introducciÓn 1 1.1 conceptos generales

INTRODUCCIÓN Ampliación de Robótica 1

Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva

1.1 Conceptos Generales

Primera mitad Siglo XXMáquinas Amplificación de la potencia muscular del hombre

Finales de Siglo XXMáquinas Inteligentes Sistemas capaces de procesar información

‘ROBOTA’ Fuerza del trabajo o Servidumbre (Karel Capek, R.U.R. 1921)

Primer Robot Industrial patentadoGeorge Devol (1954)



¿Qué es un Robot?

¿Un robot es un dispositivo electrónico y generalmente mecánico, que desempeña ta-reas automáticamente, ya sea de acuerdo a supervisión humana directa, a través deun programa predefinido o siguiendo un conjunto de reglas generales?

¿Una batidora es un robot?

¿Un coche autónomo es un robot?

Automaton: El que se mueve por si mismo



¿Qué es un Robot?

MICROELECTRÓNICA

Control de Procesos

MECÁNICA

Capacidad de Movimiento

INFORMÁTICA

Procesamiento de InformaciónROBOT



¿Qué es un Robot?

Palabras Clave: Modelos de Robot, Control del Movimientos, Percepción, Planificación, Navegación...



UN POCO DE HISTORIA

1920: Karel Capek emplea por primera vez la palabra checa “robota”

1938: Los americanos Willard Pollard y Harold Roselund fabrican la pri-mera máquina para pintar con spray.

1951: Raymond Goertz diseña el primer brazo mecánico manejado a dis-tancia para la Comisión de la Energía Atómica

1954: George Devol diseña el primer robot programable comercial. Secomercializaría a partir de 1961.

1959: Se funda el Artificial Intelligence Laboratory en el MIT.



1959: Sale al mercado el primer robot comercial. El robot se llamó "Ver-satran".

1965: Se funda el Robotics Institute en la “Carnegie Melon University”.

1973: Aparece el primer robot controlado por un mini-ordenador, el ro-bot es el “T3”. Los "mini-ordenadores" de esta época pesaban habitual-mente más 30 kilos.

1976: El robot de la NASA “Vinking II” aterriza en Marte. Disponía deun brazo robótico articulado.

1978: Empiezan a surgir numerosas empresas dedicadas a la fabricaciónde robots para la industria.

1986: HONDA, inicia un proyecto para construir un robot humanoide.



1997: HONDA presenta P3 un enorme robot humanoide.

1999: SONY lanza "Aibo" un perro-robot.

2000: SONY presenta un pequeño humanoide en la “Robodex 2000”.

2003: El robot humanoide de SONY, Qrio, se convierte en el primer hu-manoide comercial completamente autónomo capaz de correr. HONDAsería el primero en caminar, pero SONY el primero en correr.

2004: Primera edición del "Darpa Grand Challenge“.

2005: Stanley (Stanford Racing Team whose leader is Sebastian Thrun-th) wins, the 2005 DARPA Grand Challenge (132 ml in 6:58:58), earning-the 2 million dollar prize, the largest prize money in robotic history.



UN POCO DE HISTORIA

Evolución de los robots móviles



Modelado de Robots: Sistemas Dinámicos

SISTEMA ESTÁTICO

El valor presente de los atributos depende solamente del valor presente de las

interacciones externas. Los atributos permanecen constantes si el valor de las

interacciones externas no cambian.

Ejemplo: Decodificador

SITEMA DINÁMICO

El valor presente de los atributos depende tanto del valor presente de las interacciones

como de los valores pasados de los atributos. Los atributos pueden cambiar aun cuando

no lo haga el valor de las interacciones.

Ejemplo: Cuerpo bajo la acción de la gravedad



Estado.- Especificación del valor de aquellas magnitudes que:

- A partir de ellas es posible obtener el valor de todos losatributos que caracterizan el sistema.

- Su conocimiento, junto al de las variables de entrada, permitepredecir la evolución de los atributos

Ejemplo: depósito

Atributos:

Volumen de Agua VFlujo de salida qo

Flujo de entrada qiNivel del líquido h

Q+qi

Q+q0

h

S



REPRESENTACIÓN ENTRADA SALIDA

UN ROBOT COMO SISTEMA DINÁMICO

Q+qi

Q+q

h

S

qi(t0) q(t)Sistema

Condiciones Iniciales(t0)

X

Y

θ

x

y

Φ

V

Φ t0( )

V t0( ) y(t0+k)

x(t0+k)

θ t0 k+( )

ENTRADAS

Modelo del Robot

SALIDAS

Condiciones Iniciales(t0)



Modelado de Sistemas Dinámicos

Modelos de robots

Qi

QoS

P

Ctd

dH⋅ Qi k2p H⋅–=

HEcuación no lineal

x·

y·

θ·

θcos 0θsin 0

0 1

V

V φtanl

-----------⋅⋅=

X

Y

θ

x

y

Φ

V

Ecuación no lineal



Modelos Lineales

V1V2

LR

i

ω, τ

kp

kc

Vce

µ

JLJkp------

t

2

dd ω⋅

Lµkp------- RJ

kp------+

td

d ωRµkp------- kc+

ω++ ∆V=

Motorω∆V

∆V ω

Función de transferencia

1

2 s⋅2

3 s⋅ 1+ +---------------------------------



Sistemas dinámico: Comportamientos

Punto de Equilibrio: Configurción de Centro

ESTABLE INESTABLE OSCILATORIO



1.1 Sistemas AutomáticosAutomatismo:Sistema que permite ejecutar una o varias acciones sin intervenciónmanual. Automatización:Aplicación de sistemas automáticos en la realización de un proceso.

