanipuladores de Goertz.

Argonne National Laboratory (1948)Argonne National Laboratory (1948)

Modelo M1 del ANL (R. Goertz) Mecnico Bilateral 6 DOFs + pinza Maestro-esclavo

M1

R. Goertz

ORIGEN Y DESARROLLOTelemanipuladores de Goertz. Telemanipuladores de Goertz.

Argonne National Laboratory (1950)Argonne National Laboratory (1950)

Modelo M4 del ANL Mecnico y bilateral 7 DOFs + pinza Ms grande que M1 Opera a travs de agujero en techo Eje Z telescpico

7ORIGEN Y DESARROLLOTelemanipuladores de Goertz. Telemanipuladores de Goertz.

Argonne National Laboratory (1954)Argonne National Laboratory (1954)

Modelo E1 del ANL (R. Goertz) Maestro-esclavo Elctrico servocontrolado Bilateral 6 DOF + pinza Experimental

ORIGEN Y DESARROLLOPrimer exoesqueleto de teleoperacin 1958. Primer exoesqueleto de teleoperacin 1958.

Handyman de GE (R. Mosher) Maestro-esclavo Elctrico-hidrulico Bilateral Con reflexin de fuerza en dedos 10 GDL Manipulacin de material

8ORIGEN Y DESARROLLODevolDevol--Engelberger fundan la Consolidated Control Engelberger fundan la Consolidated Control Corporation (Unimation) (1956). Corporation (Unimation) (1956). Primer robot industrial.Primer robot industrial.

ORIGEN Y DESARROLLOAsociacin de Robtica Industrial de Japn: JIRA (1972)Asociacin de Robtica Industrial de Japn: JIRA (1972)

Instituto de Robtica de AmricaInstituto de Robtica de AmricaAsociacin de Industrias Robticas: RIA (1974)Asociacin de Industrias Robticas: RIA (1974)

Primer robot con accionamiento elctrico:Primer robot con accionamiento elctrico:Primer robot con accionamiento elctrico: Primer robot con accionamiento elctrico: IRb6 ASEA (1973)IRb6 ASEA (1973)

9ORIGEN Y DESARROLLORobot SCARA Robot SCARA --19821982(Selective Compliance Assembly Robot Arm) (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Prof. Makino (Univ. Yamanashi de Japn)Prof. Makino (Univ. Yamanashi de Japn)

ORIGEN Y DESARROLLORobots Actuales: un montn de marcas y modelosRobots Actuales: un montn de marcas y modelos

Estado actual y futuroEstado actual y futuro

Ms de Ms de 1.000.000 1.000.000 robots trabajando en 2010robots trabajando en 2010Aumento de movilidad, Aumento de movilidad, destrezadestreza y y autonomaautonomaAparicin de los robots para Aparicin de los robots para tareas no tareas no industrialesindustriales (espacio, medicina, construccin, (espacio, medicina, construccin, minera,): Robots de Serviciominera,): Robots de Servicio

N d llN d ll t l i l dt l i l dNuevos desarrollos en Nuevos desarrollos en telemanipuladorestelemanipuladores(realidad virtual, nuevas tecnologas)(realidad virtual, nuevas tecnologas)Robots Robots androidesandroides??

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Definicin y Clasificacin

ManipuladorManipulador multifuncional multifuncional reprogramablereprogramable, , capaz de mover materias, piezas, herramientas capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, segn trayectorias o dispositivos especiales, segn trayectorias variables programadas para realizar tareasvariables programadas para realizar tareasvariables, programadas para realizar tareas variables, programadas para realizar tareas diversas. diversas. (RIA)(RIA)

Mquina de Mquina de manipulacinmanipulacin automtica automtica reprogramablereprogramable y multifuncional con tres o ms y multifuncional con tres o ms ejes que pueden posicionar y orientar materias, ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales piezas, herramientas o dispositivos especiales p , p pp , p ppara la ejecucin de trabajos diversos en las para la ejecucin de trabajos diversos en las diferentes etapas de la produccin industrial, diferentes etapas de la produccin industrial, ya sea en una posicin fija o en movimiento ya sea en una posicin fija o en movimiento (Federacin Internacional de Robtica (Federacin Internacional de Robtica --IFR)IFR)

1 Generacin: Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones de su entorno

Clasificacin del robot Industrial

Clasificacin por generaciones

posibles alteraciones de su entorno.

2 Generacin: Adquiere informacin limitada de su entorno y acta en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visin) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia. Entorno y excepciones estructuradas y previstas.

3 Generacin: Su programacin se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee capacidad para la planificacin automtica de tareas.

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Generacin Nombre Tipo control Grado movilidad Usos ms frecuentes

1(1982) Pick & Place Fines de carrera, Ninguno Manipulacin,

Clasificacin del robot Industrial

Clasificacin por Knasel

aprendizaje servicio de mquinas

2(1984) Servo Servocontrol Desplazamiento Soldaduratrayect. continua por va pintura

3(1989) Ensamblado Servos precisin AGV Ensambladovisin, tacto Guiado por va Desbarbado

4(2000) Mvil Sensores Patas Construccininteligentes Ruedas Mantenimiento

5(2010) Espaciales Controlados con Andante Uso militartcnicas IA Saltarn Uso espacial

Clasificacin del robot Industrial

Clasificacin por la AFRI

Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.

