INSTITUTO TECNOLOGICO DE TLALNEPANTLA

TALLER DE INVESTIGACION 1

ING. MECATRONICA

PROFESOR: MAXIMIANO TISCAREÑO RANGEL

UNIDAD 3 “RESUMEN DEL PROTOCOLO”

ALUMNOS: SOLANO GARDUÑO ERI ZURIEL

MARQUEZ RICO MAYRA ITZEL

PACHECO ADAN ANTONIO

PRESENTAN: SILLA DE RUEDAS CON BRAZO ROBOTICO

2.1 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA.

Diferentes tipos de enfermedades han creado una necesidad por sillas de ruedas que se extiende muchos años hacia atrás. Algunos comentadores incluso han sugerido que como la evidencia más antigua de sillas y ruedas data de alrededor de 4000 AC, es posible que las dos fueran combinadas para hacer una silla con ruedas hasta seis mil años atrás. La primera prueba clara de una silla de ruedas, sin embargo, es de una imagen china grabada en 525 DC.

Cualquier historia subsiguiente de la silla de ruedas es difícil de documentar hasta 1595. Este fue el año en que un artista dibujó un borrador del Rey español, Felipe II de España (1527 - 1598), sentado en una silla que tenía pequeñas ruedas montadas al final de cada pata. Los rasgos de la silla incluían una plataforma levantada para las piernas del Rey y un respaldo ajustable. (Véase fig. 1) La silla del Rey Felipe no era auto-propulsada; él dependía de un sirviente para empujarla.

El primer caso de una persona discapacitada con movilidad independiente fue en 1655 cuando Stephen Farfler, un relojero parapléjico, construyó una silla que parecía robusta sobre un chasis1 de tres ruedas. Sujetas a cada lado de la rueda frontal única había manivelas2 que Stephen giraba para impulsarse hacia adelante.

Durante el siglo diecinueve, las sillas de ruedas se volvieron menos voluminosas y más confortables. Como resultado, algunos usuarios fueron capaces de girar las grandes ruedas traseras con sus manos, aunque esto podía ser desagradable si la silla corría a través de un charco de barro. El problema se solucionó en 1881 cuando los fabricantes empezaron a agregar un segundo borde con una menor circunferencia a cada rueda. Estos bordes mantenían las manos limpias y se conocieron como bordes para empujar.

A comienzos del siglo veinte, las sillas de ruedas se habían desarrollado aún más y disponían de ruedas con rayos de alambre, respaldos ajustables, y apoyos móviles para brazos y pies. También había modelos livianos hechos de mimbre montados sobre marcos de metal.

En 1932, un ingeniero de Los Ángeles llamado Harry Jennings diseñó y construyó una silla plegable para su amigo, Herbert Everest. Los dos hombres inmediatamente vieron el potencial de este invento y establecieron una compañía para producir en masa las nuevas sillas portátiles. Estos fueron los precursores de las sillas de ruedas de uso común hoy en día.

Las primeras sillas eran hechas de madera, eran muy pesadas de acuerdo a los estándares de hoy en día, y tenían respaldos altos. Proveían una movilidad muy limitada; la mayoría de los usuarios incluso no podían empujarse a sí mismos y tenían que depender de otras personas para empujarlos.

RENOVACIÓN DE LAS SILLAS

Las primeras sillas a poder eran sillas manuales con baterías y mecanismos de engranaje hechos de cualquier forma. Las sillas eran abultadas y difíciles de navegar. Los diseñadores han arreglado esos problemas desde entonces, y las sillas a poder modernas tienen todos sus elementos integrados en un sistema coherente. Mientras las primeras sillas a poder usaban la energía eléctrica sólo para mover las ruedas hacia adelante, los sistemas de hoy en día incluyen ajustes motorizados para los asientos, los descansos de los pies, los respaldos y los reposacabezas. El diseño de silla de ruedas puede ser clasificado por el sistema de accionamiento/chasis, batería, controlador, asiento, y el uso. En nuestro caso se le añadirá un brazo mecánico.

Controlador

Los controladores son más comúnmente una palanca de mando montado en el brazo-resto que puede tener controles adicionales para permitir al usuario adaptar a la sensibilidad o acceder a múltiples modos de control. El controlador puede ser abatible para ayudar en las transferencias laterales.

Asiento

La sala de estar en una silla de ruedas eléctrica puede variar en diseño. A partir de un asiento colgante básico y respaldo de vinilo o nylon, algunas sillas tienen un relleno opcional, algunos tienen colchón más cómodo y opciones de respaldo, que pueden incluir un reposacabezas. Hay empresas que se ajusten a sus propios respaldos y cojines de los asientos para las personas con mayor necesidad de estabilidad en el tronco, o con alto riesgo de úlceras por presión de sentarse fuera. Por último, las soluciones de asientos especializados están disponibles para los usuarios que necesitan un apoyo individualizado.

2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Para una persona discapacitada muchas veces le es imposible alcanzar dichos objetos, ya que están en repisas, o muy por debajo de lo que ellos pueden alcanzar, dicho problema también se puede enfocar en que no puedan desplazarse libremente por su hogar o patio, ya que con la tierra se llegan a atorar sus llantas y les es muy difícil avanzar.

Con un diseño fuera de lo común que es su silla de ruedas, se desea diseñar una silla ergonómica. Esto le ayudará a la persona a desplazarse a cualquier parte de su hogar así como de su patio. Ya que contará con un motor que le dará la potencia necesaria para que este mismo avance sin que el ejerza fuerza.

