Generalidades de Robotica
of 12
-
Upload
eder-rosales-ponte -
Category
Documents
-
view
233 -
download
1
Transcript of Generalidades de Robotica
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
1/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines1
ROBOTICA II
JOSE MACHUCA MINES
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
2/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines2
1 GENERALIDADES DE ROBOTICA
1.1 Introduccin
La Robtica es un campo multidisciplinario complejo en el cual intervienen
diversas reas tecnolgicas y especialidades de Ingeniera, como Ing. Mecnica, Ing.
Electrnica, Ing. Automtica, Ing. Computacional, Procesamiento de seales,
Inteligencia artificial, etc. haciendo uso de las ciencias bsicas tericas y aplicadas.
Un robot manipulador es una estructura fsica en el que se integran una variedad
de mecanismos metlicos, elctricos, electrnicos, elementos motrices y sensoriales,
incorpora un sistema multiprocesador el cual contiene la arquitectura informtica
con los algoritmos de control en tiempo real para el movimiento, percepcin del
entorno y programacin de operaciones y en muchos casos incorpora un sistema de
comunicacin. En la figura 1.1 se muestra el esquema integrado de un robot industrial
con su entorno.
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
3/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines3
Visin
Tacto
Audicin
Proximidad
Otros
Fuente de
Energa
Sistema de
Control
Actuadores
Sensores internos
Percepcin
del entorno
Figura 1.1. Sistema de un robot y su interaccin con el entorno.
1.2 Definicin de un robot
La mayora de los robots manipuladores industriales son esencialmente brazos
articulados. Segn la definicin que da el ROBOT INSTITUTE OF AMERICA (RIA):
Un robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseado para
mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante
movimientos variados, programados para la ejecucin de tareas distintas.
1.3 Componentes de un robot
Un robot es un sistema que generalmente est constituido por diversos
componentes de los cuales se describen slo algunos de ellos:
Arquitectura mecnica
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
4/12
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
5/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines5
precisa de la geometra de los objetos incluidos en la escena de operacin.
Sistema de conversin de energa
La unidad de conversin de energa contiene los elementos necesarios para
procesar la energa normalmente elctrica y luego adecuar la seal del controlador y
convertirlo en un nivel de potencia suficiente para energizar a los elementos motores,
usando distintos dispositivos electrnicos que bsicamente son amplificadores
electrnicos de potencia.
Sistema de control
El sistema de control tiene por objetivo conducir y gobernar al robot para realizar
una trayectoria espacial en el tiempo y en espacio a partir de la informacin
procedente de los transductores internos y de los puntos de consigna de la
trayectoria deseada, ejecutando algoritmos de control establecidos mediante un
procesador o sistema de procesadores digitales para realizar alguna tarea especfica
reaccionando ante los cambios del entorno mediante los sensores externos tomando
algun tipo de decisin o autonoma. El sistema de control de un robot se puede
analizar y descomponer funcionalmente en niveles segn su estructura jerrquica.
En el nivel interior de control se realizan las tareas de servocontrol y supervisin
de las articulaciones con la mayor precisin posible. La mayora de robots
industriales en la actualidad emplean servomecanismos con realimentacin de
posicin y velocidad que permiten generar seales de control sobre los actuadores de
las articulaciones utilizando estrategias de control avanzadas.
El segundo nivel se ocupa de la generacin de trayectorias para la evolucin delefector final al desplazarse de una posicin a otra. El generador de trayectorias debe
suministrar a los servomecanismos las referencias deseadas para conseguir la
evolucin deseada del efector final a partir de la especificacin del movimiento
deseado.
Los niveles superiores de control se ocupan de la interpretacin de los programas
de operacin, comunicacin con el operador, comunicacin con otros robots,
percepcin sensorial y planificacin.
El movimiento del robot se describe por un conjunto de ecuaciones diferenciales
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
6/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines6
no lineales continuas acopladas dinmicamente. Los esquemas de control de un robot
se basan en formulaciones tericos, que debern ser suficientemente exactos para
que el movimiento resultante sea lo ms preciso posible. Esto se consigue aplicando
tcnicas de control apropiadas y as obtener un rendimiento eficaz en el control de
trayectorias espaciales.
