Universidad de Valladolid. Control y Programación de Robots. Morfología del robot: E.T.S. de Ingenieros Industriales. Sensores

Transcripción

1 Universidad de Valladolid E.T.S. de Ingenieros Industriales Control y Programación de Robots Morfología del robot: Sensores

2 Sensores en los robots Sensores internos: Sensores de presencia: Inductivos, capacitivos, ópticos, ultrasonido, contacto Sensores de posición: Analógicos: potenciometro, resolver Digitales: encoder (absoluto, incremental) Sensores de velocidad: Tacómetros Sensores externos: Sensores de presencia Sensores de distancia Sensores avanzados: imagen, esfuerzo

3 Sensores de posición angular Encoders ópticos incrementales

4 Encoders ópticos incrementales

5 Encoders ópticos incrementales Disco transparente con marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí. Sistema de iluminación con un diodo led emisor Un elemento fotorreceptor El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente.

6 Encoders ópticos incrementales Cuando el eje gira, se generan pulsos en el elemento fotorreceptor cada vez que la luz atraviesa cada marca, contando estos pulsos se puede conocer la posición del eje. Es necesario disponer de una marca de referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa. La resolución de este tipo de sensores depende del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco.

7 Encoders ópticos incrementales

8 Encoders ópticos incrementales Fijación automática Cuerpo del encoder Basa del encoder Alineación Motor Basa del encoder Fijación automática

9 Encoders ópticos incrementales

10 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot Los encoders incrementales disponen de una banda de marcas transparentes y opacas repartidas a lo largo del disco y separadas por un paso que llamaremos p Banda de marcas transparentes o opacas (512 ranuras) Pulso de índice Detalle de los captadores ópticos Disco del encoder del SCORBOT ER-IX

11 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot En el estator existen dos pares de emisor-receptor óptico separados un número entero de pasos. El encoder utilizado por el SCORBOT ER-IX contiene un diodo (LED) que sólo sirve de fuente de luz. La luz es después convertida en un rayo unidireccional mediante un lente de polycarbonato situada directamente sobre el LED. Enfrente, hay un circuito integrado detector de luz. Este circuito integrado se compone de varios juegos de fotodetectores y del circuito que genera la señal digital de salida

12 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot El disco metálico dentado que gira con el eje se sitúa entre el circuito integrado emisor y el detector. Al girar el rotor, el disco gira también entre el emisor y el detector. El rayo de luz está interrumpido por la pista del disco, transparente u opaca, lo que crea una serie de pulsos recibidos por los detectores. El disco tiene 512 ranuras. Cada detector óptico genera una señal cuadrada. Estos detectores son espaciados de manera que un período de luz sobre un par de detectores corresponda a un período de sombra sobre el par adyacente de detectores.

13 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot La salida del fotodiodo está después tratada por el circuito de tratamiento de señal lo que da como resultado: nota : Q es la suma de todos los pulsos dados por el sistema Señales de salida la salida digital del canal A está en cuadratura de fase con la del canal B (90º de desfase).

14 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot El desfase de ¼ de división de los captadores genera: - las señales de salida tengan entre sí un desfase de ¼ de período cuando el rotor gira en un sentido, - ¾ de período cuando gira en sentido contrario, lo cual se utiliza para discriminar el sentido de giro. Cuando, el eje gira en sentido contrario a las agujas del reloj, el canal A está delante del canal B. En la dirección de las agujas del reloj, el canal B está delante del canal A. A A B B

15 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot Resolución del encoder La resolución es el menor incremento que el sistema de control puede identificar y teóricamente controlar. SE = 360º / N SE : Resolución del encoder. N: Número de pulsos en un giro de encoder. El encoder del Scorbot tiene un disco con 512 pares transparentes y opacos. Como el sistema detecta 4 pulsos por cada par, el encoder genera 2048 pulsos por cada giro completo del motor, por tanto la resolución de los encoders del SCORBOT ER-IX es: SE = 360º / 2048 = 0.176º

16 Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot Resolución del movimiento de giro El encoder está montado sobre el eje. Teniendo en cuenta el rendimiento de los engranajes de cada eje del robot, podemos obtener la resolución del movimiento de giro (Sjoint) con la formula siguiente: Sjoint = SE / Naxis Naxis es el rendimiento del eje. Numero del eje SE Naxis Sjoint º º º º º

17 Encoders ópticos absolutos Estructura similar: fuente de luz, disco graduado y fotorreceptores. Código Gray Código binario El disco transparente se divide en un número determinado de sectores (potencia de 2), utilizando un código binario cíclico (código de Gray) representado por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente.

