viernes, 10 de octubre de 2008

Historia de la robótica



HISTORIA DE LA ROBOTICA
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos.El inicio de la robótica actual puede fijarse en la industria textil del siglo XVIII, cuando Joseph Jacquard inventa en 1801 una máquina textil programable mediante tarjetas perforadas. La revolución industrial impulsó el desarrollo de estos agentes mecánicos, entre los cuales se destacaron el torno mecánico motorizado de Babbitt (1892) y el mecanismo programable para pintar con spray de Pollard y Roselund (1939). Además de esto durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots. Jacques de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito específico: la diversión. En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ' el programa ' para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Éstas creaciones mecánicas de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su época.La palabra robot se empleó por primera vez en 1920 en una obra de teatro llamada "R.U.R." o "Los Robots Universales de Rossum" escrita por el dramaturgo checo Karel Capek. La trama era sencilla: el hombre fabrica un robot luego el robot mata al hombre. Muchas películas han seguido mostrando a los robots como máquinas dañinas y amenazadoras. La palabra checa 'Robota' significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirtió en el término robot.Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con varias narraciones relativas a robots, comenzó en 1939, a él se atribuye el acuñamiento del término Robótica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y son:
1.- Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, que un ser humano sufra daños.
2.- Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que estén en conflictos con la primera ley.
3.- Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes.
Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano, de ésta forma su actitud contraviene a la de Kapek. Inicialmente, se definía un robot como un manipulador reprogramable y multifuncional diseñado para trasladar materiales, piezas, herramientas o aparatos a través de una serie de movimientos programados para llevar a cabo una variedad de tareas.El desarrollo en la tecnología, donde se incluyen las poderosas computadoras electrónicas, los actuadores de control retroalimentados, transmisión de potencia a través de engranes, y la tecnología en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos autómatas para desempeñar tareas dentro de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la década de los 50's. La investigación en inteligencia artificial desarrolló maneras de emular el procesamiento de información humana con computadoras electrónicas e inventó una variedad de mecanismos para probar sus teorías. Las primeras patentes aparecieron en 1946 con los muy primitivos robots para traslado de maquinaria de Devol. También en ese año aparecen las primeras computadoras: J. Presper Eckert y John Maulchy construyeron el ENAC en la Universidad de Pensilvania y la primera máquina digital de propósito general se desarrolla en el MIT. En 1954, Devol diseña el primer robot programable y acuña el termino "autómata universal", que posteriormente recorta a Unimation. Así llamaría Engleberger a la primera compañía de robótica. La comercialización de robots comenzaría en 1959, con el primer modelo de la Planet Corporation que estaba controlado por interruptores de fin de carrera.. En 1964 se abren laboratorios de investigación en inteligencia artificial en el MIT, el SRI (Stanford Research Institute) y en la universidad de Edimburgo. Poco después los japoneses que anteriormente importaban su tecnología robótica, se sitúan como pioneros del mercado.Otros desarrollos Importantes en la historia de la robótica fueron:· En 1960 se introdujo el primer robot "Unimate'', basada en la transferencia de artículos. programada de Devol. Utilizan los principios de control numérico para el control de manipulador y era un robot de transmisión hidráulica.