Antecedentes históricos de la

Robótica. Dr. Roberto Carlos García Gómez

Departamento de Metal-Mecánica.

Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Desarrollo histórico GRECIA

• Mecanismos animados movidos por líquido, aire o vapor de agua de Herón de Alejandría (85 D.C.).

ARABIA

• Utilización práctica como dispensadores automáticos de agua para beber o lavarse.

EDAD MEDIA

• Hombre de hierro de Alberto Magno (1204-1282).

• Gallo de la Catedral de Estrasburgo (1352).

RENACIMIENTO

• León mecánico de Leonardo Da Vinci (1499).

• Hombre de palo de Juanelo Turriano (1525).

Ejemplos de mecanismos animados

Dispositivos de Herón de Alejandría.

Época preindustrial SIGLOS XVII-XIX:

• Muñecos de Jacques Vauncanson (1738):

• Flautista, tamborilero, pato, muñecas mecánicas.

• Jugador de ajedrez de Von Kempelen (1769).

• Androides de Jacques Droz (1770):

• Escriba, organista, dibujante. – Hiladora mecánica de Crompton (1779):

• Telar mecánico de Jacquard (1801)

• Muñeca dibujante de Henry Maillardet (1805).

Ejemplos de androides

Muñecos de Jacques Vaucanson

Androides de Jacques Droz

Muñeca dibujante de Henry Maillardet

Desarrollo histórico ... 1922 Aparece la palabra robota en “Rossum´s Universal Robots” de Karel Capek 1940 I. Asimov acuña el término robótica: Estudio sistemático de los robots, su construcción, mantenimiento y comportamiento. 1954 Primeras patentes sobre robots en UK (Kenward) y USA (Devol) 1961 Engelberger y Devol fabrican el primer robot manipulador (Unimate-2000) 1967 General Electric Corp. construye un robot caminante de cuatro patas. La U. de Stanford presenta el primer robot móvil con ruedas

Desarrollo histórico (Cont.)

1970 Se construye el primer robot con accionamiento eléctrico en la U. de Stanford. Cincinnati Milacron Corp. Produce el T3 con accionamiento hidráulico y controlado por microprocesador 1973 Se funda ASEA (ABB), primer fabricante europeo 1976 La NASA emplea manipuladores en las sondas Viking 1 y 2 para recoger muestras en Marte 1978 Unimation lanza el PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) 1982 Se lanza el SCARA en Japón (Makino) 1983 Odetics Inc. Comercializa el primer robot caminante (ODEX I) ...

… Hasta nuestros días…

Pero… Que es un Robot?

Su origen. En 1921, en la obra de teatro "RUR" (Rossum´s Universal Robot "Robots Universales de Rossum"), de Karel Capek (1890 -1938), donde aparece la palabra “robot” del eslavo robota "trabajo forzado”. Posteriormente se utiliza el termino y la idea en un libro denominado Metrópolis de Tea Von Harbou la cual es llevada al cine por el cineasta Fritz Lang 1926.

Enciclopedia Británica: Es un mecanismo instrumentado que se usa en la ciencia e industria para sustituir al ser humano. No tiene que parecerse físicamente a un ser humano ni tiene por qué realizar sus tareas de un modo humano.

Robot Industrial (RI)

British Robot Association (BRA): Dispositivo reprogramable con un mínimo de cuatro grados de libertad diseñado para manipular y transportar piezas, herramientas o elementos especiales de fabricación a través de un programa variable de movimientos para realizar una tarea de manufactura específica.

Robotics Institute of America (RIA): Manipulador multifuncional y reprogramable, controlado automáticamente, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especializados a través de un programa variable de movimientos para realizar una tarea de manufactura específica.

Robot Industrial (RI)

Asociación Francesa de normalización (AFNOR): Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre si, destinados al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivos lógicos, Robot: manipulador automático servo controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos espaciales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varias brazos terminados en muñecas. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su materia.

Clasificación de robots.

• Según la AFRI(Asociación Francesa de Robótica Industrial).

▫ Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.

▫ Tipo B: Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación de fines de carrera o topes.

▫ Tipo C: Robot programable con trayectorias continuas o punto a punto, sin conocimiento del entorno.

▫ Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de estos.

Clasificación de robots.

• Según la IFR(Federación Internacional de Robótica).

▫ Robot secuencial.

▫ Robot de trayectoria controlable.

