13 Clasificación de robots (i) Robots manipuladores Robot Institute of America: un robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variados, programados para la ejecución de distintas tareas. Funcionamiento repetitivo. Precisos, rápidos y de alta repetibilidad, con percepción limitada. Morfología Sistema mecánico: articulaciones. Actuadores: motores. Sensores: comunicación, percepción (visión, etc.). Sistema de control: servocontrol, generación de trayectorias, planificación.
14 Clasificación de robots (ii) Robots móviles y de servicios Incremento de autonomía: Sistema de navegación automática (planificación percepción y control) Generalmente son robots autónomos (perciben, modelan el entorno, planifican y actúan con mínima ó nula intervención humana). Telerrobots Teleoperados. El hombre realiza su percepción, planificación y manipulación.
15 Morfología del Robot Manipulador
16 Índice: Morfología del Robot Manipulador Estructura mecánica de un robot Elementos y enlaces. Grados de libertad Tipos de articulaciones Configuraciones básicas Elementos finales Volumen de trabajo Transmisiones y reductoras Actuadores: Eléctricos Hidráulicos Neumáticos Modelos físicos
17 Estructura mecánica de un robot (i) Un robot manipulador está típicamente formado por una serie de elementos (segmentos, eslabones o links) unidos mediante articulaciones (joints) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Este movimiento es producido por los actuadores. El último elemento se denomina“elemento terminal” (pinza, herramienta…) El movimiento de la articulación puede ser: De desplazamiento De giro Combinación de ambos Grado De Libertad (GDL) “Degree Of Freedom” (DOF): Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. El número de GDL del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Los grados de libertad equivalen al número de parámetros independientes que fijan la situación del elemento terminal. Variables de estado: Parámetros que definen la configuración (posición, orientación, etc) del elemento terminal
18 Estructura mecánica de un robot (ii) Tipos de articulaciones:
19 Estructura mecánica de un robot (iii) Empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, implica: Diferentes configuraciones Tener en cuenta las característica específicas del robot a la hora del diseño y construcción del mismo, y del diseño de las aplicaciones.
20 Estructura mecánica de un robot (iv) Elementos terminales Son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas. Normalmente son diseñados específicamente para cada tipo de trabajo. Volumen de trabajo Volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot. Volumen determinado por: el tamaño, forma y tipo de los segmentos que integran el robot. Las limitaciones de movimiento impuestas por el sistema de control Nunca deberá utilizarse el elemento terminal para la obtención del espacio de trabajo. Las razones son: El elemento terminal es un añadido al robot Si variase se tendría que calcular de nuevo el espacio de trabajo
21 Transmisiones y reductoras: Transmisiones: elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Reductoras o engranajes: elementos encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot. Generalmente se reduce la velocidad del actuador (de ahí el nombre).
22 Actuadores Los actuadores generan el movimiento de los elementos del robot La mayoría de los actuadores simples controlan únicamente 1 GDL (izq-der, arriba-abajo) Un cuerpo libre en el espacio en general se representa mediante 6 variables de estado: 3 de traslación (x,y,z) 3 de orientación (P.ej. Los ángulos de Euler). No siempre Nº GDL = Nº Variables estado. Para la representación de la posición de un automóvil se usan 3 variables de estado: 2 de traslación (x,y) y 1 de orientación. Sin embargo, sólo tiene 2 GDL: acelerador (adelante y atrás) y dirección (volante). Luego hay movimientos imposibles (movimiento lateral). Aunque maniobrando pueda adquirir cualquier configuración.
23 Holonomía y redundancia Cuando el número de GDL es igual al número de variables de estado, el robot es holónomo. Si el número es menor, el robot es no-holónomo (ej. Coche). Si el número es mayor es redundante. Ejemplo, un brazo humano Tiene 7 GDL: 3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca (no contamos los dedos) Un objeto en el espacio sólo tiene 6 variables de estado. Eso hace que haya varias formas de colocar la mano de la misma forma. Aunque la redundancia dé más “riqueza” al movimiento, complica la manipulación. Actualmente resolver la redundancia está en plena investigación. Un robot no-holónomo posee ligaduras, que típicamente se deben a un contacto de un elemento con el mundo. Normalmente un robot móvil tiene ligaduras: la condición de rodadura ideal de las ruedas en contacto con el suelo (no pueden patinar). Ciertos robots móviles son omnidireccionales: en la práctica son holónomos.
