Vista previa del material en texto
1 Introducción a la robótica Introducción. Antecedentes históricos y evolución. La robótica clasificación y aplicaciones. Mercado y tendencias. TEMA 1. INTRODUCCIÓN 2 Antecedentes históricos y evolución Introducción. Antecedentes históricos y evolución. La robótica clasificación y aplicaciones. Mercado y tendencias. TEMA 1. INTRODUCCIÓN 3 Antecedentes históricos A lo largo de la historia, el hombre se ha sentido fascinado por máquinas y dispositivos capaces de imitar las funciones y los movimientos de los seres vivos. Los griegos tenían una palabra para denominar a éstas máquinas automatos autómata: máquina que imita la figura y movimientos de un ser animado 4 Máscara de Anubis Egipto: máscara de Anubis de mandíbulas móviles. Estatua parlante vinculada a ceremonias religiosas. 5 Paloma de Archytas Archytas sucesor de Pitágoras, se dice que construyó un automata volador, na paloma de madera con tal ingenio y sabiduria mecánica que volaba; estaba equilibrada mediante pesos y se movía mediante una corriente de aire encerrada y oculta en su interior" Archytas de Tarento (s IV a.C) 6 Autómata hidráulicos de Filon s II a C. En el autómata del caballo abrevando, el animal bebe del agua que cae del depósito superior. En casi todos los casos, los artefactos estan accionados por el vaciado de un depósito de agua, de forma que el desplazamiento del líquido activa algún dispositivo mecánico o pone en juego la presión atmosférica. 7 Autómata hidráulicos de Filon s II a C. Minarete silbante, en el que el aire movido por efecto del agua sale por los picos de los pájaros produciendo un silbido. 8 Heron de Alejandría (s I) Autómata que ofrecen libaciones. Se enciende un fuego en el altar a la vista del público, calentándose el aire encerrado en el cilindro escondido bajo el mismo. La expansion del aire oprime el Iíquido recogido en la peana, que sube por los tubos escondidos en las figuras, hasta salir por los platos que éstas sujetan en la mano. 9 Eolípilo de Heron El aelopilo o eolípilo, por utilizar el vapor de agua para producir movimiento, aparece en todos los estudios sobre los orígenes de la máquina de vapor. En una caldera se calienta agua y se convierte en vapor, que es forzado a salir por dos tubos acodados opuestos montados en una esfera con libertad de giro, lo que provoca que los tubos se comporten como pequeñas toberas y hagan girar rápidamente a la bola. 10 Al-Jazari – Fuente Pavo real (1206) Las fuentes, consistían en artefactos en los que el agua se descargaba desde un gran depósito a otro más pequeño en intervalos regulares de media o una hora, usando para ello diversos dispositivos de conmutacion. En la figura se muestra una de estas fuentes: se trata de una Fuente-Pavo real para abluciones, en la que, a medida que va cayendo el agua, un mecanismo abre y cierra una portezuela por la que aparecen dos figuras de sirvientes que portan, respectivamente, una caja de cenizas vegetales -usadas como jabón- y una toallita para secarse. 11 s XIII - prototipos de humanoides En el siglo XIII. Roger Bacon (1214-1294) inventó una cabeza parlante Alberto Magno (1204-1282) construyó un hombre de metal. Estos dos inventos pudieron ser el comienzo de lo que actualmente se conoce con el concepto de robot humanoide. 