IAR234 Robótica

1. IAR234Robótica Introducción a la Robótica y componentes del robot Dr. Juan José Aranda Aboy

2. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

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

4. ¿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. Dr. Juan José Aranda Aboy

5. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

6. 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 (1204- 1282) – Gallo de Estrasburgo (1352) Dr. Juan José Aranda Aboy

7. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

8. 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 1796. (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) Dr. Juan José Aranda Aboy

9. 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 1949. They were named Elmer and Elsie. These robots could sense light and contact with external objects, and use these stimuli to navigate. Dr. Juan José Aranda Aboy

10. 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). Dr. Juan José Aranda Aboy

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

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

13. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

14. 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) Dr. Juan José Aranda Aboy

15. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

16. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

17. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

18. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

19. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

20. Robotics Institute of America (RIA) • Define robot como: • A re-programmablemulti-functionalmanipulatordesignedtomovematerials, parts, tools, orspecializeddevicesthrough variable programmedmotionsforthe performance of a variety of tasks. • RIA recognizesfourclasses of robot: • Handlingdeviceswith manual control • Automatedhandlingdeviceswithpredeterminedcycles • Programmable, servo-controlled robots withcontinuous of point-to-pointtrajectories • Robots capable of Type C specificationswhichalsoacquireinformationfromtheenvironmentforintelligentmotion. Dr. Juan José Aranda Aboy

21. Japanese Robot Association (JARA) • Clasifica robots en: • Manual - HandlingDevicesactuatedbyanoperator • FixedSequence Robot • Variable-Sequence Robot witheasilymodifiedsequence of control • Playback Robot, which can record a motionforlater playback • Numerical Control Robots with a movementprogramtoteachittasksmanually • Intelligent robot: that can understanditsenvironment and ableto complete thetaskdespitechanges in theoperationconditions. Dr. Juan José Aranda Aboy

22. ¿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. Dr. Juan José Aranda Aboy

23. La zona de la Robótica Dr. Juan José Aranda Aboy

24. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

25. Robótica para los servicios • Como ejemplos: • Vídeo del sistema dispensador de helados: S5001171 • Aspiradora y planchadora • Telecirujano • Mascotas • Etc. Dr. Juan José Aranda Aboy

26. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

27. 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) Dr. Juan José Aranda Aboy

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

29. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

30. Clasificación del robot industrial (II) Knasel Dr. Juan José Aranda Aboy

31. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

32. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

33. Tipos de robots (1) Dr. Juan José Aranda Aboy

34. Tipos de robots (2) Dr. Juan José Aranda Aboy

35. Organización funcional del robot Dr. Juan José Aranda Aboy

36. Elementos básicos de un Robot • Estructura Mecánica • Transmisiones • Sistema de Accionamiento • Sistema Sensorial • Sistema de Control • Elementos terminales Dr. Juan José Aranda Aboy

37. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

38. Tipos de Articulaciones Dr. Juan José Aranda Aboy

39. Configuraciones de robots (1) Dr. Juan José Aranda Aboy

40. Configuraciones de robots (2) Dr. Juan José Aranda Aboy

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

42. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

43. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

44. 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) Dr. Juan José Aranda Aboy

45. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

46. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

47. Estado actual y futuro • Más de 600.000 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? Dr. Juan José Aranda Aboy

48. Mercado y tendencias Dr. Juan José Aranda Aboy

49. 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. Dr. Juan José Aranda Aboy

50. Domestic robot • http://en.wikipedia.org/wiki/Domestic_robot • http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica • http://es.wikipedia.org/wiki/Hogar_digital Dr. Juan José Aranda Aboy