introdução à robótica / visão geral / tendências

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Prof. Dr. Eng. Fernando Passold

VI Semana Acadêmica/Curso de Física – UPF (26/10/2011)

1quarta-feira, 26 de outubro de 11

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Avanços na área de Robótica Industrial & Robótica Móvel


VI Semana Acadêmica/Curso de Física – UPF (26/10/2011)




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Tendência Atual:• Robôs Manipuladores mais rápidos e

leves;• Colônias de Robôs (usando nano-

robôs);• Uso com Etiquetas RFID• Uso em Sensoriamento Remoto• Uso de Métodos de Otimização• Inclusão de Algoritmos de

Aprendizado• Uso de Processamento de Imagens





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ALGUMAS DEFINIÇÕES...Seguem




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Origem da palavra “robot”:

La palabra "robot" viene de la obra de Karel Capek, RUR (Rossum's Universal Robots), escrito en 1920, en la lengua checa y estrenada 1921. En la obra, la palabra se refiere a las formas de vida creadas artificialmente. Robots con nombre en la obra son: Mario, Sila; Radio; Primus y Helena. Los robots de Capek son máquinas biológicas que se ensamblan, en contraposición a crecido o nacido

Definições

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A palavra “robot”:

La palabra "robot" viene de la obra de Karel Capek, RUR (Rossum's Universal Robots), escrito en 1920, en la lengua checa y estrenada 1921. En la obra, la palabra se refiere a las formas de vida creadas artificialmente. Robots con nombre en la obra son: Mario, Sila; Radio; Primus y Helena. Los robots de Capek son máquinas biológicas que se ensamblan, en contraposición a crecido o nacido

Definições

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1954: Programmed ArBcle Transfer

George Charles Devol, Jr. foi o inventor do primeiro robô industrial, chamado Unimate (Universal AutomaBon ). Ele fundou a primeira fábrica de robôs: UnimaBon robot. Era uu robô de manipulação de materiais e logo foi seguido pelos robôs de solda e outras aplicações.




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Tipos de Robôs:

• Manipulador • Móvel manipulado (ou teleguiado)• Móvel autônomo




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1978: PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly)

Em 1975, A Unimation mostrou seus primeiros resultados. Em 1978, o robô PUMA (Programmable Universal Machine para la Asamblea General) foi desenvolvido pela Unimation de Vicarm (Víctor Scheinman) com apoio da General Motors.

Robôs Manipuladores Primeiros Passos

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Principal “cliente”: Indústria Automotiva

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Robôs Manipuladores (Industriais):




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[email protected] DE ROBÔS MANIPULADORES 9


[email protected] 10

Parallel kinemaBc machine:Acelerações até 10G!

KUKA light weight robot arm: 7 d.o.f. relação peso x capacidade de carga: 1:1(antes, `pico: 4:1, 3:1)




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TIPOS DE ROBÔS MANIPULADORES: TENDÊNCIAS10

Parallel kinemaBc machine:Acelerações até 10G!

KUKA light weight robot arm: 7 d.o.f. relação peso x capacidade de carga: 1:1(antes, `pico: 4:1, 3:1)




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• => 92% Controle de Posição

Montagem chasis de carros;

Soldas;

Pintura;

Cortes;

Paletização.

Robôs Manipuladores• 90% Industria automotora.

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• => 92% Controle de Posição

Montagem chasis de carros;

Soldas;

Pintura;

Cortes;

Paletização.

Robôs Manipuladores• 90% Industria automotora.

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92%

8%

PosiçãoForça




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Robôs Manipuladores

90% Controle de Posição.

8% Equipados com sensor de força.

Força Posição




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90% Controle de Posição.

8% Equipados com sensor de força.

8%

92%

Força Posição




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Robô Manipulador• Tendência atual:

– Robôs flexíveis;

– rápidos;

– leves;

– programado por demonstração (capacidade de aprendizado – requer sensor de força).