12 s XIII • Águila mecánica recogido en el libro de Villard de Honnecourt (1250) Autómata con forma de aguila, símbolo de San Juan. Se trata de un autómata articulado que consta de un simple mecanismo compuesto por tres poleas, una cuerda y un contrapeso que, al caer, hace que el águila gire la cabeza hacia el sacerdote que lee el evangelio 13 Gallo de Strasbourg (1352) Gallo de Estrabsburgo, autómata más antiguo que se conserva en la actualidad, formaba parte del reloj de la torre de la catedral de Estrasburgo y al dar las horas movía las patas y el pico. 14 Da Vincchi, Juanelo Turriano León mecánico de Leonardo Da Vinchi (1452-1519). El Hombre de palo, Juanelo Turriano en el siglo XVI Construido para el rey Luis XII de Francia se abría el pecho con su garra y mostraba el escudo de armas real. Este autómata en forma de monje, andaba y movía la cabeza, ojos, boca y brazos 15 Vaucanson En el siglo XVIII, Jacques Vaucanson (1709-1782), autor del primer telar mecánico, construyó una especie de humanoide con labios de goma, un tamborilero, un pato mecánico (1738) capaz de graznar, beber, comer, digerir y evacuar la comida y muñecas mecánicas de tamaño humano. Video 16 Jaquet Droz Pierre Jaquet Droz (1721-1790) y sus hijos Henri-Louis y Jaquet construyeron diversos muñecos capaces de escribir (1770), dibujar y tocar melodias en un órgano Muñeca musical - le dessinateur - l`écrivain 17 Jaquet Droz - Muñeca musical Video 18 Jaquet Droz - L`écrivain Videos La obra maestra de los Droz fue un “escribano” que introducía la pluma en el tintero y escribía un número limitado de palabras “Sed bienvenidos a Neuchâtel”. 19 Jaquet Droz - Le dessinateur Videos En 1773 fabricaron un “diseñador” pero, la perfección de la criatura significó un proceso por brujería para Droz, absuelto gracias al fervor iluminista de los nuevos tiempos. 20 s XVIII, Hiladoras de Hargreaves y Crompton • Hiladora giratoria de Hargreaves (1770) • Hiladora mecánica de Samuel Crompton (1779) A finales del siglo XVIII, con la llegada de la revolución industrial comienzan a aparecer nuevos mecanismos, pero en este caso ya no se busca la imitación física del ser humano, sino más bien facilitar y sustituir al trabajador en labores repetitivas. 21 s XVIII, telar de Cartwright 22 s XVIII, telares de Cartwright y Jacquard Telar de Jacquard (1801). Que utilizaba una cinta de papel perforado como programa para las acciones de la máquina, supuso el primer sistema de fabricación flexible. Jacquard nació en 1752 y era un pobre obrero que trabajaba en una fábrica de seda en Lyon, su ciudad natal. Pero, durante años, se dedicó a estudiar la manera de construir un telar capaz de crear dibujos y combinar colores sin la intervención permanente del ser humano. Hacia 1790, casi había conseguido su propósito, pero entonces estalló la Revolución y debió interrumpir su trabajo porque decidió luchar del lado de los revolucionarios. En 1801 pudo por fin mostrar la máquina que había inventado. Hasta entonces el tejido con dibujos requería la absoluta atención de los obreros que debían imprimir distintos movimientos para cualquier variante. El telar de Jacquard funcionaba con unos cartones perforados según un patrón y se colocaban entre las agujas y la base de madera que debían perforar. Cuando las perforaciones del cartón y de la madera coincidían, la aguja pasaba y de esta manera la cartulina determinaba los movimientos de la aguja. Había cartulinas que seguían distintos patrones y, aunque prepararlas era complicado, una vez colocadas en su lugar el telar trabajaba automáticamente, como si pensara el dibujo en la tela. Jacquard tuvo suerte: el gobierno le compró la idea, le dio una pensión y lo premió con la Cruz de la Legión de Honor. También obligó a todas las hilanderías a usar su telar, a pesar de la resistencia de muchos obreros que temían perder su trabajo. Para cuando Jacquard murió sus telares se habían extendido por el mundo. La cartulina perforada era un primitivo mecanismo de notación binaria y, un siglo y medio más tarde, su principio iba a servir de base para el desarrollo de las computadoras. Los movimientosdel telar eran guiados automáticamente por una serie de agujeros, hechos en una tarjeta de cartón, y que correspondían al programa de hilatura: la máquina guiada por las perforaciones movía los hilos para formar el modelo perforado. El éxito del principio de Jacquard fue demostrado por 11.000 telares de este tipo, que entraron en funciones en sólo ocho años. 23 s XVIII... James Watt (1778) creó un sistema de válvulas controladas automáticamente, que permitió al motor de vapor ser el primer dispositivo automático capaz de mantener una velocidad constante sin que afectaran los cambios en la carga. 