LOS RETOS DE LA ROBÓTICA FUERA Y DENTRO DEL AULA, Y MÁS

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1 LOS RETOS DE LA ROBÓTICA FUERA Y DENTRO DEL AULA, Y MÁS Presenta: Erik Peña Medina, Maestro en diseño mecánico, epmfi@comunidad.unam.mx Víctor Javier Gonzales Villela, Doctor en mecatrónica, vjgv@unam.mx Institución: Facultad de ingeniería, departamento de ingeniería mecatrónica. RESUMEN Actualmente los robots son consideradas máquinas del futuro y hasta cierto punto lejanas, pero en realidad los robots son una necesidad actual y creciente. Las principales aplicaciones de los robots actuales son en la industria, en servicios y en la milicia. Los robots actuales tienen capacidades muy limitadas de interactuar con su entorno y realizar tareas múltiples. En muchos casos los robots se diseñan para desarrollar una tarea específica en un entorno determinado. Las proyecciones sobre los robots indican que en treinta años los robots desarrollarán tareas más complejas y diversas, además de interactuar de manera continua con los seres humanos. El desarrollar robots capaces de cubrir todas las expectativas planteadas es un gran reto. La importancia económica actual de la robótica radica en la investigación y desarrollo. Para crear investigación y desarrollo en la robótica es necesaria la aplicación de varias herramientas matemáticas para describir el comportamiento del robot y su interacción con su entorno. Entre las principales herramientas usadas para modelar robots son el álgebra lineal, el cálculo vectorial y la física. La robótica no solo emplean conocimientos de ciencia y tecnología, también es una entrada a la filosofía para comprender nuestro mundo y a nosotros mismos. INTRODUCCIÓN El desarrollo de robots es una tarea compleja, para diseñar un robot no solo es necesario construirlo, también es necesario comprender la interacción con su entorno. En la robótica generalmente se crean dos modelos, un modelo del robot y un modelo de la tarea a realizar. El comprender como ambos modelos interactúan entre sí para desarrollar una tarea es una parte fundamental de la robótica. En la creación de los modelos se

2 aplican una gran cantidad de conceptos matemáticos básicos. En muchos de los casos los modelos se crean imitando algún comportamiento heurístico y se plasman en un lenguaje matemático. Por un lado, la robótica también abre una serie de preguntas relacionadas con el conocimiento creando en algunos casos nuevas maneras de entender nuestro mundo. Por otro lado el desarrollar robots nos permite construir y replantearnos cuestiones sociales. DESARROLLO Contenido: Retos actuales de la robótica (fuera del aula). Aplicaciones de conceptos en la robótica (dentro del aula) Implicaciones de la robótica en la sociedad Retos actuales de la robótica (fuera del aula) Los robots son sistemas mecatrónicos con la capacidad de interactuar con su entorno desarrollando algún tipo de tarea. Los robots actuales están diseñados para realizar tareas muy específicas en entornos particulares. Las principales aplicaciones de los robots son en la industria automotriz y en robótica de servicio. Robots industriales

3 Robots de servicio Robots militares Cuando los robots son sacados de su entorno y son usados en aplicaciones distintas a las que fueron diseñados los resultados no son los esperados. Robots realizando tareas distintas a las que fueron diseñados Las capacidades actuales de los robots son limitadas. Los robots enviados a obras de mantenimiento dentro de la nucleoeléctrica de Fukushima [1] no fueron capaces de

4 interactuar con su entorno, manipular herramientas adecuadamente, ni interactuar con tableros de control. Fotografías de robots en la nucleoeléctrica de Fukushima La conclusión del empleo de robots en Fukushima fue que los robots son todavía máquinas limitadas en desarrollar tareas bajo diversas circunstancias, es por esa razón que la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), estableció un concurso para desarrollar robots para situaciones de desastre. Los resultados obtenidos por el concurso han llevado a diferentes propuestas y desarrollos. Robot Atlas y Robot Schaft del concurso DARPA El robot Schaft del equipo de mismo nombre, fue el ganador del concurso establecido por DARPA. El robot Schaft fue capaz de desarrollar de mejor manera todas las pruebas establecidas. Las pruebas consistieron en abrir puertas, tomar herramientas para abrir paso, conducir un vehículo, subir escaleras, etc. Aunque los resultados fueron satisfactorios para el proyecto todavía los robots de rescate están lejos de ser una

5 realidad, todas las pruebas se realizaron en ambientes controlados, en tiempos de operación largos y con alimentación externa de los robots. Lo anterior sirve como ejemplo para ilustrar las capacidades actuales de los robots. En el futuro los robots deben contar con capacidades flexibles que les permitan desarrollar varias tareas en ambientes diversos. Aplicaciones de conceptos en la robótica (dentro del aula) Los robots son sistemas mecatrónicos complejos que tienen un cierto grado de autonomía. Los robots son dispositivos compuestos por cuatro sistemas: Sistema mecánico Sistema eléctrico-electrónico Sistema de control Sistema informático El desarrollar el modelo completo de un robot requiere la aplicación de varias herramientas matemáticas. El desarrollo y el análisis del modelo resultante se pueden utilizar como ejemplos para una mejor comprensión de conceptos matemáticos en las ciencias básicas. Para describir como un robot desarrolla una tarea es necesario desarrollar dos modelos que interactúan entre sí. Por un lado, el modelo que corresponde al robot son un conjunto de ecuaciones vectoriales. Las ecuaciones del modelo de un robot describen las relaciones entre cuerpos que lo conforman. Para crear el modelo del robot se aplican conocimientos de algebra lineal, cálculo vectorial, física etc.