Para el problema del alcance de objetos, al carro se le implementará un brazo robótico que será fácil de manipular por medio de un joystick. Este brazo será controlado por la persona y así el podrá alcanzar las cosas que el desee, dicho brazo se moverá en diferentes direcciones, tanto como derecha/izquierda, arriba/abajo, ofreciéndole así una oportunidad de sentirse independiente.

Se diseñará una silla al estilo ergonómico para el fácil desplazamiento por lugares a los que las llantas de una silla común, le es difícil acceder.

A base de un motor con la potencia necesaria para darle la movilidad al carro, las llantas que puedan circular libremente por los lugares difíciles, y un brazo robótico

para que la persona pueda obtener los objetos que estén fuera de su alcance. Se construirá está silla.

La silla está diseñada para uso en interiores, al aire libre o en interiores/exteriores. Una silla de ruedas eléctrica interior típico será estrecho y corto, para permitir una mejor maniobra en torno a ambientes reducidos. Los controles son generalmente simples, y debido al diseño más pequeño, la silla al aire libre serían menos estables. Los neumáticos son a menudo más suaves para cuidar el suelo en una casa. Nuestra silla podrá ser manipulada tanto como en interior/exterior, pero con un rango razonable de las baterías, unos neumáticos de gran agarre, estos suelen incluir una acera-escalador para ayudar en las maniobras, donde no hay aceras de la gota. Sólo para uso pavimento, al aire libre tienen un alcance considerable, una gran distancia entre ejes para ayudar con la estabilidad y grandes neumáticos que mejoran el confort y el manejo de la silla. Estos a veces pueden estar en el interior impulsados en entornos adaptados, pero no alrededor de un hogar típico.

Se aclara que la silla no puede subir superficies por sí sola, necesita la ayuda de un tercero.

2.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN: GENERAL Y ESPECÍFICOS.

OBJETIVOS GENERALES:

Se diseñará una silla al estilo ergonómico para el fácil desplazamiento por lugares a los que las llantas de una silla común, le es difícil acceder.

A base de un motor con la potencia necesaria para darle la movilidad al carro, las llantas que puedan circular libremente por los lugares difíciles, y un brazo robótico para que la persona pueda obtener los objetos que estén fuera de su alcance. Se construirá está silla.

A base de un motor con la potencia necesaria para darle la movilidad al carro, las llantas que puedan circular libremente por los lugares difíciles, y un brazo robótico para que la persona pueda obtener los objetos que estén fuera de su alcance. Se construirá está silla.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

La silla está diseñada para uso en interiores, al aire libre o en interiores/exteriores. Una silla de ruedas eléctrica interior típico será estrecho y corto, para permitir una mejor maniobra en torno a ambientes reducidos. Los controles son generalmente simples, y debido al diseño más pequeño, la silla al aire libre serían menos estables. Los neumáticos son a menudo más suaves para cuidar el suelo en una casa. Nuestra silla podrá ser manipulada tanto como en interior/exterior, pero con un rango razonable de las baterías, unos neumáticos de gran agarre, estos suelen incluir una acera-escalador para ayudar en las maniobras, donde no hay aceras de la gota. Sólo para uso pavimento, al aire libre tienen un alcance considerable, una gran distancia entre ejes para ayudar con la estabilidad y grandes neumáticos que mejoran el confort y el manejo de la silla. Estos a veces pueden estar en el interior impulsados en entornos adaptados, pero no alrededor de un hogar típico.

Se aclara que la silla no puede subir superficies por sí sola, necesita la ayuda de un tercero.

2.5 JUSTIFICACIÓN: IMPACTO SOCIAL, TECNOLÓGICO, ECONÓMICO Y AMBIENTAL.

IMPACTO SOCIAL

 La robótica está avanzando rápidamente y se están instalando muchos más robots que nunca en las empresas en latino américa. En el futuro, nuestros hogares y lugares de trabajo estarán caracterizados por los sistemas automatizados y de robótica que formarán parte de nuestro trabajo y vida cotidianos; además los robots realizarán muchas tareas en el sector de servicios así como en el de producción.

TECNOLÓGICO

Por un lado el impacto social que se podría tener es que habría aún más un decremento de facilidad para el ser humano en el mundo y seria cada vez más útil e independiente y se inclinen a adaptar este tipo de tecnologías, estas tecnologías nos podrían llevar a crear aún más nuevas tecnologías más exactas y rápidas pero para esto es necesario implementarlas que ya se tienen para poder tener conocimientos de ellas, económicamente hablándola empresa lograría subir

su independencia considerablemente y ambientalmente se implicaría un desgaste aún más grande del planeta ya que se utilizarían energías no renovables para hacer funcionar el brazo robótico e implementar con ello esta silla que sería de gran utilidad para las personas con alguna discapacidad.

MEDIO AMBIENTE

La silla puede ser diseñada para uso en interiores, al aire libre o en interiores/exteriores. Una silla de ruedas eléctrica interior típico será estrecho y corto, para permitir una mejor maniobra en torno a ambientes reducidos. Los controles son generalmente simple, y debido al diseño más pequeño, la silla al aire libre serían menos estables. Los neumáticos son a menudo más suaves para cuidar el suelo en una casa. Powerchairs interior/exterior volverán a ser tan pequeño como sea posible en el diseño, pero con un rango razonable de las baterías, unos neumáticos de gran agarre, estos suelen incluir una acera-escalador para ayudar en las maniobras, donde no hay aceras de la gota. Sólo para uso pavimento. Powerchairs al aire libre tienen un alcance considerable, una gran distancia entre ejes para ayudar con la estabilidad y grandes neumáticos que mejoran el confort y el manejo de la silla. Estos a veces pueden estar en el interior impulsadas en entornos adaptados, pero no alrededor de un hogar típico.

