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Robótica
TEMA 6:ROBOTSHUMANOIDESMartin Mellado ([email protected])
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (DISA)Facultad de Informática de Valencia (FIV)Universidad Politécnica de Valencia (UPV)
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV1
Universidad Politécnica de Valencia (UPV)
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Tema 6Robots humanoides
OBJETIVOS
• Conocer las características básicas de los robots humanoides y sus posibles
li iaplicaciones• Conocer las posibilidades de los minirobots
humanoideshumanoides• Comprender el desarrollo de un caso
concreto de minirobot humanoide
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV2
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Tema 6Robots humanoides
CONTENIDOS
1. Introducción2. Aplicaciones3 C t l d i i t3. Control de movimientos4. Minirobots humanoides
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV3
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Introducción
Qué es un robot humanoide?Q• Humanoide es un ser cuya
estructura corporal se asemejaestructura corporal se asemeja a la de un ser humano: cabeza, torso piernas brazos y manostorso, piernas, brazos y manos
• Humanoide es un robot hecho para asemejarse a un serpara asemejarse a un ser humano en apariencia y comportamientocomportamiento
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV4
Cortesía KAIST
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Introducción
Qué es un robot humanoide?Q• La diferencia entre humanoide y
androide es sólo la piel:androide es sólo la piel:el androide se parece exteriormente a un serexteriormente a un serhumano pero interiormentees un humanoide mecánico
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV5
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Introducción
Evolución de los robot humanoides
1973 1992 1997 20021984 1995 2000 2005
Wabot1 Honda E5 H P3 K HRP2Wabot1 Honda E5 H. P3 K.HRP2Wam H. P2 H.Asimo Wabian
QRIO de Sony, Hoap de Fujitsu, …
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV6
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Introducción
Evolución de los robot humanoides
1986
2000
htt // ld h d /ASIMO/hi t /hi t ht lCortesía Honda
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV7
http://world.honda.com/ASIMO/history/history.html
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Introducción
Aspectos sociales: p• Robot humanoide esclavo
– Electrodoméstico– Trato como a un tamagochi– Sumiso a su maestro– Vuelta a la esclavitud
• Robot humanoide compañeroCortesía Lucas Films
– Aceptado socialmente– Con derechos sociales– Responsables jurídicamente– Podrán evolucionar
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV8
Cortesía Columbia Pictures
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Introducción
Diferencias entre humanoide y otros robotsy• Locomoción bípeda (similar a la humana)
– EstabilidadEstabilidad– Cambio del modelo al andar al sostenerse con una
o dos piernasp• Dos piernas + dos brazos + torso + cabeza
– Sistema múltiple redundante (> 20 DOF)– Sistema múltiple redundante (> 20 DOF)– Cinemática y dinámica muy compleja
• Potencia on board y autonomía• Potencia on-board y autonomía– Arquitectura de control en tiempo real muy compleja
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV9
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Introducción
Diferencias entre humanoide y otros robotsy• Diseñados para trabajar en ambiente humano
– Entornos para seres humanos (hogar)Entornos para seres humanos (hogar)– Herramientas para seres humanos (tijeras)– Máquinas para seres humanos (coches)Máquinas para seres humanos (coches)– Trabajo en diferentes escenarios (hogar, oficina,…)– Sin modificaciones– Sin modificaciones
• Evitar robots específicosú i– según escenario
– para tareas o aplicaciones determinadas
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Introducción
Robot humanoides con ruedas?
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV11
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Introducción
Robot humanoides con ruedas?• Las ruedas son mejores para entornos
vacíos y suelos lisosvacíos y suelos lisos• Para entornos más reales (obstáculos,
suelos no lisos escaleras ) lossuelos no lisos, escaleras, …) los bípedos son necesarios
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV12
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Introducción
Relación entre bípedos y conocimiento?p y• Es posible tener conocimiento sin locomoción?
E ibl t l ió i i i t ?Cortesía MGM
• Es posible tener locomoción sin conocimiento?