Elementos de un sistema automático

PROCESO

FUENTEDE

ENERGÍA

INTERFASE

USUARIO

ÓRGANOS

ÓRGANOS DE

MANDO/CONTROL

ÓRGANOS DE TRABAJO

SENSORIALES

ACCIONES

DESEADAS

ACCIONES



1.3 Sistemas de ControlProcesos Continuos Las magnitudes que determinan la evolución del proceso cambian deforma continua en el tiempo.

Existe una similitud entre los procesos continuos y los sistemaselectrónicos analógicos.

Ejemplo.- Sistema de llenado de una caldera industrial, se trata demantener el nivel un líquido. La altura cambia de forma continua.

Variable ContinuaNivel del líquido

Acción continua



Procesos Discretos o Discontinuos Las magnitudes que determinan la evolución del proceso cambian deforma discreta o discontinua y suelen tomar solo determinados valores.

El sistema evoluciona mediante eventos. Estos procesos son tambiénconocidos como procesos de eventos discretos. En los procesos discretosse actúa sobre objetos concretos también llamados elementos discretos.

Ejemplo- Una cinta transportadora

S1 S2

M1 M2



Control de procesos continuos: Regulación Automática. Mecanismos que permiten actuar durante un proceso continuo con el finde que las magnitudes alcance un valor determinado.

Cuando este valor se mantiene constante en el tiempo se dice que se estáante un problema de regulación.

Cuando este valor varia en el tiempo se dice que se está ante un problemade servomecanismo.

Controlador SistemaReferencia Salida

+_



Ejemplos.- Problema de regulación: Temperatura constante en una instalación.

Problema de servomecanismo: Movimiento de una cámara al seguir unobjeto.

ºcTemperatura

Continua

Acción Continua

Variable

Transmisión calor

M

θ t( )+_

Sensor

Controlador Amplificador

Sensor visual



Control de sistemas Discretos: Control Secuencial

El control de procesos discretos suele abordarse mediante técnicas decontrol secuencial.

Los órganos de mando reciben información discreta del proceso yproporcionan ordenes discretas sobre los órganos de trabajo.

Los sistemas de mando adquieren una estructura secuencial:

- El proceso se divide en una serie de estados o estadíos.

- Cada estado se activa y desactiva de forma secuencial.

- Cada estado activo tiene asociada una serie de acciones.

Herramientas: Grafos de transición de estados, Redes de Petri



En múltiples ocasiones, en el control de un proceso se ven involucradas

magnitudes de naturaleza continua y magnitudes de naturaleza discreta.

En estos casos es necesario aplicar estrategias tanto secunciales como de

regulación. Es lo que se denomina control híbrido.

Ejemplo:

ºcTemperatura

Continua

Tiempo

Acción Discreta

Acción Continua

Variable

Transmisión calor

Las técnicas de contro híbrido

son utilizadas para el control de robot y sistemas autónomos



Control Inteligente:

Técnicas de Inteligencia Artificial aplicadas a los sistemas de control

ControladorSistema

Referencia Salida+

_ Inteligente

Lógica BorrosaRedes NeuronalesTécnicas de decisiónAlgoritmos Genéticos...Clustering...



ESTRUCTURAS DE CONTROL

-Control en bucle abierto.- El bloque de control actúa sobre el sistemade acuerdo a unos objetivos previamente establecidos.

La aparición de perturbaciones puede alejar al sistema delcomportamiento deseado

Acciones SISTEMA

Respuesta CONTROL

según del sistemacalculadas

dinámica

Valores Deseados

SISTEMARespuesta CONTROL

del sistema

PERTURBACIONESAcciones

según calculadas

dinámica

Valores Deseados



Control en bucle cerrado.- En ellos, el controlador considera la salida,modificando, en función de ella, la acción a realizar sobre el sistema.

Por lo tanto, los sistemas de control en bucle cerrado son sistemas quepresentan estructura de realimentación, y como tales, podrán seranalizados utilizando las herramientas propias de la dinámica de sistemas.

SISTEMA

Respuesta CONTROLdel sistema

PERTURBACIONES

Valores Deseados



Control en bucle abierto

M

+

_V(t)

θ t( )



Control en bucle cerrado

M

θ t( )+_

Sensor

Controlador Amplificadorθd



1.3 Sistemas RobóticosESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA ROBÓTICO

Realimentación

Actuadores

Sensores Internos

Percepción del Entorno

VisiónTáctoProximidadOtros

Sistema

de Control

ROBOT

ENTORNO

Sensores Externos



CLASIFICACIÓN DE ROBOTS

Humanoide: Robot con apariencia humana que busca imitar el comportamiento de

éste.

P1 P2 P3 ASIMO



Robot móvil terrestre: Un robot montado sobre una plataforma móvil que se desplaza

de forma autónoma.

ROMEO-4R OTILIO AIBO( U. Sevilla) ( U. Caros III) ( Sony)



Robots Marinos

Robots Aéreos

DELFIM (ISR)SIRENE (ISR)

HERO 3 (U. de Sevilla)



Robot Industrial: Robot diseñado para mover materiales, herramientas o dispositivos

especializados mediante movimientos variables programados para el desarrollo de

diferentes tareas.

VW vrs1 (VOLKSWAGEN) KR3 (KUKA) PUMA (Unimation)

AGV (IST)



Robot de Servicios: Un robot que opera total o parcialmente para realizar servicios

útiles, excluyendo aquel que realiza operaciones de fabricación.

MINERVA

TRIBOLITE

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