ETSII – UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino, 5ª Edición Marzo 2016

Sesión 1 (Teoría)

• Introducción a la robótica móvil

• Introducción al hardware libre

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Robótica móvil

• Robótica– Técnica que aplica la informática al diseño y empleo de aparatos

que, en sustitución de personas, realizan operaciones o trabajos,por lo general en instalaciones industriales

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Robótica móvil

• Móvil– Adj. Que puede moverse o se mueve por sí mismo

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Robótica móvil

• Definición– Rama de la robótica que estudia los robots que pueden desplazarse

dentro de un entorno• Teledirigidos

• Autónomos

– Entorno: territorio o conjunto de parajes de que está rodeado un lugar o una población (el robot)

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Un poquito de historia

• Steam man, de Z. P. Dederick (1868)

• Talking doll, de T. A. Edison (1890)

• Electric dog, de J. Hammond Jr. (1912)

• Elektro, de Westinghouse (1939)

• Turtles, de William Grey Walter (1948-1949)

• Stanford Cart, (1960), carro móvil teleoperado

• Shakey, Stanford (1966), capacidad de razonamiento

• Phony Pony, (1968), primer cuadrúpedo

• Lunokhod I (1970), primer rover lunar

• OSU Hexapod, Ohio State (1977), primer hexápodo

• Genghis, MIT (1988), concepto de vida artificial

• Khepera, EPFL (1994), microrrobot educación 55mm

• Asimo P2, Honda (1996), bípedo que sube escaleras

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– Primera misión (1991): mover un disco metálico de una zona de un campo de competición a otra

– Se consiguió en 1995:ARL helicopter, Stanford

– Séptima misión (2014): Interacción entre robots aéreos y objetos móviles (robots móviles terrestres y aéreos)

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Challenges

• DARPA– Defense Advanced Research Projects Agency

• Grand Challenge (2004)– Primera competición de larga distancia de vehículos autónomos

– Conducir 240 kilómetros por el desierto de Mojave, en California

– Tiempo límite de 10 horas

– Premio de 1 millón de dólares

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• Resultado: Premio desierto. El equipo de CMU liderado por Red Whitaker recorrió 11.9 km.

Challenges

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• 2nd Grand Challenge (2005)– Mismo reto: 5 equipos terminan el recorrido

– Ganador: Stanley, Stanford University, 6h 54m

Challenges

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Challenges

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• Urban Challenge (2007)– Carrera de 96 kilómetros en área urbana

– Tiempo límite de 6 horas

– Normas• Obedecer las normas de tráfico

• Detectar y evitar el contacto con otros vehículos, tanto autónomos, comopilotados

– Reto a nivel de software• Toma de decisiones

– Premio: 2 millones de dólares

Challenges

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• Urban Challenge (2007)

Challenges

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• Urban Challenge (2007)

Challenges

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¿Esto vale de algo?

• Google car O_o

• Y no sólo eso…

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• Robotics Challenge (DRC) (2012-2015)– Robots terrestres semi-autónomos que puedan realizar tareas

complejas y heterogéneas en entornos peligrosos o deterioradosque habían sido diseñados para el ser humano

– Premio de 2 millones de dólares

– Finales Junio 2015

Challenges

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Challenges: DRC Trials

• Vencedor de lasclasificatorias– Schaft Inc.,

Tokyo, Japan

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Challenges: DRC Finals

• Vencedores (Corea del Sur)

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Tipos de robots móviles

• AUV (Autonomous Underwater Vehicles)

• UAV (Unmanned Aerial Vehicles)

• UGV (Unmanned ground vehicle)

Bluefin

Tavros-2

Wave Glider

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• Agricultura

• Búsqueda y rescate

• Cirugía

• Construcción

• Detección explosivos

• Educación

• Guías

• Telepresencia

• Hogar (limpieza)

• Incendios

• Industria alimentaria

• Inspección

• Paletizado

• Rehabilitación

• Asistencia

• Rellenado automático

• Vigilancia y exploración

Aplicaciones actuales

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Exploración espacial

• Mars Exploration Missions– Sojourner (1997)

– Spirit and Opportunity (2004) Activa

– Curiosity (2012) Activa

ESA

NASA

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Militares y de rescate

• MQ-9 Reaper– Vehículo de combate no tripulado

• Foster-Miller TALON– Reconocimiento y combate

• iRobot Packbot– Desactivación de minas

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Militares y de rescate

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Vigilancia

• K5– Detecta de situaciones sospechosas.

