Clasificación de robots. Clasificación de robots. Universidad Autónoma de Guerrero Unidad Académica de Ingeniería

Transcripción

1 Clasificación de robots Introducción a la robótica Sesión 2: Locomoción Eric Rodríguez Peralta En la actualidad los más comunes son: Robots manipuladores Limitación para moverse en su entorno Robots móviles Capacidad de moverse por el entorno que les rodea Ingeniería en computación Plan /12/07 page 2 Clasificación de robots Según el medio por el que se desplazan: Terrestres Fácil de implementar, se basan en conceptos mecánicos ya probados Aereos Principalmente estudiados en investigaciones militares Aviones de exploración autónomos, climátológicos, etc Acuáticos Operan en la superficie o por debajo de ella impulsados comunmente por hélices o turbinas Espaciales Objetivo: Navegar o realizar una acción en el espacio exterior 9/12/07 page 3

2 Robots móviles terrestres Han dado origen a diversas alternativas de desplazamiento Humanoide Arañas o Hexápodos Rastrero Orugas De piston Con ruedas 9/12/07 page 5 Robots móviles Combinación de varios componentes físicos (hardware) y computacionales(software). Conjunto de subsistemas: Locomoción: Cómo se mueve el robot en su entorno Percepción: Cómo mide el robot propiedades de si mismo y de su entorno Control: Cómo se realiza la actuación sobre el sistema físico Razonamiento: Como convierte medidas del mundo exterior en acciones a realizar Comunicación: Cómo se comunica el robot con otros robots o con un operador externo. Robots con ruedas Son los más utilizados por varias razones: Pero: Más simples y fáciles de construir Alta eficiencia en terreno plano Más fáciles de controlar (estabilidad, 3 Ruedas Max, 2GDL) Buena capacidad de carga Más robustos (hay menos partes móviles) Energéticamente más eficientes Más rápidos, etc. Limitados a terrenos relativamente planos Tienen problemas si las diferencias en el terreno son mayores al radio de las ruedas (una alternativa: usar ruedas grandes ) 9/12/07 page 7 9/12/07 page 10

3 Ruedas Rueda ideal Se mueven por el contacto superficial (o fricción) con la superficie Idealmente se desplazan 2 r por vuelta Suposiciones El robot se compone de partes rígidas No hay desplazamiento en la dirección perpendicular a la rodadura No hay deslizamiento traslacional entre la rueda y el suelo (rodadura pura) Como máximo hay un eje de dirección por rueda Los ejes de la dirección son perpendiculares al suelo 9/12/07 page 12 9/12/07 page 14 Parámetros de las ruedas Tipos de ruedas A bajas velocidades, el modelo de rodadura es razonable Parámetros de una rueda r = radio de la rueda v = velocidad lineal de la rueda w = velocidad angular del la rueda t = velocidad de la dirección 9/12/07 page 15 9/12/07 page 16

4 Ejemplos Locomoción - CCI 2 ruedas En un vehículo con varias ruadas, existe un punto alrededor del cual cada rueda sigue una trayectoria circular, este punto se conoce como Centro de Curvatura Instantáneo (CCI) o Centro Instantáneo de Rotación (ICR) Tipo oruga Omnidireccional 9/12/07 page 17 9/12/07 page 18 Maniobrabilidad Grado de movilidad La maniobrabilidad de un robot es la combinación de: Movilidad debida a las restricciones de deslizamiento Mobilidad adicional debida a la dirección de las ruedas orientables Relación Grados de mobilidad Grado de direccionabilidad Maniobrabilidad del robot m s M m s 9/12/07 page 19 9/12/07 page 20