Arquitectura Electronica
La arquitectura electrnica de un robot industrial consiste normalmente en un
sistema multiprocesador interconectado, normalmente un microprocesador por cada
articulacin y para procesar los algoritmos de control de trayectorias espaciales del
robot se suele utilizar un computador central de alta velocidad de procesamiento.
Adems de incorporar microprocesadores, la arquitectura electrnica se elabora a
base de dispositivos microelectrnicos, que incorporan dispositivos de diversos tipos
de memoria, dispositivos programables de control de entrada/salida, dispositivos
controladores de tiempos que pueden ser temporizadores, contadores, osciladores,
dispositivos controladores de interrupciones. El computador central de preferencia
es un computador industrial (IPC) de alta velocidad de procesamiento numrico y
gran capacidad de almacenamiento capaz de procesar los algoritmos de control, las
tareas programadas, la interpolacin y generacin de trayectorias con un sistema
operativo de tiempo real, y permitir la simulacin grfica, adems debe incorporar
buses de comunicacin de alta velocidad y fidelidad que interconecten a todos los
procesadores mediante protocolos de comunicacin segura y efectiva.
El sistema electrnico debe incluir tambin conversores de seal analgica a
digital de alta velocidad y de buena resolucin para digitalizar todas las variablesfsicas captadas por los sensores internos y/o externos, digitalizar y procesar seales
de video, etc. as como conversores de seal digital a seal analgica para transmitir
las seales de mando a los actuadores del robot.
1.4 Especificaciones de un robot
Las especificaciones de los robots corresponden a las caractersticas que los
robots deben cumplir para tener un buen desempeo y eficiencia, por lo general son:
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
7/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines7
Espacio de trabajo. El espacio o volumen de trabajo se constituye por todas las
posiciones del espacio accesible por el extremo del efector final del robot. El espacio
de trabajo depende bsicamente de la configuracin mecnica del robot.
Grado de libertad.Es cada uno de los movimientos independientes que puede realizar
una articulacin de un robot con respecto a la anterior.
Resolucin espacial. La resolucin espacial se define como el incremento ms
pequeo de movimiento que puede ejecutar el rgano terminal de un robot.
Exactitud. La exactitud se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo del
efector final en un punto sealado dentro del volumen de trabajo.
Repetibilidad. La repetibilidad viene ha ser el radio de la esfera que abarcan los
puntos alcanzados por el efector final del robot, tras sucesivos movimientos al ir al
mismo punto de destino programado con iguales condiciones de operacin.
1.5
Estructuras bsicas de robots industriales
La estructura tpica de un manipulador consiste en un brazo compuesto por
elementos articulares entre s, mediante articulaciones lineales o prismticas y
angulares o rotacionales. En el ltimo enlace se coloca el rgano terminal o efector
final.
El espacio de trabajo es el conjunto de puntos en los que se puede situar o fijar el
efector final del manipulador. Para poder acceder a todo punto en el espacio de
trabajo se necesitan tres articulaciones o ejes (ejes mayores) y para orientar al
efector final en cualquier direccin espacial se necesitan tres articulaciones o ejes
ms (ejes menores).
Estas estructuras tienen diferentes propiedades en cuanto a su espacio de trabajo
y accesibilidad a determinadas posiciones espaciales.
En la figura 1.2 se muestran cuatro configuraciones bsicas de manipuladores de
tres ejes de posicionamiento: cartesiana, cilndrica, esfrica y angular. Estas
estructuras a su vez se pueden clasificar en otras.
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
8/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines8
Figura 1.2. Configuraciones bsicas de los manipuladores.
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
9/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines9
1.6 Especificaciones del efector final
Para un robot de ngrados de libertad existen narticulaciones, con la articulacin
k conectando al enlace k-1 y al enlace k. Por convencin el enlace 0 se fija en el
referencial de la base y el enlace nse dispone que sea mvil. En el ltimo enlace se fija
la herramienta de trabajo o efector final para la operacin espacial del robot en la
realizacin de tareas.
En la figura 1.3 se representa el esquema del efector final que se debe fijar en el
enlace nde un determinado robot de ngrados de libertad, en el cual se establecen los
ejes de orientacin del robot (n, s, a) fijados al efector terminal en el punto que se
pueden referenciar en el sistema de coordenadas base x0 y0 z0 y stos a su vez se
pueden representar y establecer mediante rotaciones respecto de los ejes principales
del sistema de referencia x0y0z0.
