robótica sensores, actuadores, instrumentación en robótica prof. gerardo fernández prof. juan...

RobóticaRobótica

Sensores, Actuadores, Sensores, Actuadores, Instrumentación en RobóticaInstrumentación en Robótica

Prof. Gerardo FernándezProf. Gerardo Fernández

Prof. Juan Carlos GriecoProf. Juan Carlos Grieco

EL Robot Industrial EL Robot Industrial

Manipulador

Sensores internos

Potencia

Sensores externos

Controlador

Entrada/salida

COMPONENTES BASICOS DE UN COMPONENTES BASICOS DE UN ROBOT MANIPULADORROBOT MANIPULADOR

Eslabones y articulaciones

Transmisión Reductor

Actuadores

Amplificadores

Controladores

Sensores

Manipulador

Unidad de Potencia

Controlador

Sistema Sensorial

Componentes Componentes mecánicos mecánicos ARTICULACIONESARTICULACIONES

ACTUADORESACTUADORES

TRANSMISIONES Y REDUCTORESTRANSMISIONES Y REDUCTORES

FRENOSFRENOS

SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento terminalterminal

ARTICULACIONESARTICULACIONES– 1 grado de libertad1 grado de libertad

Componentes Componentes mecánicos mecánicos

RotacionalRotacional PrismáticaPrismática

CilíndricaCilíndrica PlanarPlanar EsféricaEsférica

– 2 y 3 grados de libertad2 y 3 grados de libertad




FRENOSFRENOS


Los actuadores: Los actuadores: Motores DCMotores DC

F = (I x B)


VaIa

La Ra

m m

+

-Vb

+

-

Vb= K m

m = K Ia

t

Vel

t

Pos


Motor Maxon

Los actuadores: Los actuadores: Motores de pasoMotores de paso

El giro del rotor se produce de forma discretaEl giro del rotor se produce de forma discreta La rotación se produce mediante La rotación se produce mediante

desplazamientos del rotor desde una posición de desplazamientos del rotor desde una posición de equilibrio a otra posición de equilibrio. equilibrio a otra posición de equilibrio.

Los hay de tres tipos:Los hay de tres tipos:

Reluctancia VariableReluctancia Variable

De imán permanenteDe imán permanente

Híbridos…Híbridos…

El motor de paso: Principio El motor de paso: Principio de funcionamientode funcionamiento

rotor elen polos de número el es y

estator elen polos de número el es

/

360

r

s

rs

rs

rs

rs

N

N

donde

NNNN

VueltaPasos

NN

NNPaso

El motor de paso: Principio El motor de paso: Principio de funcionamientode funcionamiento

Los actuadores: Los actuadores: Motores de pasoMotores de paso VENTAJAS:VENTAJAS:

– Se opera en Se opera en lazo abiertolazo abierto– Precisiones altas de posicionamiento a bajas velocidadesPrecisiones altas de posicionamiento a bajas velocidades– El motor ofrece alto torque para velocidades angulares bajasEl motor ofrece alto torque para velocidades angulares bajas– No necesita codificador o tacómetroNo necesita codificador o tacómetro– Bajo mantenimientoBajo mantenimiento

DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:– Si no hay lazo de control de posición, el motor puede parar (por Si no hay lazo de control de posición, el motor puede parar (por

causas no deseadas) y no haber alcanzado la posición finalcausas no deseadas) y no haber alcanzado la posición final– Pueden existir errores de posición al tratar de mover el rotor Pueden existir errores de posición al tratar de mover el rotor

demasiado rápido (fenómeno de “dropped steps”)demasiado rápido (fenómeno de “dropped steps”)– El movimiento “a pasos” puede generar oscilaciones en el El movimiento “a pasos” puede generar oscilaciones en el

manipuladormanipulador

Actuadores: Actuadores: Motores Motores HidráulicosHidráulicos

BombaHidráulica

Controlador

Servo Válvula

Motor

Los actuadores: Los actuadores: Motores Motores HidráulicosHidráulicos

VENTAJAS:VENTAJAS:- Mueven cargas muy grandes.- Presenta una gran relación par/peso.- Rápidos en desplazamientos lineales. - Son muy baratos.

DESVENTAJAS:DESVENTAJAS: - Difíciles de mantener. - Propensos a fugas contaminantes.




FRENOSFRENOS


TRANSMISIONES y TRANSMISIONES y REDUCCIONESREDUCCIONES

El movimiento de una articulación se puede El movimiento de una articulación se puede realizar de dos manerasrealizar de dos maneras

Accionamiento directoAccionamiento directo Accionamiento indirecto o por Accionamiento indirecto o por transmisióntransmisión

Simplicidad mecánicaSimplicidad mecánicaMayor complejidadMayor complejidad

Pero…podemos convertir el movimiento…disminuir la Pero…podemos convertir el movimiento…disminuir la inercia, adaptar el par y la velocidad etc…inercia, adaptar el par y la velocidad etc…

REDUCTORES Y ELEMENTOS REDUCTORES Y ELEMENTOS TRANSMISORESTRANSMISORES

Estos elementos toman el par y la velocidad proporcionados por un actuador acoplado al eje de entrada y lo transforman y envían al eje de salida.

