Introducción a la Robótica Introducción Dr José Martínez Carranza Coordinación de Ciencias Computacionales, INAOE

Transcripción

1 Introducción a la Robótica Introducción Dr José Martínez Carranza carranza@inaoep.mx Coordinación de Ciencias Computacionales, INAOE

2 Bienvenidos! Organización del curso: Período: 19/01/ /04/ semanas efectivas, 3h semanales = 42h Evaluación: 3 prácticas 30% 1 examen final 30% 1 proyecto final 40% Actividades obligatorias!!! -2-

3 Objetivos Estudiar la composición de un robot móvil, sus mecanismos de percepción, actuación y locomoción; y conceptos básicos de cinemática de robots móviles. Introducir los modelos de control de un robot móvil. Presentar tópicos selectos en el diseño y el control de robots. Programar un robot móvil capaz de resolver problemas simples (a) diseñar & programar un robot a través de una tarjeta controladora, o bien (b) programar un robot comercial. -3-

4 Organización del curso 1. Introducción 4. Mecanismos avanzados historia, clasificación, composición de un robot planificación, slam, aprendizaje, interacción humano robot, robótica colectiva, robots voladores 2. Mecanismos básicos percepción, acción, locomoción, cinemática práctica 1 3. Mecanismos para el control de un robot práctica 3 proyecto final examen final control de bajo nivel, paradigmas práctica 2-4-

5 Qué es un robot? robota, fuerza de trabajo, Karel Čapek. Una máquina con capacidad de movimiento y de acción. Una computadora con músculos. Autómata dispositivo electro-mecánico que puede ejecutar automáticamente operaciones o movimientos variados y que suele emplearse para sustituir al hombre en labores reiterativas, de naturaleza peligrosa, etc. (Diccionario RAE). Una máquina programable capaz de percibir y de actuar en su entorno con cierta autonomía. -5-

6 Para qué sirven los robots? Depende de su tipo: Robots móviles: exploración, transporte. Robots fijos: asistencia médica, automatización de procesos industriales. Otros: control de prótesis, entretenimiento. Reproducir ciertas capacidades de los organismos vivos. -6-

7 Un poco de historia (1) Objetos y juguetes animados. esculturas animadas egipcias (2000 a.c) Figura animada prehispánica Juguetes Xochitecatl, Tlaxcalagriegos, BC -7-

8 Un poco de historia (2) Objetos y juguetes animados. esculturas animadas egipcias (2000 a.c) Figura animada Figuras mexicanas articuladas.prehispánica Xochitecatl, Tlaxcala Época prehispánica. -8-

9 Un poco de historia (3) Juguetes y esculturas animados. reloj, Piazza San Marco, Italia (s. XV) -9-

10 Un poco de historia (4) Relojes, cajas de música (s. XVII-XVIII)

11 Un poco de historia (5) Autómatas (siglo XVIII). Mecanismos coordinados, e.g. bailarinas, acróbatas

12 Un poco de historia (6) Autómatas (siglo XVIII). Mecanismos especializados, e.g. dibujantes, músicos, escritores

13 Un poco de historia (7) Tortugas de Grey Walter (1950's)

14 Un poco de historia (8) La cibernética es la ciencia del control y de la comunicación en el animal y en la máquina Wiener (1948) teoría de la información mecanismos de retroalimentación Noción de máquina homeostática, inspirada del principio biológico de homeóstasis, el estado de equilibrio mantenido por los seres vivos Ashby (1956)

15 Un poco de historia (9) Según Wiener y Ashby: Una máquina necesita información proveniente del exterior y un mecanismo de retroalimentación para actuar. Una máquina debe ser auto-regulable

16 Clasificación (1) Según su área de trabajo fijos: también conocidos como manipuladores, robots con capacidad limitada de movimiento, generalmente montados en una base o soporte, e.g. brazos, manos y torsos robóticos. móviles: robots capaces de desplazarse completamente, e.g. vehículos robóticos. semi-fijos: robots con capacidad de desplazamiento dentro de un espacio restringido, e.g. brazos robóticos montados en bases móviles o en rieles fijos

17 Clasificación (2) Según su tipo de control tele-operados o tele-dirigidos: auxiliares de la acción/percepción remota, e.g. brazos asistentes en medicina. autónomos: proveedores o sustitutos de fuerza de trabajo, capaces de tomar decisiones por sí mismos, e.g. exploradores y guías de museos. híbridos: auxiliares de la acción/percepción remota, capaces a veces, de actuar por sí mismos, e.g. rovers

18 Clasificación (3) Según el entorno en el que operan terrestres: robots que requiren de una superficie firme para actuar o desplazarse, e.g. vehículos, robots con patas. acuáticos: robots capaces de desplazarse en la super-ficie o dentro del agua, e.g. nadadores, submarinos. aéreos/espaciales: robots capaces de desplazarse en el aire o en el espacio, incluyendo a veces, la capacidad de iniciar el vuelo, e.g. dirigibles, misiles. híbridos: robots capaces de desplazarse en diversos ambientes o dimensiones, e.g. trepadores, reptantes

19 Clasificación (4) Según su aplicación industriales: destinados a la automatización de acciones, e.g. soldadores, montacargas. educativos: destinados al aprendizaje o refuerzo de habilidades, e.g. juguetes educativos. entretenimiento: destinados a la diversión, e.g. robots de compañía, petbots. experimentales: destinados a la investigación. servicio: destinados a realizar tareas en interacción directa con humanos, e.g. limpieza, guía, cuidados, etc

20 Clasificación (5) Según su composición/integración mono-robot: compuestos por un solo robot o módulo, que opera de manera independiente. multi-robot: compuestos por más de un módulo o robot, que operan de manera conjunta en la resolución de tareas

21 Clasificación (6) Otra forma de clasificar un robot es de acuerdo a sus grados de libertad, que son al mismo tiempo, un indicativo de la complejidad de un robot. Los grados de libertad (DOF, degrees of freedom) se definen en robótica de manera general, como el número de direcciones en las cuales un robot puede pivotear o mover su cuerpo o segmentos de su cuerpo. Un robot móvil que se desplaza sobre llantas, ie. apoyado en un plano o superficie de apoyo, tiene generalmente 3DOF. x θ y

22 Clasificación (7) Un manipulador tiene tantos grados de libertad como variables independientes puedan especificarse para localizar todas sus partes. θ θ x2 θ θ x1 θ x1 x2 Manipulador de 5DOF

23 Composición (1) Un robot, al ser una máquina programable capaz de percibir y de actuar en su ambiente o entorno con cierta autonomía, se compone de diversos elementos mecánicos, electrónicos y computacionales

24 Composición (2) cómputo o inteligencia sensores, perceptores (sensors) activadores/accionadores, efectores (actuators, effectors) control potencia comunicación

25 Composición (3) cómputo o inteligencia sensores, perceptores (sensors) activadores/accionadores, efectores (actuators, effectors) control potencia comunicación

26 Referencias Ashby W.R. (1956) An introduction to cybernetics. Chapman & Hall Ltd. (disponible en ) Craig J.J. (1989) Introduction to Robotics. Addison-Wesley. Dudek G., Jenkin M. (2000) Computational Principles of Mobiles Robotics. Cambridge University Press. Mason M. T. (2001) Mechanics of Robotics Manipulation. MIT Press. Walter W.G. (1953) The living brain. W.W. Norton & Co. Wiener N. (1948) Cybernetics. John Wiley & Son