viernes, 6 de marzo de 2009

ESTADO DEL ARTE DE ROBOTICA

Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo humano, los griegos tenían una palabra especifica para denominar estas maquinas: automatos. de esta palabra deriva la actual autómata: maquina que imita la figura y movimientos de un ser animado.

La palabra robot fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor checo karel Capek (1890-1938) estrena en el teatro nacional de praga su obra Rossum´s Universal Robot (T.U.R). Su origen es la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada.

Se le atribuye a Asimov la creación del término robotics (robotica) que desde su obra literaria, ha contribuido decisivamente a la divulgación y difución de la robótica. Asimov es considerado el padre de la robotica.

La RIA (Robot Industries Association) lo define así: un robot es un manipulador reprogramable y multifuncional, diseñado para mover cargas, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variadas y programadas.

ROBÓTICA: El diseño, fabricación y utilización de máquinas automáticas programables con el fin de realizar tareas repetitivas como el ensamble de automóviles, aparatos, etc. y otras actividades. Básicamente, la robótica se ocupa de todo lo concerniente a los robots, lo cual incluye el control de motores, mecanismos automáticos neumáticos, sensores, sistemas de cómputos, etc."

El desarrollo en la tecnología, donde se incluyen las poderosas computadoras electrónicas, los actuadores de control retroalimentados, transmisión de potencia a través de engranes, y la tecnología en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos autómatas para desempeñar tareas dentro de la industria. La investigación en inteligencia artificial desarrolló maneras de emular el procesamiento de información humana con computadoras electrónicas e inventó una variedad de mecanismos para probar sus teorías.

Algunas patentes de robots que se realizaron son:

1938 ELEkTRO. Humanoide presentado en la feria mundial de Nueva York.
Robot de 136 kilogramos por la firma Westinghouse: Elektro the Moto Man. Siete pies de altura, con un peso de 265 libras, humanoide, podría caminar por comando de voz, hablar (usando un tocadiscos de 78-rpm),podia fumar, volar globos, y mover la cabeza y los brazos. Elektro el cuerpo de acero consiste en un conjunto de engranajes, levas y motores con un esqueleto cubierto por una piel de aluminio. Sus fotoeléctrica "ojos" podría distinguir el rojo y el verde la luz.Elektro se puede ver en el museo Mansfield Memorial en Ohio, EEUU. Esto ha sido posible gracias a la labor de restauración de Jack Weeks quien ahora, está buscando al perro Sparko la mascota creada para Elektro, un perro robot que podría inclinarse, sentarse, y mendigar.

http://www.youtube.com/watch?v=T35A3g_GvSg


1942. Isaac Asimov crea el concepto las tres leyes de la robótica:

  1. Un robot no debe lastimar a un ser humano o, por falta de acción, permitir que un ser humano se lastime.
  2. Un robot debe obedecer las ordenes dadas por un ser humano, con excepción de las ordenes que contradigan a la primera ley.
  3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras dicha protección no esté en conflicto con la primera y segunda ley.


1956. UNIMATE, de tipo industrial utilizado por la linea de ensamble GM. Por George Devol. Fue el primer robot industrial. Utilizan los principios de control numérico para el control de manipulador y era un robot de transmisión hidráulica.


1975. PUMA, (Maquina Universal Programable para ensamblado). De tipo industrial. para tareas de montaje por Unimation, basándose en diseños obtenidos en un estudio de la General Motors.

1977. Los robots llegan al espacio en el voyager 1 y voyager 2.

Sondas compuestas de cámaras y sensores para fotografía y adquisición de datos, estas sondas Voyager I y Voyager II, ambas de idéntica estructura, fueron lanzadas en 1977 con el objetivo de explorar gran parte de nuestro sistema solar. Estas naves aprovecharon hasta la extenuación la fuerza gravitacional de los planetas por los que iban pasando para poder "impulsarse" de un planeta a otro. La situación en ese instante de los planetas exteriores del Sistema Solar (los situados mas lejos del Sol que la Tierra) era idónea para que de un planeta las sondas pudieran pasar a otro y así ganar velocidad. Exploraron Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno proporcionando información tremendamente útil sobre estos planetas y hoy en día (Enero 2005) están al doble de distancia del Sol que Pluto, el planeta más alejado de los que giran en torno al Sol.


