Sesión 1 (Teoría) - automaticayrobotica.es –UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino, 5ª...
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ETSII – UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino, 5ª Edición Marzo 2016
Sesión 1 (Teoría)
• Introducción a la robótica móvil
• Introducción al hardware libre
Esta obra está licenciada bajo la Licencia CreativeCommons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.Para ver una copia de esta licencia, visitahttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/.
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Robótica móvil
• Robótica– Técnica que aplica la informática al diseño y empleo de aparatos
que, en sustitución de personas, realizan operaciones o trabajos,por lo general en instalaciones industriales
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Robótica móvil
• Móvil– Adj. Que puede moverse o se mueve por sí mismo
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Robótica móvil
• Definición– Rama de la robótica que estudia los robots que pueden desplazarse
dentro de un entorno• Teledirigidos
• Autónomos
– Entorno: territorio o conjunto de parajes de que está rodeado un lugar o una población (el robot)
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Un poquito de historia
• Steam man, de Z. P. Dederick (1868)
• Talking doll, de T. A. Edison (1890)
• Electric dog, de J. Hammond Jr. (1912)
• Elektro, de Westinghouse (1939)
• Turtles, de William Grey Walter (1948-1949)
• Stanford Cart, (1960), carro móvil teleoperado
• Shakey, Stanford (1966), capacidad de razonamiento
• Phony Pony, (1968), primer cuadrúpedo
• Lunokhod I (1970), primer rover lunar
• OSU Hexapod, Ohio State (1977), primer hexápodo
• Genghis, MIT (1988), concepto de vida artificial
• Khepera, EPFL (1994), microrrobot educación 55mm
• Asimo P2, Honda (1996), bípedo que sube escaleras
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– Primera misión (1991): mover un disco metálico de una zona de un campo de competición a otra
– Se consiguió en 1995:ARL helicopter, Stanford
– Séptima misión (2014): Interacción entre robots aéreos y objetos móviles (robots móviles terrestres y aéreos)
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Challenges
• DARPA– Defense Advanced Research Projects Agency
• Grand Challenge (2004)– Primera competición de larga distancia de vehículos autónomos
– Conducir 240 kilómetros por el desierto de Mojave, en California
– Tiempo límite de 10 horas
– Premio de 1 millón de dólares
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• Resultado: Premio desierto. El equipo de CMU liderado por Red Whitaker recorrió 11.9 km.
Challenges
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• 2nd Grand Challenge (2005)– Mismo reto: 5 equipos terminan el recorrido
– Ganador: Stanley, Stanford University, 6h 54m
Challenges
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Challenges
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• Urban Challenge (2007)– Carrera de 96 kilómetros en área urbana
– Tiempo límite de 6 horas
– Normas• Obedecer las normas de tráfico
• Detectar y evitar el contacto con otros vehículos, tanto autónomos, comopilotados
– Reto a nivel de software• Toma de decisiones
– Premio: 2 millones de dólares
Challenges
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• Urban Challenge (2007)
Challenges
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• Urban Challenge (2007)
Challenges
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¿Esto vale de algo?
• Google car O_o
• Y no sólo eso…
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• Robotics Challenge (DRC) (2012-2015)– Robots terrestres semi-autónomos que puedan realizar tareas
complejas y heterogéneas en entornos peligrosos o deterioradosque habían sido diseñados para el ser humano
– Premio de 2 millones de dólares
– Finales Junio 2015
Challenges
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Challenges: DRC Trials
• Vencedor de lasclasificatorias– Schaft Inc.,
Tokyo, Japan
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Challenges: DRC Finals
• Vencedores (Corea del Sur)
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Tipos de robots móviles
• AUV (Autonomous Underwater Vehicles)
• UAV (Unmanned Aerial Vehicles)
• UGV (Unmanned ground vehicle)
Bluefin
Tavros-2
Wave Glider
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• Agricultura
• Búsqueda y rescate
• Cirugía
• Construcción
• Detección explosivos
• Educación
• Guías
• Telepresencia
• Hogar (limpieza)
• Incendios
• Industria alimentaria
• Inspección
• Paletizado
• Rehabilitación
• Asistencia
• Rellenado automático
• Vigilancia y exploración
Aplicaciones actuales
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Exploración espacial
• Mars Exploration Missions– Sojourner (1997)
– Spirit and Opportunity (2004) Activa
– Curiosity (2012) Activa
ESA
NASA
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Militares y de rescate
• MQ-9 Reaper– Vehículo de combate no tripulado
• Foster-Miller TALON– Reconocimiento y combate
• iRobot Packbot– Desactivación de minas
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Militares y de rescate
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Vigilancia
• K5– Detecta de situaciones sospechosas.
