Robots Humanoides: La Evolución ROBOT’2007: Workshop Español de Robótica Congreso Español de Informática (CEDI)

Carlos Balaguer RoboticsLab Universidad Carlos III de Madrid http://roboticslab.uc3m.es

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Sueños Robóticos

Metropolis, 1926 Hombre Bicentenario, 1999

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Evolución Robótica (I)

Robot con patas

1961-2007

Robot móvil Manipuladores ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Manipulador móvil

Universidad Carlos III de Madrid

Evolución Robótica (II) • Robots industriales • Tecnología madura y robusta • 1M población mundial de robots • 125K nuevos robots instalados 2005 • Necesidad de nuevas aplicaciones • Nuevos mercados de servicios • Necesidad de nuevas locomociones • Rueda: robustez, sistemas comerciales • Patas: varios prototipos con 4↑ patas ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

¿Por que Humanoides? • El cuerpo humano es fruto de la evolución de la naturaleza → Supervivencia durante millones de años, gran adaptabilidad a nuestro entorno y a nuestra forma de vida en la tierra • Todo nuestro entorno y todas nuestras herramientas están adaptados al cuerpo humano → Si hacemos robots humanoides (universales) no es necesario hacer cambios en nuestro entorno, en las máquinas, las herramientas, etc. ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

¿Aceptaríamos a Humanoides? • Son muy parecidos a nosotros → Mayor aceptabilidad social (si no son de grandes dimensiones y muy “metálicos”) • ¿Qué aceptaríamos mejor, a un androide ó a C-3PO? → vs

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

“Uncanny Valley” Podemos apreciar la respuesta emocional de un sujeto humano ante el antropoformismo de un robot (M. Mori, 2005). El Valle Inexplicable (Uncanny Valley) es la región de respuesta emocional negativa para un robot que parece "casi humano". El movimiento amplifica esta respuesta emocional. ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Desventajas del bipedismo • Todos los animales (en la actualidad) cuentan con 4 patas → Corren mas rápido que los bipedos, pueden subir/bajar grandes pendientes, las crías aprenden a andar muy rápido • La naturaleza evolucionó hacia el bipedismo pero el hombre tuvo que inventar la rueda → Para grandes desplazamientos es mejor la rueda (que no existe en la naturaleza) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Evolución de la especie humana

Erectus

Pre- sapiens

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Sapiens

Universidad Carlos III de Madrid

Ventajas del bipedismo (I) • El cuerpo humano y su locomoción no son las óptimas → Pero es el sistema más flexible que se adapta a una variedad de tareas (andar, gatear, saltar, agacharse, subir escaleras, nadar, …, excepto volar) • El bipedismo dejo libre las manos para poder hacer fuego y herramientas, evolucionando hacia la inteligencia ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Manos libres para otras tareas

Homínido → Humano

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Ventajas del bipedismo (II) • Somos más lentos en desplazarnos pero podemos andar mucho más lejos → Pudimos desplazarnos largas distancias para cazar y durante los cambios climáticos

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Ventajas del bipedismo (III)

Coste energético de transporte (por unidad de desplazamiento)

• Disminución del consumo energía que permitió la supervivencia en épocas frías

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

3.23

0.80

0.20

Además, mejor relación térmica ASIMO

Chimpancé

Humano

Universidad Carlos III de Madrid

Bípedismo e inteligencia • Es posible desarrollar inteligencia sin el bipedismo? • El concepto de “embodiment” confirma que sin el cuerpo no es posible la conciencia.