Tipo B: Manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacin mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico.

Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto Carece decontinua o punto a punto. Carece de conocimientos sobre su entorno.

Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funcin de stos.

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Tipos de Robots (I)

Clasificacin Funcional

Manipulador secuencialTelemanipulador Robot servocontrolado

Robot sensorizado estacionario Robot de exteriores

Tipos de Robots (II)

Clasificacin Funcional

Robot domstico Robot submarino

Funcionoides Insectoides

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Robtica e Industria

Ms Paro?

Robtica Y Sociedad

P a s e s D e n s i d a d d e r o b o t s n d i c e d e p a r o N m e r o d e r o b o t s

J a p n 2 5 0 3 % 4 1 3 . 5 7 8S u e c i a 6 0 9 % 5 . 9 1 1A l e m a n i a 5 8 9 % 5 6 . 1 7 5I t a l i a 5 5 1 2 % 2 5 . 0 9 6E s t a d o s U n i d o s 3 5 7 % 6 5 . 1 9 8F r a n c i a 3 3 1 2 % 1 4 . 3 7 6E s p a a 2 2 2 2 % 5 . 3 4 6

D e n s i d a d d e r o b o t s = n d e r o b o t s c a d a 1 0 . 0 0 0 t r a b a j a d o r e s d e l a i n d u s t r i a

14

Robots En Espaa (AER)

Robtica Y Sociedad

Robots En Espaa (AER)

Robtica Y Sociedad

15

Robots En EL MUNDO (2010)

Robtica Y Sociedad

Robots En EL MUNDO (2010)

Robtica Y Sociedad

16

Robots En EL MUNDO (2010)

Robtica Y Sociedad

Robots Por Sectores (2010)

Robtica Y Sociedad

The worldwide market value for robot systems in 2010 is estimated to be $17.5 billion

17

Grado de automatizacin(2010)

Robtica Y Sociedad

Robots de servicio(2010)

Robtica Y Sociedad

18

Robots domsticos(2010)

Robtica Y Sociedad

Robots teleoperadosDispositivos robticos con brazosmanipuladores y sensores y cierto grado de

ilid d t l d t t

Parientes de la Robtica Ind.

movilidad, controlados remotamente por unoperador humano de manera directa o atravs de un computador.

Robots de servicioDispositivos electromecnicos mviles oestacionarios, dotados normalmente de uno ovarios brazos mecnicos independientes,controlados por un programa de ordenador yque realizan tareas no industriales de servicio.

19

Teleoperacin

Elementos del sistema

Autonomousrobots

Fixed Automation

Robtica y Teleoperacin

Evolucin Histrica

NC Machines

IndustrialRobots

ServiceRobots

PowerTools

HandTools

Analog servomanipulatorswith programmable logic

Digital TeleoperatedRobots

SupervisoryControlled Robot

Auto

nom

y

Tools

UnilateralManipulators

MechanicalMaster-slave

Flexibility

20

Robot industrial Manipulador

Velocidad extremo 0.1 m/s3 m/s

Robtica y Teleoperacin

Comparativa entre manipuladores

Juego angularControlGDLDinmicaCinemticaPrecisinHerramienta

0.1 m/sMedio bajoDesde maestro6 GDL + herramientaBaja inerciaComo brazo humanoNo importantePropsito general

3 m/sSin juego angularDesde programa4-6 GDL + herramientaAlta inercia y rigidezDepende de tareaMuy baja, 0.01 cmIntercambiable

ReversibilidadFlexibilidad

Alguna2.5-5 a plena carga

Ninguna0.025-0.125 a plena carga

Control unilateral o bilateral Control unilateral

Control en el que la informacin de control nicamente f i i i

Teleoperacin

Modos de control

fluye del dispositivo de entrada al esclavo No existe realimentacin de fuerzas cinesttica

Maestro Esclavo

Sensor de velocidadSensor de posicin

ActuadorSensor de par

Eslabn

Control del maestro

Controldel esclavo

xm xsfm fstm tsxm xs

21

Control bilateral La informacin de control fluye bi-direccionalmente

entre el maestro y el esclavo.

