robótica: introdução e aplicações

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Felipe Felipe NascimentoNascimento MartinsMartins

Felipe Nascimento Martins

http://nera.sr.ifes.edu.br

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Conteúdo da apresentação

• O que é um robô?• Robôs Manipuladores e Robôs Móveis;• Fundamentos dos Manipuladores;• Aplicações de Robôs Manipuladores;• Fundamentos da Robótica Móvel;• Aplicações de Robôs Móveis;• O Futuro da Robótica;• Competições de Robôs.

O que é Robô?

• A palavra robô vem da palavra Tcheca robota, que significa “trabalho forçado”, e foi usada pela primeira vez numa peça teatral de 1920 escrita por Karel Čapek: Rossum´s Universal Robots (R.U.R.).

As Três Leis da Robótica

� 1ª Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal;

� 2ª Lei: Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens entrem em conflito com a Primeira Lei;

� 3ª Lei: Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira ou com a Segunda Lei.

� Escritas por Isaac Asimov em seu conto “I, Robot”.

Afinal, o que é um Robô (de verdade)?

• Segundo a RIA (Associação das Indústrias de Robótica), um Robô é um manipuladorreprogramável, multifuncional, projetado para movimentar material, ferramentas ou dispositivos especializados através de movimentos programáveis variados para desenvolver uma variedade de tarefas.

Outra definição de robô:

• Segundo a ISO 8373:1994, que define o vocabulário padrão para robôs industriais, um robô é:

• Um manipulador multifuncional, controlado automaticamente, reprogramável, com três ou mais eixos, que pode estar fixo em determinado local ou ser móvel, utilizado em aplicações de automação industrial.

Robôs Manipuladores

• Em geral, executam movimentação de objetos na indústria de manufatura, pintura e soldagem na indústria automobilística, manuseio de objetos radioativos, etc.

• Tarefas repetitivas, de precisão ou perigosas.• Mercado de US$ 5,7 bilhões por ano!*

* Dado de 2010. Fonte: http://www.ifr.org/industrial-robots/statistics/

Robôs de Serviços

• Realizam serviços de utilidade aos seres humanos ou equipamentos, excluindo-se operações de manufatura. São robôs que auxiliam em tarefas como: • busca e resgate;• assistência doméstica (como aspiradores de pó e

cortadores de grama);• entretenimento (futebol de robôs, robôs que se

comportam como animais de estimação); e• assistência a pessoas com deficiência (como

cadeiras de rodas robóticas e dispositivos de auxílio ao caminhar).

Robôs de Serviços

� Stanford Personal Robotics Program

http://personalrobotics.stanford.edu/

Mercado de Robôs

• Levando-se em consideração apenas aplicações profissionais (não domésticas), robôs de serviço já formam um mercado de mais de US$3,2 bilhões.

• 7% do valor referem-se a unidades para aplicações médicas;

• 75% refere-se à área de defesa!

Fonte: http://www.ifr.org/service-robots/statistics/

Mercado de Robôs

• Considerando aplicações domésticas e pessoais (robôs aspiradores, cortadores de grama, de entretenimento, educacionais e de pesquisa), somente em 2010 foram vendidas 2,2 milhões de unidades.

• Mercado de US$ 540 milhões.• Previsão: 2011~2014: venda de 14,4

milhões de unidades apenas para uso pessoal!

Fonte: http://www.ifr.org/service-robots/statistics/

Mercado de Robôs

• Estudo da União Européia estima que o mercado de robôs será de aprox. 100 bilhões de euros por ano até 2020!

• A Europa está preparando projeto de Parceria Público-Privada para 2013, com objetivo de investir na área de robótica para aumentar os empregos;

• Hoje a Europa produz um quarto dos robôs industriais e metade dos robôs de serviço do mundo.

Fonte:http://europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=IP/12/978&format=HTML&aged=0&language=PT&guiLanguage=en

Mercado de Robôs

• Segundo a revista Galileu, existem cerca de 5,5 milhões de unidades de robôs de serviço em funcionamento no mundo, enquanto a quantidade de robôs industriais é de cerca de 1,1 milhão (em 2011).

• Mas...

