Introducción a la Robótica y componentes del robot

Introducción a la Robótica y componentes del robot
IAR234 Robótica Introducción a la Robótica y componentes del robot Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Dr. Juan José Aranda Aboy
Contenido Antecedentes y evolución de la robótica. Clasificación: robots industriales y de servicio. Componentes mecánicos y estructurales. Articulaciones y configuraciones cinemáticas. Accionadores eléctricos: motores y motores de paso a paso. Accionadores neumáticos e hidráulicos. Transmisiones, reductores y frenos. Brazos mecánicos: muñecas, garras y ventosas. Fundamentos del subsistema de control del robot: partes que lo integran. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Objetivos Conocer la evolución y clasificación de los robots así como sus componentes principales. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

¿Qué es un robot? Un robot se comprende como una entidad hecha por el hombre con un cuerpo (anatomía) y una conexión de retroalimentación inteligente entre el sentido y la acción directa, no bajo del control humano. Se ha avanzado en el campo de los robots con inteligencia, cuyas acciones son llevadas a cabo por motores o actuadores que mueven extremidades o impulsan al robot. Asimismo, el término robot ha sido utilizado como un término general que define a una máquina mecánica o autómata, que imita a un animal, ya sea real o imaginario, pero se ha venido aplicado a muchas máquinas que reemplazan directamente a un humano o animal en el trabajo ó el juego. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Antecedentes La idea de gente artificial viene desde al menos tan atrás como la leyenda de Cadmo, quien sembró dientes de dragón que se convertían en soldados, y el mito de Pigmalión, cuya estatua de Galatea cobró vida. En la mitología clásica, el deformado dios de los herreros, Vulcano, creó sirvientes mecánicos, que iban desde inteligentes, hechos a mano en oro, hasta mesas utilitarias de tres patas que se podían mover por sí mismas. Una leyenda hebrea cuenta acerca del Golem, una estatua animada por la magia cabalística. En el lejano norte de Canadá y en las leyendas de los Inuit se habla del Tupilaq (o Tupilak), el cual puede ser creado por un mago para cazar y asesinar a un enemigo; sin embargo, usar un Tupilaq para esto puede ser una espada de dos filos, ya que la víctima puede detener el ataque del Tupilaq y reprogramarlo con magia para que busque y destruya a su creador. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (1) La historia de la robótica ha estado unida a la construcción de "artefactos", que trataban de materializar el deseo humano de crear seres a su semejanza y que lo descargasen del trabajo. Grecia Automatos (autómata) – Herón de Alejandría (85 d. C.) Arabia Utilidad práctica de mecanismos Edad media – Hombre de hierro de Alberto Magno ( ) – Gallo de Estrasburgo (1352) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (2) Renacimiento – León Mecánico de Leonardo da Vinci (1499) – Hombre de Palo de Juanelo Turriano (1525) En el siglo XVIII, Jacques de Vaucanson creó un androide que tocaba la flauta y un pato mecánico que continuamente comía y defecaba. El ingeniero Leonardo Torres Quevedo construyó un mando a distancia para un torpedo automóvil mediante telegrafía sin hilo, un ajedrecista automático, el primer transbordador aéreo y otros muchos ingenios; y acuñó el término "automática" en relación con la teoría de la automatización de tareas tradicionalmente asociadas a los humanos. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (3) The Japanese craftsman Hisashige Tanaka, known as "Japan's Edison," created an array of extremely complex mechanical toys, some of which were capable of serving tea, firing arrows drawn from a quiver, or even painting a Japanese kanji character. The landmark text Karakuri Zui (Illustrated Machinery) was published in (T. N. Hornyak, Loving the Machine: The Art and Science of Japanese Robots [New York: Kodansha International, 2006]) In 1898 Nikola Tesla publicly demonstrated a radio-controlled (teleoperated) boat, similar to a modern ROV. Based on his patents U.S. Patent 613,809 , U.S. Patent 723,188 and U.S. Patent 725,605 for "teleautomation", Tesla hoped to develop the wireless torpedo into a weapon