ECONOMICO Y TRANSPORTE

La mayoría de las sillas de ruedas son accidente probado a los estándares 7176, e ISO 10542 - Estas normas significan que una silla de ruedas se puede utilizar mirando hacia adelante en un vehículo si el vehículo está equipado con un amarre de aprobado o sistema de acoplamiento para fijar la silla de ruedas, y un método de asegurar el ocupante de la silla de ruedas.

2.6 DISEÑO DEL MARCO TEÓRICO (REFERENTES TEÓRICOS).

Adaptaciones de acceso, como los espacios de sillas de ruedas en el transporte público y ascensores para sillas de ruedas tienden muchas veces en torno a una silla de ruedas manual típico. Nuestra silla, sin embargo, con frecuencia exceden los límites de tamaño y peso de las sillas de ruedas manuales, ya que no están limitadas por la capacidad del usuario de autopropulsión. Algunos diseños son demasiado grandes o pesados para determinados espacios de sillas de ruedas y

ascensores. Sin embargo, hay nuevos diseños e innovaciones que tratan de superar estos problemas.

PARA EL BRAZO ROBÓTICO

Un Robot está constituido por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la gran parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, es decir, que poseen ciertas características del brazo humano, por lo que en ocasiones a los distintos elementos que componen el robot se les denomina en términos como cuerpo, brazo, codo muñeca. Cada articulación provee al robot de al menos un grado de libertad‘, o bien, cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos.

EI número de grados de libertad de una cadena cinemática puede ser obtenido mediante la fórmula de Grübler1, según la cual: NGDL=(γ ∙ n−1 )−2 ∙ f 1[1]

Dónde: γ: GDL del espacio de trabajo (tres en el plano, seis en el espacio).

n: Número de eslabones (debe incluirse el eslabón fijo o base).

f1: Número de pares de 1 GDL.

Los robots manipuladores son, en la mayor parte de los casos, cadenas cinemáticas abiertas con las articulaciones de tipo rotación o prismática (con un solo GDL cada una), siendo por lo general sencillo encontrar el número de grados de libertad del robot, pues coincide con el número de articulaciones de que se compone.Un sistema robótico está formado a base de mecanismos y por lo tanto es necesario un previo conocimiento de teoría básica de mecanismos antes de describir las herramientas matemáticas y mecánicas necesarias para su análisis. Una articulación, también conocida como par cinemático, es una conexión entre dos eslabones mediante sus nodos que permite un movimiento relativo entre ellos. Puede ser clasificada por el número de grados de libertad, el cual es denotado

También llamada de Kutzbach-Grübler es una expresión para la aplicación del criterio del mismo nombre que permite obtener el grado de movilidad de un mecanismo. El criterio consiste simplemente en realizar una diferencia entre los grados de libertad de los eslabones del mecanismo y las restricciones impuestas por los pares cinemáticos.

Como f, o bien por su orden, es decir, el número de eslabones que conecta. Las articulaciones elementales poseen un tipo de movimiento o grado de libertad y pueden ser rotacionales (de revolución) o lineales (prismáticas): una articulación de revolución (r) es como una bisagra ya que permite la rotación relativa entre dos elementos rígidos, y es la más comúnmente empleada. Es posible calcular los grados de libertad para un mecanismo mediante síntesis numérica: primero debe reconocerse que un cuerpo rígido libre en el espacio tiene seis grados de libertad. Deberán conocerse tres desplazamientos lineales y tres rotaciones angulares para determinar su posición en el espacio. De aquí que n cuerpos sin restricciones de movimiento tendrán 6n grados de libertad (Ecuación 1).

M=6 (n−1 )−∑I=1

j

(6−f i )=6 (n−1 )−∑I=1

j

(6 )+∑I=1

j

f i=6 (n−1 )−6 j+∑i=1

j

¿¿¿¿¿

M=6 (n− j−1 )+∑I=1

j

( f i )

(Ecuación para calcular los grados de libertad mediante síntesis numerica)

LENGUAJE MATEMÁTICO

Para definir y manipular matemáticamente cantidades que representan posición y orientación es necesario definir sistemas de coordenadas en el espacio tridimensional y establecer ciertas convenciones para su representación. En cuanto a la localización espacial se refiere, es posible hablar de descripciones, operadores, los cuales hacen uso de las mismas herramientas matemáticas, pero aplicadas en diferente contexto, o con significado distinto.

DESCRIPCIÓN DE UNA ORIENTACIÓN

Frecuentemente es necesario no sólo representar un punto en el espacio, sino también describir la orientación de un cuerpo, para lo cual se fija un sistema de coordenadas a éste relativo al sistema de referencia.

