lectura 1 introducción a la robótica

INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA INDUSTRIAL

Prof. Dr. Oscar Avilés.

INTRODUCCIÓN A ROBOTSMANIPULADORES



INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

Prof. Dr. Oscar F. Avilés S.

Oficina: Grupo de Inv. Davinci D207 Horario de atención: L - V am e-mail: [email protected]

Resumen: Modelado matemático de sistemas robóticos articulados,brazos robóticos, aplicaciones, construcción, modelo cinemático directoy modelado cinemático inverso, modelo dinámico directo e inverso.

Bibliografía:Notas de Aula, Craig, Vidyasagar, González



Guerra de las Galaxias (2007)



Terminator (1984)



Robot Kuka



Definición



Justificativas de la Automatización

Exigencia de mayor calidad a más bajo precio;

Diversidad de productos: varias opciones generalmentedefinidas por los clientes, en un mercado altamente disputado yglobalizado;

Densidad de componentes por producto, recorriendofrecuentemente a la miniaturización;

Ciclo de vida de los productos es muy corto.



Justificativas de la automatización



La zona de aplicación de la robótica industrial



Un robot es …

Un MANIPULADOR MECANICO que está constituido por lacombinación de elementos estructurales rígidos (cuerpos o ejes)conectados entre sí a través de articulaciones (juntas), siendo el primercuerpo denominado base y el último extremidad terminal, donde serávinculado el componente efector (garra o herramienta).



Elementos constituyentes

Base: Soporta todas las fuerzas y torques. Contiene la posición de referencia .

Ejes: Ejecuta movimientos rotacionales o lineales. Recibe las fuerzas y torques del próximo eje o de la Herramienta Transmite las fuerzas y torques para el próximo eje o para la base del robot

Herramienta: Recibe todas las fuerzas y torques de la herramienta del Robot. Transmite las fuerzas y torques para el eje. Recibe las herramientas del Robot.



Otros elementos de um sistema robótico



Analogía- Sistema Bioinspirado



Algunas áreas de aplicación

Exploración – NASA, Submarina, Pirámides egipcias Tareas peligrosas – Tareas con elementos tóxico o nucleares,

operaciones con fuego Mantenimiento – Inspección y reparación de tuberías Medicina – Laboratorios automatizados para pruebas, cirugía Tele-presencia y entrenamiento de realidad virtual. Departamento de Defensa – Vehículos guiados automáticamente Domestica – Asistentes y seguridad Agricultura – Máquinas recolectoras Entretenimiento – Sony Aibo, Lego Mindstorms, Competencias

de Robots Investigación Académica



Algunas áreas de aplicación



Cadena cinemática definición de articulación – eslabón

Cadena cinemática consiste de vários cuerpos rígidos (links) los cuales son conectados pormedio de articulaciones (pares cinemáticas) y en los cuales se puede especificar un movimientorelativo entre ellos.

Cadena cinemática cerrada - Cada uno de los links enla cadena cinemática es conectado a cualquier otro linkpor lo menos en dos caminos

Cadena cinemática abierta - Cada uno de los links enla cadena cinemática es conectado a cualquier otro linkpor solo un único camino



Articulaciones anatómicas



El efector final

Al final de la cadena cinemática se encuentrael gripper o efector final, o herramientaterminal.

En función de la tarea a ser realizada o de laaplicación del efector ese puede ser unaherramienta especializada, una herramienta desoldadura, etc



Grados de libertad

El número de grados de libertad que un manipulador posee es el númerode variables de posición independientes con las cuales puede serespecificado en el sentido de todas las partes del mecanismo. Idealmente,un manipulador puede poseer 6GDL (DOF) para lograr manipular unobjeto en el espacio 3D

• Robot de propósito General # DOF = 6• Robot Redundante- # DOF >7• Robot Deficiente - # DOF < 6



Grados de libertad



Grados de libertad robot móvil



Grados de libertad brazo humano



Definición de espacio de trabajo

Espacio de Trabajo – Volumen del espacio que el efector final puedealcanzar.

Espacio de Trabajo alcanzable - Volumen del espacio en el cual cadauno de los puntos puede ser alcanzado por el efector con una únicaorientación.

Espacio de Trabajo diestro - Volumen del espacio en el cual cada unode los puntos puede ser alcanzado por el efector con todas las posiblesorientaciones.