system for the US Navy. (Cheney 1989) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (4) In 1926, Westinghouse Electric Corporation created Televox, the first robot put to useful work. They followed Televox with a number of other simple robots, including one called Rastus, made in the crude image of a black man. In the 1930s, they created a humanoid robot known as Elektro for exhibition purposes, including the 1939 and 1940 World's Fairs. In 2007, the Mansfield Memorial Museum in Mansfield, Ohio presented an exhibit of some of the Westinghouse robots and related paraphernalia. In 1928, Japan's first robot, Gakutensoku, was designed and constructed by biologist Makoto Nishimura. The first electronic autonomous robots were created by William Grey Walter of the Burden Neurological Institute at Bristol, England in 1948 and They were named Elmer and Elsie. These robots could sense light and contact with external objects, and use these stimuli to navigate. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (5): Desarrollo industrial
El robot como “máquina” lleva un desarrollo independiente del término “robot”. 1945 Telemanipulador con dispositivo de control mecánico (Goertz del Argonne National Laboratory). Denominados robot a pesar de no tener aspecto humano. 1954 Telemanipulador con dispositivo de servo control eléctrico (Goertz). Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (6): Handy- Man
Mosher (General Electric- 1958) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Primer robot industrial
Devol- Engelberger fundan UNIMATION “Universal Automation” (1956) y comienzan a aplicar dispositivos robóticos en la industria instalando el primer Unimate en General Motors. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (7) 1968 Kawasaki produce el Unimate. El crecimiento de la robótica en Japón aventaja a USA gracias a Nissan que forma la primera asociación robótica del mundo (Asociasión de Robótica Industrial de Japón:JIRA). 1973 La firma sueca ASEA (ahora ABB) construye el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico (el robot IRb6). 1982 Desarrollo del concepto de Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) por el Prof. Makino, Univ. Yamanashi de Japón. Económico, rápido y preciso para el ensamble de piezas. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Algo de historia (7): Primeras asociaciones
Asociación de Robótica Industrial de Japón: JIRA(1972) Instituto de Robótica de América Asociación de Industrias Robóticas: RIA (1974) Primer robot con accionamiento eléctrico: IRb6 ASEA (1973) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Origen del término actual
Karel Capek, un escritor checo, acuñó en 1921 el término "Robot" en su obra dramática "Rossum's Universal Robots / R.U.R.", a partir de la palabra checa Robbota, que significa servidumbre o trabajo forzado. El término robótica es acuñado por Isaac Asimov, definiendo a la ciencia que estudia a los robots. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Tres Leyes de la Robótica
Asimov creó también las Tres Leyes de la Robótica, aparecidas por primera vez en el relato Runaround (1942), que establecen: Un robot no debe dañar a un ser humano o, por su inacción, dejar que un ser humano sufra daño. Un robot debe obedecer las órdenes que le son dadas por un ser humano, excepto si estas órdenes entran en conflicto con la Primera Ley. Un robot debe proteger su propia existencia, hasta donde esta protección no entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Robots en la ciencia ficción
En la ciencia ficción el hombre ha imaginado a los robots visitando nuevos mundos, haciéndose con el poder (“Yo, Robot”), o simplemente aliviando de las labores caseras(“Hombre Bicentenario”). Román Gubern analiza en su libro “El simio informatizado” los motivos del ser humano para crear seres artificiales a su imagen y semejanza. Algunos robots están diseñados hoy en día para parecerse a los humanos. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

ROBOT – Definiciones (1)
Diccionario Webster: “un dispositivo automático que efectúa funciones ordinariamente asignadas a los seres humanos” Real Academia: Máquina o ingenio electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas solo a las personas. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