· En 1961 Un robot Unimate se instaló en la Ford Motors Company para atender una máquina de fundición de troquel.· En 1966 Trallfa, una firma noruega, construyó e instaló un robot de pintura por pulverización.· En 1971 El "Standford Arm'', un pequeño brazo de robot de accionamiento eléctrico, se desarrolló en la Standford University.· En 1973 Se desarrolló en SRI el primer lenguaje de programación de robots del tipo de computadora para la investigación con la denominación WAVE. Fue seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos lenguajes se desarrollaron posteriormente en el lenguaje VAL comercial para Unimation por Víctor Scheinman y Bruce Simano.· En 1978 Se introdujo el robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assambly) para tareas de montaje por Unimation, basándose en diseños obtenidos en un estudio de la General Motors.· En 1980 Un sistema robótico de captación de recipientes fue objeto de demostración en la Universidad de Rhode Island. Con el empleo de visión de máquina el sistema era capaz de captar piezas en orientaciones aleatorias y posiciones fuera de un recipiente.Actualmente, el concepto de robótica ha evolucionado hacia los sistemas móviles autónomos, que son aquellos que son capaces de desenvolverse por sí mismos en entornos desconocidos y parcialmente cambiantes sin necesidad de supervisión.El primer robot móvil de la historia, pese a sus muy limitadas capacidades, fue ELSIE (Electro-Light-Sensitive Internal-External), construido en Inglaterra en 1953. ELSIE se limitaba a seguir una fuente de luz utilizando un sistema mecánico realimentado sin incorporar inteligencia adicional. En 1968, apareció SHACKEY del SRI (standford Research Institute), que estaba provisto de una diversidad de sensores así como una cámara de visión y sensores táctiles y podía desplazarse por el suelo. El proceso se llevaba en dos computadores conectados por radio, uno a bordo encargado de controlar los motores y otro remoto para el procesamiento de imágenes. En los setenta, la NASA inicio un programa de cooperación con el Jet Propulsión Laboratory para desarrollar plataformas capaces de explorar terrenos hostiles. El primer fruto de esta alianza seria el MARS-ROVER, que estaba equipado con un brazo mecánico tipo STANFORD, un dispositivo telemétrico láser, cámaras estéreo y sensores de proximidad.En los ochenta aparece el CART del SRI que trabaja con procesado de imagen estéreo, más una cámara adicional acoplada en su parte superior. También en la década de los ochenta, el CMU-ROVER de la Universidad Carnegie Mellon incorporaba por primera vez una rueda timón, lo que permite cualquier posición y orientación del plano.
En la actualidad, la robótica se debate entre modelos sumamente ambiciosos, como es el caso del IT, diseñado para expresar emociones, el COG, tambien conocido como el robot de cuatro sentidos, el famoso SOUJOURNER o el LUNAR ROVER, vehículo de turismo con control remotos, y otros mucho mas específicos como el CYPHER, un helicóptero robot de uso militar, el guardia de trafico japonés ANZEN TARO o los robots mascotas de Sony.
En el campo de los robots antropomorfos (androides) se debe mencionar el P3 de Honda que mide 1.60m, pesa 130 Kg y es capaz de subir y bajar escaleras, abrir puertas, pulsar interruptores y empujar vehículos.
En general la historia de la robótica la podemos clasificar en cinco generaciones (división hecha por Michael Cancel, director del Centro de Aplicaciones Robóticas de Science Application Inc. En 1984). Las dos primeras, ya alcanzadas en los ochenta, incluían la gestión de tareas repetitivas con autonomía muy limitada. La tercera generación incluiría visión artificial, en lo cual se ha avanzado mucho en los ochenta y noventas. La cuarta incluye movilidad avanzada en exteriores e interiores y la quinta entraría en el dominio de la inteligencia artificial en lo cual se esta trabajando actualmente.

