Arquitectura de robots Resumen control de robots manipuladores
Resumen control de robots manipuladores
Capitulo I Robótica La aplicación de la robótica se ha vuelto más común atreves de la historia. Ya que, hoy en día nos es muy familiar el encontrarnos con robots en la industria, hospitales, universidades, centros de investigación, etc. De hecho, muchos de estos robots cumplen ahora con muchas específicas, las cuales realizaban con anterioridad otros mecanismos o personas. Es común el encontrarse con procesos automatizados donde los robots ejerzan tareas de una manera autónoma. Existen múltiples ventajas a favor de los robots, algunas de ellas son:
Trabajar en turnos de mayor tiempo Mayor precisión Mayor eficiencia Reducción de costos por entrenamiento Constancia en la calidad
Esos son algunas de las ventajas, pero los robots están limitados en realizar con éxito en unas pocas tareas en específico. Ya que si, se requiere cambiar de operación será necesario de tomar muchos aspectos en cuenta. Lo importante a recalcar es que, para una tarea en específica, estos son muy eficientes. Además, con las nuevas tecnologías es posible agregarles experiencia para poder realizar su trabajo de una mejor manera, proporcionando siempre la mejor respuesta sensata. La robótica es una disciplina científica que aborda la investigación y desarrollo de una clase particular de sistemas mecánicos, denominados robots manipuladores, diseñados para realizar una amplia variedad de aplicaciones industriales, científicas, domesticas y comerciales. La robótica abarca demasiadas ramas de la ciencia tales como matemáticas, física, electrónica, computación, visión e inteligencia artificial, entre otras. La mecatrónica es la integración de los sistemas mecánicos con la electrónica, por tanto el tipo de sistemas mecánicos que estudia y analiza la mecatrónica es mucho más general, de hecho son sistemas que realizan una determinada función mientras que los robots se caracterizan por ser sistemas mecánicos multifuncionales.
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Arquitectura de robots La palabra robot fue introducida a nuestro vocabulario gracias al novelista
de Bohemia, Karel Čapek; en su novela satírica Rossum’s Universal Robots en 1921. En dicha novela se describe a los robots como maquinas que sustituyen a los humanos en sus tareas, donde estos trabajan sin descanso y posteriormente en la misma novela los robots se revelan y aniquilan a sus creadores, los humanos. El termino robot proviene de la palabra checa
“robota” que significa trabajo. El Robot Institute of America (RIA) describe un robot como un manipulador multifuncional reprogramable diseñado para mover materiales, partes, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados para la ejecución de una variedad de tareas.
Tipos de robots Los robots se pueden dividir según a sus estructuras geométricas y mecánicas que definen su funcionalidad y aplicación. Sin embargo, de una manera general podemos clasificarlos como:
Móviles Humanoides Industriales
Los robots móviles se clasifican según a la forma por la cual se desplazan, estos pueden ser por diferentes medios tales como terrestre, marino o aéreo. Estos tienen aplicaciones en rastreo, traslado de instrumentos, limpieza. Los robots humanoides, también conocidos como androides, los cuales son maquinas antropomórficas capaces de imitar las funciones básicas del ser humano tales como caminar, hablar, ver, recolectar, limpiar y trasladar objetos. Este tipo de robots aun están en una etapa de evolución, ya que el objetivo de este tipo es asemejarse al ser humano y realizar las tareas que este realiza, de una manera multifuncional lo cual, los androides actuales aun están muy alejados de la idea principal. Los robots industriales son el tipo de robot más popular, debido a la importancia que ocupan en el sector industrial como herramientas clave para la modernización de las empresas. Un robot industrial esta definido oficialmente por la ISO (Internacional Organization for Standardization ) como un manipulador multipropósitos, reprogramable y controlado automáticamente en tres o mas ejes.
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Control de robots manipuladores Es necesario tener un buen control de los robots para no saturar los actuadores del mismo, y tener así de esa manera un mejor desempeño del mismo. Pero para ello es necesario tener una buena investigación y desarrollo sobre los modelos dinámicos, y matemáticos. Existen diversos métodos para modelar sistemas robóticos, los cuales son desarrollados por universidades, centros científicos, etc. En estos modelos se desea como parámetro primordial la posición de cada eslabón del robot o de algún punto en específico de alguna extremidad del robot. Para que los objetivos de control se cumplan es necesario analizar y estudiar los fenómenos dinámicos que intervienen en el sistema mecánico del robot manipulador, por otro lado la estructura teórica que explica la física del robot es el modelo dinámico y esta formado por una ecuación diferencial no lineal que se obtiene de las leyes de la física usando las ecuaciones de movimiento de Eluler-Lagrange. También se pueden usar sensores externos para realizar control de fuerza, control de impedancia y control mediante información visual.