ROBOT – Definiciones (2) ISO
ISO 8373: Un robot es un manipulador reprogramable, multifuncional, controlado automáticamente, que puede estar fijo en un sitio o moverse, y que está diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, por medio de movimientos variables programados para la realización de diversas tareas o trabajos. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Robotics Institute of America (RIA)
Define robot como: A re-programmable multi-functional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks. RIA recognizes four classes of robot: Handling devices with manual control Automated handling devices with predetermined cycles Programmable, servo-controlled robots with continuous of point-to-point trajectories Robots capable of Type C specifications which also acquire information from the environment for intelligent motion. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Japanese Robot Association (JARA)
Clasifica robots en: Manual - Handling Devices actuated by an operator Fixed Sequence Robot Variable-Sequence Robot with easily modified sequence of control Playback Robot, which can record a motion for later playback Numerical Control Robots with a movement program to teach it tasks manually Intelligent robot: that can understand its environment and able to complete the task despite changes in the operation conditions. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

¿Qué es la robótica? La robótica es una rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas repetitivas, tareas en las que se necesita una alta precisión, tareas peligrosas para el ser humano o tareas irrealizables sin intervención de una máquina. Las ciencias y tecnologías de las que deriva son: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados, la mecánica, la electrónica y la informática. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

La zona de la Robótica Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Clasificación Desde el punto de vista profesional, los robots se ubican bajo dos principales categorías: industriales y de servicio, aunque no son las únicas. El campo de la robótica industrial puede definirse como el estudio, diseño y uso de robots para la ejecución de procesos industriales. Por su parte, la robótica de servicio se enfoca en el estudio de robots para apoyar diversas tareas, comúnmente peligrosas-desminado-, tediosas-aseo del hogar con aspiradora-, etc.; que sin embargo son servicios necesarios y útiles a los seres humanos. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Robótica para los servicios
Como ejemplos: Vídeo del sistema dispensador de helados: S Aspiradora y planchadora Telecirujano Mascotas Etc. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Robótica industrial En la robótica industrial, algunos procesos automatizados son: Fabricación Ensamblaje Soldadura Paletizado Logística de almacén Formalmente, el estándar ISO 8373:1994, Robots industriales manipuladores – Vocabulario, define un robot industrial como un manipulador programable en tres o más ejes multipropósito, controlado automáticamente y reprogramable. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Definición del robot industrial
Manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas (RIA) Máquina de manipulación automática reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento (Federación Internacional de Robótica -IFR) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Ejemplo Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) del Prof. Makino (Univ. Yamanashi de Japón-1982) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Clasificación del robot industrial (I)
1ª Generación : Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones de su entorno. 2ª Generación : Adquiere información limitada de su entorno y actúa en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia. 3ª Generación : Su programación se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee capacidad para la planificación automática de tareas. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Clasificación del robot industrial (II) Knasel
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Clasificación del robot industrial (III)
Tipo A : Manipulador con control manual o telemando. Tipo B : Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico. Tipo C : Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimientos sobre su entorno. Tipo D : Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de éstos. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Clasificación … Robots de servicio Dispositivos electromecánicos móviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecánicos independientes, controlados por un programa de ordenador y que realizan tareas no industriales de servicio. Robots teleoperados Dispositivos robóticos con brazos manipuladores y sensores y cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador humano de manera directa o a través de un computador. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Tipos de robots (1) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Tipos de robots (2) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Organización funcional del robot

Elementos básicos de un Robot
Estructura Mecánica Transmisiones Sistema de Accionamiento Sistema Sensorial Sistema de Control Elementos terminales Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Estructura mecánica Mecánicamente un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Existen varios tipos de articulaciones. Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación se denomina “grado de libertad” (GDL). El uso de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Tipos de Articulaciones

Configuraciones de robots (1)

Configuraciones de robots (2)