Manos de Robot



Estamos acostumbrados a ver robots con forma humana. Ya sea en la tele, en el cine o en las noticias, los científicos siguen usando al cuerpo humano como plano para la creación de estos robots. Preferimos que caminen despacio aún sabiendo que sería más fácil que rueden, insistimos con la forma humana aunque sabemos que el balence y equilibrio son un problema tremendo.Pero que me dicen de las manos, de la habilidad que tenemos de atrapar cosas, medir fuerza, -o escribir posts sin sentido-. Yo aún recuerdo la escena en Terminator, cuando el tio Arnold tiene que probar que es un robot, retirando la piel y mostrando una mano de acero. Muchas empresas e instituciones estan trabajando en lo que serán las manos robóticas del futuro, echen un ojo a lo que van logrando:

Micro robots



Uno de los campos de investigación puntero en robótica en la actualidad lo constituyen los micro-robots. Este nombre comienza a acuñarse en la década de los noventa y define a ingenios automáticos de pequeño tamaño, diseñados para realizar una tarea repetitiva y que en el mismo entorno de trabajo son capaces de colaborar entre ellos para llevar a cabo una tarea global.
La estructura habitual de un micro-robot está formada por varios niveles: - Plataforma (nivel físico). - Sistema de percepción del entorno. - Sistema de control. - Nivel de inteligencia y cooperación. Para la construcción de robots móbiles es necesario disponer de motores que hagan girar las ruedas del robot. Se pueden usar de dos tipos: paso a paso o de corriente continua. En este cuaderno técnico nos centraremos en los segundos.
Los motores de corriente contínua (Motores CC) son muy fáciles de controlar. Disponen de dos cables donde se aplica un voltaje. A mayor voltaje mayor velocidad, y la polaridad aplicada determina el sentido de giro. Si tomamos un motor de este tipo y lo conectamos directamente a una pila veremos que empieza a moverse.
El problema es que giran muy rápido y tienen poca fuerza, lo que los hace poco adecuados para la construcción de robots móviles destinados al aprendizaje, donde queremos que se muevan lentamente sobre una superficie pequeña, como la de una mesa. Es necesario utilizar una caja reductora con un eje de salida que gira más lentamente, pero con mayor fuerza.
Construir la caja reductora es complicado y las que se pueden comprar son caras. En este cuaderno técnico describimos una solución muy empleada en la construcción de robots móviles: la utilización de servos trucados. Los servos incorporan un motor CC, una caja reductora y un circuito de control y sirven para la construcción de articulaciones. Tienen un rango de giro limitado a 180 grados. Es posible "trucar" estos servos, eliminando el circuito de control y cortando los topes mecánicos de manera que se comporten como motores de CC normales, pero con mucha fuerza. Perfectos para hacer pequeños robots móviles

miércoles, 1 de octubre de 2008

Como crear un Robot




Diseño de un robot utilizando motores paso a paso.

La robótica es una disciplina que está en auge y en la que han contribuido en gran medida
los avances en la informática y los dispositivos electrónicos.
Sin duda la existencia de microcontroladores económicos facilita el diseño de circuitos
electrónicos que controlen las partes móviles y los sensores de un robot.
Aunque el concepto de “robot” pueda ser un tanto ambiguo, para el proyecto
consideraremos robot como un dispositivo autónomo con capacidad de movimiento para realizar
una acción específica.
El abordar la construcción completa de un robot posiblemente sea una tarea que exceda
de las posibilidades del trabajo a desarrollar en un solo proyecto, de ahí que este proyecto se
centre sólo en el software y hardware que permita la realización de un dispositivo móvil
autónomo. Para que el dispositivo pueda desplazarse se utilizarán motores paso a paso.
Para el diseño del robot se partirá de una arquitectura distribuida en la que se distinguirán
dos partes bien diferenciadas.
En primer lugar estará el dispositivo móvil autónomo, con una electrónica basada en
microcontrolador.
El segundo lugar se utilizará un ordenador capaz de controlar la parte móvil utilizando un
sistema de comunicación inalámbrico.
El software desarrollado en el microcontrolador se encargará del movimiento de los
motores y de los distintos sensores de que disponga la parte móvil. Este software debe ser lo más
sencillo posible realizando solamente las funciones que no puedan ser llevadas a cabo de forma
remota.
En la programación del PC se desarrollará toda la inteligencia del robot, aprovechando la
información ofrecida por el dispositivo móvil y utilizando los comandos que éste ofrezca para su
control. También ofrecerá un sistema de monitorización y un interfaz para poder dar órdenes al
sistema.