Una manera de describir dicho sistema de coordenadas {b} fijado al objeto en cuestión, es escribir sus vectores unitarios ortogonales2 en términos del sistema

Es una generalización de la noción geométrica de perpendicularidad. En el espacio euclídeo convencional el término ortogonal y el término perpendicular son sinónimos. Sin embargo, en espacios de dimensión finita y en geometrías no euclídeas el concepto de ortogonalidad generaliza al de perpendicularidad.

de referencia {a} como se muestra a continuación:

Así mismo, también como parte del análisis de posicionamiento y orientación, es necesario hacer énfasis en que no toda posición u orientación puede ser alcanzada por el elemento terminal dadas las limitantes geométricas y mecánicas del mecanismo. (Fig.1).

Dicho espacio de trabajo queda definido por el volumen total barrido por el elemento terminal cuando el manipulador ejecuta todos los posibles movimientos, o dicho de otra forma, el volumen encerrado por las superficies que determinan los puntos a los que accede el manipulador con su estructura totalmente extendida o totalmente plegada.

RELACIÓN CINEMÁTICA DE VELOCIDAD

La ecuación especifica la relación de velocidad existente cuando hay movimiento relativo, siendo ésta derivada en su totalidad respecto a un solo marco de referencia. En robótica es común el emplear múltiples marcos de referencia, uno por eslabón, surgiendo así la necesidad de modificar dicha ecuación, la cual para efectos de comparación se reescribe en la (Ecuación 2).

DESACOPLO CINEMATICO

Los procedimientos vistos en los apartados anteriores permiten obtener los valores de las 3 primeras variables articulares del robot, aquellas que posicionan su extremo en unas coordenadas (px , Py , pz) determinadas, aunque pueden ser igualmente utilizadas para la obtención de las 6 a costa de una mayor complejidad.

Ahora bien, como es sabido, en general no basta con posicionar el extremo del robot en un punto del espacio, sino que casi siempre es preciso también conseguir que la herramienta que aquél porta se oriente de una manera determinada. Para ello, los robots cuentan con otros tres grados de libertad adicionales, situados al final de la cadena cinemática y cuyos ejes, generalmente, se cortan en un punto, que informalmente se denomina muñeca del robot. Si bien la variación de estos tres últimos grados de libertad origina un cambio en la posición final del extremo real del robot, su verdadero objetivo es poder orientar la herramienta del robot libremente en el espacio.

El método de desacoplo cinemático saca partido de este hecho, separando ambos problemas: posición y orientación. Para ello, dada una posición y orientación final deseadas, establece las coordenadas del punto de corte de los 3 últimos ejes (muiiecp del robot) calculándose los valores de las tres primeras variables articulares (q1, q2, q3) que consiguen posicionar este punto. A continuación, a partir de los datos de orientación y de los ya calculados (q1, q2, q3) obtiene los valores del resto de las variables articulares.

MODELO DINÁMICO DE LOS ACTUADORES

Como se ha indicado en la introducción de este capítulo, el modelo dinámico de un robot se compone por una parte del modelo de su estructura mecánica, que relaciona su movimiento con las fuerzas y pares que lo originan, y por otra parte del modelo de su sistema de accionamiento, que relaciona las órdenes de mando generadas en la unidad de control con las fuerzas y pares utilizados para producir el movimiento.

En el Capítulo 2, dedicado a la morfología del robot, se indicó que son los actuadores eléctricos de corriente continua los más utilizados en la actualidad, si bien es notable la tendencia a sustituir éstos por motores sin escobillas. En un caso u otro, el modelo dinámico del actuador responde a ecuaciones similares, por lo que a efectos de establecerlo se considerará el de motor de corriente continua.

Por su parte, los actuadores hidráulicos son usados en robots en los que la relación peso manipula ble/peso del robot deba ser elevada. El modelo dinámico de un actuador hidráulico es significativa mente más complejo que el de un actuador eléctrico. A las características dinámicas del conjunto ser-

Existe una amplia variedad de dispositivos diseñados para percibir la información externa de una magnitud física y transformarla en un valor electrónico que sea posible introducir al circuito de control, de modo que el robot que utilizaremos sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia. Para esto incorporaremos un sensor que consta de algún elemento sensible a una magnitud física como por ejemplo la intensidad o color de la luz, temperatura, presión, magnetismo, humedad y debe ser capaz, por su propias características, o por medio de dispositivos intermedios, de transformar esa magnitud física en un cambio eléctrico que se pueda alimentar en un circuito que la utilice directamente, o sino en una etapa previa que la condicione (amplificando, filtrando, etc.), para que finalmente se la pueda utilizar para el control del robot. Los sensores implementados en este sistema serán de proximidad, de distancia, etc.

MOTORES

Motor de corriente continua o también llamados cc (corriente continua) son muy utilizados en robótica. Los hay de distintos tamaños, formas y potencias, pero todos se basan en el mismo principio de funcionamiento.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez, por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán\ 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. En este artículo trataremos

solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los más usados en robótica.

MÉTODOS DE PROGRAMACIÓN DE ROBOTS. CLASIFICACIÓN

Programar un robot consiste en indicar paso por paso las diferentes acciones (moverse a un punto, abrir o cerrar la pinza, etc.) que éste deberá realizar durante su funcionamiento automático. La flexibilidad en la aplicación del robot y, por tanto, su utilidad dependerá en gran medida de las características de su sistema de programación.

En la actualidad no existe normalización alguna en cuanto a los procedimientos de programación de robots. Por el contrario, cada fabricante ha desarrollado su particular método, válido únicamente para sus propios robots. Sin embargo, existen algunos sistemas de programación que han servido de modelo para el desarrollo de otros. Tal es el caso del lenguaje AL [FINKEL-74] desarrollado por la Universidad de Stanford en los años setenta y que ha servido de referencia para muchos de los sistemas comerciales existentes. También es necesario indicar que, a pesar de la variedad de sistemas de programación existentes en el mercado, en todos ellos se dan una serie de características comunes y que se explicarán con detalle en el epígrafe 8.2.