Tecnología de robots La tecnología empleada y la construcción de las articulaciones y eslabones son una forma de clasificar a los robots manipuladores. Los robots tradicionales son aquellos que están fabricados con engranes y reductores. Estos, emplean los engranes y reductores para aumentar los pares y reducir la velocidad de los motores. La principal desventaja de estos, es que generan mucha fricción proporcionando un desgaste significativo. Los robots de transmisión directa son aquellos que son construidos con servo motores, estos funcionan como una fuente ideal para el par y elimina las perdidas considerables de energías que ocurren con los sistemas de engranajes.
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Capitulo II Servomotores y sensores Los servomotores y sensores son dispositivos fundamentales para el diseño y la construcción de robots. Los servomotores son los actuadores eléctricos o las salidas del sistema a controlar, esto quiere decir, son quienes ejecutan las acciones, movimientos, transmitir energía, etc. En robótica, los actuadores eléctricos son quienes proporcionan el movimiento articular de los brazos manipuladores. El robótica es de suma importancia el incluir sensores en los diseños y construcción de robots, esto para realizar un mejor control automático y por lo tanto optimizar los procesos. Los robots pueden incluir sensores internos o externos. Los sensores internos, también conocidos como encoders, proporcionan información sobre la posición, velocidad aceleración de movimiento. Junto con las variables que nos proporcionan los sensores internos y el modelo dinámico es posible analizar y entender la física del movimiento del robot. Con este análisis y al evaluar experimentalmente los algoritmos de control se puede determinar su robustez y desempeño. Los sensores utilizados en robótica pueden ser analógicos o digitales. Los sensores analógicos proporcionan una señal de voltaje continuo, mientras que los sensores digitales proporcionan una señal discreta. De cualquier manera la señal tiene que ser adecuada para poder ser procesada por el sistema de control, y tienes que ser convertida a una señal digital. La función de un sensor es la de medir alguna propiedad física externa o interna de un sistema, convirtiendo el tipo de energía del fenómeno en una señal eléctrica. A estos tipos de sensores, los que incluyen el sistema electrónico para convertir un tipo de energía, se les conoce como transductores. Un transductor dispositivo que convierte un tipo de energía a otro tipo de energía medible. Hoy en día a la mayoría de los sensores se les conoce como transductores, debido al tipo de tecnología que incluyen los mismos.
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Servomotores Un servomotor esta compuesto principalmente por tres elementos: 1. Motor eléctrico 2. Sensor de posición para medir el desplazamiento articular 3. Amplificador electrónico Un motor eléctrico es una maquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica. El movimiento generado por un motor eléctrico obedece a la fuerza de Lorentz la cual establece que cuando se coloca un conductor que transporta corriente en un campo magnético, se genera una fuerza ortogonal (perpendicular) al flujo de corriente. Al proceso de alternar o conmutar el sentido de la polaridad en la bobina se denomina proceso de conmutación, y este es el fundamento básico de los motores eléctricos. Los componentes principales de los motores eléctricos son: 1. Armadura 2. Conmutador 3. Rotor 4. Estator La armadura consta de una o mas bobinas montadas sobre una flecha central (rotor); la corriente es conmutada a través de esas bobinas por medio de un conmutador. El conmutador consta de dos platos divididos en la flecha o rotor, lo que proporciona potencia a la armadura de las bobinas, además de que están conectados a la fuente de alimentación por medio de escobillas. El estator es el casco del motor o carcasa; el estator es un magneto permanente que rodea a la flecha ya la armadura. El estator se encuentra fabricado con componentes ferromagnéticos que proveen el flujo del campo magnético. Este componente permanece estático. Los motores eléctricos forman parte de una clase especial de transductores que convierten un tipo de energía, en este caso eléctrica, a otro tipo de energía, en este caso mecánica. Este concepto esta relacionado con la forma de medir el rendimiento y eficiencia del motor , la cual se define como la relación entre energía mecánica y la energía eléctrica .
