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Robótica

TEMA 6:ROBOTSHUMANOIDESMartin Mellado (martin@isa.upv.es)

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)

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

CONTENIDOS

1. Introducción2. Aplicaciones3 C t l d i i t3. Control de movimientos4. Minirobots humanoides

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

Cortesía KAIST

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

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, …

Introducción

Evolución de los robot humanoides

htt // ld h d /ASIMO/hi t /hi t ht lCortesía Honda

http://world.honda.com/ASIMO/history/history.html

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

Cortesía Columbia Pictures

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

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

Introducción

Robot humanoides con ruedas?

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

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?

Cortesía MGM

Introducción

Evolución del ser humano

Introducción

Evolución del ser humano• El bípedo libera las manos para

crear herramientas y comenzarcrear herramientas y comenzar la época del conocimiento

Introducción

Evolución del robot humanoide• Mayor conocimiento e integración

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, …

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

Aplicaciones

Aplicaciones de los robot humanoides

p• Servicio:

Asistencial y médico– Asistencial y médico

Cortesía Kawada Industries

Cortesía Honda

Aplicaciones

p• Servicio:

Asistencial y médico– Asistencial y médico– Domésticos

Aplicaciones

p• Servicio:

Entretenimiento y artístico– Entretenimiento y artístico

Cortesía Toyota

Cortesía Honda

Aplicaciones

p• Servicio:

Entretenimiento y artístico– Entretenimiento y artístico– Rescate y emergencias

Aplicaciones

p• Servicio:

Educación e información– Educación e información

Aplicaciones

p• Servicio:

Educación e información– Educación e información• Industriales

Aplicaciones

Son seguros los robots humanoides?

• 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

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

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

Cinemática del brazo• Simplificación a 6 dof

Cinemática del brazo• Simplificación a 9 dof• 2+3 en hombro• 2+3 en hombro• 2 en codo• 2 en muñeca

Cinemática de los brazos

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!

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

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

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

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)

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

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

Minirobots humanoides

Competiciones con robots tele-operadosp p

• Robots humanoides caseros basados en servos de modelismo

KONDO KHR-1• Kit de robot humanoide para auto-montaje• Servos de aeromodelismo por radio control• Servos de aeromodelismo por radio control

KONDO KHR-1• 17 servos digitales

C• RCB-1 control board• Comunicación serie conComunicación serie con

el sw HeartToHeart

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)

Cortesía Hitec

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

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

Programación desde PC en RoboBasic:g• Extensión del lenguaje Basic• Nuevas instrucciones para el robot

Robonova – I en acción (1)( )

Cortesía Hitec

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

• 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

Otros minirobots humanoides– Potenciados por la Robocup

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

Cortesía HondaCortesía Sony

ROBOCUP: competiciones

4-Legged LeagueSmall-sized League

H id LMiddl i d L

Humanoid LeagueMiddle-sized League

ROBOCUP: Foto de familia 2006

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

Minirobots humanoides – microBIROSensores diversos:

acelerómetros, IR, sensoresacelerómetros, IR, sensores de planta del pie

Comunicación por USB o por USB o inalámbrica

• 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

• Desarrollo• Desarrollo software

di tmediante herramientas libres

• Aplicación para teleoperación yteleoperación y monitorización

• Amplia variedadAmplia variedad de movimientos

Minirobots humanoides – microBIROmicroBIRO en acción

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

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