– Envía video en tiempo real.

– Sensoriza el ambiente• Huele gases tóxicos

• Monitoriza temperatura y humedad

– Alquiler por $6,25 la hora.

• PatrolBot– Mapea edificios on-the-fly (SLAM)

– Navega a destinos dinámicos

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Inspección

• Versatrax Inspección de tuberias (1 milla sin parar)

• Magnebike Inspección de elementos metálicos

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Exploración

• Dante II Recolección de muestras de gas volcánico

• Bruie (Buoyant Rover for Under-Ice Exploration)

• Deep-SCINI Exploración marina

• Sepios Exploración marina

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Agricultura

• Yamaha R-Max– Capacidad: 246cc. Carga max: 30kg.

– GPS para detectar altitud y velocidad

– Yamaha Attitude ControlSystem

– Alrededor de 1600 se emplean actualmente en Japón, principalmente en fumigación de cultivos

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Agricultura

• http://www.therobotreport.com/news/agricultural-robot-market-anticipated-to-reach-16.3-billion-by-2020

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Transporte de mercancías

• Terex Port Solutions– Grúas autónomas

– Vehículos autónomas

– Control de movimiento y sistema de navegación

– Manipulación de contenedores

– Puerto de Busan. Korea

– http://www.terex.com/port-solutions/en/

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Transporte en almacenes

• Kiva Mobile Fulfillment System– En abril de 2008 ya habían vendido 1000 robots

– Sexta compañía en crecimiento en USA (2010)

– Vendida a Amazon por más de 775 M$ (2012)

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Transporte en hospitales

• TransCar– Distribución de comida, material, recogida de basura…

– Camino virtual guiado por seguimiento de láser

– No requiere balizas externas

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Robots guía

• REEM– Interactúa con personas

– Habla el idioma deseado

– Puede navegar entre multitudes

• Quiχote– Servidor y analizador de voz

– Auto-localización mediante visión y balizas pasivas

– Tele-operación vía web

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Entretenimiento

• Pleo– 14 motores

– 38 sensores

– 350 $

– +100000 unidades vendidas

• Aibo (Sony)– 1500 $

– 65000 unidades vendidas en el primer año

– Producción detenida

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Asistencia

• TAO 7 Silla de ruedas inteligente (sensores)

• iBot Mobility System Movilidad aumentada

• Silla de ruedas que sube escaleras (UCLM)

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Limpieza

• iRobot– Roomba (creado en 2002)

• Aspiradora automática

• Utiliza SLAM para moverse

– Scooba• Limpiasuelos

– Braava• Encerador

– Looj• Limpia canalones

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Limpieza

• RS 630 (Robotic Lawnmower)– Se desplaza automáticamente

por toda la superficie a cortar

– Superficies hasta 3000 m2

• Aquabot T4– Limpia superficie, muros y

fondo

– Recorre la piscina de modo previamente planificado

– Sistema de filtración de agua incorporado

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Limpieza del hogar

• Un robot aspirador ‘ataca’ a su dueña y la atrapa durante horas

• https://es.yahoo.com/noticias/un-robot-aspirador--ataca--a-su-due%C3%B1a-y-la-atrapa-durante-horas-170811460.html

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Robots colaborativos

• Fase de investigación

• Proyectos europeos– Swarmanoid (2006-2010)

– CoCoRo (2011-2014)

• Y americanos– TERMES(2011-2014)

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Robots industriales

• Baxter

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Mercado Mundial (2009)

• Las investigaciones de la Japan RoboticsAssociation (JRA), la United NationsEconomic Comission y la International Federation of Robotics (IFR) indican que el mercado de la robótica personal y de servicio crecerá excepcionalmente en los próximos años.

• La JRA predice que en 2025, la industria de la robótica personal generará más de50.000 millones de dólares cada año en el mundo, por los 5.000 millones quegenera actualmente.

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The Rise of RoboticsBoston Consulting Group (Sander & Wolfang, 2014)

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• Bill Gates, 2007– “As I look at the trends that are now starting

to converge, I can envision a future in which robotic devices will become a nearly ubiquitous part of our day-to-day lives.”

