Robótica: Introdução e Aplicações

Robótica:
Introdução
e Aplicações

Felipe Nascimento Martins

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


Contato:

Twitter: @f_n_martins
http://www.facebook.com/felipenm
felipe.n.martins@gmail.com


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 manipulador
reprogramável, 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


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


História
• O primeiro robô manipulador industrial foi
projetado por George Devol em 1954.
• Em 1956, Devol e Joseph Engelberger
fundaram 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


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; e
Três no pulso.

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


Graus de Liberdade
• Um robô manipulador
com mais de 6 DOF é
chamado 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 SR800
SCARA: 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


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”?


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!
• É definido como um veículo capaz de
movimentação autônoma, equipado com
atuadores controlados por um computador
embarcado.


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

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


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 (até
2012).

Sensores
Acelerômetro
Acelerômetro
Câmera
Câmera

LASER
LASER

GPS
GPS

Ultrassom
Ultrassom

Encoder
Encoder

Bússola
Bússola

Atuadores
Motores!


Manipulador Móvel

• 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.


Exemplos de Robôs Móveis

Desenvolvimento iniciado
pela Honda em 1986.

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

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.

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 2º
lugar 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??

Justin – German Aerospace Center (DLR)


Obrigado!

Twitter: @f_n_martins
http://www.facebook.com/felipenm
felipe.n.martins@gmail.com

Referências
BEKEY, G.; YUH, J. The Status of Robotics. Report on the
WTEC International Study: Part II. IEEE Robotics and
Automation 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. Robot
Dynamics 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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