– alguns com sensor de força (bastante caro $$$)

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Testes realizados durante tese doutorado —> Controle de Força no eixo Z (robô compensando para 200 gr de pressão / 200 N): “Controle Neural de Posição e Força em Manipuladores Robóticos”, Fernando Passold, Dr.Eng. Thessis, DAS/UFSC (2004). Video: http://usuarios.upf.br/~fpassold/SCARA/index.html


http://usuarios.upf.br/~fpassold/SCARA/index.html




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Controle de Força(Recente, industrialmente > 2007)


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Polimento de molde de garrafa PET

Robô cujo efetuador final é uma ferramenta abrasiva no formato de bola




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Diagrama em blocos do sistema de controle de posição/força.




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Resultado do Polimento de molde de garrafa PET





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CAD/CAM-based position/force controller for a mold polishing robot,Fusaomi Nagata a,*, Tetsuo Hase b, Zenku Haga b, Masaaki Omoto b, Keigo Watanabe c,Mechatronics 17 (2007) 207–216.




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Respostas do sistema.

CAD/CAM-based position/force controller for a mold polishing robot,Fusaomi Nagata a,*, Tetsuo Hase b, Zenku Haga b, Masaaki Omoto b, Keigo Watanabe c,Mechatronics 17 (2007) 207–216.




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Robô Manipulador• Tendência atual:

– Robôs flexíveis;

– Cadeia Cinemática Paralela;

– Rápidos;

– Leves;

– Programado por demonstração (capacidade de aprendizado – requer sensor de força).

– Alguns com sensor de força (bastante caro $$$)

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Outros videos:YouTube: The easy way of programming ABB robots (.mp4)This video shows a lead through programming and automaBc path learning method based on the Force Control Technology (hkp://www.youtube.com/watch?v=acJ3WDnoDCM)




http://www.youtube.com/watch?v=acJ3WDnoDCM




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Robô Manipulador

Tendências atuais:Uso do sensor de força:

Tarefas de polimento;

Desbaste;

Inserção de peças

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ATI Industrial Automation's Six-Axis Force/Torque Sensors are utilized in ABB's RobotWare Assembly FC. RW Assembly FC adds sensor feedback to the robot's positioning and allows the robot to search for the correct assembly position. Forces and torques are measured by the sensor at the wrist of the robot giving it a tactile sense of touch. ATI's Sensors and ABB's system makes it possible to automate tasks which earlier required skilled personnel or complex assembly machines. Visit www.ati-ia.com for more information.YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=4Ro6rQbePqE (07/04/2009)




http://www.ati-ia.com




http://www.youtube.com/watch?v=4Ro6rQbePqE

http://www.youtube.com/watch?v=4Ro6rQbePqE

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Robô Manipulador

Tendências Atuais:Uso na Industria de Alimentos

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ABB Robots installed by RG Luma are helping specialist food company Honeytop to speed up its pancake production and improve health, safety & hygiene. William Eid a director of Honeytop comments "This is our first investment in robotics technology and we have not experienced a single issue since the installation 6 months ago"YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=wg8YYuLLoM0&NR=1 (23/09/2009)




http://www.youtube.com/watch?v=wg8YYuLLoM0&NR=1




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Robô Manipulador

Tendências Atuais:Uso na Industria de Alimentos

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Video Courtesy of Adept technology and via RobotBuzz – This robot has broken the 300 cycle per minute barrier for a Pick and Place robot.YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=u6KW8fIBjr8 (03/11/2009)




http://www.youtube.com/watch?v=u6KW8fIBjr8

http://www.youtube.com/watch?v=u6KW8fIBjr8

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Tendências Atuais:Tarefas CooperaBvas (entre robôs)

RobôManipulador

ABB Robot -‐ CinterMex 2005YouTube: hkp://www.youtube.com/watch?v=R7jNOYjCDTY (26/06/2006) 23




http://www.youtube.com/watch?v=R7jNOYjCDTY

http://www.youtube.com/watch?v=R7jNOYjCDTY

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Robó8ca Industrial: TendênciasPick-‐and-‐Place + visão computacional

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Robôs Móveis Tele-‐operados




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Robôs Móveis AutônomosCaracterísticas:

• Mobilidade;

• Autonomia;

• Certa “inteligência”;

• Braço manipulador (“garra”)?


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AGVs: Automated Guided Vehicles

Robôs Móveis na Industria

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Combinação braço manipulador + plataforma móvel.

