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Actuadores

Grados de libertad

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

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

• 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

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

Actuadores Hidraulicos

Actuadores Hidraulicos

• Aceite mineral a 50-100 bares

• Fuerzas y pares elevados, grandes

• cargas

• Control muy preciso, continuo.

• Estabilidad en estatico.

• Problemas: fugas, mantenimiento.

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).

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.

Motor electrico, rotor - estator

Servo Motor

Modulacion PWMPulse With Modulation

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

Actuadores Controlados

• Realimentacion• Proporciona estabilidad

– Robustez perturbaciones

• Senal de error a corregir

Actuadores controlados

Control PID

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

Transmision y Reduccion

• No existe sistema de transmisionespecificamente para robotic.

• Se utilizan los tipicos Engranajes Para transmitir Movimiento

Rueda Dentada

• Cambio de fuerza

• Cambio de rotacion

Cremallera y PinonesRack and Pinion

• Cambio de rotacion a movimiento lineal

Escuadras

• Cambio de Direccion

Otros Sistemas de Transmision

• Ciguenales

• Poleas

• Levas

• Manivelas

• Cadenal

• Diferencial

• Etc

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

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

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

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

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

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).

Locomocion con Ruedas

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

Sistemas de Control

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

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

Ordenes Tipicas

• Puntos de destinos

• Velocidad de desplazamiento

• Tiempo

• Frecuencia

Tipos de Controles

• Control Cinematico

• Control Dinamico

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.

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.

Esquema del Control del Robot

• Programa

• Generacion de Trayectorias

• Control Dinamico

• Ordenes a los Actuadores

Componentes del Sistema de control dinamico

• Orden, entrada

• Controlador, Actuadores

• Articulacion robot

• Elementos de retroalimentacion

Sistemas de Potencia

Los subsistemas de power tienencomo mision mover el manipulador

Sistemas de Potencia

• Electricos• Activados con energia electrica

• Neumaticos• Energizado con aire comprimido

• Hidraulico• Energizado con aceite u otro fluido

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

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

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

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

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

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

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

Sensores

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

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

Clasificación

Robot MóvilesRobot Manipuladores

Restricciones de Movimiento

Partes de un Robot

• En un robot se puede encontrar elementos

• como:

• – Sensores

• – Actuadores

• – Efectores

• – Control

Partes Principales de un Robot

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

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

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

Efectores

• Efectores que realizan la locomoción:

• • Piernas: caminar, arrastrarse, trepar,

• saltar

• • Ruedas y Orugas: rodar

• • Brazos: arrastrarse, trepar

• • Aletas: nadar

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

Tipos de Actuadores

• Neumáticos: cilindros y motores

• Hidráulicos: cilindros y motores

• Eléctricos: DC, AC

• Características• Potencia

• Controlabilidad

• Peso y volumen

• Precisión

• Velocidad

• • Mantenimiento

• • Costo

Actuadores

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.

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

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

¿Cuántos DOF en el brazo?

Piensen en su brazo (no considerenlos dedos)

Determinando DOF

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

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