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Actuadores

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Actuadores

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Grados de libertad

Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar.Numero de articulaciones

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Actuadores

• Genera movimiento de los elementos del robot

• El # actuadores puede ser mayores a los gdl• Un brazo humano

• Colocar un objeto de varias formas

• El # actuadores puede ser menor a los gdl• Movimiento reciprocante

• Hay movimientos imposibles y maniobras

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• El movimiento se consige ejerciendo fuerzas

• Lo que hace el actuador es parte de lo quehace el robot

• Actuadores vs Efectores

• Actuadores Hidraulicos, neumaticos, electricos• Potencia, velocidad precision controlabilidad

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Actuadores Neumaticos

• Fluido compresible, aire 5-10 bares

• El flujo mueve pistones en cilindro

• Valvulas neumaticas

• Seguros, robustos

• Poca exactitud en la posicion final

• Difıciles de controlar:• Aire es demasiado compresible

• Presion del compresor inexacta

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Actuadores Hidraulicos

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Actuadores Hidraulicos

• Aceite mineral a 50-100 bares

• Fuerzas y pares elevados, grandes

• cargas

• Control muy preciso, continuo.

• Estabilidad en estatico.

• Problemas: fugas, mantenimiento.

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Actuadores Electricos

• Estator (imanes) y rotor.

• Interaccion entre campo magnetico y electricoprovoca movimiento.

• Velocidad giro proporcional a Velocidad de brazo.

• Propiedes, a mas corriente mas par.

• Eficientes para girar con poca fuerza y granvelocidad.

• Sistemas digitales lo modulan con PWM(Powerwidth Modulator).

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Actuadores ElectricosServo motores

• Capaces de colocarse en una posicion.

• Motor de DC + engranajes + sensor de posicion + controlador proporcional.

• Suelen estar limitados a 180 grados.

• 3 hilos: V, tierra, senal.

• Se controlan con una serie de pulsos modulados en anchura PCM.

• Anchura proporcional a posicion.

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Motor electrico, rotor - estator

Servo Motor

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Modulacion PWMPulse With Modulation

Modulacion anchura de pulso.Velocidad proporcional al promedio.Tiempo de ciclo y ancho de pulso.

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Actuadores Controlados

• Realimentacion• Proporciona estabilidad

– Robustez perturbaciones

• Senal de error a corregir

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Actuadores controlados

Control PID

Proporcional al error instantaneo, a su Integral, a su Derivada

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Transmision y Reduccion

• No existe sistema de transmisionespecificamente para robotic.

• Se utilizan los tipicos Engranajes Para transmitir Movimiento

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Rueda Dentada

• Cambio de fuerza

• Cambio de rotacion

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Cremallera y PinonesRack and Pinion

• Cambio de rotacion a movimiento lineal

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Escuadras

• Cambio de Direccion

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Otros Sistemas de Transmision

• Ciguenales

• Poleas

• Levas

• Manivelas

• Cadenal

• Diferencial

• Etc

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El Par, Velocidad de Giro y los Engranajes

• Combinando engranajes se modifican el par del motor y su velocidad

• Relación: #dientes1/#dientes2• w = d1/d2w1• T2 = d2/d1 T1• Lo que se gana en fuerza se pierde en velocidad

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El Par y Reducciones

• El motor de radio R y par T genera una fuerza F = T/R perpendicular a su circunferencia

• Los motores suelen dar altas velocidades y bajo par.

• Los dientes estan bien disenados para evitar perdidas.

• Para aplicar una reduccion 3 : 1 se conecta el motor a un engranajede 8 dientes uno de 24.

• Se reduce la velocidad por 3 y se aumenta la fuerza tres veces.

• Se pueden formar cadenas. • 2 cadenas 3 : 1 consiguen una reduccion 9 : 1

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Locomocion

• Diferentes actuadores:– Piernas: caminar, arrastrarse, trepar, saltar, etc.

– Ruedas: rodar.

– Brazos: arrastrarse, trepar.

– Aletas: nadar.

• Locomocion con piernas es un problema muy grande para la robotica

• El robot tiene que ser estable estatica y dinamicamente

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Locomocion con PatasEquilibrio Estatico

• Equilibrio estatico: si se detieneno se cae.

• El Centro de Gravedad debe caer dentro del

• poligono de apoyo

• Al mover una pata el polıgonocambia.