Ruta de los voyager:


1979. se funda el instituto de robotica en la universidad Carnegie Mellon (RI)

1981. brazo de transmisión directa que tiene motores en las articulaciones para que el movimiento sea mas fino y preciso. Por takeo kanade.

1986. media Lab del MIT y LEGO, desarrollan y venden productos educativos.




1989. GENGHIS, por MIT.

Robot de forma similar a un insecto. Demuestra la eficacia de usar los numerosos robots pequeños, ligeros, móviles para reconocer la superficie marciana. Genghis fue un prototipo porterior a otros autónomos araña como los robot attila y hannibal. Genghis pesa alrededor de 1 kilogramo, contiene 6 censores piroelectricos para detectar vida animal y ocupa 12 motores para impulsar el movimiento en sus 6 patas independientes. Genguis se encuentra ahora localizado en el National Air and Space Museum, en Washington.


1993 DANTE Universidad Cgie.

Robot destinado a servir de modelo para la exploración futura del planeta Marte. Enviado al cráter del volcan activo del monte Erebus en la Antártida para tomar muestras. El descenso del robot al interior del Monte Erebus, que ofrece similitudes con el universo marciano, se detuvo debido a fallos en un cable de fibra óptica.




1994 Dante II, Asciende el monde Spurr en Alaska. Tuvo éxito.

Se trata de un robot de 8 patas, con un sistema de locomoción denominado framewalker, caracterizado por el desplazamiento de dos planos paralelos a la superficie, cada uno dotado de 4 patas que pueden subir y bajar. El movimiento es estáticamente estable. Fue utilizarado en Julio de 1994 para la exploración del volcan del Monte Spurr en Alaska, proyecto subvencionado por la NASA.

Se diseñó específicamente para descencer al volcan y obtener datos para su posterior análisis científico. Utilizó para ello una cuerda, que une al robot con la cima del volcan, y que le permite controlar el descenso (como si estuviese haciendo rapel).

Este robot no es totalmente autónomo, está telecontrolado, aunque es capaz de realizar algunas acciones por su cuenta. Los operadores se encontraba a 120Km de distancia, recibiendo la información vía satélite. El robot estuvo operativo durante 5 días, en unas condiciones adversas (altas temperaturas y presencia de gases tóxicos) y un terreno muy escarpado. Los objetivos de la misión fueron:

Descender al interior del cráter
Recolectar y enviar datos del interior
Realizar toda la operación sin necesidad de presencia humana


1996 P3, humanoide desarrollado por Honda, 10 años en desarrollo.

El robot P3 de honda es posiblemente el robot más famoso del mundo, sobre todo, desde que protagonizo un anuncio publicitario de la multinacional japonesa. En este anuncio se podía ver al robot P3 ejerciendo una de las tareas que ningún otro robot podía hacer hasta entonces ( y es posible que todavía no haya ninguno): subir escaleras. Este robot es de los conocidos como humanoides, debido a su aparante forma humana.

Honda define la inteligencia como la "capacidad de establecer estrategias de resolución de problemas para lograr un objetivo concreto mediante el reconocimiento, el análisis, la asociación y la combinación de datos, la planificacion y la toma de desiciones". Honda es la primera en reconocer que ASIMO todavía dista mucho de tener todas estas capacidades, pero considera que se han realizado avances importantes.
Además de las capacidades cognitivas asociadas al sistema de "avance inteligente", las versiones de ASIMO que se están desarrollando en Japón cuentan con varias funciones inteligentes, entre las que destacan la capacidad de reconocer a personas, objetos y gestos, calcular las distancias y el sentido de desplazamiento de varios objetos.
Estas informaciones visuales se registran, interpretan y traducen en acciones. Gracias a estas funciones, ASIMO puede evitar los objetos que se encuentran en su camino, saber que alguien quiere darle la mano y actuar en consecuencia tendiéndole la suya.
En cierta medida, ASIMO también puede entender y hablar. Puede reconocer voces, distinguir sonidos y palabras, responder a determinadas instrucciones e intercambiar frases simples y saludos con una persona. Actualmente, ASIMO puede entender 50 saludos y tratamientos distintos, así como 30 instrucciones, y actuar en consecuencia.


http://www.youtube.com/watch?v=Q3C5sc8b3xM&feature=related


1997 SOUJOURNER, misión Pathfinder. En el 2008 fue aceptado en la sala de la fama de los robots.

La misión Mars PathFinder formó parte del proyecto Discovery de la NASA. El 4 de julio de 1997 Pathfinder llegó a su destino final. Una vez allí envió datos que permitieron el estudio de la atmósfera y la superficie de Marte. Así mismo se realizaron experimentos diversos.