Ejemplos de configuraciones
(a) Cincinnati Milacron T3 robot arm (b) PUMA 560 series robot arm Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Transmisiones Son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Incluyen a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Actuadores Tienen por misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica. En micro-robots, energía piezo eléctrica. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Sensores Para que un robot logre precisión, velocidad y cierta habilidad deberá poseer: Conocimiento de su propio estado (Sensores Internos) Conocimiento del estado de su entorno (Sensores Externos) Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Sistema de Control Es el sistema que determinará las siguientes características del robot: Adaptabilidad - capacidad de ejecutar tareas en ambientes variables sin asistencia. Polivalencia - capacidad de ejecutar diferentes clases de acciones o tareas. Grado de Automatismo - capacidad de ejecutar tareas sin recurrir a un operador humano. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Elementos terminales Los elementos terminales, también llamados “efectores finales” (end effector) son los encargados de interactuar directamente con el entorno del robot. Son altamente específicos para la tarea que realizan. Pueden clasificarse en: Elementos de sujeción: pinzas, ventosas, ganchos, imanes, etc. Herramientas: soldadura por puntos, atornillador, pistola de pintura, bisturí, cámaras, etc. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Estado actual y futuro Más de robots en 1995 Aumento de movilidad, destreza y autonomía Aparición de los robots para tareas no industriales: espacio, medicina, construcción, minería,… Nuevos desarrollos en telemanipuladores: realidad virtual, nuevas tecnologías,… ¿Robots androides? Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Mercado y tendencias Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Domobot Los domobots son microbots: robots móviles con microcontrolador, conectados a una red de automatización doméstica. Están conectados a un controlador domótico: un computador o un dispositivo autónomo - sin necesidad de PC- mediante cable (puerto USB o Firewire) o inalámbricamente (generalmente un puerto WIFI). Se utilizan principalmente en las tareas del hogar (home care), como aspiradores, transportadores de objetos dentro de la casa para el lavado, planchado... No es lo mismo un robot doméstico que un domobot. ROOMBA es un robot doméstico, pero no es un domobot debido a que no tiene un puerto para conectarlo a la red domótica (p.e. un puerto WIFI o USB ). En definitiva, la domobótica es un cruce entre la microbótica y la domótica. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Domestic robot Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Bibliografía Torres, Fernando; Jorge Pomares y otros: “Robots y Sistemas Sensoriales”, Prentice-Hall España 2002 ISBN Kelly, Rafael; Victor Santibáñez: “Control de Movimiento de Robots Manipuladores” Prentice-Hall, España, 2003 ISBN Groover .M. Ángel. R, “Robótica Industrial” Ed. Mc Graw Hill Barrientos, Balaguer .C. “Fundamentos de Robótica” Ed Mc Graw Hill Abidi,M.A. y Gonzalez,R.C. “Data Fusion in Robotics and Machine Intelligence” Ed Academic Press. Angulo,J-M. y Avilés,R. “Curso de Robótica” Ed Paraninfo. Fu,K.S.; Gonzalez,R.C. y Lee,C.S.G. “Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence” Ed Mc Graw Hill. Haralick,R.M. y Shapiro,L.G. “Computer and Robot Vision” Ed Addison-Wesley Ogata. K. “Ingeniería de Control Moderno” Ed Prentice Hall. Domínguez, Sergio; Pascual Campoy y otros: “Control en el Espacio de Estado”, Prentice-Hall, España, 2002 ISBN: Nakamura,S. “Análisis Numérico y Visualización Gráfica con MATLAB” Ed Pearson Educación Monografías y tutoriales en Internet, artículos de revistas y trabajos presentados a congresos de la especialidad que aportan estrategias novedosas sobre Robótica. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Robótica en Chile Historia de la robótica en Chile UNAB: Inter escolares de Robótica Campeonato de fútbol de robots Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Sitios interesantes Microsoft Robotics MSRS (Microsoft Robotics Studio) de The Player Project: Free Software tools for robot and sensor applications Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Referencias en Wikipedia y Wikibooks

Revistas Industrial Robot: An International Journal Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

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