24 s XVIII... En el siglo XIX se inventan los motores de combustión. Herman Hollerith (1860 - 1929). Hollerith, ante la necesidad de mecanizar el censo de los Estados Unidos de 1890, diseñó una máquina que leía tarjetas perforadas similares a las diseñadas por Jacquard y Babbage. En 1896 fundó la Tabulating Machine Company para hacer y vender su invento. Después, ésta empresa se fusionó con otras para formar lo que hoy es conocido como International Bussines Machines Corporation (IBM). 25 La revolución tecnológica En el siglo XX, terminada la segunda guerra mundial, el desarrollo de la electrónica, los avances en mecánica, hidráulica, la neumática y la electricidad, da origen a las primera máquinas de control numérico. Los avances tecnológicos como el computador eléctrico, el control realimentado de accionadores, el uso de sensores o la transmisión de potencia mediante engranajes fueron de vital importancia. Sistema de telemanipulación bilateral 26 La revolución tecnológica Leonardo Torres Quevedo (1852-1936) Máquina Algebraica (1894) -Obtención de manera continua y automática de valores de funciones polinómicas. -Uso de la escala logarítmica -Husillos sin fin 27 Origen y desarrollo de la robótica (1) Años 50. Aparición de máquinas de control numérico y manipuladores maestro-esclavo. Años 60. Creación de robots con transmisión hidraúlica y control numérico para el control del manipulador, así como incorporación de sensores táctiles. Años 70-80. Brazos robot controlados por computador, primeros lenguajes de programación de robots y el uso de realimentación visual-fuerza. Años 90. Aparición de los robots de entretenimiento, robots caminantes y uso de robots teleoperados a distancia y mediante web. 28 Origen y desarrollo de la robótica (1) 1948 Goertz desarrolla un manipulador maestro-esclavo de tipo mecánicopara manipular elementos radioactivos. Aparece el concepto de teleoperación y sistemas teleoperados. 1952 El Instituto Tecnológico de Massachussets desarrolla una máquina prototipo de control numérico. 1954 Goertz desarrolla un manipulador maestro-esclavo de tipo eléctrico. Además incorpora a éste sensores de fuerza. 1954 George Devol diseña el primer robot programable, al que él llamó "Dispositivo de transferencia articulada programado". 1957 Cyril Walter Kenward patenta un robot. 1959 Aparece el primer robot comercial, conocido como "Unimate". Este robot estaba controlado por interruptores de fin de carrera y levas, y fue creado a partir del diseño de George Devol por Joseph Engelberger 29 Origen y desarrollo de la robótica (2) 1962 Un robot "Unimate" con transmisión hidráulica que utilizaba control numérico para el control del manipulador se instala en la fábrica de GM. 1962 H.A. Ernest publica el desarrollo de una mano mecánica, "MH-1", controlada por sensores táctiles. 1963 La American Machine y Foundry Company introducen el robot comercial "VERSATRAN". 30 1968 El Instituto de investigación de Stanford desarrolla el robot móvil "Shakey". Este robot estaba dotado de diversos tipos de sensores como cámaras de visión y sensores táctiles, era capaz de moverse y reconocer objetos. Origen y desarrollo de la robótica (3) http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/book98/fig.ch2/Shakey.150.jpg 31 1970 Lunokohod 1, un robot ruso exploró la superficie lunar mediante control remoto desde la tierra. 1971 La Universidad de Stanford crea un pequeño brazo robot con accionamiento eléctrico. 