El sistema enviado a Marte consta de dos partes bien diferenciadas. Por un lado el lander, que es el sistema base, y por otro el rover, un vehículo robot de nombre 'Sojourner' con capacidad para moverse sobre suelo marciano.

El lander lleva tres antenas: la antena de alta ganancia (HGA), usada en el enlace con la Tierra; la antena de baja ganancia (LGA), usada para el enlace con la Tierra durante el viaje hasta Marte; y la antena del LMRE (Lander Mounted Rover Equipment), utilizada para comunicarse con el 'Sojourner'. De todas ellas hablaremos más tarde, en la sección de comunicaciones.

El elemento más llamativo de la misión es el 'Sojourner'. Por primera vez un vehículo fabricado por el hombre y manejado por control remoto se movía sobre la superficie de otro planeta. Sus principales características son:

Peso total: 16 Kg.
Peso de los equipos: 4.5 Kg., incluyendo la antena UHF y el modem.
Navegación: autónoma, usando un láser que detecta la presencia de obstáculos.
Sistema de movilidad: seis ruedas y suspensión.
Comandos y telemetría: por un enlace UHF con el lander.
Payload: dos cámaras (anterior y posterior) y el APXS y su mecanismo de despliegue.
Fuente de energía: panel solar 0.25-M2 con potencia de pico 16 W., y una bateria de 50 W. Control térmico: tres calentadores de radioisotropos (RTGs).
Ordenador: 80C85 MIPS con 0.5 Mbyte RAM. Peso: 0.5 Kg. Consumo: 1.5 W
Tiempo de las operaciones en la superficie: 10 A.M. a 2 P.M. cada dia marciano.


lander


soujourner


1998 FURBY. Juguete robótico.

La criatura ofrece una amplia gama de emociones, movimientos, reconocimiento de voz avanzado y bilingüe, reacciona basandose en la reacción que el propio niño tenga ante el, pudiendo:Hablar, bailar, cantar, contar bromas, jugar, contar cuentos, chistes, se rie. Es flexible, sus ojos son expresivos, los oídos y las cejas movibles permiten que la criatura sonria, frunza el ceño e incluso produzca un grito de asombro pero nada aterrorizador.


1999 AIBO, por Sony. Mascota robótica

Aibo ("amigo" en japones) es un robot mascota que tiene forma de perro. Dispone de sensores que le evitan chocar contra objetos, y una cola que funciona de antena, además de "sentido del tacto".

Usa una combinación de tecnologías robóticas y multimedia e inteligencia artificial para hacer posible que una serie de hardware y software, normalmente “inanimado”, pueda tratarse como si fuera un compañero interactivo. Bajo una “vestimenta” en forma de perro, el Aibo genera interacción con su operador: Es capaz de reconocer los gestos e incluso la actitud corporal de su dueño. Es sensible a las caricias, tiene una enorme capacidad de movimientos, equilibrio y flexibilidad, y lo más importante: aprende.

Según la compañía, Aibo verdaderamente tiene emociones e instintos programados en su cerebro, según la situación.


TIPOS DE ROBOTS

Ningún autor se pone de acuerdo en cuántos y cuáles son los tipos de robots y sus características esenciales. Las clasificaciones más común son las que continuación se presentan:

EN FUNCIÓN DEL MEDIO:

• Terrestres (vehículos, robots con patas, manipuladores industriales)
• Aéreos (dirigibles)
• Acuáticos (nadadores, submarinos)
• Híbridos (trepadores)



EN FUNCIÓN DEL CONTROL DE MOVIMIENTO:

• Autónomos
• Teleoperados.
• Robots fijos: automatización de procesos industriales, asistencia médica, etc.
• Robots móviles: exploración, transporte.
• Reproducir ciertas capacidades de los organismos vivos.
• Otros: entretenimiento

EN FUNCION DE SU APLICACIÓN:

–Industriales y manipuladores.
–Móviles o vehículos robot.
–Prótesis para uso humano.
–Didácticos o experimentales.
–Manos teledirigidas o telechirs.
–Instalaciones inteligente.
–Microrrobots o nanorobots.