Mescla navegação autônoma + carga/descarga manual




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Tipos/Aplicações Robôs Móveis:

• Aquáticos;

• Aéreos;

• Exploração Espacial;

• Uso em Agricultura e Eng. Florestal;

• Uso em Construção Civil;

• Uso em ambientes perigosos;

• Em mineração

• Para busca e resgate;

• Veículos inteligentes;

• En Medicina – integração em procedimentos cirúrgicos;

• Em reabilitação e saúde;

• Domésticos (entretenimento)

• Fins Educativos.

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Haga clic para modificar el esBlo de texto del patrón

Robôs Móveis Aquá8cos

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Robôs Móveis Aéreos:UAVs

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Robôs (Móveis):Exploração Espacial

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Robôs (Móveis):Exploração Espacial

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Robôs (Móveis): Uso em Eng. Florestal

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Robôs (Móveis):Construção Civil

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Robôs (Móveis):em Mineração

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Robôs:Área de Reabilitação (fisioterapia)

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Robôs:Área de Reabilitação (fisioterapia)

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Aspirador de pór:

Samsung no es nueva en esto de crear aspiradoras raritas, pero el úlBmo diseño de la compañía espera plantar cara a nuestra adorada Roomba, auténBco peso pesado en el segmento de los chupópteros automaBzados. La Hauzen VC-‐RE70V equipa en su atracBvo chasis exterior una cámara con la que puede ver lo que Bene a su alrededor, y (aquí viene lo bueno) mapear habitaciones enteras para memorizar su propio mapa de tu apartamento. Al igual que la Automower (¿Benes ya la tuya?) este cacharro también sabe correr directamente a su base cuando toca recargar las baterías, por lo que nunca tendrás que preocuparte de comprar pilas. Una excusa menos para sacar la escoba antes de que venga la suegra.

Robôs“Domés8cos”

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Aspirador de pór:

Samsung no es nueva en esto de crear aspiradoras raritas, pero el úlBmo diseño de la compañía espera plantar cara a nuestra adorada Roomba, auténBco peso pesado en el segmento de los chupópteros automaBzados. La Hauzen VC-‐RE70V equipa en su atracBvo chasis exterior una cámara con la que puede ver lo que Bene a su alrededor, y (aquí viene lo bueno) mapear habitaciones enteras para memorizar su propio mapa de tu apartamento. Al igual que la Automower (¿Benes ya la tuya?) este cacharro también sabe correr directamente a su base cuando toca recargar las baterías, por lo que nunca tendrás que preocuparte de comprar pilas. Una excusa menos para sacar la escoba antes de que venga la suegra.

Robôs“Domés8cos”

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Robôs Modulares e auto-reconfiguráveis.

Robôs Móveis:Outras Tendências:

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Robôs Modulares e auto-reconfiguráveis.

Robôs Móveis:Outras Tendências:

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> Estudo de algoritmos de Localização e Mapeamento Simultâneo (indoor, outdoor).

> Aprendizado de Máquina.

> Colônia de Robôs (comportamento cooperativo, sinergia entre agentes inteligentes: stigmetry).

Robôs MóveisÁrea Acadêmica

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Texto




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Colônia de Robôs• Grupo de “agentes” (no caso, robôs

móveis que podem ser todos homogêneos – “swarm” ou heterogêneos) que trabalham de forma colaboraBva e cooperaBva resultando num comportamento próprio de um grupo (ou comunidade), similar ao que ocorre em comunidades de insetos como as formigas.

• Podem ser implementados usando abordagem de MulB-‐agentes1 (daí a referencia anterior a agentes).

1 Novo paradigma da área de Inteligência ArBficial.


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MulB-‐agentes

• Paradigma recente da área de IA;• Visa introduzir robustez ao sistema.

Extraído de: Modeling the Ambient Intelligence ApplicaBonSystem: Concept, So�ware, Data, and Network Chen Rui, Hou Yi-‐bin, Member, IEEE, Huang Zhang-‐qin, Member, IEEE; IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS—PART C: APPLICATIONS AND REVIEWS, VOL. 39, NO. 3, MAY 2009 and He Jian




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Inteligência ArBficial | Aprendizado




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Possíveis Aplicações• Controle Automa8zado de estoque:Usando tags RFID + robôs móveis* à– Localizar mercadorias,– Definir posicionamento das mercadorias (função da sazonalidade, espaço manobras, período de tempo até liberação – problema de oBmização).• Ex: Supermercado (mais restrições: controle de prazos de validade, questões de markeBng).Ex: Porto Seco: agilizar despacho mercadorias.

