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
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Robots En Espaa (AER)
Robtica Y Sociedad
Robots En Espaa (AER)
Robtica Y Sociedad
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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
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Grado de automatizacin(2010)
Robtica Y Sociedad
Robots de servicio(2010)
Robtica Y Sociedad
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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.
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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
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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
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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
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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.