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV13
Cortesía MGM
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Introducción
Evolución del ser humano
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV14
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Introducción
Evolución del ser humano• El bípedo libera las manos para
crear herramientas y comenzarcrear herramientas y comenzar la época del conocimiento
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV15
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Introducción
Evolución del robot humanoide• Mayor conocimiento e integración
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Introducción
Campos de trabajop j• Mecatrónica, control e integración• Movimiento humanoMovimiento humano• Interacción: diálogo, gestos,…• Visión artificial• Visión artificial• Manipulación y sensor táctil
Cooperación robot ser h mano• Cooperación robot-ser humano• …Multidisciplinares• Ingenieros, médicos, psicólogos, …
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Introducción
Problemática actual en humanoides• El principal objetivo actual se enfoca al bipedismo, no
al conocimiento• No existen en el mercado humanoides fiables y
robustos de tamaño humano• El movimiento bípedo estable no está totalmente
resuelto, sólo en experimentos de laboratorio• Se deben conseguir primero plataformas bípedas
robustas para poder añadir conocimiento• Comparativamente con la evolución humana, se está
en la época pre-robótica
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Aplicaciones
Aplicaciones de los robot humanoides
p
p• Servicio:
Asistencial y médico– Asistencial y médico
Cortesía Kawada Industries
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV19
Cortesía Honda
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Aplicaciones
Aplicaciones de los robot humanoides
p
p• Servicio:
Asistencial y médico– Asistencial y médico– Domésticos
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV20
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Aplicaciones
Aplicaciones de los robot humanoides
p
p• Servicio:
Asistencial y médico– Asistencial y médico– Domésticos
Entretenimiento y artístico– Entretenimiento y artístico
Cortesía Toyota
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV21
Cortesía Honda
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Aplicaciones
Aplicaciones de los robot humanoides
p
p• Servicio:
Asistencial y médico– Asistencial y médico– Domésticos
Entretenimiento y artístico– Entretenimiento y artístico– Rescate y emergencias
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV22
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Aplicaciones
Aplicaciones de los robot humanoides
p
p• Servicio:
Asistencial y médico– Asistencial y médico– Domésticos
Entretenimiento y artístico– Entretenimiento y artístico– Rescate y emergencias
Educación e información– Educación e información
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Aplicaciones
Aplicaciones de los robot humanoides
p
p• Servicio:
Asistencial y médico– Asistencial y médico– Domésticos
Entretenimiento y artístico– Entretenimiento y artístico– Rescate y emergencias
Educación e información– Educación e información• Industriales
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Aplicaciones
Son seguros los robots humanoides?
p
• Es seguro un coche al 100%?– Depende del conductor (agresivo, distraído, drogado, …)– Depende del uso (utilitario carreras especialista )Depende del uso (utilitario, carreras, especialista, …)– Depende del entorno (asfalto/tierra, día/noche, agua/nieve, …)– Depende de otros coches
• La dependencia es uno de los principales temas• La dependencia es uno de los principales temas– Seguridad física– Robustez de operación– Disponibilidad, capacidades, mantenimiento, …
• La venta de QRIO de Sony:– No hay legislaciónNo hay legislación– Falta de procedimientos– No existen estándares
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Control de movimientos
Estabilidad• La complejidad del problema de la estabilidad
se incrementa exponencialmente con la paltura (y el peso) del humanoide– ski adulto e infantil
• Los humanoides de tamaño juguete:– Son más fáciles de controlar– Permiten andar de forma correcta– Pueden correr, bailar, etc– Son más baratos
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Control de movimientos
Cinemática de un humanoide• Sistema complejo• Coordinación de las dos piernas• Coordinación de las dos piernas• Coordinación de brazos y piernas• Restricciones en el cuerpo
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Control de movimientos
Cinemática del brazo• Simplificación a 6 dof
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Control de movimientos
Cinemática del brazo• Simplificación a 9 dof• 2+3 en hombro• 2+3 en hombro• 2 en codo• 2 en muñeca
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Control de movimientos
Cinemática de los brazos
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV30
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Control de movimientos
Andando• Cómo se deben mover las piernas?
– Qué articulaciones y en qué orden?y q– A qué velocidades?– De forma independiente o coordinada?
• Cómo conseguir pasos rápidos?• Cómo conseguir pasos suaves?g p
– Evitar los pasos de Frankestein!
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Control de movimientos
Zancadas• Pasos posibles:
– Adelante/atrás– Laterales– De giro– Subir/Bajar escaleras
• Hay infinitas formas de implementar cada tipo• Con su combinación se pueden alcanzar
muchos movimientos
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Control de movimientos
Zancadas• ZMP (Zero Moment Point) es el punto con
respecto al que las fuerzas de reacciónrespecto al que las fuerzas de reacción dinámica en el contacto del pie con el suelo no produce ningún momento es decir las fuerzasproduce ningún momento, es decir, las fuerzas de reacción son nulas
• Indicador de estabilidad• Indicador de estabilidad– cae en la sombra del pie
f– cae fuera
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Control de movimientos
ZancadasGeneración de pasos por:• Formulación estática• Formulación estática
– Al caminar lento, el cdg permanece centrado respecto a las pisadascentrado respecto a las pisadas
• Formulación dinámicaAl i á id t l– Al caminar rápido y suavemente, el cdg no está siempre centrado respecto a las pisadasrespecto a las pisadas
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Control de movimientos
Movimientos humanos• Se buscan movimientos en los robos
similares a los del ser humanosimilares a los del ser humano• El ser humano puede realizar p
movimientos complejos sin gran coste• Estos movimientos son muy difíciles• Estos movimientos son muy difíciles
para los robots (difícil cinemática y di á i )dinámica)