– Levar em conta idiossincrasias dos operadores? (sistema com capacidade de aprendizado).

– *Pode ser um (ou mais) ponte(s) rolante(s) automaBzada (robô de Gantry).


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Possíveis Aplicações

• Robôs para Coleta Remota de amostras biológicas e geológicas

• Controle ecológico, exploração de minerais.• 1 único ou uma colméia.

Robô tuna (MIT)


http://web.mit.edu/towtank/www/tuna/robotuna.html














































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Possíveis Aplicações• Robôs para Verificações (Manutenção PrevenBva)

• Verificar estado de pás de grandes turbinas, de oleodutos, ...

• Realizar inspeção de linhas de transmissão aéreas, de túneis aquáBcos (hidroelétricas), ...

• Esperado incremento brutal com chegada dos nano-‐robôs):



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Possíveis Aplicações• Robôs automaBzação de portos maríBmos (ou mesmo secos). Inclui empilhadeiras, guindastres e mesmo caminhões.

Austrália: Porto de Brisbane.hkp://www.patrick.com.au/IRM/Content/technology/autostrad.html.




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Possíveis Aplicações• Robôs automaBzação de portos maríBmos (ou mesmo secos). Inclui empilhadeiras, guindastres e mesmo caminhões.

Austrália: Porto de Brisbane.hkp://www.patrick.com.au/IRM/Content/technology/autostrad.html.

• 18 autonomous

straddle carriers;• Contêineres de até 65 TONS;• Até 30 Km/h + 120 TONS;• 30 contêineres/hora.• Sem incidentes (2005 – 2007)




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Robôs (Móveis):em Automação Portuária

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Porto de Brisbane, AustráliaDesde 2005. 18 Guindastres automaBzados;120 ton @ 30 km/h;30 conteiners/hora.




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Possíveis Aplicações• Robôs uso na Agricultura:

• Agricultura de precisão, controle de pragas, pulverização e colheitas automaBzadas, etc.




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Possíveis Aplicações

• Sensoriamento Remoto:

• Coleta (remota) de dados atmosféricos (prevenção de alagamentos);

• Coleta (remota) de condições tráfego (contador de carros, detecção incidentes – possível uso de câmeras + sensores induBvos);

• Supervisão de cabeças de gado no campo (usando eBquetas RF-‐ID, Wi-‐Max)




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Detecção de faixas na pista (mantêm condução ou alerta para saída de faixa - motorista sonolento!?).

Detecção de veículos na contramão (perigo).

Leitura (reconhecimento), interpretação e alertas automáticos (“inteligentes”) relacionados com sinalização da estrada.

Detecção de aproximação muita rápida contra carro seguinte.

Veículos “inteligentes”

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Detecção de faixas na pista (mantêm condução ou alerta para saída de faixa - motorista sonolento!?).

Detecção de veículos na contramão (perigo).

Leitura (reconhecimento), interpretação e alertas automáticos (“inteligentes”) relacionados com sinalização da estrada.

Detecção de aproximação muita rápida contra carro seguinte.

Veículos “inteligentes”

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OBRIGADOFim

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OBRIGADOFim

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INFORMAÇÕES PESSOAISFernando Passold




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Fernando Passold

• Eng. Elétrica, UFSC, 1989.

• Msc.Eng. UFSC/Eng. Elétrica/Biomédica, 1995

• Dr. Eng. UFSC/Eng. Elétrica/Dept. Automação de Sistemas (DAS), 2004

• Prof. Titular I, Universidade de Passo Fundo (desde 1995).

• Prof. Colaborador, Eng. Eletrônica (08/2008 – 02/2010) na Universidade Católica de Valparaíso (Chile).

Interesses atuais:• Robótica Móvel;• Colônia de Robôs;• Sensoriamento Remoto;• Aprendizagem por máquinas.