18 Encoders ópticos absolutos NO es necesario detectar el sentido de giro pues cada detector es codificado de forma absoluta. La resolución viene determinada por el número de anillos que posee el disco graduado (valores típicos de 2 8 a 2 19 bits).

19 Encoders ópticos absolutos

20 Problemas con los encoders Problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener en su fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la transmisión óptica. Son dispositivos muy sensibles a golpes y vibraciones.

21 Sensores de posición angular: resolvers Son captadores analógicos de resolución teóricamente infinita. Utiliza una bobina, solidaria al eje, excitada por una portadora, y dos bobinas fijas situadas a su alrededor, desfasadas 90º.

22 Sensores de posición angular: resolvers El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varíe, con lo que la señal de tensión en éstas depende del seno del ángulo de giro. La bobina móvil excitada con tensión V sen(ωt) y girada un ángulo θ, induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura, las siguientes tensiones: V 1 = V sen(ωt) sen(θ) V 2 = V sen(ωt) cos(θ) que permite determinar el ángulo θ

23 Sensores de posición lineal: inductosyn

24 Sensores de posición lineal: LVDT - Transformador diferencial de variación lineal

25 Sensores de velocidad: tacómetro Permiten determinar la velocidad de los actuadores del robot. Necesario para mejorar el comportamiento dinámico del robot. La velocidad del movimiento de cada actuador se realimenta a un bucle de control analógico. El captador proporciona una tensión proporcional a la velocidad de giro del eje (10 milivoltios por revolución).

26 Sensores de velocidad: tacómetro

27 Sensores de velocidad: tacómetro

28 Sensores de presencia y proximidad Sensores capaces de detectar la presencia de un objeto dentro de un intervalo de distancia determinado. Esta detección puede hacerse con o sin contacto con el objeto. En el caso de detección con contacto, se trata de un interruptor mecánico, como pueden ser los finales de carrera. Los detectores de presencia se utilizan en robótica principalmente como auxiliares de los detectores de posición, para indicar los límites de movimiento de las articulaciones y permitir localizar la posición de referencia de cero de éstos, en el caso de que sean incrementales.

29 Sensores de presencia y proximidad Sensores inductivos: Para detectar la presencia de un objeto sin contacto, se utilizan sensores inductivos, los cuáles constan básicamente de una bobina y un imán. Cuando un objeto ferromágnetico penetra o abandona el campo del imán el cambio que se produce en dicho campo induce una corriente en la bobina. Su funcionamiento es sencillo: si se detecta una corriente en la bobina, algún objeto ha entrado en el campo del imán. Presentan el inconveniente de distinto comportamiento según del tipo de metal del que se trate.

30 Sensores de presencia y proximidad Sensores de efecto HALL: Los sensores basados en el efecto Hall detectan la presencia de objetos ferromagnéticos por la deformación que estos provocan sobre un campo magnético. El efecto Hall relaciona la tensión entre dos puntos de un material conductor o semiconductor con un campo magnético a través del material. Este tipo de sensores suelen constar de ese elemento conductor o semiconductor y de un imán. Cuando un objeto (ferromagnético) se aproxima al sensor, el campo provocado por el imán en el elemento se debilita, pudiéndose determinar así la proximidad de un objeto.

31 Sensores de presencia y proximidad Sensores capacitivos: Los sensores capacitivos, permiten detectar cambios de capacidad inducidos por superficies cercanas, sin necesidad de que los objetos a detectar sean metálicos. Constan de dos elementos principales: el elemento cuya capacidad se altera (que suele ser un condensador formado por electrodos) y el dispositivo que detecta el cambio de capacidad (un circuito electrónico conectado al condensador). Este tipo de sensores tiene la ventaja de que detectan la proximidad de objetos de cualquier naturaleza, sin embargo, la sensibilidad disminuye bastante cuando la distancia es superior a algunos milímetros. Presentan el problema de trabajo en condiciones húmedas y con puestas a tierra defectuosas.

32 Sensores de presencia y proximidad Sensores ópticos de barrera: Los sensores ópticos tipo barrera, se caracterizan por que el objeto intercepta la línea entre el emisor y el receptor. El principio de funcionamiento se basa en el empleo de diodos emisores de luz y fotodetectores (fotorresistores, fotodiodos o fototransistores). También existen sensores ópticos que pueden detectar la reflexión de la luz procedente del emisor sobre el objeto.

33 Sensores de presencia y proximidad Sensores de infrarrojo: Son sensores sensibles a longitudes de onda, tales como 880nm, inmediatamente inferiores a la visible. Éstos no aportan ninguna medida de distancia, sino solo una señal binaria indicando si existe o no un objeto próximo en un rango de distancia característico del sensor. Sensores de ultrasonido: Utiliza un transductor electroacústico que emite unas ondas ultrasónicas; a continuación pasa a modo de espera, hasta que recibe las ondas reflejadas en algún objeto. Si las ondas llegan, quiere decir que hay algún objeto en las proximidades. Dependiendo del tiempo de conmutación del transductor (tiempo que está esperando) de detecta un grado de proximidad u otro.