El objetivo del proyecto consistirá en desarrollar las siguientes tareas:
1. Diseñar y construir la electrónica del dispositivo móvil utilizando un
microcontrolador y motores paso a paso.
2. Diseñar y construir la mecánica del dispositivo móvil.
3. Desarrollar el software del microcontrolador.
4. Definir el protocolo de comunicaciones radio. Niveles físico y de enlace.
5. Definir el nivel de aplicación en el protocolo de comunicaciones.
6. Diseñar y desarrollar el software en el ordenador de control que abarque las
funciones de monitorización, interfaz de usuario, control del robot e inteligencia
del sistema.
Otros objetivos que se podrían añadir al proyecto para completar el sistema serían:
1. Dotar de sensores al dispositivo móvil.
2. Sensor del nivel de batería.
3. Programar cierto grado de inteligencia en el sistema
a. Recarga automática de baterías
b. Evitar choques con obstáculos
c. etc.
4. Definir alguna funcionalidad al dispositivo, como por ejemplo:
a. Elaboración de un plano del entorno.
b. Localización automática en un habitáculo.
c. Sistema de vigilancia móvil
d. Dispositivo de limpieza de una vivienda.
Suponiendo la utilización del microcontrolador PIC16F876
Placa de desarrollo EduPic
MPLAB. Software de desarrollo para los microcontroladores de Microchip
Compilador de C cruzado C2C para el PIC16F876
Ordenador personal con SO Windows o Linux
Lenguaje de programación C y entorno de desarrollo para el software en el ordenador
personal.

Programación en microcontroladores. Lenguaje ensamblador.
Programación en C.
Funcionamiento de los motores paso a paso.

Los Robots submarinos



Este proyecto propone el diseño y desarrollo de las tecnologías necesarias para la adaptación de los prototipos de robots submarinos de bajo coste GARBI-ROV, GARBI-AUV, URIS y RAO II, para su uso en aplicaciones industriales en aguas someras. Primero, en colaboración con los agentes industriales, se establecerá un catálogo de aplicaciones industriales consideradas viables para robots de bajo coste. Para cada una de estas misiones, se establecerá el escenario oportuno y una planificación preliminar de las misiones. Seguidamente, el proyecto se centrará en 3 aplicaciones industriales concretas: (1) la inspección de presas de centrales hidroeléctricas, (2) la inspección de cables y emisarios marinos, y (3) la inspección de puertos. Cada una de estas aplicaciones estará liderada por uno de los 3 subproyectos, tendrá asociada una empresa líder del sector que pueda ser un potencial usuario, y finalizará con una demostración práctica. Para la inspección de las presas se propone la utilización de un AUV que pueda realizar un barrido de la pared de la presa mientras adquiere un video de su estado. Dicho video se procesará off-line para construir un mosaico georeferenciado de imágenes que permita a los ingenieros de la empresa tener una idea global de su estado. El análisis de dicho mosaico permitirá planificar sucesivas inspecciones donde se puedan evaluar zonas particulares de la presa a mayor resolución así como estudiar la evolución temporal. Esta técnica de inspección se aplicará a su vez a las rejas de las galerías así como a la galería de presión. La inspección de cables / emisarios submarinos se realizará utilizando un AUV que inicialmente descenderá y localizará el cable. Seguidamente el robot será guiado mediante el sistema de seguimiento visual automático del cable / emisario. A lo largo de la misión, el AUV registrará, en una primera fase del proyecto, gran parte de las imágenes capturadas para su análisis off-line en superficie (construcción de mosaicos, análisis de un experto, etc.). En una segunda fase, el AUV, mediante un sistema de posicionamiento subacuático y un módulo de detección visual de defectos, filtrará las imágenes capturadas para quedarse con las que muestran los defectos del cable / emisario y anotar en ellas su localización. De esta forma, los ingenieros de la empresa podrían concentrarse en las imágenes sospechosas de corresponder a situaciones anómalas del cable a lo largo del trayecto inspeccionado. Finalmente, para la inspección de paredes y cimientos de los muelles de los puertos se propone la utilización de un ROV que adquirirá imágenes de video con las que se generará un mosaico georeferenciado. Se utilizarán técnicas difusas para la determinación de las anomalías y fallos que existen en el muelle, así como su degradación temporal