MORFOLOGÍA DE LOS ROBOTS MANIPULADORES

Equipo #2Emanuel De LeónBraulio FloresÁngel CasillasMario Silva

Humberto LermaAlfredo ZamoraVicente IbañesRicardo fernandez

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

Ema

ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN ROBOT

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 terminalEma

ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN ROBOT

Tipos de articulaciones:

Ema

ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN ROBOT

• 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.

Ema

ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN ROBOT 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

chente

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).

chente

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.

casillas

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.

casillas

EJEMPLOS

casillas

ACTUADORES ELÉCTRICOS

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.

Mario

ACTUADORES ELÉCTRICOS 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 (sincretizado 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.

Mario

ACTUADORES ELÉCTRICOS

Mario

ACTUADORES HIDRÁULICOS 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).Zamora

ACTUADORES HIDRÁULICOS

Zamora

ACTUADORES NEUMÁTICOS

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.

ricky

ACTUADORES NEUMÁTICOS (II)

ricky

TABLA RESUMENNeumático Hidráulico Eléctrico

Energía • Aire a presión (5-10 bar)

•Aceite mineral (50-100 bar) •Corriente eléctrica

Opciones •Cilindros•Motor de paletas•Motor de pistón

•Cilindros•Motor de paletas•Motor de pistones axiales

•Corriente continua•Corriente alterna•Motor paso a paso

Ventajas •Baratos•Rápidos•Sencillos•Robustos

•Rápidos•Alta relación potencia-peso•Autolubricantes•Alta capacidad de carga•Estabilidad frente a cargas estáticas

•Precisos•Fiables•Fácil control•Sencilla instalación•Silenciosos

Desventajas •Dificultad de control continuo•Instalación espacial (compresor, filtros)•Ruidosos

•Difícil mantenimiento•Instalación especial (filtros, eliminación aire)•Frecuentes fugas•Caros

•Potencia limitada

Braulio

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

Braulio

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.

Braulio

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.

Lerma

MODELO FÍSICO: MOTOR DC

bb ke

abeiRLs e )( ik p

BJsp

11 kbsaskG

22 kG

0L

:,BJ Inercia y rozamiento viscoso equivalentes vistos a la salida del eje del rotor

– Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace).

Lerma