Tipos de juntas



Tipos de juntas

Cartesiana: tres articulaciones prismáticas PPP

Cilíndrica: dos articulaciones prismáticas y una de rotación RPP

Polar o esférica: dos articulaciones de rotación y una prismáticaRRP

Angular es una estructura con tres articulaciones de rotación RRR

SCARA es una estructura especial RRL



Elementos constituyentes de un robot industrialSistema de Transmisión

Componentes de transmisión más usados:Engranajes: dientes rectos, helicoidales, cremallera y piñón, cónicas.Tornillo de bolas re circulantes, correas y poleas dentadas, cadenas,cables, cintas de acero, engranajes planetarios y engranajes armónicos



Elementos constituyentes de un robot industrialActuadores

Son componentes que convierten energía eléctrica, hidráulica oneumática, en potencia mecánica.

Actuadores Hidráulicos•Permiten la implementación de control continuo y preciso deposicionamiento y velocidad debido a la incompresibilidad del fluido (óleohidráulico), resultando en una elevada rigidez, sin embargo esto puede tornarinestable el control de fuerza.•Presenta elevada relación entre la potencia mecánica transmitida por elactuador y su peso, lo que posibilita la construcción de unidades compactas dealta potencia.•Una bomba es utilizada para suministrar el óleo hidráulico para el actuadorhidráulico a través de las válvulas direccionales.





Actuadores Neumáticos• Son utilizados en robots industriales que operan con transporte de cargasentre posiciones bien definidas limitadas por obstáculos mecánicos, lo quecaracteriza el movimiento punto-a-punto.• La baja rigidez de estos actuadores debido a la compresibilidad del fluido(aire comprimido), permite que sean obtenidas operaciones suaves, sinembargo esta característica lo torna poco preciso en cuanto, al control deposicionamiento entre las posiciones límites.• La naturaleza binaria del movimiento de estos actuadores (posición extendidao retraída) implica un control simple y de bajo costo.





Actuadores Eléctricos• Los actuadores electromagnéticos son los más utilizados en robots,principalmente actuadores del tipo motores de corriente continua y depaso• Cuando asociados a sensores pueden ser empleados tanto para elcontrol de fuerza como de posición del robot;• La programación de sus movimientos es relativamente simple, ya queestos pueden ser controlados por señales eléctricas, permitiendo de estaforma el uso de controladores de movimiento.



Elementos constituyentes de un robot industrialUnidad de potencia

• Responsable por el suministro de potencia necesario para losactuadores.

• Ejemplos de unidades de potencia asociadas a los actuadores: Bomba hidráulica (actuador hidráulico), Compresor (actuador neumático) Fuente eléctrica (actuador electromagnético).



Elementos constituyentes de un robot industrialSensores

• Suministran parámetros sobre el comportamiento del manipulador,generalmente en términos de posición y velocidad de los ejes en función deltiempo, y del modo de interacción entre el robot y el ambiente donde opera(fuerza, torque, sistema de visión) a la unidad de control.• Las juntas utilizadas para vincular los ejes de un robot sonnormalmente acoplados a sensores.



Elementos constituyentes de un robot industrialUnidad de Control

• Responsable por el gerenciamiento y monitorización de los parámetrosoperacionales requeridos para realizar las tareas del robot.

• Comandos de movimientos originados de controladores de movimiento(computador industrial, CLP, placa controladora de paso) y basados eninformaciones obtenidas a través de sensores.



Elementos constituyentes de un robot industrialEfector

• Es el elemento de unión entre el robot y el medio que lo rodea. Puede ser deltipo garra o herramienta.• Función principal: Sujeción de un determinado objeto y transporte a unaposición pre establecida y luego de alcanzar esta posición, soltarlo.• La herramienta tiene como función realizar una acción o trabajo sobre unapieza, sin necesariamente manipularla.



Elementos constituyentes de un robot industrialEfector

• Es el elemento de unión entre el robot y el medio que lo rodea. Puede ser deltipo garra o herramienta.• Función principal: Sujeción de un determinado objeto y transporte a unaposición pre establecida y luego de alcanzar esta posición, soltarlo.• La herramienta tiene como función realizar una acción o trabajo sobre unapieza, sin necesariamente manipularla.

Para efecto de comparación, se observa que:• Una garra con dos dedos puede manipular con éxito aproximadamente 40%de los objetos de las más diferentes formas.• Una garra con tres dedos podría manipular 90% de todos objetos, y• Una configuración con cuatro dedos podría manipular en torno de 99% deestos objetos (MATSUOKA, 1995).

ANALOGÍA CON LA MANO HUMANA



Y entonces …



Definición de tarea de posicionamento



Cinemática directa



Cinemática inversa



Transformación de velocidad



Transformación de fuerza



Dinámica directa



Dinámica inversa



Generación de trayectorias



Control de posición



Control de fuerza



Preguntas?



Gracias

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