▫ Robot adaptativo.

▫ Robot telemanipulado.

Desarrollo de los Robot Manipuladores…

Teleoperadores Manipulador accionado manualmente y a distancia por medio de palancas Se desarrollaron en la II Guerra Mundial para la manipulación de sustancias radioactivas El accionamiento mecánico se cambió por motores eléctricos y las palancas por potenciómetros

Manipuladores Master-Slave

Constan de dos dispositivos semejantes

uno es accionado por el operario

(Master) y el otro repite los

movimientos de éste (Slave)

Modos de funcionamiento:

Unilatera: El Slave simple-mente repite

los movimientos

Bilateral: El Slave repite los

movimientos e informa al Master de lo

que acontece

Manipuladores Master-Slave

JPL/AMES Manipulator Arm – Hubert “Vik” Vykukal (American)

Robotic Master-Slave Manipulator – Mark E. Rosheim.

EL Robot Industrial • El RI aparece cuando se sustituye al operario de un

telemanipulador por un sistema automático (Computador)

Manipulador

Sensores internos Sensores externos

Controlador

Potencia

Entrada/salida

Configuración de un RI

Muñeca:

Balanceo (Roll):

180o 0o -90o (270o)

Cabeceo (Pitch):

-90o 0o 50o (140o)

Guiñada (Yaw):

- 45o 0o 15o (60o)

Brazo:

CODO: 1 articulación

HOMBRO: 2 articulaciones

(hombro + cintura)

Configuración de un RI (Cont.)

Grado de libertad (gdl):

Cada uno de los movimientos

independientes.

Manipulador universal:

6 gdl

Manipulador redundante:

>6 gdl

Manipulador con restricciones:

<6 gdl

Manipulador redundante

Ejemplos representativos

• Cincinnati Milacron T3

▫ (The Tomorrow Tool Today) (1970...)

▫ 1er manipulador controlado por microprocesador

Irb60 Irb6

Irb90

Unimation PUMA-200

Clasificación de los robots

Robots

Robot Manipulador

Aplicaciones industriales tradicionales

Aplicaciones especiales

Robot móvil

Patas

Caminantes

Bípedo Multípatas

Escalador

Ruedas / Orugas

Clasificación de los robots Manipuladores

La clasificación más difundida se establece en función de los

siguientes tipos:

Configuración estructural

Tipo de control

Tipo de trayectorias

Tipo de programación

Tipo de energía

Configuración estructural

En los RI encontramos dos tipos básicos de articulaciones que determinan el tipo de estructura mecánica

Rotatorias:producen el desplazamiento relativo de dos eslabones unidos por un eje

Prismáticas: producen el desplazamiento relativo de dos eslabones a lo largo de un eje

Cilíndrica Esférica

– 2 o 3 movimientos diferentes...

• También podemos encontrar combinaciones...o variaciones

Robot angular (RRR)

Stäubli RX130

Robot polar (RRP)

Unimate-2000

Robot cilíndrico (RPP)

Hydro Arm (ATI)

Robot cartesiano deslizante

(PPP)

PRAGMA

Robot cartesiano pórtico (PPP)

Cybernetix

Robot SCARA (RRP)

FAGOR

Robot con sistema paralelogramo

EI-25 (IAI)

Manipuladores: Clasificación por Tipo de control

• Secuencia-controlada ▫ Tienen dos posiciones

fijas por eje

▫ La programación puede ser mecánica o eléctrica

▫ Se programa la secuencia de movimientos y las esperas

• Servocontrolados ▫ Trabajan en lazo cerrado

y pueden controlar la posición, velocidad, aceleración y fuerza.

Manipuladores: Clasificación por Tipo de control

• Adaptativos ▫ Control mediante

aprendizaje

▫ El sistema de control se ajusta en función de las condiciones de trabajo

▫ Uso de la experiencia previa

• Teleoperados ▫ Operado de modo remoto

por un operador humano

▫ Tiene función de extensión del sistema motor humano

Manipuladores: Tipo de programación

• ON-LINE

▫ Guiado: el operario mueve el extremo de la herramienta y el controlador graba los puntos de paso

Manipuladores: Tipo de programación

• ON-LINE

▫ Aprendizaje: El operario “enseña” los puntos al robot llevándolo a ellos mediante una unidad de programación manual. El controlador los graba y el tipo de trayectoria se determina a priori o posteriori