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Control de movimientos
Captura digital de movimientosp g• En tiempo real• Mantiene un estilo humano y• Mantiene un estilo humano y
personalN it d t ió l b t• Necesita adaptación al robot– Estructura similar, no idéntica
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV36
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Control de movimientos
Sistemas de capturap• Sistemas ópticos
Marcadores pasivos / activos– Marcadores pasivos / activos• Sistemas magnéticos
Di i i b d• Dispositivos basados en goniometros
• Sistemas basadosen visión
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV37
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Minirobots humanoides
Competiciones con robots tele-operadosp p
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV38
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Minirobots humanoides
• Robots humanoides caseros basados en servos de modelismo
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV39
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Minirobots humanoides
KONDO KHR-1• Kit de robot humanoide para auto-montaje• Servos de aeromodelismo por radio control• Servos de aeromodelismo por radio control
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV40
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Minirobots humanoides
KONDO KHR-1• 17 servos digitales
C• RCB-1 control board• Comunicación serie conComunicación serie con
el sw HeartToHeart
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV41
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Minirobots humanoides. Robonova - I
Robonova - I• Basado en servos Hitec• 16 servos digitales• 5 Servos por pierna5 Servos por pierna• 3 Servos por brazo• Rango angular de 180º• 7 4kg*cm (6V)7.4kg cm (6V)• Velocidad 0.2s/60º (6V)
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV42
Cortesía Hitec
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Minirobots humanoides. Robonova - I
Tarjeta de Control:j• Atmel ATMega128L
7 37 MH– 7.37 MHz• 40 puertos I/O:p
– 24 puertos I/O para servos digitales8 puertos I/O para funciones internas– 8 puertos I/O para funciones internas
– 8 puertos A/D libres
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV43
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Minirobots humanoides. Robonova - I
Baterías:• 5 células NiMH recargables• Problemas de movimiento de los servos
cuando las baterías no están completamente cargadas
• Dos juegos de baterias por robot• Dos juegos de baterias por robot• Intentar AHORRAR baterías
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV44
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Minirobots humanoides. Robonova - I
Programación desde PC en RoboBasic:g• Extensión del lenguaje Basic• Nuevas instrucciones para el robot
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV45
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Minirobots humanoides. Robonova - I
Robonova – I en acción (1)( )
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV46
Cortesía Hitec
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Minirobots humanoides. Robonova - I
Sensores instalados:• 3 sensores infrarrojos de proximidad:
GP2D12 10 80GP2D12: rango 10 - 80cmEn pecho y brazos
• Un sensor Tilt de inclinaciónRango de + 60ºRango de +-60En el interior de la espalda
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV47
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Minirobots humanoides. Robonova - I
• Objetivo de las prácticas:j p– Introducirse en la problemática de los robot
humanoideshumanoides– Practicar la programación de posturas
R li l t l d t i– Realizar el control de posturas y acciones según sensores
• 10 Robonova-I• Ejercicios de movimiento y navegación• Ejercicios de movimiento y navegación
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV48
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Minirobots humanoides
Otros minirobots humanoides– Potenciados por la Robocup
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV49
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Minirobots humanoides
ROBOCUP:El objetivo final es el de enfrentar en el año 2050
un equipo de fútbol de robots humanoides t l j j d hcontra los mejores jugadores humanos
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV50
Cortesía HondaCortesía Sony
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Minirobots humanoides
ROBOCUP: competiciones
4-Legged LeagueSmall-sized League
H id LMiddl i d L
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV51
Humanoid LeagueMiddle-sized League
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Minirobots humanoides
ROBOCUP: Foto de familia 2006
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV52
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Minirobots humanoides – microBIRO
Desarrollado en el instituto ai2 de la UPVde la UPV
• Elevada movilidad:20 d d lib t d– 20 grados de libertad
• Alta capacidad de procesamientoprocesamiento
• Con módulos sensoriales• Elevada autonomía• Bajo peso• Robusto
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV53
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Minirobots humanoides – microBIROSensores diversos:
acelerómetros, IR, sensoresacelerómetros, IR, sensores de planta del pie
Comunicación por USB o por USB o inalámbrica
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV54
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Minirobots humanoides – microBIRO
• Placa de control basada en procesador de 32 bitsen procesador de 32 bits ARM7
• Procesamiento de imágenes mediante procesadores Blackfin BFxxx de uno o dos coresSi t d i ió b d• Sistema de visión basado en microcamara
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV55
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Minirobots humanoides – microBIRO
• Desarrollo• Desarrollo software
di tmediante herramientas libres
• Aplicación para teleoperación yteleoperación y monitorización
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV56
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Minirobots humanoides – microBIRO
• Amplia variedadAmplia variedad de movimientos
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV57
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Minirobots humanoides – microBIROmicroBIRO en acción
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV58
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Tema 6Robots humanoides
CONCLUSIONES
• Se han introducido y comentado las principales aplicaciones de los robots h manoideshumanoides
• Se han vistos aspectos básicos de control de movimientos de robots humanoidesde movimientos de robots humanoides
• Se han visto minirobots humanoides y un desarrollo propio de la UPV
Robots humanoides Martin Mellado DISA - UPV59