Industriales o manipuladores

Suelen tener forma de brazo articulado, en cuyo extremo incorporan elementos de sujeción o herramientas. Realizan tareas repetitivas en industrias de automoción, fabricación mecánica o electrónica en las que se emplean para montar y mover piezas o componentes, soldar, pintar …
Moviles o vehiculos robot

Se desplazan empleando ruedas, orugas o patas articuladas, y se utilizan par suministrar herramientas o materiales a los manipuladores, para transportar materiales peligrosos, para construir túneles …

Prótesis para uso humano

Son dispositivos electromecánicos que realizan el trabajo de las manos, los dedos o las piernas de los seres humanos.

Didacticos o experimentales

Se utilizan para la enseñanza y el aprendizaje de la robótica.

Manos teledirigidas o telechirs

Se destinan a manipular productos reactivos o peligrosos y a colaborar en operaciones quirúrgicas controladas de forma remota por cirujanos expertos.

Instalaciones inteligentes

Sirven para controlar de manera automatizada las mercancías de almacenes o los libros de bibliotecas, entre otras aplicaciones.


Microrrobots y nanorobots

Dispositivos de un tamaño de centímetros o milímetros con los que se actúa, por ejemplo, en el cuerpo humano para realizar intervenciones.



ARQUITECTURA DE UN ROBOT

En un robot se pueden distinguir cuatro elementos bien diferenciados:

–La estructura
–Los actuadores
–Los sensores (comunicación, percepción visión, etc.)
–El sistema de control (servocontrol, generación de trayectorias, planificación)

LA ESTRUCTURA

Es el esqueleto del robot y está constituido por los mecanismos y articulaciones que permiten su movimiento


LOS ACTUADORES

Son los elementos que a modo de músculos se encargan de suministrar la fuerza necesaria para mover la estructura del robot.

–Actuadores eléctricos.
–Actuadores neumáticos.
–Actuadores hidráulicos.

LOS SENSORES

Son los sentidos del robot, es decir constituyen un conjunto de elementos que le permiten conocer el estado del mundo que le rodea y la posición exacta de sus componentes.

Algunos tipos de sensores electrónicos:

»Sensores de temperatura.
»Sensores de deformación.
»Sensores de acidez.
»Sensores de luz.
»Sensores de contacto.
»Sensores de proximidad.

LOS SISTEMAS DE CONTROL

Es el cerebro del robot. En función de las tareas que desempeña el robot, es más o menos complejo.
Existen diferentes sistemas para controlar los robots, los más importantes son:

- Controladores de secuencia fija o variable a lazo abierto.
- Controladores de secuencia variable por realimentación interna.
- Controladores inteligentes o de realimentación externa.

ESQUEMA GENERAL DE UN ROBOT

TECNOLOGIA ROBOTICA

Comprende campos como:

• Diseño de máquinas
• Teoría de control
• Microelectrónica
• Programación
• Inteligencia artificial
• Entre otras


LOS GRADOS DE LIBERTAD

Son cada uno de los movimientos básicos que definen la movilidad de un determinado robot. Puede indicar un movimiento longitudinal o de rotación. Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior:

• Espacio 2D -> 2 grados de libertad
• Espacio 3D->3 grados
• Mas de 3 grados: colocación de la herramienta en la orientación adecuada para realizar el trabajo.

ÁREA DE TRABAJO (Working Envelope)

Espacio que el robot puede acceder al moverse. Debido a la estructura de las articulaciones y al número de ellas existente, el brazo del robot puede llegar a alcanzar ciertos puntos del espacio, pero nunca todos. Al conjunto de los puntos del espacio que el robot puede alcanzar con su herramienta se le denomina campo de acción, y es una característica propia de cada robot.


TIPOS DE ARTICULACIONES

Existen diferentes tipos de articulaciones. Las más utilizadas en robótica son las que se indican en la figura 1.


Fig. 9 Tipos de articulaciones robóticas.

La articulación de rotación suministra un grado de libertad consistente en una rotación alrededor del eje de la articulación. Está articulación es, con diferencia, la más empleada.