24 Actuadores eléctricos (i) Interacción entre dos campos magnéticos (uno de ellos al menos, generado eléctricamente) provoca movimiento. Los motores de corriente continua (DC) son los más utilizados en la actualidad debido a su facilidad de control, mayor potencia/peso, rendimiento, precio, etc. Controlados por inducido (usado en robótica) Controlados por excitación La velocidad de giro es (en iguales condiciones de carga) proporcional al voltaje. Eficientes para girar con poco par y gran velocidad: añadiendo una reductora se consigue más par aunque menos velocidad.
25 Actuadores eléctricos (ii): (Gp:) Inductor (Gp:) Inducido (Gp:) ea (Gp:) eb (Gp:) i (Gp:) if (Gp:) L (Gp:) R (Gp:) B (Gp:) J (Gp:)
26 Actuadores eléctricos (iii) Motores paso-a-paso Normalmente, no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales. Pares muy pequeños. Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos. Existen 3 tipos de motores paso-a-paso De imanes permanentes. De reluctancia variable. Híbridos. Ventajas Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. El control se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación. Pueden girar de forma continua, con velocidad variable. Motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar. Desventajas Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por los pasos). Existe el riesgo de pérdida de alguna posición por trabajar en bucle abierto Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas Presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.
27 Actuadores eléctricos (iv)
28 Actuadores hidráulicos (i) Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa hidráulica de Pascal. Fluido que circula por tuberías a presión. Útil para levantar grandes cargas. Se controlan con servoválvulas que controlan el flujo que circula. Servoválvula: Motor eléctrico de baja velocidad y alto torque. El flujo mueve un pistón (lineal). El movimiento lineal puede pasarse a rotacional con una biela. Problemas: Complejos, peligrosos (inflamables), difícil mantenimiento (fugas).
29 Actuadores hidráulicos (ii)
30 Actuadores neumáticos (i) Fluido compresible: generalmente aire. Suelen mover pistones lineales. Se controlan con válvulas neumáticas. Son muy seguros y robustos. Poca exactitud en la posición final: típicamente para todo/nada. Pinza de sólo dos posiciones: abierta/cerrada. Difíciles de controlar: Aire es demasiado compresible. Presión del compresor inexacta.
31 Actuadores neumáticos (ii)
32 Tabla resumen
33 Modelo eléctrico: motor DC Esquema de funcionamiento de un motor DC controlado por inducido: La intensidad del inductor es constante. Tensión del inducido utilizada para controlar la velocidad En los controlados por excitación se actúa al contrario (Gp:) Inductor (Gp:) Inducido (Gp:) ea (Gp:) eb (Gp:) i (Gp:) if (Gp:) L (Gp:) R (Gp:) B (Gp:) J (Gp:)
34 Control de motores DC A más intensidad más par. Típicamente: T = Kp * I Sistemas digitales lo modulan con PWM (Modulación de la anchura del pulso, “Pulse Width Modulation”): Voltaje proporcional a la componente de continua (el motor actúa de filtro paso de baja; sólo “ve” la continua) y ésta proporcional al “duty cycle” porcentaje de actividad Periodo no importa: se escoge una frecuencia alta para evitar sonidos audibles.
(Gp:) media (Gp:) media
35 Modelo dinámico de un motor DC controlado por inducido Para el control del motor se incluyen las etapas de potencia y control, utilizándose realimentación de intensidad y velocidad.
36 Modelo físico: motor DC (iii) Inercia y rozamiento viscoso equivalentes vistos a la salida del eje del rotor Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace).
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