1972 Nissan, formó la primera asociación robótica del mundo la Asociación de Robótica de Japón (JIRA). 1973 El Instituto de investigación de Stanford desarrolla el primer lenguaje de programación de robots textual, conocido como WAVE. 1973 Bolles y Paul, del Instituto de investigación de Stanford, utilizaron un brazo robot controlado por computador que usaba realimentación visual y de fuerza para el montaje en la industria del automóvil. Origen y desarrollo de la robótica (4) 32 1973 La firma sueca ASEA construyó el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, el IRb6. Origen y desarrollo de la robótica (5) 1973 Se formó el Instituto de Robótica de América (RIA), que en 1984 cambió su nombre por el de Asociación de Industrias Robóticas (RIA). 33 1974 Se desarrolla el lenguaje de robots AL. La fusión de ambos lenguajes WAVE+AL daría lugar al lenguaje comercial VAL. 1974 Kawasaki instala un robot para soldadura por arco para estructuras de motocicletas. 1974 Cincinnati Milacron crea el robot T3 con control por computador. Origen y desarrollo de la robótica (6) 34 1975 Will y Grossman en IBM desarrollaron un manipulador controlado por computador que usaba sensores de contacto y fuerza para realizar montajes mecánicos en máquinas de escribir. 1976 La NASA hace uso en el espacio del primer brazo robot. 1978 Se introduce el robot PUMA (Máquina Universal Programable para el ensamblado) en tareas de montaje. 1979 Se fundó la Federación Internacional de Robótica con sede en Estocolmo. 1982 IBM introduce el robot RS-1 para montaje. Origen y desarrollo de la robótica (7) 35 1985 WASUBOT robot construido por la universidad de Waseda, Tokio, podía tocar un instrumento de teclado después de leer una partitura de música. Origen y desarrollo de la robótica (8) 1993 El robot caminante MARV es desarrollado en la Universidad del Oeste de Inglaterra en Bristol. http://www.humanoid.rise.waseda.ac.jp/booklet/photo2/WASUBOT-1985.jpg 36 1996 Honda Motor Co., Ltd. crea el robot humanoide P2 capaz de moverse de modo autónomo similar a un ser humano. El robot ASIMO resultó de la evolución de este prototipo. Origen y desarrollo de la robótica (9) 1986-1991 1991-1993 1993-2000 37 Origen y desarrollo de la robótica (10) 38 1997 El robot Mars Pathfinder desarrollado por la NASA explora y recoge muestras de la superficie de Marte. 1999 Sony Corporation construye el primer robot de entretenimiento AIBO ERS-110 que reproduce el comportamiento de un perro. Origen y desarrollo de la robótica (11) 39 Origen y desarrollo de la robótica (12) 2000 Friendly Robotics, compañía de robótica doméstica, saca al mercado Robomow RL500, un cortacéspedes robótico completamente automático. 2001 ¡Robot Corporation construye un robot doméstico multiusos teleoperado mediante web. 2001 Construido por MD. Robotics, una empresa de Canadá, el sistema manipulador para la estación espacial, SSRMS, es lanzado al espacio para realizar tareas de ensamblaje en la estación espacial internacional. 40 El vocablo Robot: RUR y Metrópolis En 1920, el dramaturgo Karel Capeck utiliza la palabra “robota” en su obra R.U.R (Rosum`s Universal Robots). En 1926 aparece la primera película de robots, Metrópolis. 41 Blade Runner (1982) 42 El vocablo Robot en la literatura En la literatura, Isaac Asimov publica I Robot, en la que introduce las tres leyes que debe regir la inteligencia de un robot: 1. Un robot no debe dañar a un ser humano o, por inacción, dejar que un ser humano sufra daño. 2. Un robotdebe obedecer las órdenes que le son dadas por un ser humano, excepto cuando estas órdenes estén en oposición con la Primera ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia hasta donde esta protección no esté en conflicto con la primera ley. 43 ¿Que es un robot? Definición establecida por la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR): Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico. Definición ISO 8373. "Un robot es un manipulador reprogramable, multifuncional, controlado automáticamente, que puede estar fijo en un sitio o moverse, y que está diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, por medio de movimientos variables programados para la realización de diversas tareas o trabajos". 