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• Palavras-‐chave: – Inteligência Computacional; Redes Neurais Ar=ficiais;

Robôs Manipuladores; Controle de posição; Controle de força.

• Áreas de Aplicação: – Engenharia Elétrica : Eletrônica Industrial, Sistemas e

Controles Eletrônicos, Controle de Processos Eletrônicos, Retroalimentação.

– Engenharia Mecânica: Processos de Fabricação, Robo=zação. Indústria Metal-‐Mecânica; de Controle de Qualidade e Produ=vidade; Fabricação de Equipamentos de Instrumentação Médico-‐Hospitalares, Instrumentos de Precisão e Óp=cos, Equipamentos Para Automação Industrial,

Doutorado: Controle Neural de Posição e Força em Manipuladores RobóBcos (2004).


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Redes Neurais ArBficiais:

• Aplicações:– Reconhecimento de padrões (caracteres, etc),– Capacidade de Aprendizado (supervisionado ou não).– Algoritmos de treinamento off-‐line (sistemas de reconhecimento e diagnós=co) ou on-‐line (área de controle)




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• Palavras-‐chave: Inteligência Computacional; Redes Neurais Ar=ficiais; Robôs Manipuladores; Controle de posição; Controle de força.

• Áreas de Aplicação: – Engenharias / Área: Engenharia Elétrica / Subárea:

Eletrônica Industrial, Sistemas e Controles Eletrônicos / Especialidade: Controle de Processos Eletrônicos, Retroalimentação.

– Engenharias / Área: Engenharia Mecânica / Subárea: Processos de Fabricação / Especialidade:Robo=zação. Setores de a=vidade: Indústria Metal-‐Mecânica; Qualidade e Produ=vidade; Fabricação de Equipamentos de Instrumentação Médico-‐Hospitalares, Instrumentos de Precisão e Óp=cos, Equipamentos Para Automação Industrial,


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Papel da RN:Compensação dinâmica on-‐line:

Baixo ruído:Aumento da precisão.


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Fig.: Feedforward Error-‐Learning Controller


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Fig.: Relação Custo x Bene�cio.


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• Experiência Prá=ca com: – Sistema Operacional de Tempo-‐Real;– Programação concorrente e em tempo-‐real (ro=nas de controle, adapta=vas e de segurança)

– Programação orientada a objetos (definição dos próprios objetos).




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Mestrado: Sistema Especialista Hibrido em Anestesiologia para Pacientes CríBcos (1995)

• Sistema inteligente de apoio a tomada de decisão.

• Sistema híbrido: regras + redes neurais arBficiais.

• Uso de sistema especialista baseado em regras (forward chaining)+Redes Neurais (MLP-‐BP, aprendizado off-‐line, roBnas de diferentes anestesiologistas, pacientes críBcos)=

• Indicação de um plano anestesiológico mostrando melhores opções de drogas


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Disciplinas Ministradas – UPF (Eng. Elétrica)• Introdução à Engenharia Elétrica: introduzi em 2006 o uso de

kits LEGO hkp://usuarios.upf.br/~fpassold/LEGO/)• Circuitos Digitais (I e II): Eletrônica Digital, em (II) é exigido

um Projeto Final da Disciplina que corresponde a 30% da média semestral.

• Laboratórios de Circuitos Digitais (I e II): experimentos práBcos de Circuitos Digitais I e II (pasBlhas TTL);

• InformáBca Aplicada Para Engenharia Elétrica (I e II): linguagem ANSI-‐C

• Laboratório de Controle AutomáBco II (linha de Mecatrônica): experimentos práBcos relacionados com algoritmos de controle por computador; PID , experiências praBcas com processo de "Bola-‐&-‐Tubo”

• Programação Mecatrônica: uso de MATLAB para introduzir lógica de programação (anBgo curso seqüencial de Mecatrônica da UPF)

• Orientação de Projetos De Graduação (TCCs: Trabalhos de Conclusão de Curso).




http://usuarios.upf.br/~fpassold/LEGO/


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Disciplinas Lecionadas

• Circuitos Digitais (I e II, UPF, PUCV)• Controle AutomáBco (PUCV)• Lab. Controle AutomáBco II (“Digital”) (UPF)• Linguagens de Programação (Pascal, C, MATLAB)• RobóBca Móvel


