TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICOINSTITUTO TECNOLOGICO DE PUEBLA

Robot Scara

Erick Romero Cuapio

Robtica Avanzada

Dr. Jaime Estvez Carren

Septiembre de 2015Introduccin

La robtica es la rama de la tecnologa que se dedica al diseo, construccin, operacin, disposicin estructural, manufactura y aplicacin de los robots.1 2

La robtica combina diversas disciplinas como son: la mecnica, la electrnica, la informtica, la inteligencia artificial, la ingeniera de control y la fsica.3 Otras reas importantes en robtica son el lgebra, los autmatas programables, la animatrnica y las mquinas de estados.

El trmino robot se populariz con el xito de la obra R.U.R. (Robots Universales Rossum), escrita por Karel apek en 1920. En la traduccin al ingls de dicha obra, la palabra checa robota, que significa trabajos forzados, fue traducida al ingls como robot.

Estructura Mecnica de un Robot.

Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecnica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos terminales.Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologas semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con caractersticas especificas.

Mecnicamente, un robot esta formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitucin fsica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatoma del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan trminos como cuerpo, brazo, codo y mueca.

Sistemas de Robots bsicos.

Los componentes bsicos de un robot son:

La estructura - la estructura mecnica (los eslabones, base, etc). Esto exige mucha masa, para proporcionar la rigidez bastante estructural para asegurar la exactitud mnima bajo las cargas tiles variadas.Actuadores - Los motores, los cilindros, etc., las junturas del robot. Esto tambin podra incluir los mecanismos para una transmisin, etc.,Control a la Computadora - Esta computadora une con el usuario, y a su vez los mandos las junturas del robot.El extremo de Brazo que labora con herramienta (EOAT) - La programacin que proporciona el usuario se disea para las tareas especficas.Ensee la pendiente - Un mtodo popular para programar el robot. Esto es que una mano pequea contiene un dispositivo que puede dirigir movimiento del robot, los puntos de registro en las sucesiones de movimiento, y comienza la repeticin de sucesiones. Las pendientes ms prolongadas incluyen ms funcionalidad.

El movimiento de cada articulacin puede ser de desplazamiento, de giro, o de una combinacin de ambos. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de articulaciones.

Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulacin con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad.

El numero de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grandos de libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como se ha indicado, las articulaciones empleadas son nicamente las de rotacin y prismtica con un solo con grado de libertad cada una, el numero de grados de libertad del robot suele coincidir con el numero de articulaciones de que se compone.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con caractersticas a tener en cuenta tanto en el diseo y construccin del robot como en su aplicacin. Las combinaciones ms frecuentes son con tres articulaciones y que son las ms importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto en el espacio.

Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parmetros, tres para definir la posicin y tres para la orientacin, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con el la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos seis grados de libertad.En la practica, a pesar de ser necesarios los seis grados de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientacin del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con solo cuatro o cinco grados de libertad, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se encomiendan.

Existen tambin casos opuestos, en los que se precisan mas de seis grados de libertad para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. As, si se trabaja en un entorno con obstculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le permitir acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstculos, no hubieran llegado con seis grados de libertad. Otra situacin frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando as el volumen de su espacio al que puede acceder.Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.

Condiciones bsicas

Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales slidos de un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.

El grado de Libertad (el gdl) - Cada juntura en el robot introduce un grado de libertad. Cada gdl pueden ser un deslizador, el tipo rotatorio, u otro de actuador. Los robots tienen 5 o 6 grados de libertad tpicamente. 3 de los grados de libertad permiten el posicionamiento en 3D espacio, mientras el otro se usan 2or 3 para la orientacin del efector del extremo. 6 grados de libertad son bastante para permitir al robot alcanzar todas las posiciones y orientaciones en 3D espacio. 5 gdl requiere una restriccin a 2D espacio, el resto limita las orientaciones. Normalmente se usan 5 gdl por ocuparse de herramientas como los soldadores del arco.

La orientacin Eslabn - Bsicamente, si la herramienta se sostiene a una posicin fija, la orientacin determina qu direccin puede apuntarse. El rollo, diapasn y guiada son los elementos de la orientacin comunes usadas. Mirando la figura de bajo sern obvios que la herramienta puede posicionarse a cualquier orientacin en el espacio.