– “The challenges facing the robotics industry are similar to those we tackled in computing three decades ago.”

Un robot en cada casa

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Filmación cinematográfica con robots

Las compras de Google

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HolomniDiseño de ruedas omnidireccionales

Las compras de Google

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Robot M1. Cabeza humanoide sociable

Las compras de Google

ETSII – UCLM Curso de Robótica Móvil con Arduino, 5ª Edición Marzo 2016

Diseño de brazos robóticos de bajo coste

Las compras de Google

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Diseño de robots humanoides

Ganador de DRC Trials

Las compras de Google

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Robótica militar

Las compras de Google

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Enlaces de noticias recientes

• http://www.engadget.com/2016/02/15/nissan-intelligent-parking-chair-stunt/

• https://www.youtube.com/watch?v=r0qWVKcJR3w

• http://mime.oregonstate.edu/research/drl/atrias/

• http://www.therobotreport.com/news/nhtsa-redefines-driver-to-be-an-ai-self-driving-computer-system

• http://www.therobotreport.com/news/first-look-at-2015-stats-from-intl-federation-of-robotics-ifr

• https://www.reportbuyer.com/product/1693045/the-global-uav-market-2015-2025.html

• http://www.engadget.com/2015/04/14/prototype-navy-drones-swarm-like-locusts/

• http://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/self-driving/freightliner-unveils-first-autonomous-semitruck-licensed-to-drive-itself-on-highways

• http://fetchrobotics.com/

• https://www.youtube.com/watch?v=_luhn7TLfWU

• http://www.engadget.com/2015/06/01/amazon-picking-challenge-winner/

• https://www.youtube.com/watch/?v=xb93Z0QItVI

• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/durus-sri-ultra-efficient-humanoid-robot

• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/robotnik-enters-mobile-manipulator-market-with-the-rb1

• https://www.post.ch/en/about-us/company/media/press-releases/2015/swiss-post-swiss-worldcargo-and-matternet-start-drone-tests

• https://www.youtube.com/watch?v=tiwVMrTLUWg

• http://www.therobotreport.com/news/service-robots-get-multiple-positive-

forecasts

• https://www.youtube.com/watch?v=btT3_SR7rE0

• https://www.youtube.com/watch?v=OKoQMD0QZQs

• http://www.engadget.com/2015/09/20/volvo-robot-garbage-collectors/

• http://www.engadget.com/2015/10/04/daimler-self-driving-truck-test/

• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/harvard-robot-bee-is-now-also-a-submarine

• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/quadrotors-build-rope-bridge

• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/clearpath-otto-can-autonomously-haul-a-ton-of-stuff

• http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/honda-using-experimental-asimo-for-disaster-research

• https://www.youtube.com/watch?t=151&v=E47EXsH9jWE

• http://www.engadget.com/2015/10/08/singapore-post-delivery-by-drone-program/

• http://www.engadget.com/2015/10/28/yamaha-motobot/

• https://www.youtube.com/watch?v=9X-5fKzmy38

• https://www.starship.xyz/

• https://www.youtube.com/watch?v=CplBeZgg0iA

• http://www.engadget.com/2015/12/11/tokyo-drone-net/

• https://www.youtube.com/watch?v=RDZu04v7_hc&feature=em-uploademail

• https://www.youtube.com/watch?v=TJu4kmcy8gQ

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Hardware…¿Libre?

• Está claro lo que es el hardware, pero ¿qué añade la palabra libre?

• Haciendo analogía con el Software libre (GNU GPL), indica que no sólo tienes disponible el objeto manufacturado (programa compilado) sino también el ‘know-how’ de manufactura (código fuente)

• Llevan asociada una licencia de permiso demodificación (e.g. Creative Commons)

• Ejemplos: OpenROV, AMIGO

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Arduino

• Página oficial: http://www.arduino.cc/es/

• Igual que con Linux (a menor escala )– Muchas contribuciones anónimas de aficionados a la

electrónica/robótica/automática

– Empresas que desarrollan productos para una arquitectura hardware abierta (más fácil!)