En la articulación prismática el grado de libertad consiste en una traslación a lo largo del eje de la articulación.

En la articulación cilíndrica existen dos grados de libertad: una rotación y una traslación.

La articulación planar está caracterizada por el movimiento de desplazamiento en un plano, existiendo por lo tanto, dos grados de libertad.

Por último, la articulación esférica combina tres giros en tres direcciones perpendiculares en el espacio.
ESTRUCTURAS BASICAS; TIPOS DE CINEMATICA O CONFIGURACION DE ROBOTS

La estructura típica de un manipulador consiste en un brazo compuesto por elementos con articulaciones entre ellos. En el último enlace se coloca un órgano terminal o efector final tal como una pinza o un dispositivo especial para realizar operaciones.

Se consideran, en primer lugar, las estructuras más utilizadas como brazo de un robot manipulador. Estas estructuras tienen diferentes propiedades en cuanto a espacio de trabajo y accesibilidad a posiciones determinadas. En la figura 2 se muestran cuatro configuraciones básicas.

Fig. 10 Estructuras básicas de manipuladores.


Configuración cartesiana.

La configuración tiene tres articulaciones prismáticas (3D o estructura PPP). Esta configuración es bastante usual en estructuras industriales, tales como pórticos, empleadas para el transporte de cargas voluminosas. La especificación de posición de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas (x,y,z). Los valores que deben tomar las variables articulares corresponden directamente a las coordenadas que toma el extremo del brazo. Esta configuración no resulta adecuada para acceder a puntos situados en espacios relativamente cerrados y su volumen de trabajo es pequeño cuando se compara con el que puede obtenerse con otras configuraciones.

Configuración cilíndrica.

Esta configuración tiene dos articulaciones prismáticas y una de rotación (2D, 1G). La primera articulación es normalmente de rotación (estructura RPP). La posición se especifica de forma natural en coordenadas cilíndricas. Esta configuración puedes ser de interés en una célula flexible, con el robot situado en el centro de la célula sirviendo a diversas máquinas dispuestas radialmente a su alrededor. El volumen de trabajo de esta estructura RPP (o de la PRP), suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el de un toro de sección cuadrada de radio interior L y radio exterior 2L. Se demuestra que el volumen resultante es: . 3piLLL

Configuración polar o esférica.

Está configuración se caracteriza por dos articulaciones de rotación y una prismática (2G, 1D o estructura RRP). En este caso las variables articulares expresan la posición del extremo del tercer enlace en coordenadas polares.
En un manipulador con tres enlaces de longitud L, el volumen de trabajo de esta estructura, suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el que existe entre una esfera de radio 2L y otra concéntrica de radio L. Por consiguiente el volumen es (28/3)piLLL.

Configuración angular.

Esta configuración es una estructura con tres articulaciones de rotación (3G o RRR). La posición del extremo final se especifica de forma natural en coordenadas angulares.
La estructura tiene un mejor acceso a espacios cerrados y es fácil desde el punto de vista constructivo. Es muy empleada en robots manipuladores industriales, especialmente en tareas de manipulación que tengan una cierta complejidad. La configuración angular es la más utilizada en educación y actividades de investigación y desarrollo. En esta estructura es posible conseguir un gran volumen de trabajo. Si la longitud de sus tres enlaces es de L, suponiendo un radio de giro de 360 grados, el volumen de trabajo sería el de una esfera de radio 2L, es decir (32/3)piLLL .

Configuración SCARA.

Esta configuración está especialmente diseñada para realizar tareas de montaje en un plano. Está constituida por dos articulaciones de rotación con respecto a dos ejes paralelos, y una de desplazamiento en sentido perpendicular al plano. El volumen de trabajo de este robot, suponiendo segmentos de longitud L, un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L es de 4piLLL.

Bibliografia:

[1] fundamentos de robotica. Antonio Barrientos, Luis Felipe Peñin, Carlos Balaguer, Rafael Aracil. Mc Graw Hill

[2] http://www.britannica.com/EBchecked/topic-art/505818/56152/Genghis-the-robot-Genghis-was-built-at-MIT-in-the

[3] http://www.roboticspot.com/especial/exploracion/voyager.php

[4] http://www.scribd.com/