Los elementos de la posicin - La herramienta, sin tener en cuenta la orientacin, puede moverse a varias posiciones en el espacio. Se satisfacen las varias geometras del robot a las geometras de trabajo diferentes.El Punto de Centro de herramienta (TCP) - El punto de centro de herramienta se localiza en el robot, la herramienta. Tpicamente el TCP se usa al referirse a la posicin de los robots, as como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podra estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en el cartesiano, cilndrico, esfrico, etc., coordenadas que dependen del robot. Cuando se cambian las herramientas que nosotros reprogramaremos a menudo el robot para el TCP.

El espacio de trabajo - El robot tiende a tener una geometra fija, y limitada. El espacio de trabajo es el lmite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano (como una gra arriba) los espacios de trabajo podran ser un cuadrado, para los robots ms sofisticados los espacios podran ser de una forma esferica.

Repetibilidad - El mecanismo del robot tendr alguna variacin natural en l. Esto significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto repetidamente, no siempre detendr a la misma posicin. Se considera que Repetibilidad es +/-3 veces la desviacin normal de la posicin, o donde 99.5% de toda la cada de dimensiones de repetibilidad. Esta figura variar encima del espacio, especialmente cerca de los lmites del espacio de trabajo, pero los fabricantes darn un solo valor en las especificaciones.

La exactitud - Esto es determinado por la resolucin del espacio de trabajo. Si el robot se ordena para viajar a un punto en el espacio, estar apagado a menudo por alguna cantidad, la distancia mxima debe ser considerada la exactitud. ste es un efecto de un sistema del mando que no es necesariamente continuo.

Tiempo de establecimiento - Durante un movimiento, el robot se mueve rpidamente, pero como los acercamientos del robot la posicin final se reduce la velocidad, y los acercamientos. El tiempo de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una distancia dada de la ltima posicin.

Control de la Resolucin - ste es el cambio ms pequeo que puede medirse por los sensores de la regeneracin, a causa del actuador, quien quiera es ms grande. Si una juntura rotatoria tiene un encoder que mide cada 0.01 grado de rotacin, y un motor de servo de paseo directo se usa para manejar la juntura, con una resolucin de 0.5 grados, entonces la resolucin del mando es aproximadamente 0.5 grados (el peor caso puede ser 0.5+0.01).

Las coordenadas - El robot se puede mover, por consiguiente es necesario definir las posiciones. La nota que las coordenadas son una combinacin de ambos la posicin del origen y orientacin de los eslabones.

Cinemtica del brazo del robot

Lo primero que hay que realizar para llevar a cabo el anlisis cinemtico Aplicar las instancias D-H

Son 13 pasos aqu lo resumiremos en 5 pasos

Se hace un dibujo funcional del robot 2 rotacionales y 1 prismtica conectndolas con lneas entre cada articulacin

Anexamos las dimensiones del robot LA la longitud del brazo, LB longitud del antebrazo ,LC la altura de la base, es la lnea donde tomaremos referencia para el desplazamiento de la articulacin prismtica.

El segundo paso consiste en colocar los llamados sistemas de coordenadas generalizadas empezando por los ejes zi estos ejes coinciden con las articulaciones

a la articulacin 1 eje z0 a la articulacin 2 z1 y a la 3 el eje z2

nota: se define el sentido positivo de z2 porque los desplazamiento del prisma son hacia abajo porque los desplazamiento del primas tambin son hacia abajo de esta manera quedara todo recorrido el prisma como positivo si definiramos el z2 como positivo hacia arriba estos desplazamientos tambin seria negativos y haba que considerar el signo menos hacindolo explicito para cualquier expresin algebraica

es necesario medir un eje z3 es una copia de su z previo

Ahora se procede xi con ellos se definirn los orgenes de cada uno de los sistemas habra que empezar con el sistema 0

Pero la siguiente consideracin es que cada eje x debe ser perpendicular no solo a su correspondiente eje z si no que debe serlo tambin al zi-1 Esta condicin se cumple de doble se satisface para cualquier xi excepto para x0 puesto que no hay z previo

Entonces definimos x1 y se observa que es perpendicular a z1 y a la vez a z0 si colocamos al eje x1, la horizontal es la nica direccin que satisface a la condicin de doble perpendicularidad

Si colocramos al eje x1 entrando o saliendo dentro de la proyeccin pues entonces seria perpendicular a z1 por cuanto lo corta en Angulo de 90 pero no cortara a z0 Y no podemos decir que es perpendicular a zo