Hall 9000

Mono 2001:Space Odyssey

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

1,00 m 27 kg

1,70 m 75 kg

Evolución de humanos y humanoides

1,20 m 52 kg

1,90 m 175 kg

4M años

P1 ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

P2

30 años

P3

Asimo

Universidad Carlos III de Madrid

Evolución de Humanoides (I)

Wabot 1 1973

Wabot 2 1984

Wabian 1997

Wabian 2 2006

Universidad Waseda (J) Humanoid Robotics Institute (HRI) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

“Prehistoria” de los Humanoides

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Evolución de Humanoides (II)

E0, 1986

E5, 1992

P2, 1995

P3, 1997

2000-2004 New ASIMO

Honda (J) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

El Robot Honda-P2 (1995)

Subir escaleras

Andar

Girar ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

El Robot Honda-Asimo (2000-04)

Andar y girar

Bajar escaleras

Subir rampa ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Evolución de Robots de Honda 35

32

30

Número de GDL

30

28

26

25 20 15 10 5

P1

P2

P3

0

Asimo

P1

2500

P2

P3

Asimo

250 210

1820

200

175

1600 1500

1200

1000

Peso (kg)

Altura (mm)

2000

1915

150

130

100 52 50

500

0

0 P1

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

P2

P3

Asimo

P1

P2

P3

Universidad Carlos III de Madrid

Asimo

HRP-2P (2003-04)

Andando

Levantándose

Kawada + AIST (J) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Otros Desarrollos “grandes”

Partner, 2004

H6, 2001

Universidad de Tokio (J)

Toyota (J)

Johnnie, 2001 Univ. Técnica Munich (D)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

El fenómeno QRIO (I)

58 cm 6.5 kg

SDR-4X, Marzo 2002 Sony (J) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

El fenómeno QRIO (II)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Los Humanoides de la UC3M

Leroy, 2001 Rh-0, 2004 ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Rh-1, 2007

Universidad Carlos III de Madrid

Robot Rh-1 de la UC3M (I)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

• Tamaño natural: ~1.500 mm • ~50 kg incluidas baterías • 21 GDL • 6 GDL en cada pierna • 3 GDL en cada brazo • 1 GDL en la cabeza • 2 computadores a bordo • 2 CanBus de comunicación • Sensores a bordo • 2 Fuerza/par en los brazos • 3 inclinómetros • 3 acelerómetros • Conexión wi-fi Universidad Carlos III de Madrid

Cinemática del Rh-1

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Mecatrónica del Rh-1

Más de 1.900 piezas ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Arquitectura Hardware del Rh-1

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

HMI del Rh-1

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Control estable del andar El algoritmo de estabilidad estática es: 1. Control de la reacción del suelo 2. Control del ZMP (Zero Moment Point) 3. Planificación del aterrizaje del pie (pZMP)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Gait Dinámico del Rh-1 (I) • Modelo del robot Rh-1 como péndulo invertido linealizado 3D • División sagital del cuerpo del robot, con restricciones ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Gait Dinámico del Rh-1 (II) • Control utilizando la lógica Lie y el POE (Products of Exponentials) • Control teniendo en cuenta la flexión 3D de la estructura ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Gait Dinámico del Rh-1 (III)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Experimentación del RH-1 (I)

2004 (Static gait) Lp=130 mm, Tp=20 seg (0.02Km/h) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

2006 (Dynamic gait) Lp=180 mm, Tp=1.25 seg (0.52Km/h) Universidad Carlos III de Madrid

Experimentación del RH-1 (II)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Interacción Gesticular del Rh-1 (I)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Cabeza sensorizada del Rh-1

Network Camera

Speaker

Bluetooth Headset CPU Board

Custom Made 6 Microphone Board

ROBOT’2007

PC/104 Data Acquisition Board

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

Interacción Gesticular del Rh-1 (II)

ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Universidad Carlos III de Madrid

La Evolución … 1.5 m 1.2 m

Nariokotome boy 1.64 Maños (1.6 m, 45 Kg) ROBOT’2007

Zaragoza, 14/09/2007

Honda Asimo (26 GDL 1.2 m, 52 kg)

Kawada HRP-2P (30 GDL 1.65 m, 54 kg)

UC3M Rh-cero (21 GDL 1.5 m, 50 kg)

Universidad Carlos III de Madrid