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Arquitectura de robots Lo ideal es que los motores tengan un 100% de eficiencia, pero en la práctica esto no sucede, debido a la energía disipada y perdida en forma de calor por la fricción. Por lo general los motores eléctricos producen velocidades rotacionales elevadas y un torque muy bajo. Pero existen dispositivos mecánicos que solucionan ambos problemas, es decir, disminuyen las velocidades aumentando el torque; estos sistemas seles conocen como sistemas de engranajes. El diseño de robots está estrechamente relacionado con un adecuado conocimiento de engranes. Algunas de las desventajas de incorporar un sistema de engranaje a nuestros diseños son los siguientes:
Acomplejan el diseño mecánico del robot Producen juego mecánico o cascabeleo Incrementan la fricción
Los servomotores tienen tres modos de operación: 1. Posición 2. Velocidad 3. Par El modo posición permite mover al motor a una posición prestablecida, también conocida como setpoint . Este modo no puede desplazar cargas o aplicar una fuerza determinada, en este modo se emplean reguladores simples como el proporcional derivativo y proporcional integral derivativo. El modo velocidad controla el movimiento del motor sobre una velocidad deseada. Tampoco puede ejercer fuerza como en el caso de modo de posición. Estos no permiten programar otro tipo de controladores, por lo que sus aplicaciones en robótica se encuentran limitadas, a esta característica se le conoce como arquitectura cerrada. El modo par se caracteriza principalmente porque es de arquitectura abierta, es decir, que este permite programar otro tipo de controladores, permitiendo que sus aplicaciones en robótica sean mayores. También permite la integración dinámica con el sistema mecánico del robot, por lo que es posible compensar los efectos dinámicos del robot y en consecuencia controlar la posición o desplazamiento articular. El modo par también permite el control de la trayectoria y aplicaciones mas complicadas como el control de impedancia, visual-servoing, teleoperación y control de fuerza. 6
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Las ecuaciones de Maxwell permiten deducir una ley fundamental para servomotores que determina la relación entre el campo electromagnético y el par aplicado. Esta ecuación es la función principal que realiza un servo amplificador:
En donde representa el par aplicado al servomotor y sus unidades de medición son Nm (Newton-metro), k es una constante que representa la ganancia del amplificador electrónico y tiene unidades de Nm/V (Newton- metro/volt) y la variable v es el voltaje que proviene de la computadora y representa el comando o ley de control que programa el usuario para que el robot lleve a cabo una aplicación especif ica. El amplificador del servomotor es un sofisticado sistema electrónico cuyo objetivo principal es llevar acabo la función antes descrita. Posee un complejo sistema electrónico para controlar campos electromagnéticos y procesar comandos secuenciales para la etapa de potencia que se encarga de proporcionar la señal trifásica de alimentación directamente de la fuente de alimentación de corriente directa. EL motor se alimenta de un voltaje trifásico con un valor de voltaje adecuado al mismo, la onda senoidal es emulada por el amplificador. Cuando a un servomotor se le acondiciona mecánicamente una barra de metal para formar un péndulo o eslabón, al sistema que resulta de dicha unión se le denomina como servo mecanismo.
Servomotores de transmisión directa La transmisión directa representa la nueva tecnología de la robótica, consiste en que el rotor del motor funciona como una fuente par. Estas son algunas de sus características:
Arquitectura abierta Funcionan como fuente par No hay perdidas en la transmisión de energía Reducción del fenómeno de fricción y juego mecánico No es necesario acoplamiento de engranes Proporciona alto par 7
Arquitectura de robots
No requiere calibración Modelado y programación sencilla Maquinado y construcción simple Transmisión directa de energía, sin perdidas Alta resolución del sensor de posición.
Sensores En robótica los sensores de posición mas utilizados son los potenciómetros, tacómetros, resolvers y encoders. Los potenciómetros son dispositivos eléctricos que se emplean como divisores de voltaje para medir la posición o desplazamiento articular de los servomotores. La respuesta de salida representa la posición absoluta del rotor y son calibrados con base en el número de vueltas que puedan realizar. Los tacómetros son dispositivos acoplados mecánicamente al servomotor y proporcionan un voltaje proporcional a la velocidad de giro del rotor. Funcionan con un magneto en la flecha del motor y este induce una corriente al pasar sobre una bobina y esta induce corriente proporcional a la velocidad angular. Un resolver es un dispositivo sensor que mide el desplazamiento articular integrado dentro de los servomotores. El resolver esta integrado mecánicamente a la flecha o rotor del servomotor y proporciona como señal de salida un voltaje analógico proporcional a la posición de desplazamiento articular.
Encoders Los sensores digitales de posición que emplean los robots son encoders construidos con tecnología optoelectrónica y se les denominan encoders ópticos los cuales a su vez se clasifican en incrementales y absolutos. Un encoder óptico consta básicamente de una fuente de luz conformada por un arreglo de diodos LEDs que se encuentran enfrente de un disco giratorio con ranuras. En la parte posterior de este disco se coloca una tarjeta con rendijas que hacen la función de guía de luz. La posición de las rendijas sirve como código de la luz para ser detectada por elementos fotosensibles. El disco giratorio esta acoplado en el rotor del servomotor para que gire de la misma forma y por lo tanto el encoder óptico produce como señal de salida un tren de pulsos proporcional al ángulo de giro del rotor.