Mercado de Robôs

• Apenas a empresa Foxconn, maior fabricante terceirizada de eletrônicos do mundo, pretende aumentar o número de robôs em suas fábricas de 10 mil para um milhão até 2014!

Mercado de Robôs

• Em 2010, pela primeira vez o Japão deixou de ser o maior consumidor de robôs industriais. Em números absolutos, os maiores mercados são:

• 1. Coréia do Sul• 2. Japão• 3. EUA• 4. China

Mercado de Robôs• Estamos na economia do conhecimento e

parece que os únicos trabalhos que vão "sobrar" para humanos, no médio e longo prazos, são aqueles nos quais é preciso exercitar funções essencialmente humanas: pensar, imaginar, perguntar, descobrir, criar, resolver, desenhar, projetar… coisas que robôs ainda vão demorar muito tempo pra começar a fazer.

• Silvio Meira

Robôs ManipuladoresRobôs Manipuladores

História

• O primeiro robô manipulador industrial foi projetado por George Devol em 1954.

• Em 1956, Devol e Joseph Engelbergerfundaram a Unimation, a primeira empresa de robótica do mundo.

• Em 1962 o primeiro robô industrial, o UNIMATE, começa a funcionar numa fábrica da GM nos EUA.

História

• O primeiro modelo Unimate numa fábrica da GE.

História

• Em 1969 foi construído o primeiro manipulador com 6 graus de liberdade acionado por motores elétricos: Stanford Arm.

História

• 1ª geração: Não possuem sensores. Baixo poder de computação;

• 2ª geração: Processamento de sensores em malha fechada com razoável poder computacional;

• 3ª geração: Sensores mais complexos e poder computacional muito mais elevado. Muitos usam algoritmos de Inteligência Artificial na tomada de decisões.

História

• ABB: primeira a ter um robô comercial 100% elétrico controlado por microprocessador, em 1973: IRB6.

• Foi a primeira a vender 100 mil unidades de robôs industriais, em 2003.

Mercado

• Alguns fabricantes importantes de robôs manipuladores:

• ABB – fusão da sueca Asea com a suíça Brown Boveri;

• Adept – EUA;• FANUC – EUA/Japão;• Kawasaki Robotics – Japão;• Kuka – Alemanha;• Stäubli Robotics – Suíça.

Aplicação: Indústria Automobilística

Exemplos de Manipuladores

http://www.engadget.com/2007/01/29/robotic-arm-rides-5-cents/

Graus de Liberdade

• Graus de liberdade (Degrees of Freedom –DOF) é o número de variáveis independentes de posição que precisam ser especificadas para se definir inequivocamente a localização de todas as partes de um mecanismo.

• Num robô, é o número total de movimentos independentes que ele pode efetuar.

Graus de Liberdade

• Para se definir precisamente um ponto da garra do robô (ou da ferramenta que ele utiliza) no espaço é preciso um manipulador de 6 DoF: • 3 DoF para definir seu posicionamento;• 3 DoF para definir sua orientação.

Graus de Liberdade

• Quantos graus de liberdade (DOF) têm o braço humano (sem considerar a mão)?

Graus de Liberdade

• Quantos graus de liberdade (DOF) têm o braço humano (sem considerar a mão)?

• Sete!Três no ombro;Um no cotovelo; eTrês no pulso.

• O que significa ter mais graus de liberdade que o necessário?

Graus de Liberdade

• Um robô manipulador com mais de 6 DOF échamado de robô redundante.

• Quanto maior for o número de DoF, mais complexo é o controle (cinemática inversa).

Graus de Liberdade

• Quantos graus de liberdade (DOF) têm a mão humana?

Graus de Liberdade

• A mão humana tem 27 DOF!

• "The human hand has 27 degrees of freedom: 4 in each finger, 3 for extension and flexion and one for abduction and adduction; the thumb is more complicated and has 5 DOF, leaving 6 DOF for the rotation and translation of the wrist."

• (from ElKoura and Singh 2003 'Handrix: Animating the Human Hand' Eurographics/SIGGRAPH Symposium on Computer Animation).

Quantos Graus de Liberdade?

Aplicação: Busca e Resgate

Biorobotics Lab, Carnegie Mellon University.