Los escasos intentos de unificar en cierta medida los procedimientos de programación de robots no han tenido hasta la fecha el reconocimiento y la aceptación necesarios. De entre estos, tal vez el más destacable haya sido el denominado IR.DATA [REMBOLD-85] (reconocido como estándar por la VDI alemana), concebido por la Universidad de Karlsruhe como un código intermedio entre el sistema de programación utilizado y el propio sistema de programación del robot.

Existen diversos criterios para realizar una clasificación de los métodos de programación de robots. Algunas atienden a la potencia del método, mientras que otras clasificaciones hacen referencia al sistema empleado para indicar la secuencia de acciones a realizar. Este segundo criterio es más ilustrativo a la hora de dar a conocer las alternativas existentes para programar un robot, siendo por esta razón el que se va a seguir.

Según este criterio, un robot puede ser programado mediante lo que se denomina guiado o mediante un procedimiento textual, existiendo robots que conjugan ambos tipos. Este primer nivel de división admite un segundo, atendiendo a la potencia y particularidades del método de programación. Las características de

cada procedimiento de programación serán más o menos ventajosas según la aplicación a la que se destina el robot.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL

Como alternativa a la programación por guiado, el método de programación textual permite indicar la tarea al robot mediante el uso de un lenguaje de programación específico. Un programa se corresponde ahora, como en el caso de un programa general, con una serie de órdenes que son editadas y posteriormente ejecutadas. Existe, por lo tanto, un texto para el programa.

La programación textual puede ser clasificada en tres niveles: robot, objeto y tarea, dependiendo de que las órdenes se refieran a los movimientos a realizar por el robot, al estado en que deben ir quedando los objetos manipulados o al objetivo (o sub objetivo parcial) a conseguir.

En el estado actual, la programación de robots se queda materialmente en el primero de ellos (nivel robot), existiendo una gran cantidad de lenguajes de programación textual a este nivel [BONNER-82], de entre los que se pueden destacar por orden cronológico:

Se han realizado diversos intentos de desarrollar lenguajes a nivel objeto [KouTsou-81], pero las dificultades con que se han encontrado los investigadores han impedido una implementación eficiente del lenguaje. Como ejemplos pueden citarse.

REQUERIMIENTOS DE UN SISTEMA DE PROGRAMACIÓN DE ROBOTS

A pesar de la falta de normalización entre los métodos de programación de robots existentes, las necesidades comunes han originado un cierto paralelismo y

afinidad entre casi todos ellos. Esta circunstancia permite establecer una serie de características generales que se manifiestan en los elementos de programación que contienen. Tradicionalmente los requerimientos generales que se vienen estableciendo [CRAIG-89] [LOZAN0-82] [BLUME-86] para un sistema de programación de robots son los siguientes:

Entorno de programación.

Modelado del entorno.

Tipo de datos.

Manejo de entradas/salidas (digital y analógica).

Control de movimiento.

Control del flujo de ejecución del programa

Cada sistema de programación de robots da respuesta a estos requerimientos en mayor o menor grado. Así, mientras algunos no contemplan modelo alguno del entorno, otros basan totalmente su modo de funcionamiento en la existencia y mantenimiento de un detallado modelo geométrico.

Se realiza a continuación una descripción de estos requerimientos, prestando mayor atención a los que se consideran más frecuentes.

ENTORNO DE PROGRAMACIÓN

Como en cualquier lenguaje de programación convencional, es de gran importancia, para conseguir un aumento considerable de productividad de la programación, el contar con un entorno de programación adecuado a las necesidades.

Programar las acciones de un manipulador es complicado en el sentido de que en todo momento existe una interacción con el entorno, tratándose de un proceso continuo de prueba y error. Esta es la principal causa que lleva a que la mayoría de los sistemas de programación de robots sean de tipo interpretado, pudiéndose realizar un seguimiento pasó a paso de lo programado en cada momento. Se evita así el tedioso ciclo de editar-compilar-ejecutar muy costoso en tiempo.

Es pues importante y de desear que un sistema de programación de robots presente una buena capacidad de depuración y de ejecución paso a paso,

teniendo especialmente en cuenta la interacción en tiempo real que existe entre los distintos equipos de la célula con el controlador del robot. También es aconsejable la existencia de una buena monitorización continua del desarrollo del programa [VOLZ-88].

Algunos de los sistemas de programación actuales se soportan sobre sistemas operativos multitarea, permitiendo el control simultáneo y sincronizado de varios robots o del robot con otros sistemas (visión, transportes, ect.).

Modelado del entorno

El modelo del entorno es la representación que tiene el robot de los objetos con los que interacciona. N01malmente este modelo se limita a características geométricas: posición y orientación de los objetos, y en ocasiones a su forma, dimensiones, peso, etc.

Para definir la posición y orientación de los objetos del modelo, lo más frecuente es asignar a cada objeto de manera solidaria un sistema de referencia, de manera que la posición y orientación de este sistema referidos a un sistema base, normalmente denominado sistema del mundo, definen de manera única las del objeto.