Manipuladores: Tipo de programación

• OFF-LINE

▫ Textual: Se programa utilizando un lenguaje de tipo convencional y las instrucciones y datos se introducen textualmente (teclado)

▫ Gráfico: Se dispone de un sistema gráfico que define el entorno del trabajo del robot y los puntos de posiciona-miento se seleccionan con el ratón

Manipuladores: Tipo de energía

• Hidráulicos: (+) Mueven cargas muy pesadas (+) Presentan una gran relación par/peso (+) Rápidos en desplazamientos lineales (+) Son muy robustos y baratos (-) Difíciles de mantener y propensos a fugas de

aceite • Neumáticos:

(+) Mueve cargas no muy pesadas (+) Presentan buena relación par/peso (+) Rápidos en desplazamientos lineales (+) Son robustos y baratos (+) Fáciles de mantener (-) Presentan problemas de control (viscosidad y

comprensibilidad del aire)

• Eléctricos Fáciles de controlar

Fáciles de mantener

Baja relación par/peso

Tipos:

Corriente continua

Corriente continua sin escobillas (Brushless)

Paso a paso

Corriente alterna

• Grado de movilidad: Número de articulaciones que pueden moverse

• Grado de libertad: Número de movimientos independientes en el espacio tridimensional

1 gdl

4 gdm 2 gdl

4 gdm 3gdl

4gdm

3 gdl

4gdm

Rotación longitudinal

Manipuladores: Algunos conceptos básicos: Grados de movilidad y grados de libertad

? gdl

? gdm

Rotación transversal

Volumen de trabajo

El volumen de trabajo es el conjunto de puntos alcanzados por el punto

efectivo del robot (PCH: punto de centrado de la herramienta, TCP: Tool Center

Point)

Estructura

Volumen

de trabajo

Volumen de trabajo del robot Motoman-L10W

Volumen de trabajo

• Trayectoria punto-a-

punto ▫ No coordinado (NC)

▫ Coordinado (C)

• Trayectoria continua ▫ Se especifica la trayectoria

(recta, arco de circunferencia, spline etc.)

▫ Se efectúa control de velocidad

▫ La trayectoria se genera por interpolación espacial

Eje a eje (NC)

Simultaneo (NC)

Trayectoria

continua

Tipo de trayectoria

Manipuladores: Aplicaciones Industriales

Paletización:

Alimentación de maquinaria: Moldeado plástico Fundiciones Prensas Centros de mecanizado Tratamiento a altas temperaturas

Ingeniería de procesos:

Moldeado por recubrimiento Forjado Desbarbado Taladrado

Manipuladores: Aplicaciones

Soldadura:

Por puntos Por arco

Tratamiento de superficies:

Pintura con pistola pulverizadora Metalizado

Ensamblaje

Control de calidad

Medida, inspección

Entrenamiento, investigación, educación

Manipuladores: elementos terminales

Pinzas

electroimán

electroimán

electroimán

Ventosas de

vacío

Palets

Manipuladores: Herramientas

Manipuladores: Aplicaciones especiales

• Aplicaciones espaciales ▫ Manipuladores para posicionamiento y recuperación de

satélites ▫ Manipuladores para vehículos de exploraciones ▫ Robots para construcciones en el espacio

• Aplicaciones submarinas y subterráneas ▫ Exploraciones ▫ Instalación y mantenimiento de cables submarinos ▫ Limpieza e inspección de tuberías

• Aplicaciones militares ▫ Desactivación de explosivos ▫ Robots centinelas

• Aplicaciones médicas ▫ Prótesis robotizadas ▫ Ayuda a discapacitados

• Aplicaciones agrícolas y ganaderas ▫ Manipuladores para sembrado y recogida de cosechas ▫ Robots esquiladores

Manipuladores: Aplicaciones especiales

• Inspección en la industria nuclear

SIROIN (IAI)

Manipuladores: Aplicaciones especiales

• Inspección en tendidos eléctricos.