– Envía video en tiempo real.
– Sensoriza el ambiente• Huele gases tóxicos
• Monitoriza temperatura y humedad
– Alquiler por $6,25 la hora.
• PatrolBot– Mapea edificios on-the-fly (SLAM)
– Navega a destinos dinámicos
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Inspección
• Versatrax Inspección de tuberias (1 milla sin parar)
• Magnebike Inspección de elementos metálicos
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Exploración
• Dante II Recolección de muestras de gas volcánico
• Bruie (Buoyant Rover for Under-Ice Exploration)
• Deep-SCINI Exploración marina
• Sepios Exploración marina
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Agricultura
• Yamaha R-Max– Capacidad: 246cc. Carga max: 30kg.
– GPS para detectar altitud y velocidad
– Yamaha Attitude ControlSystem
– Alrededor de 1600 se emplean actualmente en Japón, principalmente en fumigación de cultivos
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Agricultura
• http://www.therobotreport.com/news/agricultural-robot-market-anticipated-to-reach-16.3-billion-by-2020
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Transporte de mercancías
• Terex Port Solutions– Grúas autónomas
– Vehículos autónomas
– Control de movimiento y sistema de navegación
– Manipulación de contenedores
– Puerto de Busan. Korea
– http://www.terex.com/port-solutions/en/
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Transporte en almacenes
• Kiva Mobile Fulfillment System– En abril de 2008 ya habían vendido 1000 robots
– Sexta compañía en crecimiento en USA (2010)
– Vendida a Amazon por más de 775 M$ (2012)
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Transporte en hospitales
• TransCar– Distribución de comida, material, recogida de basura…
– Camino virtual guiado por seguimiento de láser
– No requiere balizas externas
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Robots guía
• REEM– Interactúa con personas
– Habla el idioma deseado
– Puede navegar entre multitudes
• Quiχote– Servidor y analizador de voz
– Auto-localización mediante visión y balizas pasivas
– Tele-operación vía web
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Entretenimiento
• Pleo– 14 motores
– 38 sensores
– 350 $
– +100000 unidades vendidas
• Aibo (Sony)– 1500 $
– 65000 unidades vendidas en el primer año
– Producción detenida
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Asistencia
• TAO 7 Silla de ruedas inteligente (sensores)
• iBot Mobility System Movilidad aumentada
• Silla de ruedas que sube escaleras (UCLM)
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Limpieza
• iRobot– Roomba (creado en 2002)
• Aspiradora automática
• Utiliza SLAM para moverse
– Scooba• Limpiasuelos
– Braava• Encerador
– Looj• Limpia canalones
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Limpieza
• RS 630 (Robotic Lawnmower)– Se desplaza automáticamente
por toda la superficie a cortar
– Superficies hasta 3000 m2
• Aquabot T4– Limpia superficie, muros y
fondo
– Recorre la piscina de modo previamente planificado
– Sistema de filtración de agua incorporado
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Limpieza del hogar
• Un robot aspirador ‘ataca’ a su dueña y la atrapa durante horas
• https://es.yahoo.com/noticias/un-robot-aspirador--ataca--a-su-due%C3%B1a-y-la-atrapa-durante-horas-170811460.html
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Robots colaborativos
• Fase de investigación
• Proyectos europeos– Swarmanoid (2006-2010)
– CoCoRo (2011-2014)
• Y americanos– TERMES(2011-2014)
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Robots industriales
• Baxter
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Mercado Mundial (2009)
• Las investigaciones de la Japan RoboticsAssociation (JRA), la United NationsEconomic Comission y la International Federation of Robotics (IFR) indican que el mercado de la robótica personal y de servicio crecerá excepcionalmente en los próximos años.
• La JRA predice que en 2025, la industria de la robótica personal generará más de50.000 millones de dólares cada año en el mundo, por los 5.000 millones quegenera actualmente.