Algunos modelos del entorno permiten establecer relaciones entre objetos [FINKEL-74] [RODRIGUEZ-94]. Éstas establecen la posible unión física entre los objetos. Dos objetos pueden ser independientes (el movimiento de uno no afecta al otro), tener dependencia de unión rígida (el movimiento de uno implica el del otro y viceversa) o tener una dependencia de unión no rígida (el movimiento de uno implica el del otro, pero no al revés). Este modelo relacional, una vez definido es actualizado de manera automática durante la ejecución del programa mediante una estructura arborescente (Figura 8.5), simplificando notablemente la tarea del programador.

TIPOS DE DATOS

Un sistema de programación de robots cuenta, además de con los tipos de datos convencionales (enteros, reales, booleanos, etc.) con otros específicamente destinados a definir las operaciones de interacción con el entorno, como son, por ejemplo, los que especifican la posición y orientación de los puntos y objetos a los que debe acceder el robot. Como ya se vio en el Capítulo 3, correspondiente a herramientas matemáticas, la posición y orientación espacial de un objeto puede ser especificada de diversas formas.

Utilizando coordenadas articulares o del robot: mediante una n-upla (q¡...qn), donde n es el número de grados de libertad del robot, que indica los valores articulares que debe tomar el robot para posicionar y orientar su extremo como el objeto en cuestión.

Utilizando coordenadas cartesianas o del usuario: en este caso, una vez asociado un sistema de referencia de coordenadas {S¡} al objeto, su posición se describe por las coordenadas cartesianas del origen de {S1 }, (px, py, pz) mientras que la orientación admite diferentes tipos de representación:

Ángulos de Euler: (cx ,B,y ).

Cuatemios: (cose12, hx sene12, hy sene12, hz sene12).

Matriz noa:

La representación conjunta de posición y orientación del extremo del robot se consigue agrupando las tres coordenadas de posición con alguno de los métodos de representación de la orientación. Los diferentes sistemas de programación existentes emplean una o varias de estas representaciones:

MANEJO DE ENTRADAS-SALIDAS

La comunicación del robot con otras máquinas o procesos que cooperan con él, es fundamental para conseguir su integración y sincronización en los procesos de fabricación. Esta comunicación se consigue, en el nivel más sencillo, mediante señales binarias de entrada y salida. Mediante ellas el robot puede decidir comenzar una determinada acción o indicar a un dispositivo externo que comience la suya.

Para el manejo de las salidas binarias el robot posee instrucciones de activación o desactivación de las mismas. En cuanto a las entradas, el robot tiene capacidad de leerlas y controlar el flujo del programa en función de su valor, como esperas o saltos condicionados. Algunos sistemas incluyen la posibilidad de comenzar

automáticamente su ciclo de trabajo cuando le llega una señal binaria determinada.

Una utilización especial de las entradas binarias es la generación de interrupciones. En estos casos una determinada señal o una combinación lógica de las mismas, se monitoriza de manera automática. Si la citada condición se verifica, la unidad de control del robot ejecuta una rutina especial, interrumpiéndose el flujo normal del programa. Esta interrupción puede realizarse inmediatamente (incluso en mitad del movimiento del robot), cuando finaliza la ejecución de la instrucción en curso (al finalizar el movimiento), o cuando finaliza el ciclo de trabajo fijado por el programa (al finalizar la secuencia).

Una utilización a mayor nivel de la comunicación del robot con su entorno lo constituye el empleo de comunicaciones mediante red local o conexión punto a punto (normalmente mediante línea serie asíncrona). Esta comunicación permite integrar al robot en un sistema informático general controlando o supervisando su funcionamiento desde un computador externo. Ejemplos de sistemas con esta posibi lidad son los sistema RAPID de ABB y VAL II de Staübli.

Otra aplicación importante de las entradas-salidas del robot, ya sean digitales o analógicas, es la integración de sensores, incorporando la información de éstos al desarrollo de la tarea. Los sensores permiten ante todo realizar determinadas aplicaciones en un entorno no conocido de forma total sin tener que hacer uso de herramientas especiales. La información proporcionada por los sensores puede utilizarse en la programación de robots de muy diversas formas, entre las que se pueden destacar las siguientes:

Modificar la trayectoria.

Elegir entre diversas alternativas.

Obtener la identidad y posición de objetos y sus características.

Cumplir con restricciones externas.

CONTROL DEL MOVIMIENTO DEL ROBOT

Indudablemente, un método de programación de robots debe incluir la posibilidad de especificar el movimiento del robot. Además del punto de destino, puede ser necesario especificar el tipo de trayectoria espacial que debe ser realizada, la velocidad media del recorrido o la precisión con que se debe alcanzar el punto destino. Incluso en ocasiones puede ser necesario indicar si el movimiento debe realizarse en cualquier caso o debe estar condicionado a algún tipo de circunstancia, procedente, por ejemplo, de la medida proporcionada por un sensor.

Tal y como se vio en el Capítulo 6 dedicado al control cinemático, las trayectorias de un robot pueden ser punto a punto, coordinadas o trayectoria continua, englobando este último caso a la línea recta, interpolación circular y otras.

En cuanto a la especificación de la velocidad, suele ser frecuente indicarla en la propia instrucción de movimiento como tanto por ciento de una velocidad base definida aparte. De este modo se facilita la alteración de la velocidad de todo el programa o de una parte de él sustituyendo una única instrucción.