6 Sistemas de referencia para desarrollar el modelo cinemático del robot Para crear el modelo cinemático de un robot se emplean transformaciones que proyectan un sistema de referencia a otro, hasta proyectar todos los sistemas a un sistema de referencia fijo. Matriz de transformación entre sistemas en el plano xy Como ejemplo introductorio se modela un robot compuesto de dos barras unidas por juntas rotacionales en un plano xy. Modelo de un robot serial RR.

7 El modelo del robot se construye por medio de transformaciones que proyectan el sistema de referencia 4 al sistema fijo 0: Transformación que describe al robot Con la ecuación anterior se construye el modelo de posición, velocidad y aceleración del robot. Modelo de posición del robot Matriz Jacobiana del robot Modelo de las velocidades del robot Las ecuaciones anteriores son un ejemplo introductorio, del cual se puede explicar las aplicaciones del algebra lineal al obtener el modelo cinemático del robot. Con el estudio de la matriz Jacobiana del modelo de velocidad se pueden obtener algunos parámetros de diseño al estudiar sus invariantes (se estudian los invariantes de matrices no cuadradas). Posteriormente se les muestra a los alumnos como desarrollar el modelo en el espacio.

8 Los modelos en el espacio se relacionan con el modelo de la tarea a realizar. En este caso también se aplican conceptos de algebra lineal y de métodos numéricos. El ejemplo base es desarrollar una trayectoria que describa una tarea. Entre las tareas propuestas se encuentra el desarrollo de una trayectoria que describe el perfil de un pato en un plano, los alumnos determinan las dimensiones de un robot capaz de recorrer la trayectoria. Simulación del robot que desarrolla el perfil de un pato El método utilizado para generar el perfil es por medio de interpolación empleando Splines. El perfil es el ejemplo de L. y J. Burden [2], donde el alumno debe desarrollar el algoritmo planteado en el libro pero con modificaciones para realizar el perfil completo. Estos son unos ejemplos de aplicación en los conceptos matemáticos en la robótica. En el transcurso del curso se emplean otros para ilustrar diferentes fenómenos presentes en los robots, como los efectos de las combinaciones de las velocidades de cada uno de los cuerpos producen aceleraciones y afectan en la ecuación dinámica del robot. El reto más importante es hacer conciencia en los alumnos del valor de los conocimientos que han adquirido durante sus años de estudio. En la mayoría de los casos los alumnos visualizan con más importancia el uso de herramientas técnicas como circuitos y programas. El verdadero valor se encuentra en su capacidad de entender un problema y crear una solución basada en conocimientos adquiridos. Implicaciones de la robótica en la sociedad Las implicaciones de la robótica en la sociedad van relacionadas con las necesidades humanas. Por ejemplo se espera que los robots desarrollen tareas laboriosas y pesadas

9 para los seres humanos. Otro factor importante es que la población mundial está envejeciendo a un ritmo importante y los robots van a cuidar a las futuras generaciones de ancianos. Un argumento en contra de los robots es que desplazarán mano de obra de seres humanos en varias industrias. El empleo de los robots en algunas industrias es muy común hoy en día, realizando tareas peligrosas ya aumentando la productividad. Con la reducción de la población también se reducirá la mano de obra calificada y deberá ser remplazada de alguna manera. Por una parte, los robots al ser elementos tecnológicos son vistos como dispositivos deshumanizadores, con la capacidad de crear pobreza o destruir a la raza humana. Por otra parte, los robots son máquinas que aumentan la productividad y mejoran la calidad de vida de las personas, pero sus aplicaciones todavía son muy limitadas. Por último si se espera que los robot sean un elemento importante en treinta años, hay que imaginar que mundo deseamos y plantear nuevas metas para definir una nueva sociedad. CONCLUSIONES La robótica es importante en la enseñanza, como una herramienta para ilustrar las aplicaciones de conceptos y herramientas matemáticas y ciencias básicas. Por un lado, la robótica es un área de oportunidad en crecimiento con muchas posibilidades. Es necesario crear material para ilustrar las aplicaciones de los conocimientos adquiridos. Por otro lado, la robótica abre el panorama no solo a la ingeniería y la ciencia, también a la filosofía al redefinir a la sociedad.

10 Citas 1. Spectrum, I. Fukushima and the Future of Nuclear Power [cited /8]; Describe cada uno de los instantes antes y después del accidente nuclear en Fukushima Japón]. Available from: 2. Richard, L. and J. Burden, Douglas Faires, Numerical analysis, 1988, PWS Publishing Co., Boston, MA.