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Orientação de TCCs – UPF (Eng. Elétrica)• Orientação de Projetos De Graduação (TCCs: Trabalhos de

Conclusão de Curso):– Processo da Bola & Tubo (kit autônomo, firmware atualizável,

comunicação e bypass via porta serial PC);– Controle de robô bípede usando MATLAB/Simulink (11 d.o.f..,

controle via MATLAB + porta paralela PC);– Sistema microprocessado carregador/ciclador de baterias

especiais (capaz de recarregar 5 diferentes Bpos de bateria: NiCd, NiMH, SLA, Li-‐Ion e Li-‐Po e determinar vida úBl real da bateria);

– Computador de Bordo Automo8vo (DSPic 18F6585 + barramento CAN + interface gráfica LCD de 128 x 64 pixels)

– Controlador Automá8co para Barras de Pulverização Agrícola (sobe/baixa barra, controle manual/auto, ajuste da altura).

Obs.: TCCs duram 1 semestre na UPF




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Disciplinas Ministradas – PUCV (Eng. Eletrônica)• Sistemas Digitais: Eletrônica Digital Combinacional e Seqüencial num único semestre;

• Robó8ca Industrial: 2 encontros semanais + 1 taller práBco quase semanal usando 5 kits Lego NXT. 1ª Parte: Robôs Manipuladores, 2ª Parte: Robôs Móveis. (optaBva).

• Controle Automá8co: conceitos básicos da área de controle “analógico” tradicional, farto uso de MATLAB. Provas no Lab. De Info. Usando MATLAB (inovador).

• Orientação de Projetos de Conclusão de Curso (TCCs).




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TCCs/PUCV (Eng. Civil Eletrônica, 6 anos)• Projeto e Desenvolvimento de um sistema embarcado de

visão arBficial para contagem e discriminação de objetos em movimento (Diseño Y Desarrollo De Un Sistema Embebido De Visión Ar=ficial Para La Cuenta Y Discriminación De Objetos En Movimiento): contagem de salmões numa correia transportadora em movimento. Uso de sensor de imagem CCD. Baixo custo (componentes: Chile: US$ 390,00). Envolveu convenio com empresa empreendedora.

• SLAM Aplicado (a RobóBca Móvel): estudo de algoritmos para Localização e Mapeado Simultâneos (uso em robóBca móvel, filtros de par`culas).

• Desenvolvimento de uma Plataforma móvel para fins acadêmicos (Desarrollo de una Plataforma Robó=ca Móvil para fines académicos). Conta com cinturão de sensores de distancia (infravermelho e ultrassom), servomotores de velocidade, placa Arduino ATMega128, netbook com HD de estado sólido executando Microso� RoboBcs Studio (simulador de robôs da Microso�). Custo material, Chile: US$ 1,725.00




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ABvidades Docentes: Organização de CompeBções

• Fes8val das Baratas, UPF, em 2004 (hkp://usuarios.upf.br/~fpassold/baratas/);


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ABvidades Docentes: Organização de CompeBções

• Desafio LEGo-‐SUMo UPF'2006 (hkp://usuarios.upf.br/~fpassold/lego sumo/);


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ABvidades Docentes: Grupo RobóBca Móvel

• Orientação do Grupo interno de RobóBca Móvel (2004 ~ 2007):–1º Lugar Robô-‐Sumo da UFRGS em 2005 (3 Kg);


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ABvidades Docentes: Grupo RobóBca Móvel

• Orientação do Grupo interno de RobóBca Móvel (2004 ~ 2007):–2º lugar Robô-‐Sumo II da UFRGS em 2006;

• 2 x dsPIC30f6014 (18F30)• Sensor CCD (imagem)• Bateria Li-‐Po

“Scanner laser”




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• 2 x dsPIC30f6014 (18F30)• Sensor CCD (imagem)• Bateria Li-‐Po

“Scanner laser”

• Orientação do Grupo interno de RobóBca Móvel (2004 ~ 2007):– 1º lugar Robô-‐Sumo III da UFRGS em 2007.




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Fim




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