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Resumen control de robots manipuladores La salida del encoder incremental son pulsos que son proporcionales al ángulo de rotación. Por cada fracción de desplazamiento rotacional en la flecha del servomotor, el encoder incremental cambia su salida de bajo hacia alto o viceversa. La posición medida por el encoder es relativa a la ultima posición o posición anterior. El encoder absoluto, como su nombre lo indica, detecta la posición absoluta de desplazamiento del servomotor.
Capitulo IV Cinemática de robots manipuladores «El modelo cinemático directo en cadena abierta de robots manipuladores, es un procedimiento sistemático que se obtiene por una representación mínima de cuatro parámetros dentro de una transformación homogénea.» Deavit-Hartenberg El estudio de la cinemática directa de robots manipuladores industriales proporciona elementos para analizar y diseñar el desplazamiento de trayectorias del robot, así como la orientación de la herramienta de trabajo. Dependiendo del tipo de articulaciones que se encuentran incluidas en la estructura mecánica del robot, ya sean lineales o rotacionales, se presenta una clasificación general de robots manipuladores industriales, también conocidos como brazos robots: antropomórficos, esférico, cilíndrico, SCARA y cartesiano. Para conocer el posicionamiento tridimensional del robot en el espacio se requieren de 6 coordenadas, 3 coordenadas para su posición cartesiana y 3 coordenadas para la orientación de la herramienta de trabajo. A la relación entre las coordenadas articulares con las coordenadas cartesianas y su orientación se denomina cinemática directa.
Morfología del robot La morfología del robot se refiere a la descripción de las partes que componen la estructura mecánica del robot. Un robot manipulador es un sistema complejo de propósito general que en la practica puede realizar una amplia gama de aplicaciones como traslado de objetos, pintado de carrocerías automotrices, soldadura por arco, empaquetado de piezas, ensamblaje, operaciones quirúrgicas, tele operación, investigación
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Arquitectura de robots aeroespacial, asistencia fisioterapia, etc.
a
personas
con
capacidades
diferentes,
Un robot manipulador esta compuesto por una serie consecutiva de eslabones y articulaciones para formar una cadena cinemática abierta. Cada articulación representa la interconexión entre dos eslabones consecutivos. Las articulaciones pueden producir movimientos rotacionales o movimiento lineal de translación. A las articulaciones que producen movimiento giratorio o rotacional se les denomina articulaciones rotacionales y a las que producen movimiento lineal se les denomina articulaciones prismáticas o lineales. Un eslabón esta formado por una barra metálica acoplada mecánicamente al rotor y al estator de la siguiente articulación. El espacio de trabajo de un robot manipulador es el espacio o lugar donde el robot puede realizar todos sus posibles movimientos. El espacio de trabajo esta determinado por la geometría del robot y la naturaleza de sus articulaciones. El extremo final es la parte terminal de último eslabón, destinado a colocar la herramienta de trabajo adecuada para una aplicación específica.
Transformaciones homogéneas La representación de posicionamiento para robots manipuladores involucra sistemas coordenados cartesianos que especifican posición y orientación del extremo final del robot. La transformación homogénea es una herramienta matemática que involucra operaciones de rotación y traslación dentro de una matriz que estructura el modelo de cinemática directa. Las matrices de orientación permiten modelar la orientación de la herramienta de trabajo colocada en el extremo final del robot, y junto con las transformaciones homogéneas dentro de una sola matriz incluye la orientación y posición de la herramienta de trabajo, formando la estructura del modelo cinemático directo.
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Cinemática La cinemática es la parte de la física que estudia el movimiento de un sistema mecánico, sin tomar en cuenta las fuerzas que lo producen. Por lo tanto, cinemática directa de robots manipuladores es el estudio del movimiento del robot relacionando las coordenadas cartesianas en función de las coordenadas articulares o generalizadas. La estructura matemática de la cinemática es generalmente no lineal en las variables de estado de posición, compuesta por funciones trigonométricas y parámetros del robot como lo son sus longitudes.
Tipos de robots industriales Los robots industriales se clasifican se según su morfología y a continuación se presenta una tabla de su clasificación: Robot Antropomórfico (RRR) SCARA (RRP) Esférico (RRP) Cilíndrico (RPP) Cartesiano (PPP)
Características 3 articulaciones 2 articulaciones 2 articulaciones 1 articulaciones 3 articulaciones
rotacionales rotacionales y 1 prismática rotacionales y 1 prismática rotacionales y 2 prismática prismática
El robot más simple de la configuración antropomórfica es el péndulo robot, formado por un servomotor el cual tiene acoplado mecánicamente una barra metálica y se encuentra sometido al fenómeno de gravedad.
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