Entonces solamente la horizontal garantiza esta condicin lo que si somos libres es de escoger el sentido positivo hacia la derecha o a la izquierda, en este caso lo escogemos hacia la derecha

Ahora hacemos un paso hacia atrs y ponemos x0 en las mismas condiciones de como pusimos x1 para x0 hay que considerar que solo sea perpendicular a z0 y hay pues 360 que satisfacen esa condicin pero colocarlo igual a como hemos definido x1 tiene la ventaja de que estamos Precisando una posicin inicial del robot, cuando se lo energiza a partir de la cual definimos todas las posiciones del elemento final

si se coloca abajo en alguno existente entre x1 y x0 vale cero es un Angulo que variara cuando yo mueva la primera articulacin pero la condicin inicial

si coloco x0 entrando o saliendo al plano entones la condicin inicial es mas o menos 90 es practica comn ponerlo en la base,

si se pone en la lnea de x1 pero en este caso la distancia lc pasa a ser intrascendente para el estudio pero se llega un resultado perfectamente bueno como cualquier otro calculo hecho en la base,

Para x2 entendemos que debe ser perpendicular a z2 y z1 y la direccin nobvia es colineal con x1, x3 debera ser perpendicular a z3 y z2 y pues son colineales, Se coloca de manera que repita el z previo

Hecho esto pasamos a obtener la tabla de parmetros D-H y resaltamos los parmetros de las articulaciones la tabla de parmetros cuenta con las columnas que identifica a las articulaciones y elementos en caso de la primera fila es la base y el eslabn que esta articulados en la articulacin rotacional

En las columnas van los parmetros, en la ltima van los parmetros se refiente parmetros de las articulaciones, solo uno es variable en la rotacional es el angulo,

En base a la tabla se representan las articulaciones, dos rotacionales y una prismtica que en q1 y q2 es teta y en q3 es distancia,

Los restantes cuadros de la tabla son constantes

Vamos a ver como se define el parmetro teta

el signo del Angulo teta se rige por la regla de la mano derecha, los cuatro dedos de la manos derecha debe seguir la lnea del eje que se mueve que es x1 de acuerdo con la definicin moverse hacia el eje destino que en este caso es xi y debemos observar la condicin en la que queda el pulgar derecho respecto al eje de giro si queda en el mismo sentido que hemos definido como positivo para el eje de giro entonces el angulo de giro teta es positivo, si el pulgar quedara apuntando hacia abajo, Eso sera intercambiando las posiciones de xi y x1 en este caso en signo de teta es negativo porque el pulgar quedara al contrario al sentido definido positivo Para el eje de giro este hay que observarlo para alpha y teta

teta 2 los ejes involucrados son x1, x2 y z1 y el angulo entre ellos es variable puesto que la articulacin es angular

para teta 3 x3, x2 y z2 Entonces tendramos que girar a x2 alrededor de z2 para que alcance a x3 y este giro es imposible de implementar porque es una articulacin prismtica

procedemos a llenar la siguiente columna la de parmetro d, con la definicin.

Para d1 los ejes involucrados x0, x1 y z0 se observa aqu que para llevar a x0 a la misma lnea de x1 debo desplazarme a lo largo de z0 una distancia lc y ese es el valor de d1

Para d2 x1 x2 y z1 o no hay que mover ninguna cantidad porque si lo hago lo estoy alejando ya son colineales y por eso d2 vale 0

Para d3 que es la variable ni hay que efectuar ningn anlisis,

Ahora los parmetros a

Para a1 los ejes que interviene z0 z1 pero con referencia a x1, la distancia que separa de z0 de z1 es LA Y ES LO QUE VALE A1

a2 es z1 z2 y lo que hay que desplazar a z1 es LB Para a3 desplazar a z2 que alcance z3 no hay que hacer ningn desplazamiento

Ahora para los elementos alpha el llamado angulo de torsin y su definicin

Para AI es con la regla de la mano derecha, para a1 con forme a la definicin intervienen z0,z1 y x1 habra que girar a z0 alrededor de x1 pero como es innecesario es 0 para a2 z1 z2 y x2 estn distanciados 180 porque una va hacia abajo y otro hacia arriba seria relevante aplicar la mano derecha, pero significara colocar +- 180 entonces solo la cuestin es 180

finalmente a3 z2,z3 y x3 z2 y z3 estn a 0 grados

Ahora las matrices de transformacin homognea