Pn
s
aEfector final
Enlacen
z0
x0
y0
z
y x
zp
xp yp
Figura 1.3 Sistema de coordenadas del efector final.
La posicin espacial del efector final se especifica por un vector respecto del
referencial de la base x0y0z0 y la orientacin de la herramienta o efector final se puede
expresar en coordenadas rectangulares por medio de una matriz de rotacin donde
las tres columnas de esta matriz corresponden a los vectores de la normal n, de
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
10/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines10
deslizamiento sy de aproximacin adel efector final respectivamente. La posicin y la
orientacin se pueden expresar mediante una matriz de transformacin homognea
como sigue:
==
10001
nn
0n0
Pasn
0
PRT (2.9)
El vector de aproximacin aest alineado con el eje de giro de la herramienta y se
indica hacia fuera de la mueca. Este vector especifica la direccin en la cual est
apuntando la herramienta.
El vector de deslizamiento o de orientacin s, es ortogonal al vector deaproximacin y est alineado con el eje de abre-cierrade la herramienta.
El vector normal n, es ortogonal al plano definido por los vectores de
deslizamiento y de aproximacin, completa las coordenadas de referencia de un
sistema dextrgiro.
El efector final del robot se representa por medio de una matriz de
transformacin homognea n0T que describe la posicin y la orientacin con
respecto al sistema de coordenadas de referencia de la base. La matriz es la
representacin matricial de la rotacin de un cuerpo rgido constituido por nueve
elementos. Esta matriz simplifica muchas operaciones, pero no conduce de forma
directa a un conjunto completo de coordenadas generalizadas; tal conjunto se puede
obtener mediante tres ngulos de rotacin zyx respecto de los ejes
principales del sistema de coordenadas base x0 , y0 , z0respectivamente. Otra forma
generalizada es utilizar los tres ngulos de Euler ( y ) denominados tambinngulo de giro, de elevacin y de desviacin respectivamente son tambin ngulos de
rotacin respecto de los ejes principales del referencial base x0y0z0, como se aprecia
en la figura 2.6. En Robtica es posible utilizar diferentes configuraciones de los
ngulos de Euler.
En la figura 1.4 se muestra el esquema de una configuracin de los ngulos de
Euler respecto de los tres ejes principales que permite describir la rotacin del
efector final de un robot.
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
11/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines11
Placa frontal
(para la unin
del efector final)
Brazo robot
Giro de la
mueca
(oscilacin)
Desviacin de
la muecaElevacin de
la mueca
(flexin)
n
s
a
Figura 1.4 Tres grados de libertad asociados con los ngulos de Euler.
El movimiento de la mueca del robot manipulador se disea para permitir a ste,orientar adecuadamente al efector final dependiendo de la tarea que se desea
realizar. Para resolver el problema de la orientacin espacial, la mueca del robot
suele disponer de hasta tres grados de libertad que se definen como:
Giro de la mueca .Tambin denominado oscilacin de la mueca, que implica la
rotacin del mecanismo de la mueca alrededor del eje adel robot.
Elevacin de la mueca . Tambin denominado flexin de la mueca, que implica
la rotacin hacia arriba o abajo de sta respecto del eje de orientacin sdel robot.
Desviacin de la mueca . Implica la rotacin a la derecha o a la izquierda de sta
respecto del eje normal ndel robot.
Para realizar la orientacin completa de un robot son necesarios establecer tres
articulaciones para especificar la estructura de la mueca en la cual va anclado el
efector final. En la figura 1.5 se muestra la arquitectura esfrica de una mueca cuyos
ejes de giro coinciden en un mismo punto y en la figura 1.6 se muestra la arquitectura
no esfrica de una mueca de un robot. Para el robot propuesto de seis articulaciones
-
7/25/2019 Generalidades de Robotica
12/12
ROBOTICA II
Ing. Jos Machuca Mines12
se ha optado por emplear la arquitectura de la mueca esfrica.
n
n
s
a
1n
2n
1nz
2nz
3nz
Figura 1.5 Arquitectura esfrica de una mueca.
2n
12n
3nz
2nz
n
n
s
a
1nz
Figura 1.6 Arquitectura no esfrica de una mueca.
En arquitectura no esfrica de la mueca se pueden establecer tres ngulos
denominados tambin ngulo de giro, de elevacin y de desviacin respectivamente.