La transformación puede suponer aumento o disminución tanto del par como de la velocidad y los ejes de entrada y salida pueden ser paralelos, concéntricos, perpendiculares, etc.

Motor

Articulación RobotElemento

Transmisor

TRANSMISIONESTRANSMISIONES

Las más empleadas en robótica son:Las más empleadas en robótica son:

Cadenas: Transmiten movimiento circular de un eje a Cadenas: Transmiten movimiento circular de un eje a otrootro

Problemas de ruidoProblemas de ruidolubricaciónlubricación

Grandes paresGrandes paresNo hay deslizamientoNo hay deslizamientoMantiene el sentido de Mantiene el sentido de giro.giro.

Cables: Similar a la cadena…pero pueden tener Cables: Similar a la cadena…pero pueden tener deformacionesdeformaciones

TRANSMISIONESTRANSMISIONES

Correas : Similar a la cadena…pero algunas utilizan la Correas : Similar a la cadena…pero algunas utilizan la fricciónfricción

Son menos ruidosas pero tienen menor parSon menos ruidosas pero tienen menor par

Enlaces rígidos: permiten convertir el movimientoEnlaces rígidos: permiten convertir el movimiento

Circular-circularCircular-circular Circular-linealCircular-lineal

Características:Características:

-.Realizan la misma función de -.Realizan la misma función de reducción o amplificación que los reducción o amplificación que los engranajes.engranajes.-.Mantiene el sentido de giro.-.Mantiene el sentido de giro.- Permiten la transmisión de - Permiten la transmisión de movimiento y par sobre grandes movimiento y par sobre grandes distanciasdistancias- Si la correa es dentada evita los - Si la correa es dentada evita los deslizamientos.deslizamientos.- Tienen una pequeña elasticidad.- Tienen una pequeña elasticidad.

REDUCTORESREDUCTORES

Permiten además de convertir movimientos, adecuar Permiten además de convertir movimientos, adecuar

la velocidad y el par deseadola velocidad y el par deseado

Trenes de engranajesTrenes de engranajes Un engranaje es un dispositivo de conversión de Un engranaje es un dispositivo de conversión de

movimiento rotatorio a movimiento rotatorio.movimiento rotatorio a movimiento rotatorio.

Consideraremos que un engranaje es ideal cuando: Consideraremos que un engranaje es ideal cuando: es perfectamente redondeado, o cuando rota sobre es perfectamente redondeado, o cuando rota sobre su centro real y se supone sin inercia.su centro real y se supone sin inercia.

Conversión de Conversión de movimientomovimientoEngranajes idealesEngranajes ideales

T1*1=T2*2

r1*1=r2*2

N1/r1=N2/r2

T1=T2*(N1/N2)

J1=(N1/N2)2*J2

MAXONMAXON

Engranajes idealesEngranajes ideales

MAXONMAXON

Ventajas de los engranajes:Ventajas de los engranajes:

- Multiplican el par.

- Reducen la inercia reflejada.

Inconvenientes:Inconvenientes:

- Disminuyen velocidad y aceleración.

- Son muy voluminosos.

- No son concéntricos.

- Presentan holguras

Conversión de movimientoConversión de movimientoDe rotacional a lineal: el De rotacional a lineal: el tornillo sin fintornillo sin fin

=P*xAl rotar un ángulo , el tornillo se desplaza la distancia xP es el paso, expresado en vueltas/cm

2eqk

2Lk

J 2

1 = E

v M 2

1 = E

Conversión de movimientoConversión de movimientoDe rotacional a lineal: sistemas De rotacional a lineal: sistemas con piñóncon piñón

Siendo “r” el radio de circunferencia del piñónx=2rn; n: número de vueltas

yJ=Mr2, J es la inercia vista por la entrada

r

x

Conversión de movimientoConversión de movimiento“Harmonic Drives”“Harmonic Drives”

Es un tren de engranajes especial que no Es un tren de engranajes especial que no tiene zonas muertastiene zonas muertas

Sólo dos dientes de diferencia entre los Sólo dos dientes de diferencia entre los engranesengranes

Dos áreas de contacto entre los engranes Dos áreas de contacto entre los engranes con más de 5 dientes en contactocon más de 5 dientes en contacto

HD SystemsHD Systems


Ventajas:Ventajas: - Ejes de entrada y salida concéntricos. - No presentan holguras. - Se consiguen grandes reducciones con dispositivos de poco volumen.

Desventajas:Desventajas: - Es un elemento frágil. - Precio muy elevado.