En muchas ocasiones, el movimiento del robot en un entorno con obstáculos obliga a la utilización de una trayectoria en línea recta, para así asegurar que el robot no colisione con ninguno de ellos. No obstante, muchos sistemas de programación disponen de los denominados puntos de paso o via points, para resolver este tipo de situaciones. El modo en que una determinada configuración (posición y orientación) se define como punto de paso, está relacionado con la especificación de la precisión con que se desea que el robot alcance dicho punto. El control (cinemático-dinámico) del robot, recibe las referencias de posición procedentes del programa, no admitiendo una nueva referencia hasta que el extremo del robot no alcanza la referencia en vigor con la precisión indicada. De este modo, si la precisión con la que se desea alcanzar una determinada configuración se define como baja, el extremo del robot se encaminará hacia la configuración siguiente sin haber llegado a la anterior y sin tener que disminuir apenas su velocidad. El resultado final es que el movimiento gana en continuidad y velocidad a costa de perder una precisión innecesaria en esos puntos de paso (Figura 8.6).

Se ha de tener en cuenta también la posibilidad de que el robot al recorrer la trayectoria generada tenga que pasar por un punto singular, ya sea porque los valores de sus ejes no estén definidos de forma biunívoca o porque alguno de ellos deba de alcanzar una velocidad excesiva para mantener la posición, orientación y velocidad deseadas del extremo. Algunos sistemas, como el RAPID [ABB-94], permiten especificar qué tipo de interpolación se debe utilizar de forma

general durante la ejecución de una trayectoria cuando se ha de pasar por estos puntos singulares.

La consideración de las señales captadas por los sensores en la especificación de los movimientos del robot, puede hacerse a varios niveles. Una primera posibilidad responde a la interrupción del movimiento del robot por verificarse algún tipo de condición externa programada. Esta posibilidad ya comentada en el manejo de Entrada-Salida se suele denominar movimiento protegido o monitorizado (guarded motions).

La segunda alternativa, implica la modificación del movimiento, en cuanto a la situación de destino o velocidad, según la información captada del entorno. De este modo el movimiento del extremo del robot queda alterado, adaptándose a las necesidades de un entorno cambiante o parcialmente indeterminado. Estos movimientos se conocen como acomodaticios (compliant motions). En la práctica los movimientos monitorizados se implementan mediante el uso de interrupciones, mientras que los acomodaticios se realizan mediante el uso de funciones especiales (función ALTER en VAL II o V+).

PROGRAMACIÓN

Para poder llevar a cabo la ejecución de programas en un robot, se requieren 4 elementos:

1. Diagrama de puntos: representación gráfica que contiene la información referente a la localización de cada punto, muestra el área en la cual el robot se desplazará de acuerdo a la programación asignada.

2. Algoritmo de programación: secuencia de actividades que se desea realice el robot expresadas en lenguaje cotidiano.

3. Puntos: localizaciones o posiciones físicas por las cuales el robot debe conducirse de acuerdo a la secuencia asignada en el programa.

4. Programa: secuencia de actividades que se desea realice el robot expresadas en el lenguaje de programación correspondiente.

ALGORITMOS DE ROTACIÓN O GIRO.

Los algoritmos de giro son generalmente los más complejos y por lo tanto los más costosos en tiempo de procesado. Debido a esto, sólo se utilizan cuando es posible obtener una posición de giro que simplifique más posteriores procesos.

Dado un punto IMB(i,j) y se rota θ grados, las coordenadas i’ y j’ del nuevo punto serán:

Filtros FIR Y filtros IIR

El filtrado digital de señal mediante filtros FIR (filtros de respuesta impulsional finita) y filtros IIR (filtros de respuesta impulsional infinita) también se pueden aplicar a imágenes. La forma de hacerlo consiste en aplicar la convolución4 (equivalente al producto en el dominio de la frecuencia) de una matriz bidimensional, formada por los coeficientes del filtro, con la matriz de la imagen a filtrar.

A continuación, se verán diferentes filtros que consisten en la convolución4 bidimensional de una matriz de coeficientes con los valores de luminancia de los puntos que rodean al pixel que se desea calcular. [15]

Por ejemplo, un filtro constituido por una matriz:

Matriz de 3x3

4Es un operador matemático que transforma dos funciones f y g en una tercera función que en cierto sentido representa la magnitud en la que se superponen f y una versión trasladada e invertida de g.

PROMEDIADORES DE ÁREA

Son filtros paso-bajos que se utilizan fundamentalmente para reducir el ruido de alta frecuencia que se produce en una imagen. Para utilizarlos hay que jugar con el tamaño de la matriz y el número de veces que se realiza el filtrado. Si el tamaño o el número de pasadas es elevado el efecto del filtro será mayor pero se los bordes quedarán muy difuminados.

Existen múltiples matrices de convolución. A continuación se muestran las más comunes:

Matrices de convolucion

ÁREA DEL OBJETO

Para realizar la medida del área de un objeto, se utiliza el vector que define su contorno. El área se va a definir como el número de pixeles que están dentro del contorno.

Uno de los métodos más rápidos, consiste en contar el número de pixeles que hay en cada fila de puntos del objeto como a continuación se muestra:

2.7 BOSQUEJO DEL MÉTODO.

Motor de corriente continua o también llamados cc (corriente continua) son muy utilizados en robótica.

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez, por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán\ 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. En este artículo trataremos solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los más usados en robótica.