44 1.3 La robótica clasificación y aplicaciones Introducción. Antecedentes históricos y evolución. La robótica: clasificación y aplicaciones. Mercado y tendencias. TEMA 1. INTRODUCCIÓN 45 Clasificación intuitiva • Humanoide: un robot con apariencia física humana que busca imitar el comportamiento de éste. • Robot móvil: un robot montado sobre una plataforma móvil. • Robot industrial: un robot manipulador diseñado para mover materiales, herramientas o dispositivos especializados mediante movimientos variables programados para el desarrollo de diferentes tareas. • Robot inteligente: un robot capaz de trabajar y moverse en un entorno no estructurado y con eventos impredecibles. Este tipo de robots pretende hacer uso de la información procedente de sensores; es capaz de interactuar con un operario y dispone de capacidad de aprendizaje. • Robot de servicios: un robot que opera con total o parcial autonomía para desarrollar servicios útiles, excluyendo aquel que realiza operaciones de fabricación. 46 Clasificación de Robots Industriales (1) La IFR (Federación Internacional de Robótica, http://www.ifr.org/) clasifica los robots industriales según tres parámetros: 1. Clasificación según el número de ejes (grados de libertad): • Robots con 3 ejes. • Robots con 4 ejes. • Robots con 5 o más ejes. 2. Clasificación según el tipo de estructura mecánica: • Cartesianos. . • SCARA. • Antropomórficos o angulares. • Paralelos • Esféricos. • Cilíndricos. 47 Clasificación de Robots Industriales (2) 3. Clasificación según el tipo de control: • Secuencia-controlada: robot que tiene un sistema de control en el que los movimientos se realizan en un orden determinado. • Trayectoria-operada / continua: robot que desarrolla un procedimiento controlado donde tres o más ejes en movimiento operan de acuerdo a las especificaciones de trayectoria requerida para alcanzar la próxima posición deseada, normalmente alcanzada por interpolación. • Teleoperados: robot que puede ser operado de modo remoto por un operador humano. Su función es la de una extensión de las funciones del sistema motor sensorial humano • Adaptativos: robot que tiene un control sensorial, adaptativo o funciones para control mediante aprendizaje. 48 Clasificación de Robots Industriales (3) • Adaptativos: robot que tiene un control sensorial, adaptativo o funciones para control mediante aprendizaje. Se dice que es sensorial si el movimiento del robot y la fuerza de éste se ajusta de acuerdo a las salidas que proporcionan sensores externos. Se dice que es mediante aprendizaje cuando la experiencia obtenida durante ciclos anteriores se usa de modo automático para cambiar los parámetros de control y / o los algoritmos. Se dice que el control es adaptativo si los parámetros del sistema de control son ajustados a partir de las condiciones detectadas durante el proceso. 49 Clasificación según Areas de aplicación 2. Clasificación según las áreas de aplicación: • Ensamblado: agrupa los robots utilizados en el ensamblado, inserción, montaje, corte, soldadura, etc. • Procesamiento especial: agrupa a los robots que llevan a cabo cortes mediante láser o chorro de agua a presión. • Entrenamiento / investigación / educación. • Medida, inspección y testeo. • Empaquetado y paletizaje. • Estampado. • Tratamiento a altas temperaturas. • Modelado de plásticos. • Soldadura: agrupa a los robots de soldadura de arco, por puntos, gas, laser,. • Pintura y pegado. • Carga y descarga. 