AcoplesAcoples

• Acoples UniversalesAcoples Universales• Acoples elásticos: ModeloAcoples elásticos: ModeloResorte-AmortiguadorResorte-Amortiguador

Cambio direccionalCambio direccional

Componentes Componentes SensorialesSensoriales

SENSORES DE POSICIÓNSENSORES DE POSICIÓN

SENSORES DE PROXIMIDADSENSORES DE PROXIMIDAD

SENSORES DE VELOCIDADSENSORES DE VELOCIDAD

SENSORES DE FUERZASENSORES DE FUERZA

SENSORES ÓPTICOSSENSORES ÓPTICOS

INTERNOSINTERNOS

EXTERNOSEXTERNOS

Sensores de posición: Sensores de posición: PotenciómetrosPotenciómetros

Rotatorio Lineal

Convierte posiciones mecánicas en tensiones eléctricas de una forma muy sencilla.

Sensores de posición; el Sensores de posición; el encoder absolutoencoder absoluto

Características:Características:

- La posición se obtiene con un simple dispositivo e/s digital.

- Deben ir situados en el eje de la carga (salida).

- Son muy caros y voluminosos.

Sensores de posición; el Sensores de posición; el encoder incrementalencoder incremental

Sensores de posición; el Sensores de posición; el encoder incrementalencoder incremental

Típicos encoders incrementales con Típicos encoders incrementales con 100, 128, 200, 256, 500, 512, 1000, 100, 128, 200, 256, 500, 512, 1000, 1024, 2000 y 2048 líneas. 1024, 2000 y 2048 líneas. Resolución=360/N.Resolución=360/N.

Se puede incrementar la resolución Se puede incrementar la resolución electrónicamente.electrónicamente.

Para ello se emplean dos Para ello se emplean dos fotodetectores en lugar de unofotodetectores en lugar de uno

Sensores de posición: El LVDT Sensores de posición: El LVDT (Linear Variable Differential (Linear Variable Differential Transformer)Transformer)

“Indican a un robot si está próximo (dentro de un intervalo de distancia especificado, por ejemplo algunos centímetros) a un objeto u obstáculo”

Estos pueden ser:• Sensores de Contacto• Sensores de no-Contacto

Según el modo de operación tenemos:• Sensor óptico -luz relejada-,• Sensor de fíbra óptica,• Inductivos• Capacitivos• Efecto hall• Ultrasonido, etc

Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica

Sensor de proximidad de Contacto

“Es el tipo más sencillo de sensor de proximidad.Consiste de un vástago con una extremidad localizada dentro del sensor (llave mecánica)”

La llave mecánica posee dos estados abierto/cerradoCuando cambia de estado el robot puede realizar una acción programada, ej. Parada inmediata, cierre de la garra.


Sensor de proximidad de no Contacto

• Sensor de proximidad óptico (luz reflejada)

• Posee una fuente de luz y un fotodetector. • La máxima tensión de salida ocurre cuando el objeto está en el punto focal. • Un simple comparador de tensión nos determina la distancia.



• Sensor de barrido laser

El haz de luz barre la superficie por la acción del espejo montado sobre el eje del motor mientras una lente capta la luz procedente de la superficie. La distancia se mide sincronizando la tensión del motor con un reloj de alta frecuencia (conteo de pulsos)



Un ejemplo de sensor laser comercial es el Seampilot de Oldfeldt. Utiliza un laser de HeNe, de baja potencia (1.5 mW)

Además de detectar proximidad, este sensor es capaz de reconstruir la topografía de las juntas de soldadura, además de seguir líneas de soldadura guiando una antorcha.



Produce una variación en la inductancia en presencia de objetos metálicos. Son robustos ante presencia de sucio y aceite.

Emplea una bobina enrrollada próxima a un imán. Cuando el sensor se aproxima a un material ferromagnético cambian las líneas de flujo.

• Sensor inductivo


Un ejemplo de aplicación es el manipulador industrial de grandes dimensiones desarrollado por Barnes y Reineke, utilizado para limpiar cascos de buques.

Con tres sensores inductivos se mantiene la herramienta de limpieza dentro de un intervalo de 0-4 cm del casco



El sensor relaciona la tensión entre dos puntos, en un material conductor o semiconductor, con un campo magnético que pasa a través del mismo.

Ante la proximidad de un objeto ferromagnético disminuye el campo magnético en el sensor.

• Sensor de efecto Hall (con imán permanente)



A diferencia de los sensores inductivos y de efecto hall (para objetos ferromagné-ticos) estos sensores detectan todos los materiales sólidos y líquidos.Detectan cambios en la capacidad inducida cuando una superficie está próxima al sensor.

• Sensor capacitivo

El elemento sensor es un condensador compuesto por un electrodo sensor y uno de referencia



• Sensor de ultrasonidos

A diferencia de los otros sensores de proximidad la respuesta de este sensor es casi independiente del tipo de material a detectar

Pueden estar basados en el efecto piezoeléctrico o electrostático



• Sensor de ultrasonidos


Un ejemplo de aplicación es el robot móvil “Brutus” desarrollado en la Universidad Espiritu Santo en Brasil

Emplea 16 sensores de ultrasonidos, basados en transductores electrostáticos de Polaroid y espaciados 22,5 o, para tareas de navegación y construcción de mapas. El sistema está ajustado para medir distancias entre 0,4 y 3,5 mts con precisión del 1%


Sensores de Velocidad:Sensores de Velocidad:

Para luego.....

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