• Modos de caminar, ej pasoalternativo en trıpode(hormigas)

• Con muchas patas es facil y seguro pero lento e ineficiente

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Locomocion con PatasEquilibrio Dinamico

• Ser estable en movimiento.• Robot con una pata: saltan,

pero no pueden quedarquietos.

• Robots bıpedos, cuadrupedos, hexapodos...

• ¿Cuantas patas estan en el aire durante el

• movimiento?• La estabilidad dinamica

requiere mas control, peropermite mayor velocidad

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Locomocion con Ruedas

• Mas eficientes que las piernas, y estaticamente estables.

• Las ruedas pueden ser muy sofisticadas: varios neumaticos, cadenas,

• con cilindros con otras ruedas, etc.

• Mecanismo diferencial (tipo tanque).

• Ruedas directrices (tipo coche).

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Locomocion con Ruedas

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Preocupaciones en Locomocion

• Ir a un lugar concreto.

• Planificacion de trayectorias

– Campo tradicional de la robotica

– Es compleja: busqueda y evaluacion de todas las posibilidades.

– La geometrıa del robot y su holonomicidad deben considerarse.

• Seguir una determinada trayectoria.

– puede ser imposible para ciertos robots

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Sistemas de Control

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Sistema de Control

• Mision•Recibir ordenes del usuario para llevar a cabo una tarea concreta, ya sea de forma directa o atraves de un programa

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Sistema de Control, cont

• La unidad de control esta basada en uno o mas microprocesadores, unidades de entrada y salidas, puertos en serie, paralelos, procesadores especializados, etc

• El usuario atraves del programa, ordena al robot realizar una tarea

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Ordenes Tipicas

• Puntos de destinos

• Velocidad de desplazamiento

• Tiempo

• Frecuencia

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Tipos de Controles

• Control Cinematico

• Control Dinamico

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Control Cinematico

• Establece cuales son las trayectorias que debe seguir cada articulacion del robot a lo largo del tiempo para lograr los objetivos fijados por el usuario.

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Control Dinamico

• Tiene por mision procurar que las trayectoriasrealmente seguidas por el robot sean lo masparecidas a las propuestas por el control cinematico.

• El modelo dinamico de un robot no es lineal, es multivariable, de parametros variantes, porlo que en general su control esextremadamente complejo.

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Esquema del Control del Robot

• Programa

• Generacion de Trayectorias

• Control Dinamico

• Ordenes a los Actuadores

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Componentes del Sistema de control dinamico

• Orden, entrada

• Controlador, Actuadores

• Articulacion robot

• Elementos de retroalimentacion

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Sistemas de Potencia

Los subsistemas de power tienencomo mision mover el manipulador

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Sistemas de Potencia

• Electricos• Activados con energia electrica

• Neumaticos• Energizado con aire comprimido

• Hidraulico• Energizado con aceite u otro fluido

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Sistemas Electricos

Ventajas Desventajas

• Confiabilidad

• Limpieza

• Grado de Conocimiento

• Relacion carga/velocidad

• Economico

• Sistemas de Transmisionson costosos

• Los harmonic drives son sistemas mas precisos quelos de engranajestradicionales

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Sistemas Hidraulicos

• Se utilizan en robots grandes que tienen quemanejar cargas pesadas

• Se usa en ambientes hostiles o flamable

• Este tipo de robot constituye 25 % de la produccion total

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Sistemas Neumaticos

• Son mas limitadas debido a que la exactitud se restringe a los extremos del recorrido

• Se usa en aplicaciones de pick and place o de secuencia fija

• Este tipo de robot constituye 10 % de la representacion robotica en el mercado

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El motor Electrico

• La mayoria de los robots electricos usanstepper motor o servomotores

• Stepper motor tienen la desventaja que se salen de fase a razon de .5 grd / pulso

• Los motores servo estan disenado a menordiametro para tener menor momento de inercia y asi tener mas control, a pesar que no tienen mucha potencia

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Sistemas Hidraulicos

• Se usaron en los primeros robots, pero su usose ha reducido atraves del tiempo

• El dispositivo servocontrol dirige el sistemahidraulico mediante servovalvulas. Estesproporcionan buena estabilidad en los cambios de voltaje en un tiempo corto

• Inconvenientes, cambios en temperatura

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Funcion Subsistema de Control

• Dirige el sistema de potencia para que muevael manipulador en una forma predeterminada

• Almacena uno o varios programas asi como la informacion recojida durante el proceso

• Permiten la comunicacion, ingreso, egreso de datos en forma de pantallas, teclados o medios magneticos

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Subsistemas de Control

• Nivel Bajo• Relays, air logic, drum secuencer, PLC

• Nivel Medio• Servo, poseen entradas (I/O) discretas

• Nivel Alto• Interface de programacion

• Nivel Expansivo• Mayor Capacidad sensorial e interface

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Sensores

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Clasificación de Robot

• De acuerdo al grado de manejo que tiene una

persona tras el robot, éste se puede clasificar como

autónomo o teleoperado

• De acuerdo al ambiente en que se desarrollan se

pueden clasificar como marinos, terrestres, aéreos,

espaciales, etc.

