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ROBÓTICA DEL BRAZO MANIPULADOR

La robótica es la ciencia encaminada a diseñar aparatos y sistemas capaces de realizar tareas propias de un ser humano.

Definición de robot

“Es un manipulador programable y multifuncional diseñado para mover materiales, partes, herramientas o dispositivos específicos mediante movimientos programados para realizar diferentes tareas”.

Un manipulador mecánico consiste en una secuencia de cuerpos rígidos llamados elementos, conectados mediante articulaciones prismáticas o de revolución.; las articulaciones y elementos se enumeran hacia fuera desde la base y cada elemento se conecta, a lo más, a otros 2, así pues no se forman lazos cerrados; además, entre mas sean los grados de libertad, es mayor la dificultad para controlarlo, debido a los requisitos de software para controlarlo.

Espacio alcanzable

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Volumen del espacio que el robot puede alcanzar con al menos una orientación.

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Ejemplo:

Robot manipulador industrial de 5 grados de libertad.

Clasificación de los robots manipuladores

Según Robot Institute of America (RIA)

1) Manipulador simple. Sistema mecánico poli articulado y multifuncional concebido para ayudar al hombre directamente por este. Su nivel de automatización es muy pequeño o nulo.

2) Manipulador secuencial. Manipulador que realiza paso a paso, de forma autónoma, tareas repetitivas en condiciones preestablecidas.

2a) manipulador de secuencia fija. La de paso a paso, de forma autónoma, tareas repetitivas son difícilmente variables.

2b) Manipulador de secuencia variable (Pick and Place Robot). Tanto la secuencia como las condiciones pueden cambiarse con facilidad poseyendo cierta flexibilidad.

3) Robot de aprendizaje (Playback Robot). Manipulador que repite una secuencia que ha almacenado en su memoria y que con anterioridad ha

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aprendido mediante la enseñanza de un operador humano, existiendo diversas formas de realizarla.

4) Robot con control numérico (NC Robot). Manipulador que recibe las órdenes relativas a las secuencias y condiciones de trabajo directamente en forma numérica.

5) Robot inteligente (Robot propiamente dicho en sentido estricto). Manipulador dotado de un complejo sistema de control, comportando una cierta inteligencia artificial y dotado de un equipo de sensores que le permite examinar variaciones de su entorno y decidir en tiempo real, en función del contexto, las acciones a realizar y las secuencias de trabajo. Robot con el máximo nivel de automatización posible.

Tipos de los robots manipuladores

Los robots que se están utilizando actualmente se encuentran dotados de diversos tipos de sensores o dispositivos de percepción lo que los hace muy completos, sin embargo se presenta una subdivisión de este tipo de robots, los cuales presentas diferencias entre diseño, precisión, precio, tamaño.

Manipuladores de tipo y uso industrial

Este tipo de Robot, tiene las siguientes características: es muy veloz en sus movimientos y con un porcentaje de 99 a 100% en su exactitud, mantiene un ambiente de programación muy amplio aunque restringido para enviar mensajes visuales a los usuarios, por lo que se tiene que desarrollar estas características en otros lenguajes como MatLab o C++, puede ser operado en su propio lenguaje de programación; sin embargo tienen un gran costo económico, desde su adquisición, instalación y mantenimiento, lo cual , hace poco accesibles desarrollos de investigación.

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Robot manipulador de tipo y uso industrial.

Robot manipulador de diseño propio

Este tipo de manipuladores son lo que se desarrollan con materiales reciclados y son diseños propios de quien los programa, tienen un bajo costo económico tanto en adquisición, como manteniendo e instalación, normalmente están diseñados par a cumplir un solo tipo de aplicaciones; por lo que su arquitectura es cerrada, son veloces para cumplir sus tareas, que normalmente están definidas, su exactitud es muy variable, debido a la diversidad de sus materiales con que son construidos, su ambiente de programación está limitado a ciertos movimientos y adquisición de datos de sus sensores. Por lo que es un apoyo para desarrollar investigación en sistemas de control de robots manipuladores, debido a su fácil acceso económico, pero está en relación su exactitud para desarrollar las tareas a ejecutar, así como su arquitectura cerrada y sus ambiente de programación limitada.

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Robot manipulador de diseño propio.

Robots manipuladores comerciales de uso general

Son robots comerciales, pero que no tienen un diseño propio, si no que se crea el diseño que las personas le den, es decir son de arquitectura abierta. Tienen un costo económico accesible, pero bajo en manteniendo e instalación, son lentos, su exactitud esta en relación con las partes con que fueron armados, por lo que puede variar de un 70% a un 100% de exactitud, son robustos en su ambiente de programación y pueden ser compatibles con la mayoría de lenguajes actuales, como C, Pascal, Java, Basic. Este tipo de proyectos son ideales par a desarrollar investigación de sistemas de control de manipuladores, debido a que pueden ser escalados y eso aumenta las variables a investigar en un sistema real, sin modificar sus partes electrónicas, solamente su programación se incrementa de igual forma.

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Robots manipuladores comerciales de uso general.

CINEMÁTICA DE LOS MANIPULADORES ROBÓTICOS

Cinemática de robot. Estudio de su movimiento con respecto a un sistema de referencia.

Modelo directo

Se busca determinar la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los ángulos de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos de robot.

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Cálculo de la posición y orientación de cualquier punto del robot (Elemento Terminal) en función las variables articulares.

Modelo inverso

Se busca determinar la configuración que debe adoptar el robot para una posición y orientación del extremo conocidas.

La resolución no es sistemática.

Depende de la configuración del robot (soluciones múltiples).No siempre existe solución en forma cerrada.Condiciones suficientes para que exista:

3 ejes de articulación adyacentes interseccionan en un punto (robot PUMA y robot Stanford)

Robot Stanford Robot PUMA

Parámetros D-H

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Definen el paso de un sistema de referencia asociado a una articulación al siguiente.

Sólo dependen de las características geométricas de cada eslabón y de las articulaciones que le unen con el anterior y siguiente (no dependen de la posición del robot).

Definen las matrices A que permiten el paso de un sistema de referencia asociado a una articulación al siguiente y por tanto definen las matrices T.

Cuatro Parámetros: Dos ángulos (θi, αi-1) Dos distancias (di, ai-1)

1) Procedimiento genérico a partir de los parámetros D-H.

Método iterativo. Problemas de velocidad y convergencia.

2) Búsqueda de solución cerrada: qk= fk(x,y,z,α,β,γ); k=1,…,n

Posibilidad de resolución en tiempo real.

Posibilidad de selección de la solución más adecuada.

Posibilidad de simplificaciones.

No es posible.

Matriz Jacobiana

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Se busca conocer las velocidades del extremo del robot a partir de las velocidades de cada articulación.

En robótica la matriz Jacobina describe las relaciones entre las velocidades articulares (θi) y las velocidades lineales y de rotación del efector final (Xi).