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The Rise of RoboticsBoston Consulting Group (Sander & Wolfang, 2014)
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• Bill Gates, 2007– “As I look at the trends that are now starting
to converge, I can envision a future in which robotic devices will become a nearly ubiquitous part of our day-to-day lives.”
– “The challenges facing the robotics industry are similar to those we tackled in computing three decades ago.”
Un robot en cada casa
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Filmación cinematográfica con robots
Las compras de Google
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HolomniDiseño de ruedas omnidireccionales
Las compras de Google
ETSII – UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino, 5ª Edición Marzo 2016
Robot M1. Cabeza humanoide sociable
Las compras de Google
ETSII – UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino, 5ª Edición Marzo 2016
Diseño de brazos robóticos de bajo coste
Las compras de Google
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Diseño de robots humanoides
Ganador de DRC Trials
Las compras de Google
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Robótica militar
Las compras de Google
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Enlaces de noticias recientes
• http://www.engadget.com/2016/02/15/nissan-intelligent-parking-chair-stunt/
• https://www.youtube.com/watch?v=r0qWVKcJR3w
• http://mime.oregonstate.edu/research/drl/atrias/
• http://www.therobotreport.com/news/nhtsa-redefines-driver-to-be-an-ai-self-driving-computer-system
• http://www.therobotreport.com/news/first-look-at-2015-stats-from-intl-federation-of-robotics-ifr
• https://www.reportbuyer.com/product/1693045/the-global-uav-market-2015-2025.html
• http://www.engadget.com/2015/04/14/prototype-navy-drones-swarm-like-locusts/
• http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/self-driving/freightliner-unveils-first-autonomous-semitruck-licensed-to-drive-itself-on-highways
• http://fetchrobotics.com/
• https://www.youtube.com/watch?v=_luhn7TLfWU
• http://www.engadget.com/2015/06/01/amazon-picking-challenge-winner/
• https://www.youtube.com/watch/?v=xb93Z0QItVI
• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/durus-sri-ultra-efficient-humanoid-robot
• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/robotnik-enters-mobile-manipulator-market-with-the-rb1
• https://www.post.ch/en/about-us/company/media/press-releases/2015/swiss-post-swiss-worldcargo-and-matternet-start-drone-tests
• https://www.youtube.com/watch?v=tiwVMrTLUWg
• http://www.therobotreport.com/news/service-robots-get-multiple-positive-
forecasts
• https://www.youtube.com/watch?v=btT3_SR7rE0
• https://www.youtube.com/watch?v=OKoQMD0QZQs
• http://www.engadget.com/2015/09/20/volvo-robot-garbage-collectors/
• http://www.engadget.com/2015/10/04/daimler-self-driving-truck-test/
• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/harvard-robot-bee-is-now-also-a-submarine
• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/quadrotors-build-rope-bridge
• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/clearpath-otto-can-autonomously-haul-a-ton-of-stuff
• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/honda-using-experimental-asimo-for-disaster-research
• https://www.youtube.com/watch?t=151&v=E47EXsH9jWE
• http://www.engadget.com/2015/10/08/singapore-post-delivery-by-drone-program/
• http://www.engadget.com/2015/10/28/yamaha-motobot/
• https://www.youtube.com/watch?v=9X-5fKzmy38
• https://www.starship.xyz/
• https://www.youtube.com/watch?v=CplBeZgg0iA
• http://www.engadget.com/2015/12/11/tokyo-drone-net/
• https://www.youtube.com/watch?v=RDZu04v7_hc&feature=em-uploademail
• https://www.youtube.com/watch?v=TJu4kmcy8gQ
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Hardware…¿Libre?
• Está claro lo que es el hardware, pero ¿qué añade la palabra libre?
• Haciendo analogía con el Software libre (GNU GPL), indica que no sólo tienes disponible el objeto manufacturado (programa compilado) sino también el ‘know-how’ de manufactura (código fuente)
• Llevan asociada una licencia de permiso demodificación (e.g. Creative Commons)
• Ejemplos: OpenROV, AMIGO
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Arduino
• Página oficial: http://www.arduino.cc/es/
• Igual que con Linux (a menor escala )– Muchas contribuciones anónimas de aficionados a la
electrónica/robótica/automática
– Empresas que desarrollan productos para una arquitectura hardware abierta (más fácil!)