Estruturas de Robôs Manipuladores

• As juntas de um manipulador podem ser:• Prismáticas - P;• Rotativas - R;

• Considerando apenas as três primeiras juntas a partir da base do robô (os três primeiros graus de liberdade), várias estruturas podem ser formadas;

• Cada estrutura resulta em diferentes características para o robô, influenciando principalmente em seu volume de trabalho.

Robô Cartesiano – PPP

Seiko Instruments - Série XM3000

Robô Cartesiano – PPP

Robô Cilíndrico – RPP

Robô SCARA – RRP

Bosch SR800SCARA: Selective Compliant Articulated Robot for Assembly

Robô SCARA – RRP

Volume de trabalho de um robô tipo SCARA. Essencialmente ele é um robô de coordenadas cilíndricas.

Esférico (Stanford Arm) – RRP

Antropomórfico – RRR

Stäubli/Unimation PUMA (com punho)

PUMA: Programmable Universal Manipulator for Assembly

Efetuadores – Garras

Estrutura Mecânica

• Braço � mobilidade;• Punho � destreza;• Efetuador � atuação.

• O efetuador pode ser uma garra ou outra ferramenta (por exemplo, para pintar, soldar, colar, cortar etc.).

Efetuadores – Exemplo

Robôs MRobôs Móóveisveis

Robô Móvel

• Muitos dos robôs de serviço são Robôs Móveis.

• Mas, o que é um Robô Móvel? • Um robô manipulador não se move? Então,

não é “móvel”?

• Um robô móvel pode deslocar-se:

• no solo, através de rodas, esteiras, patas, etc.;• no ar, como um helicóptero, avião ou balão;• na água, como um navio ou submarino;• ou no espaço!

•• ÉÉ definido como um vedefinido como um veíículo capaz de culo capaz de movimentamovimentaçção autônoma, equipado com ão autônoma, equipado com atuadores controlados por um computador atuadores controlados por um computador embarcado.embarcado.

Robô Móvel

• Um robô móvel pode deslocar-se:

• no solo, através de rodas, esteiras, patas, etc.;• no ar, como um helicóptero, avião ou balão;• na água, como um navio ou submarino;• ou no espaço!

•• ÉÉ definido como um vedefinido como um veíículo capaz de culo capaz de movimentamovimentaçção autônoma, equipado com ão autônoma, equipado com atuadores controlados por um computador atuadores controlados por um computador embarcado.embarcado.

Robô Móvel

• O primeiro robô móvel construído e reconhecido na bibliografia é o Shakey, desenvolvido pelo Stanford ResearchInstitute, em 1967.

História

Fonte: http://www.ai.sri.com/shakey/images.php

Exemplos de Robôs Móveis

Luna –

RoboDynamics

• A ideia é que seja o primeiro robô pessoal acessível do mundo.

Roomba - iRobot

• Aspira os locais determinados e retorna à base quando a bateria está no fim;

• Sensores infravermelhos evitam queda de escada;

• Detecta e permanece mais tempo na região mais suja;

• 6 milhões de unidades vendidas em 10 anos (até2012).

LASERLASER

UltrassomUltrassom

EncoderEncoder

Sensores

CâmeraCâmeraAcelerômetroAcelerômetro

BússolaBússola

GPSGPS

Atuadores

� Motores!

• Um robô móvel que possui um manipulador a bordo chama-se Manipulador Móvel;

• O conjunto é considerado como um sistema multirrobôs, pois seu controle deve ser coordenado para realização da tarefa designada.

Manipulador Móvel

O futuro da robO futuro da robóótica...tica...

ASIMO - Honda

Desenvolvimento iniciado pela Honda em 1986.

Aprendizado de Máquina

Veículos Autônomos

Tese de doutorado de Pieter Abbeel, Stanford University, 2008.

Narração: Prof. Sebastian Thrun, Universidade de Stanford.

• Várias empresas e instituições trabalham no desenvolvimento de veículos autônomos;

• O projeto mais avançado é da Google: mais de 300.000 milhas em modo autônomo!