• De acuerdo a su sistema de locomoción se clasificar

en desplazados por ruedas y caminantes

• La clasificación menos importante es su forma

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Clasificación holonómica

• El área de la robótica tiene dos grandes divisiones

• – Robot holonómicos• formados por ligaduras, como los son los brazos y

manipuladores

• – Robot no-holonómicos• corresponde a los robot móviles en general

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Clasificación

Robot MóvilesRobot Manipuladores

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Restricciones de Movimiento

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Partes de un Robot

• En un robot se puede encontrar elementos

• como:

• – Sensores

• – Actuadores

• – Efectores

• – Control

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Partes Principales de un Robot

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Sensores

• Los datos percibidos depende de los sensores del robot

• El robot existe en el espacio de los sensores

• Los sensores de un robot son muy distinto a los biológicos

• El programador debe tratar de situarse en el mundo del robot

• • El tipo de sensor dependerá de la tarea a realizar

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Sensores

• Dificultades

• Son limitados

• Están sujetos inexactitud

• Una propiedad en el ambiente podria ser medido con distintos tipos de sensores

• Costo

• Sistema sensorial e integración

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Ejemplos de Sensores

• Se clasifican como activo o pasivo. Ejemplos:

• – Sensores de Interruptor

• – Sensores de Luz

• – Sensores de Rotación

• – Sensores de Infra-rojo

• – Sensores de ultrasonido

• – Sensores de Temperatura

• – Sensores Láser

• – Visión Artificial

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Efectores

• Efectores que realizan la locomoción:

• • Piernas: caminar, arrastrarse, trepar,

• saltar

• • Ruedas y Orugas: rodar

• • Brazos: arrastrarse, trepar

• • Aletas: nadar

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Actuadores

• Mecanismo encargado de producir energía

• para accionar los efectores

• • Ejemplos: motores, dispositivos hidráulicos

• • Motortransforma energía en movimiento

• • Tipos de Energía: neumática, hidráulica,

• eléctrica

• • Los motores de robot en general son

• eléctricos

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Tipos de Actuadores

• Neumáticos: cilindros y motores

• Hidráulicos: cilindros y motores

• Eléctricos: DC, AC

• Características• Potencia

• Controlabilidad

• Peso y volumen

• Precisión

• Velocidad

• • Mantenimiento

• • Costo

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Actuadores

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DOF

• Degree of Freedom (grados de libertad, GDL)

• • Los robot móviles terrestres en gdl. viven en un mundo de dos dimensiones

• Otros robot móviles viven en 3 dimensiones:• robot voladores, espaciales, submarinos

• • El número de dimensiones del ambiente de un

• robot suele ser la primera consideracion de los DOF de un robot.

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DOF y Actuadores

• En general los actuadores sencillos controlan un grado de libertad ( izq-der, arriba-abajo)

• Un cuerpo en el espacio tiene en gral. 6 dof• 3 de traslación

• 3 de orientación

• • Si hay un actuador para cada dof, todos soncontrolables

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Determinado DOF

• Dof de un auto:

• – Un auto tiene 3 dof (x,y,orientación)

• – 2 son controlables,

• • Aceleración, adelante y atrás

• • Dirección, con el volante

• – Ello implica que existen ciertos movimientos que nos son factibles de hacer para el auto

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¿Cuántos DOF en el brazo?

Piensen en su brazo (no considerenlos dedos)

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Determinando DOF

Los dof de un brazohumano– La claves son la ligaduras(hombro, codo, muñeca)

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DOF y holonomicidad

• Si el número de DOF controlables son todos los del robot, se dice que el robot esholonómico

• Si el numero de DOF no son todos los del robot, se dice que es un robot no-holonómico

• Si el numero de DOF es mayor que los del robot, se dice que es un sistema redundante