Para una persona discapacitada muchas veces le es imposible alcanzar dichos objetos, ya que están en repisas, o muy por debajo de lo que ellos pueden alcanzar, dicho problema también se puede enfocar en que no puedan desplazarse libremente por su hogar o patio, ya que con la tierra se llegan a atorar sus llantas y les es muy difícil avanzar.

Con un diseño fuera de lo común que es su silla de ruedas, se desea diseñar una silla ergonómica. Esto le ayudará a la persona a desplazarse a cualquier parte

de su hogar así como de su patio. Ya que contará con un motor que le dará la potencia necesaria para que este mismo avance sin que el ejerza fuerza.

Para el problema del alcance de objetos, al carro se le implementará un brazo robótico que será fácil de manipular por medio de un joystick. Este brazo será controlado por la persona y así el podrá alcanzar las cosas que el desee, dicho brazo se moverá en diferentes direcciones, tanto como derecha/izquierda, arriba/abajo, ofreciéndole así una oportunidad de sentirse independiente.

DISEÑO UTILIZADO.

Se diseñará una silla al estilo ergonómico para el fácil desplazamiento por lugares a los que las llantas de una silla común, le es difícil acceder.

Adaptaciones de acceso, como los espacios de sillas de ruedas en el transporte público y ascensores para sillas de ruedas tienden muchas veces en torno a una silla de ruedas manual típico. Nuestra silla, sin embargo, con frecuencia exceden los límites de tamaño y peso de las sillas de ruedas manuales, ya que no están limitadas por la capacidad del usuario de autopropulsión. Algunos diseños son demasiado grandes o pesados para determinados espacios de sillas de ruedas y ascensores. Sin embargo, hay nuevos diseños e innovaciones que tratan de superar estos problemas.

PARA EL BRAZO ROBÓTICO

Un Robot está constituido por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la gran parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, es decir, que poseen ciertas características del brazo humano, por lo que en ocasiones a los distintos elementos que componen el robot se les denomina en términos como cuerpo, brazo, codo muñeca. Cada articulación provee al robot de al menos un grado de libertad‘, o bien, cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos.

EI número de grados de libertad de una cadena cinemática puede ser obtenido mediante la fórmula de Grübler1, según la cual: NGDL=(γ ∙ n−1 )−2 ∙ f 1[1]

Dónde: γ: GDL del espacio de trabajo (tres en el plano, seis en el espacio).

n: Número de eslabones (debe incluirse el eslabón fijo o base).

f1: Número de pares de 1 GDL.

Los robots manipuladores son, en la mayor parte de los casos, cadenas cinemáticas abiertas con las articulaciones de tipo rotación o prismática (con un solo GDL cada una), siendo por lo general sencillo encontrar el número de grados de libertad del robot, pues coincide con el número de articulaciones de que se compone.Un sistema robótico está formado a base de mecanismos y por lo tanto es necesario un previo conocimiento de teoría básica de mecanismos antes de describir las herramientas matemáticas y mecánicas necesarias para su análisis. Una articulación, también conocida como par cinemático, es una conexión entre dos eslabones mediante sus nodos que permite un movimiento relativo entre ellos. Puede ser clasificada por el número de grados de libertad, el cual es denotado

También llamada de Kutzbach-Grübler es una expresión para la aplicación del criterio del mismo nombre que permite obtener el grado de movilidad de un mecanismo. El criterio consiste simplemente en realizar una diferencia entre los grados de libertad de los eslabones del mecanismo y las restricciones impuestas por los pares cinemáticos.

Como f, o bien por su orden, es decir, el número de eslabones que conecta. Las articulaciones elementales poseen un tipo de movimiento o grado de libertad y pueden ser rotacionales (de revolución) o lineales (prismáticas): una articulación de revolución (r) es como una bisagra ya que permite la rotación relativa entre dos elementos rígidos, y es la más comúnmente empleada. Es posible calcular los grados de libertad para un mecanismo mediante síntesis numérica: primero debe reconocerse que un cuerpo rígido libre en el espacio tiene seis grados de libertad. Deberán conocerse tres desplazamientos lineales y tres rotaciones angulares para determinar su posición en el espacio. De aquí que n cuerpos sin restricciones de movimiento tendrán 6n grados de libertad (Ecuación 1). [2]

M=6 (n−1 )−∑I=1

j

(6−f i )=6 (n−1 )−∑I=1

j

(6 )+∑I=1

j

f i=6 (n−1 )−6 j+∑i=1

j

¿¿¿¿¿

M=6 (n− j−1 )+∑I=1

j

( f i )

(Ecuación para calcular los grados de libertad mediante síntesis numerica)

2.10 FUENTES CONSULTADAS.

Bibliografía

( (2001)).

Bibliografía

( (2001)). balestrini, m. . En c. s. caracas.. 5ta edición.

Componentes electrónicos para la robótica y los microcontroladores, placas de. (2002). robotica y microcontroladores.

el siglo xviii constituye la época del nacimiento de la robótica industrial. (1998). robótica.

guide, p. l. (15 de ENERO de 2002). programmable logic devices datebook and design guide. Obtenido de programmable logic devices datebook and design guide.

investigación, L. e. ( 20 de febrero de 2006). www.monografias.com/trabajos/elabproyec/elabproyec.shtml. Obtenido de www.monografias.com/trabajos/elabproyec/elabproyec.shtml.

logic, p. (22 de MARZO de 1990). programable logic. Obtenido de programable logic.

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wikipedia, t. l. (s.f.). en la ciencia ficción las tres leyes de la robótica son un conjunto de leyes...

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