Teleoperacin

Modos de control

Existe reflexin de fuerzas cinesttica

Maestro Esclavo

Sensor de velocidadSensor de posicin

ActuadorSensor de par

Eslabn

Control del maestro

Controldel esclavo

xm xsfm fstm tsxm xs

Posicin-posicin Primer esquema de control bilateral (Goertz 1954) Tambin: error comn en posicin o servo simtrico

Teleoperacin

Modos de control Bilateral

Tambin: error comn en posicin o servo simtrico de posicinMaestro Esclavo

Sensor de velocidadSensor de posicin

ActuadorSensor de par

Eslabn

xm xsm pm s m= k (x -x ) s ps m s= k (x -x )xm xs

Control bucle posicin

Control bucle posicin

22

+_

op

m s +b s+kop op op2

OperadorPosicin-posicin

Teleoperacin

control Bilateral: Anlisis

Maestro

++

+_

fmm 1m s +b sm m

2k + k spm vm

m s +b s+ke e e2

xm

Entorno

Esclavo

+

+

_

_fss 1

m s +b ss s2

e e e

k + k sps vsxs

fuerza-posicin Primer desarrollo por Carl Flatau a finales de los

aos 60.

Teleoperacin

Modos de control Bilateral

Esquema ms popular, especialmente en centros de investigacinMaestro Esclavo

Sensor de velocidadSensor de posicin

ActuadorSensor de par

Eslabn

xm xsm

m fm m fs s=k f - k f

s ps m s=k (x -x )

sxm xsfm fs

Control bucle fuerza

Control bucle posicin

23

+_

op

m s +b s+kop op op2

OperadorFuerza-posicin

Teleoperacin

control Bilateral: Anlisis

Maestro+

+fm

fs

m 1m s +b sm m

2

m s +b s+ke e e2

xm

Entorno

-kf

Esclavo

+

+_

_fss 1m s +b ss s

2k + k sps vsxs

Robots de servicioRobots de servicio

Comunicacin con el entornoComprensin del entorno a

travs del uso de modelosGeneracin de programas

Robots personalesRobots personales

Robtica de Servicio y Personal

Robots Robots IndustrialesIndustriales

Tareas determinadas a prioriColocacin definida de objetosEjecucin automtica de

progrmas explcitos

Modelo del mundo basado endatos predifinidos del entornoComandos especficos para la

tarea Procesamiento de informacin

multisensorialProgramacin implicitaPlanificacin automtica de

trayectoriasExposicin al entorno exterior

Generacin de programasmediante planificacin

Vigilancia de accionesCapacidad de aprendizaje en

la planificacin y nivel reactivoDiseo orientado a la tarea

Entorno ajustado paraejecucin automtica de

tareasConfiguracin cinemtica

estndar con perifricosespecficos para la tarea

ppblico

24

Manipulador: Mecanismo formado generalmente por elementos en

serie, articulados entre s, destinados al agarre y

Conceptos y Definiciones

Bsicos

desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente

por un operador o por un dispositivo lgico.

Robot (industrial): Manipulador multifuncional reprogramable con varios

grados de libertad, C d i l t i i h i t Capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales

Capaz de seguir trayectorias variables programadaspara realizar tareas diversas.

Robot (de servicio): Dispositivos electromecnicos mviles o estacionarios,

con varios grados de libertad de movimiento. Dotados normalmente de uno o varios brazos mecnicos

Conceptos y Definiciones

Bsicos

Dotados normalmente de uno o varios brazos mecnicos independientes, controlados por un programa de ordenador.

Realizan tareas encaminadas a modificar y/o inspeccionar un entorno determinado.

Teleoperacin- Telerrobtica: Conjunto de tecnologas que comprenden la operacin o

gobierno a distancia de un dispositivo robot por un humano.

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Sistema maestro-esclavo: Sistema de teleoperacin en el que los movimientos del

manipulador en la zona remota (esclavo) son comandados por el i i t d t i l d ( t ) t d l d

Conceptos y Definiciones

Asociados a la Teleoperacin

movimiento de otro manipulador (maestro) por parte del operador.Telepresencia:

Situacin o circunstancia que se produce cuando un ser humano tiene la sensacin de encontrarse fsicamente en el lugar remoto.

Se consigue realimentando coherentemente al ser humano suficiente cantidad de informacin sobre el entorno remoto.

Presencia virtual: Situacin o circunstancia que se produce cuando un ser humano

tiene la sensacin de encontrarse en un lugar distinto de dondetiene la sensacin de encontrarse en un lugar distinto de donde fsicamente est gracias a la informacin generada exclusivamente por un ordenador.

Entorno virtual: entorno en el que el ser humano est inmerso. Realidad virtual: sinnimo de presencia virtual.

Realidad aumentada: Situacin o circunstancia que percibe un ser humano cuando la

informacin sensorial que se le realimenta de un entorno es modificada previamente por un ordenador...

Conceptos y Definiciones

Asociados a la Teleoperacin

... con el objetivo de aadirle nueva informacin creada artificialmente, y que puede no ser accesible directamente de la realidad por los sentidos del operador aunque se encontrase en la zona remota.

Telepropiocepcin: Capacidad que tiene un operador manejando un sistema de

telemanipulacin de conocer la posicin del manipulador con respecto al entorno y al punto de vista.

Realimentacin hptica:Realimentacin hptica: Realimentacin de la sensacin tras producirse un contacto con el

entorno, ya sea de tipo tctil o de fuerzas. Trmino que viene del griego y que significa tocar. Algunos autores lo utilizan nicamente para referirse a realimentacin

tctil.