50 Ensamblado PA 10 51 Manipulación IRB 340 52 Manipulación IRB 6400 53 Manipulación KR 500 54 Pulido – Grinding PA 10 55 Corte por agua 56 Corte por plasma PA 10 57 Paletizado 58 Paletizado 59 Paletizado 60 Soldadura por arco 61 Soldadura por arco 62 Soldadura por puntos 63 Soldadura Yag Láser 64 Soldadura Mig-Mag 65 Pintura 66 Pintura 67 Pegado En esta imagen un robot de brazo articulado aplica una resina para pegar el vidrio delantero de un automóvil 68 Carga y descarga – Picking and place IRB 340 69 Carga y descarga – Picking and place IRB 340 70 Carga y descarga 71 Clasificación de Robots de servicios 1. Clasificación según el tipo de interacción: • Servicio destinado a seres humanos: personal, seguridad, entretenimiento etc. • Servicio destinado a equipamiento: mantenimiento, reparación, limpieza, etc. • Otro tipo de servicios: transporte, adquisición de datos y todos aquellos que no se puedan clasificar como servicio destinado a seres humanos o equipamiento. 2. Clasificación según áreas de aplicación: • De limpieza: limpieza de ventanas, muros, tanques, suelos, etc. • De alcantarillado: destinados a limpieza e inspección. • Caminantes y escaladores: destinados a limpieza e inspección • De inspección de plantas industriales, centrales nucleares, puentes, etc. • Submarinos: destinados a todo tipo de trabajo bajo el agua. • Domésticos: destinados a labores dentro de las casas particulares. • Médicos: destinados a labores médicas, operaciones quirúrgicas, etc. • De asistencia: destinados para la ayuda a personas discapacitadas (silla de ruedas robotizada). 72 • De correo: destinados a la distribución • Móviles: destinados a múltiples usos. • Guías: destinados a ofertas información en museos. • De reaprovisionamiento en la industria y almacenes. • De emergencias: destinados a desactivar bombas, apagar incendios, etc. • De construcción: destinados a labores en la construcción. • De agricultura: destinados a labores de recolección, clasificación, reforestación, etc. • Espaciales: realizan tareas en el espacio. • Entretenimiento: destinados a labores de entretenimiento. Clasificación de Robots de servicios 73 1.4 Mercado y tendencias Introducción. Antecedentes históricos y evolución. La robótica clasificación y aplicaciones. Mercado y tendencias. TEMA 1. INTRODUCCIÓN 74 Instalaciones anuales de robots industriales Instalaciones anuales de robots industriales (1995-1999) y estimación (2000-2004) 75 Stocks de robots de servicios 76 La robótica en España (1) Incremento anual de un 30% en los últimos 5 años. El 50% de robots nuevos son de soldadura (por puntos la mayoría) El 11% en los de molduras de plástico. Otros sectores importantes son ensamblaje, empaquetado y paletizaje. Por áreas: • Entre el 60 y el 70% de los robots se utilizan en la industria del motor. • El 10% en la industria química. • En tercer lugar las industrias del metal y maquinaria Por tipo de robots: • El 88% son angulares y paralelos.• El 10% cartesianos. • El 2% SCARA. 77 La robótica en España (2) Por ejes: • El 93% son robots de 5 o más ejes. Por tipo de control: • El 80% son de trayectoria operada. • El 11% son de control adaptativo. Por fabricantes: • ABB acapara el 50% aproximadamente. • KUKA y FANUC un 33%. 78 La robótica en España (Fabricantes) Número de Robots según los principales fabricante a fecha de 31/12/1998 ABB 42% PANASONIC 1% RENAULT 2% SEPRO 4% KUKA 11% GAIOTTO 1% FANUC 10% ADEPT 1% CLOOS 1% COMAU 1% DANOBAT 1% STÁUBLI 4% VOLKSWAGEN 3% WITTMAN 3% YAMAHA 2% Marca inespecif icar 1% Otras marcas 3% MOTOMAN 3% KAWASAKI 2% 79 La robótica en España (Instalaciones) Instalaciones según las principales aplicaciones a 31/12/98 Formación/ enseñanza/ investigación 2% Manipulación de fundición 13% Soldadura 52% Materiales 6% Otros procesos 1% Manipulación materiales 8% Mecanización 8% Montaje 5% Manipulación paletización/ empaquetado 3%