Projeto de Doutorado do Prof. Rafael Vivacqua – UFES/IFES

Cursos Gratuitos On-Line

• Cursos on-line gratuitos com professores de Stanford, MIT, Berckeley, Harvard e outras:

• Intro to Robotics: http://see.stanford.edu/see/courses.aspx• Introduction to Artificial Intelligence: www.ai-class.org• Machine Learning: www.ml-class.org• Programming a Robotic Car: www.udacity.com• Artificial Intelligence: https://www.edx.org/courses• Circuits and Electronics: https://www.edx.org/courses

CompetiCompetiçções de Robões de Robóóticatica

RoboCup

• Promove anualmente o maior e mais importante evento sobre robôs autônomos e inteligentes;

• Iniciativa internacional para promover educação, pesquisa e desenvolvimento em robótica e IA;

• Ideia nasceu no Japão em 1992; • Primeira edição: Nagoya, 1997 - ~40 times;• Edição 2012: Cidade do México. Cerca de 2.500

participantes de aprox. de 40 países, com competições de futebol de robôs, robôs de regaste e robôs de serviço.

• Em 2014 será no Brasil, em João Pessoa!

Olimpíada Brasileira de Robótica

• É uma das olimpíadas científicas brasileiras apoiadas pelo CNPq;

• Iniciativa pública, gratuita, sem fins lucrativos;• Visa estimular jovens às carreiras científico-

tecnológicas e promover atualizações no processo de ensino-aprendizagem brasileiro;

• Ensino fundamental, médio e técnico;• Primeira edição: 2007, com 5.000 participantes;• 2009: mais de 20.000 alunos participaram.

LARC/CBR/OBR 2010

OBR/LARC 2010

Equipes que representaram o ES:• Equipe do CEDTEC obteve o

segundo lugar na Categoria Resgate – nível 1 (ensino fundamental);

• Equipe do IFES obteve o terceiro lugar Categoria Resgate – nível 2 (ensino médio);

• Equipe da UFES ficou em primeiro lugar na categoria IEEE SEK da competição Latino-Americana.

OBR/LARC 2011

• Equipe do colégio Salesiano obteve o 13º lugar na categoria Resgate A – nível 1;

• Equipe do IFES obteve o 7º lugar Categoria Resgate A – nível 2 (ensino médio) e o 1º lugar na categoria Resgate B;

• Equipe da UFES ficou em 2ºlugar na categoria IEEE SEK da competição brasileira e em 1º na competição Latino-Americana (na Colômbia). É tetracampeã!

RoboCup Junior 2011

• Equipe Emerotecos (IFES): 7º lugar na categoria Rescue B!

Robô da Emerotecos (IFES) em 2011

Prêmio de Melhor Vídeo na Mostra Nacional de Robótica de 2011

RoboCup Junior 2011

• Equipe Hipérion, de São Paulo: primeiro lugar na categoria Rescue A!!

RoboCup Junior 2012

• Equipe Emerotecos, do IFES: melhor robô e terceiro lugar no supertimes do Resgate B!

RoboCup

Visão:

“Até 2050, desenvolver um time de robôs humanóides autônomos

que possa vencer a seleção humana campeã do mundo”.

RoboCup

Visão:

“Até 2050, desenvolver um time de robôs humanóides autônomos

que possa vencer a seleção humana campeã do mundo”.

Alguém acredita??

PETMAN – Boston Dynamics

Justin – German Aerospace Center (DLR)

Obrigado!

Felipe Nascimento MartinsFelipe Nascimento Martins

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Referências

� BEKEY, G.; YUH, J. The Status of Robotics. Report on theWTEC International Study: Part II. IEEE Robotics andAutomation Magazine, v. 15, n. 1, p. 80–86, 2008.

� CARELLI, R. Notas de aula da disciplina de Robótica Industrial. PPGEE/UFES, 2012.

� SANTOS, Vítor M. F. Robótica Industrial. Capítulos 1 e 2. Universidade de Aveiro, 2003-2004.

� SPONG, M.W. HUTCHINSON, S. VIDYASAGAR, M. RobotDynamics and Control. ed. Wiley, 2005.

� SECCHI, H. Uma Introdução aos Robôs Móveis. Monografia premiada no concurso da Associação Argentina de Controle Automático – AADECA, 2008. Edição brasileira, 2012.

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