34 Sensores de presencia y proximidad Sensores Sensores láser: Son sensores ópticos de distancia que se basan en la determinación del tiempo entre los pulsos emitidos y los que se reciben después de ser reflejado en el objeto.

35 Sensores para medir esfuerzos y pares Se trata de transductores pasivos, empleados para medir tensiones mecánicas. La tensión a medir provoca deformación de la pieza de estudio, la cual se transmite a la galga, modificando ésta su resistencia en función de la deformación, a partir de la cual se puede determinar la tensión sobre la pieza. Mediante estos transductores de tipo resistivo o piezorresistivo es posible medir las deformaciones axiales, radiales o tangenciales, estáticas y dinámicas, que tiene lugar en la superficie de un cuerpo como consecuencia de las solicitaciones mecánicas a las que está sometido.

36 Sensores para medir esfuerzos y pares El principio de las galgas extensiométricas es el siguiente: Si a un hilo conductor se le somete a un esfuerzo de tracción, se alarga, aumentando su longitud en L, y no se rebasa el límite elástico del material, el cambio de longitud es proporcional a la carga, y el hilo recupera su longitud original cuando se le retira la carga aplicada. Simultáneamente, con este aumento de longitud hay una ligera reducción de la sección transversal del hilo, y dado que la resistencia de un conductor es: R = ρl / A ρ = resistividad del material L = longitud A = área de la sección transversal

37 Sensores para medir esfuerzos y pares Tanto el material de longitud como la reducción del área contribuyen a un aumento de la resistencia del hilo tensado. Además de cambiar las dimensiones, también cambia la resistividad del material (piezorresistividad), siendo este efecto pequeño para los metales, pero también contribuye al cambio de resistencia. Para ρ=cte se tiene:

38 Sensores para medir esfuerzos y pares El alargamiento relativo será: Y para deformaciones pequeñas: Luego:

39 Sensores para medir esfuerzos y pares Como normalmente el módulo de Poisson es constante: lo que indica que la variación unitaria de resistencia de la galga es proporcional a la deformación unitaria local que sufre el material objeto de medida en la zona donde está pegada la galga y en la dirección de su eje activo. La constante k se denomina factor de galga o sensibilidad y es un dato que debe proporcionar el fabricante así como el valor de la R.

40 Sensores para medir esfuerzos y pares La medida de la variación de la resistencia de las galgas extensiométricas se realiza mediante un puente de Wheatstone: Ve: tensión de entrada Vs: tensión de salida

41 Sensores de esfuerzos para manipuladores (multi-axis force/torque sensor) Sensores ATI (

42 Sensores ATI (

43 Sensores ATI ( Como determinar qué sensor es el más adecuado??

44 Sensores ATI ( Como determinar qué sensor es el más adecuado??

45 Sensores de esfuerzos para manipuladores (multi-axis force/torque sensor) Sensores JR3 ( Soporta esfuerzos de un 125% del esfuerzo nominal, aplicadas a todos los ejes simultáneamente. Si el esfuerzo es sólo sobre un eje, soporta cargas mucho mayores.

46 Sensores JR3 (

47 Sensores JR3 ( Robot ABB IRB sensor de esfuerzos JR3 Conexión del sensor de esfuerzos en un robot tipo Scara con bus VME

48 Sensores JR3 ( Robot ABB IRB sensor de esfuerzos JR3 + pinza neumática

49 Sensor JR3 para el robot Staubli RX 90 B ( Robot Staubli RX 90B Sensor JR3 67M25A

50 Sensor JR3 para el robot Staubli RX 90 B ( Robot Staubli RX 90B Instrucciones del lenguaje V+ en el robot Staubli, para la gestión del sensor de esfuerzos JR3

51 Bibliografía: Barrientos, A., L.F. Peñín, C. Balaguer y R. Aracil. "Fundamentos de robótica". Editorial McGraw-Hill Ollero A. "Robótica, manipuladores y robots móviles". Editorial Marcombo Fu K.S., R.C. GonzÁlez y C.S.G., Lee. "Robótica: control, detección visióne inteligencia". McGraw-Hill Roque J. Saltaren y otros. Prácticas de robótica utilizando MATLAB. Univ. "Miguel Hernández" - Elche Iñigo R., Vidal E. Robots industriales manipuladores. Ediciones UPC Romeo A.. Robótica industrial. Universidad de Zaragoza Garcia M. Universidad de Vigo.