– Crecimiento abrumador en los últimos años
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Arduino UNO
• Resumen de características– Microcontroller ATmega 328
– Operating Voltage 5V
– Input Voltage 7-12V
– Input Voltage 6-20V (limits)
– Digital I/O Pins 14 (6 proporcionan salida PWM)
– Analog Input Pins 6
– DC Current per I/O Pin 40 mA
– DC Current for 3.3V Pin 50 mA
– Flash Memory 32 KB (ATmega328) 0.5 KB used bybootloader
– SRAM 2 KB (ATmega328)
– EEPROM 1 KB (ATmega328)
– Clock Speed 16 MHz
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Tipos de Arduino
• Varios diseños basados en su arquitectura– Variedad de propósitos
– http://arduino.cc/en/Main/Hardware
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Shields
• Placas ‘hija’ de propósito específico– Superpuesta a Arduino le añade funcionalidades
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Diseños compatibles
• Existe una gran cantidad puesto que cualquiera puede replicarla– http://www.arduino.cc/playground/Main/SimilarBoards
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ZUM CORE
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ZUM CORE (ZUM BT-328)
• Esquema de pines
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Recursos en la web
• Páginas de proyectos– http://arduino.cc/blog/category/projects/?lang=es
– http://blog.bricogeek.com/noticias/arduino/– http://hacknmod.com/hack/top-40-arduino-projects-of-the-web/
– http://aeroquad.com/
• Libros– Arduino Programming Notebook
– Practical Arduino
– Arduino: Diseño y aplicaciones
• Tiendas (http://arduino.cc/en/Main/Buy)– Sparkfun
– Bricogeek
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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino
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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino
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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino
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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino
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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino
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Raspberry PI B+
Existen otras plataformas
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Esquema funcionalde un robot móvil
Estructura
mecánica
Actuadores
Sensores
internos
(encoders...)
Sistema
de control
Sensores
del entorno
Vista, tacto, oído
proximidad…
Planificación
PC
Robot 2
Robot 3
...
Co
mu
nic
ac
ión
Manipulación/
Locomoción
Percepción
Alim
en
tac
ión
Baterías
Etapa de
control
Etapa de
potencia
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Esquema funcionalde un robot móvil
• Recibir la información de sensores
• Analizar la situación del robot y su entorno
• Enviar comandos a los actuadores
• Comunicarse con otros dispositivos– Ser comandado a distancia
– Enviar información de su estado/entorno
• Ejemplos– Microcontroladores: PIC16F84
– Microprocesadores: Motorola 68000
Sistema
de control
Planificación
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Esquema funcionalde un robot móvil
• Elemento cada vez más importante– Robótica cooperativa
– Robots de vigilancia (detección de incendios)
– Búsqueda y rescate
• Tipos– Inalámbrica
• WiFi (IEEE 802.11x)
• Bluetooth
• ZigBee
– Por cable• CAN-BUS
• I2C
• USB
• RS-232
PC
Robot 2
Robot 3
.
.
.
Comunicación
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Esquema funcionalde un robot móvil
• Actuadores– Generan el movimiento en un robot
• Motores DC
• Servos
• Pistones hidráulicos
– Realizan tareas de manipulación• Agarre
• Estructura mecánica– Da soporte físico a todo el robot
– Debe ser ligera y compacta
Estructura
mecánica
Actuadores
Manipulación/
Locomoción
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Esquema funcionalde un robot móvil
• Sensores– Internos
• Dan información acerca del estado del robot
• Ejemplos: encoders, brújulas, medidor de carga de baterías...
– Externos• Dan información acerca del entorno del robot
• Ejemplos: bumpers, ultrasonidos, cámaras...
Sensores
internos
(encoders...)
Sensores
del entorno
Vista, tacto,
oído,
proximidad…
Percepción
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Esquema funcionalde un robot móvil
• Se utilizan elementos de bajo consumo
• Baterías con alta densidad de carga– Generalmente Li-Ion ó Li-Po
• Circuitos reguladores de tensión– Desde 3.3V hasta 15V
• Etapa de potencia– Alimenta elementos que demandan más
potencia como servos o motores (partes móviles)
• Etapa de control– Alimenta los dispositivos puramente
electrónicos
Alimentación
Baterías
Etapa de
control
Etapa de
potencia
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Fin de la primera sesión
de teoría