dpt. teoría de la señal, telemática y comunicaciones tema 1 · 5. capacidad sensorial externa....

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Tema 1Dpt. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones

INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

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Secciones

1. Introducción y definiciones.2. Visión General de la manipulación

mecánica.1. Posicionamiento y Cinemática2. Dinámica de Manipuladores.3. Planificación de Trayectorias.4. Control de Movimientos.5. Capacidad Sensorial Externa.

3. Estructuras de Robots

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1. Introducción y Definiciones

• ¿Qué es un Robot?Robota = Trabajo.Origen: Necesidad de flexibilizar los procesos de producción.Manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programables y variables que permitan llevar a cabo tareas diversas.

• Primer Robot Industrial:George Devol en 1960.Desarrollo durante los años 70, paralelamente al desarrollo del microprocesador.

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• Estructura:Enlaces.Articulaciones.Efector Final.Muñeca*.

a) Robot Cincinnati Milacron b) Robot serie PUMA

• Especificaciones de operación:Repetibilidad: error al volver a una posición.Resolución: movimiento de paso más corto.Capacidad de carga.

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• Característica Fundamental:Manipulador reprogramable.

• Inicialmente los robots se limitaban a repetir una cierta secuencia de movimientos aprendida.

Actualmente se les intenta dotar de cierta inteligencia.

• Objetivos de la robótica: mejora de la productividad y calidad ($$$).

Mayor velocidad.Elevado tiempo de funcionamiento sin fallos.Mantenimiento reducido.

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• Áreas de la robótica:Manipulación mecánica.Locomoción.Interacción Entorno-Maquina.Inteligencia Artificial.

• Nos centraremos fundamentalmente en la manipulación mecánica (clásico). Implica:

Mecánica.Control.Informática.

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2. Manipulación mecánica

• ¿En que consiste?

• ¿Problemas a resolver?

Situar al robot en una serie de posiciones de acuerdo con las ordenes de movimiento dadas y las condiciones de trabajo.

• Posicionamiento y Cinemática.

• Dinámica de Manipuladores.

• Planificación de Trayectorias.

• Control de movimientos.

• Capacidad sensorial externa.

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2.1. Posicionamiento y Cinemática

• Posicionamiento: Estudio de posiciones de objetos en el espacio tridimensional.

• Posicionamiento de un objeto:

• Posición• Orientación

• Herramienta: Sistemas de referencia.Transformaciones homogéneas.

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• Cinemática: Estudio de las características geométricas de los sistemas robóticos.

• La geometría del robot es cambiante. Articulaciones:Lineal o prismática.Rotacional.Torsión (revolución)

• Movimiento y ejes. Lineal Rotacional

Torsión Revolución

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• Objetivo. Conocer la posición del efector final (EF) (pinza, soldador, etc.)

Volumen de trabajo: Conjunto de puntos accesibles por el EF.• Orientación no limitada vs Orientación limitada.

• Grados de libertad: Número de variables de posición independientes. Nº Articulaciones

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• Problema Cinemático Directo (PCD).Hallar la posición y orientación del EF respecto a la base en función de las variables de articulación θi.

Ecuaciones Cinemáticas:Posición = fpos({θi})

Orientación = for({θi})

Método: Denavit-Hartenberg

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• Problema Cinemático Inverso (PCI).Operación Inversa. Hallar las variables de articulación θi para alcanzar una determinada posición.

Mas relevante que el anterior.

Pero más difícil:• Resolución ecuaciones no lineales (aparición de funciones

trigonométricas).• Existencia de soluciones (Volumen de trabajo!).• Multiplicidad de soluciones.

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2.2. Dinámica de Manipuladores.

• La cinemática atiende a las posiciones pero ignora las fuerzas que hacen posible llegar a dichas posiciones.

• Ecuaciones dinámicas:

Fuerza = f (aceleraciones, velocidades, posiciones)

• Utilidad: Control y Simulaciones.

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2.3. Planificación de Trayectorias.

• Trayectoria: Camino que describe el EF en el espacio al realizar el movimiento.

θi = θi (t) ∀ i

• Objetivos planificación:Evitar obstáculos.Evitar movimientos bruscosy/o en zigzag (maximizarproductividad).

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2.3. Planificación de Trayectorias.

• Características de la trayectoria:θi función de variación suave en el tiempo.Todas las articulaciones comienzan y acaban el movimiento simultáneamente.

• Planificación de la trayectoria: generación de las funciones de movimiento.

• Tipos:Trayectorias cartesianas: Dominio cartesiano (coordenadas).Trayectorias interpoladas: Dominio de las variables de articulación (puntos intermedios).

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2.4. Control de Movimientos.

• Generación del movimiento: mediante aplicación de fuerzas (lineales) o pares de ellas (rotacionales) en las articulaciones.

• Control de movimiento: cálculo de los pares necesarios para conseguir posiciones y velocidades requeridas.

• Características adicionales: compesación de errores y perturbaciones.

Planificador de Trayectorias

Algoritmo de Control

Motor CC +Respuesta Dinámica

Sensores

+ -Posición deseada error tension CC

posición real

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2.5. Capacidad Sensorial Externa.

• Tipos de sensores:Internos: componentes del sistema de generación y control de movimientos.Externos: dotan al sistema robótico de capacidad sensorial para interactuar con el entorno de forma autónoma.

• Ejemplos:Subsistemas de visión (cámaras).Sensores de obstáculos (ultrasonidos, interruptores).Subsistemas de posicionamiento (GPS, Zigbee).Sensores de fuerza.…

• Fuerte relación con Inteligencia Artificial:Conocer el entorno no implica saber interactuar con él.

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2.6. Programación.

• El lenguaje de programación de robots sirve de interfaz a los usuarios.

Baja complejidad.Sencillo y directo.Generalmente visual.Capacidad de funcionamiento off-line: simular movimientos sin necesidad de la presencia física del robot ($$$).

• Ejemplos: Scorbase y ACL.

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• Clasificación por la interconexión de los enlaces:

Robot Serie-Paralelo GEC-Gadfly

Tipo paralelo: • Elementos mecánicos independientes

entre si.• Movimiento poco intuitivo.

Tipo serie:• Enlaces consecutivos unidos entre sí

por articulaciones.• Acumulación de errores.• Primeras articulaciones: fijan el área

de trabajo.• Últimas articulaciones (muñeca):

movimientos pequeños dentro del área de trabajo.

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• Configuraciones típicas:

Robots cartesianos.• Articulaciones lineales en ejes

cartesianos.• Sencillez de uso.• Ocupan mucho espacio.• Poca capacidad de

movimiento.

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Robots giratorios.• Estilo antropomórfico.• Control complejo (coordenadas

cartesianas vs variables articulación.

• Gran volumen de trabajo y amplias posibilidades de movimiento.

Robot PUMA 500 de Unimation

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Robots mixtos Giratorio-Prismáticos.

• Menor dificultad de control.• Amplio volumen de trabajo.

Robot tipo SCARA (UMI-RTX)

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