– Crecimiento abrumador en los últimos años

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Arduino UNO

• Resumen de características– Microcontroller ATmega 328

– Operating Voltage 5V

– Input Voltage 7-12V

– Input Voltage 6-20V (limits)

– Digital I/O Pins 14 (6 proporcionan salida PWM)

– Analog Input Pins 6

– DC Current per I/O Pin 40 mA

– DC Current for 3.3V Pin 50 mA

– Flash Memory 32 KB (ATmega328) 0.5 KB used bybootloader

– SRAM 2 KB (ATmega328)

– EEPROM 1 KB (ATmega328)

– Clock Speed 16 MHz

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Tipos de Arduino

• Varios diseños basados en su arquitectura– Variedad de propósitos

– http://arduino.cc/en/Main/Hardware

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Shields

• Placas ‘hija’ de propósito específico– Superpuesta a Arduino le añade funcionalidades

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Diseños compatibles

• Existe una gran cantidad puesto que cualquiera puede replicarla– http://www.arduino.cc/playground/Main/SimilarBoards

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ZUM CORE

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ZUM CORE (ZUM BT-328)

• Esquema de pines

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Recursos en la web

• Páginas de proyectos– http://arduino.cc/blog/category/projects/?lang=es

– http://blog.bricogeek.com/noticias/arduino/– http://hacknmod.com/hack/top-40-arduino-projects-of-the-web/

– http://aeroquad.com/

• Libros– Arduino Programming Notebook

– Practical Arduino

– Arduino: Diseño y aplicaciones

• Tiendas (http://arduino.cc/en/Main/Buy)– Sparkfun

– Bricogeek

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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino

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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino

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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino

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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino

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Proyectos Kickstarterbasados en Arduino

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Raspberry PI B+

Existen otras plataformas

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Esquema funcionalde un robot móvil

Estructura

mecánica

Actuadores

Sensores

internos

(encoders...)

Sistema

de control

Sensores

del entorno

Vista, tacto, oído

proximidad…

Planificación

PC

Robot 2

Robot 3

...

Co

mu

nic

ac

ión

Manipulación/

Locomoción

Percepción

Alim

en

tac

ión

Baterías

Etapa de

control

Etapa de

potencia

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Esquema funcionalde un robot móvil

• Recibir la información de sensores

• Analizar la situación del robot y su entorno

• Enviar comandos a los actuadores

• Comunicarse con otros dispositivos– Ser comandado a distancia

– Enviar información de su estado/entorno

• Ejemplos– Microcontroladores: PIC16F84

– Microprocesadores: Motorola 68000

Sistema

de control

Planificación

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Esquema funcionalde un robot móvil

• Elemento cada vez más importante– Robótica cooperativa

– Robots de vigilancia (detección de incendios)

– Búsqueda y rescate

• Tipos– Inalámbrica

• WiFi (IEEE 802.11x)

• Bluetooth

• ZigBee

– Por cable• CAN-BUS

• I2C

• USB

• RS-232

PC

Robot 2

Robot 3

.

.

.

Comunicación

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Esquema funcionalde un robot móvil

• Actuadores– Generan el movimiento en un robot

• Motores DC

• Servos

• Pistones hidráulicos

– Realizan tareas de manipulación• Agarre

• Estructura mecánica– Da soporte físico a todo el robot

– Debe ser ligera y compacta

Estructura

mecánica

Actuadores

Manipulación/

Locomoción

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Esquema funcionalde un robot móvil

• Sensores– Internos

• Dan información acerca del estado del robot

• Ejemplos: encoders, brújulas, medidor de carga de baterías...

– Externos• Dan información acerca del entorno del robot

• Ejemplos: bumpers, ultrasonidos, cámaras...

Sensores

internos

(encoders...)

Sensores

del entorno

Vista, tacto,

oído,

proximidad…

Percepción

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Esquema funcionalde un robot móvil

• Se utilizan elementos de bajo consumo

• Baterías con alta densidad de carga– Generalmente Li-Ion ó Li-Po

• Circuitos reguladores de tensión– Desde 3.3V hasta 15V

• Etapa de potencia– Alimenta elementos que demandan más

potencia como servos o motores (partes móviles)

• Etapa de control– Alimenta los dispositivos puramente

electrónicos

Alimentación

Baterías

Etapa de

control

Etapa de

potencia

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Fin de la primera sesión

de teoría