▫ Robot teleoperado para mantenimiento de líneas de distribución de energía eléctrica

ROBTET (DISAM-UPM)

Manipuladores: Aplicaciones especiales

• Construcción de edificios

▫ Automatización de la construcción de edificios por medio de robots y conceptos de Construcción integrada por computador (CIC)

ROCCO (DISAM-UPM)

Manipuladores: Aplicaciones especiales

TREEJIB (Ontario Hydro)

• Aplicaciones forestales

▫ Manipulador remoto para operaciones forestales

▫ Tareas de poda en árboles altos o próximos a tendidos eléctricos

PLUSTECH Oy (Finlandia)

Robots con ruedas: Carro

▫ Dos ruedas motrices (1 motor)

▫ Dos ruedas directrices (1 motor)

VIAS (IAI)

Robots con ruedas: Mecanismo diferencial

Sojourner (JPL)

RoboSoft Hermes B21

Robots con orugas ▫ Pueden considerarse

vehículos con ruedas que transportan su propio sistema de apoyo

▫ Las orugas se consideran ruedas virtuales de radio igual a la mitad de la longitud de la oruga

▫ El sistema básico es equivalente a un robot con ruedas de tipo diferencial

Cybernetix

KHG

Robots caminantes: Primeros diseños

• 1940 ▫ Hutchinson (UK)

• 1940 - 1960 ▫ Bekker (USA)

• 1962 ▫ GE Walking Truck ▫ Iron Mule Train

• 1966-1968 Phony-Pony ▫ McGhee

• 1968 Big Muskie • 1969 OSU-Hexapod

▫ McGhee • 1970 ...

Robots caminantes: Realizaciones

OSU-Hexapod

RIMHO-IAI

ODEX

• RIMHO (IAI)

• Aplicaciones militares

Adaptive Suspension Vehicle (ASV-OSU)

• Exploraciones espaciales

AMBLER-CMU

• Educación y entretenimiento

PALAIOMATION-IAI

• Construcción naval

ROWER-IAI

Robots escaladores:Aplicaciones • Construcción naval

▫ Robot escalador portador de sistema de soldadura

▫ 6 patas en configuración SCARA

▫ 100 Kg de carga útil

▫ 250 Kg de peso

▫ Dispositivo de agarre formado por electroimanes

▫ Dimensiones del cuerpo:

110x60x40 cm

REST-IAI

• Inspección en construcción naval

– 4 patas en configuración insecto

– 30 Kg de carga útil

– 15 Kg de peso

– Dispositivo de agarre formado

por ventosas de vacío

– Dimensiones del cuerpo:

25x50x30 cm

Robug (Portech)

Robots bípedos: Realizaciones

• Salford Lady (U. de Salford)

▫ Altura: 1,7 m

▫ Peso: 12 Kg

▫ GDL: 8 (motores DC)

Robots bípedos: Realizaciones

• Honda Human Robot

– Altura: 1,8 m

– Peso: 210 Kg

– GDL: 8

– Carga: 5 kg/mano

Mercado y Tendencias

Por lo visto...

• En la robótica se analizan y aplican conocimientos de diversas disciplinas:

▫ Mecánica

▫ Electrónica

▫ Informática

▫ Teoría de Control Automático

▫ Sensores

▫ Inteligencia Artificial

Pero antes de seleccionar un robot…

• Debemos tener en mente las siguientes reglas generales para la decisión del uso de un robot:

1. Las cuatros D de la robótica (Four Ds of Robotics), es decir, si la tarea es sucia (Dirty), aburrida (Dull), peligrosa (Dangerous) o difícil (Difficult).

2. No se debe dejar a un humano sin trabajo o desempleado.

3. Preguntarse, ¿es posible encontrar personas dispuestas a realizar el trabajo?.

4. El uso de los robots debe tener beneficios económicos a corto y mediano plazo.

Selección de robots • Características geométricas

▫ Número de grados de libertad

▫ Volumen de trabajo

▫ Resolución, precisión y repetibilidad

▫ Calidad de seguimiento de trayectorias

• Características cinemáticas

▫ Velocidad máxima y mínima

▫ Aceleración/deceleración

• Características dinámicas

▫ Fuerza de agarre

▫ Carga máxima

▫ Control de fuerza/par

▫ Frecuencia de resonancia

• Tipo de movimientos

▫ Punto a punto

▫ Coordinado

▫ Continuo

• Tipo de programación

▫ Enseñanza,

▫ Guiado,

▫ Textual

• Tipo de energía

▫ Hidráulico

▫ Neumático

▫ Eléctrico

• Comunicaciones

▫ E/S digitales/analógicas

▫ Serie/paralelo/redes

• Coste y servicio