5 Grado de direccionabilidad Ejemplos Número de ruedas orientables centradas que se pueden mover de forma independiente para dirigir el robot. Mobilidad Direccionabilidad /12/07 page 21 9/12/07 page 22 Resumen Clasificación - Ruedas El uso de ruedas en un robot es la solución más apropiada en la mayoría de las aplicaciones Tres ruedas son suficientes para garantizar estabilidad Más de 3 ruedas requiere de una suspensión flexibe La selección del tipo de ruedas a elegir depende de la aplicación Los robots con ruedas se clasifican en función del número de ruedas y del modelo cinemático del robot: Ackerman Síncrona Triciclo Diferencial 9/12/07 page 23 9/12/07 page 26

6 Diferencial Diferencial Uno de los esquemas más sencillos Consiste en dos ruedas con un eje común, donde cada rueda se controla de manera independiente Movimientos: En linea recta En arco Vuelta sobre su propio eje Utiliza una o dos ruedas adicionales para mantener el balance Muy sensible a la velocidad relativa de las ruedas, pequeños errores producen diferentes trayectorias 9/12/07 page 27 9/12/07 page 28 3 Ruedas: triángulo Problemas de estabilidad 4 Ruedas: Diamante Diferencial Pérdida de contacto con las ruedas de tracción (requiere sistema de suspensión) Movimiento en línea recta: Requiere asegurarse que las ruedas vayan a la misma velocidad por lo que se requiere un control dinámico con retroalimentación. Síncrono Todas las ruedas (usualmente 3) se mueven en forma síncrona para dar vuelta y avanzar Las 3 ruedas estan ligadas de forma que siempre apuntan en la misma dirección Para dar vuelta giran las ruedas sobre el eje vertical, por lo que la dirección del chasis se mantiene se requiere de un mecanismo adicional para mantener el frente del chasis en la dirección de las ruedas (torreta) 9/12/07 page 29 9/12/07 page 30

7 Síncrono Síncrono Borenstein.mpg Se evitan los problemas de inestabilidad y de pérdida de contacto del diferencial Mayor complejidad mecánica Tribolo, robot, Omnidireccional con 3 ruedas esféricas 9/12/07 page 31 9/12/07 page 32 Triciclo Triciclo Dos ruedas fijas que le dan tracción Una rueda para dirección que normalmente no tiene tracción Buena estabilidad y simplicidad mecánica Facilidad para ir recto No puede girar -90 ó +90 Radio de curvatura muy limitado Cinemática más compleja (más adelante) 9/12/07 page 33 9/12/07 page 34

8 Similar al triciclo Ackerman Dos ruedas de tracción y dos ruedas para dirección Mayor complejidad mecánica que el triciclo por acoplamiento entre las 2 ruedas de dirección Buena estabilidad y facilidad de ir derecho Complejidad cinemática Cinemática La cinemática se refiere a como se mueve el robot Directa: dada lo posición inicial y los movimientos realizados, cuál es la posición final del robot Inversa: dada la posición inicial y final deseadas, cuál es la serie de movimientos que debe realizar el robot 9/12/07 page 35 9/12/07 page 36 Cinemática Grados de libertad Diferentes tipos de ruedas (tracción y dirección) tienen diferentes propiedades cinemáticas Un robot móvil normalmente tiene 3 grados de libertad respecto a una referencia: posición en el plano (X,Y) y orientación ( ) Y b Y m X m Idealmente, independientemente de donde inicie, el robot debe poder moverse a cualquier posición y orientación (X,Y, ) Y P X X b 9/12/07 page 37 9/12/07 page 38

9 Restricciones cinemáticas Ejemplo diferencial Holonómicas: los diferentes grados de libertad están desacoplados Robots diferenciales y síncronos: se puede desacoplar la posición de orientación (rotando sobre su eje) No-holonómicas: los grados de libertad están acoplados Triciclos y carros: para dar vuelta debe moverse hacia el frente o hacia atrás es más complejo llegar a la posición final deseada 9/12/07 page 39 9/12/07 page 40 Ejemplo Ackerman Cinemática diferencial 9/12/07 page 41 9/12/07 page 42

10 Cinemática diferencial Cinemática diferencial 9/12/07 page 43 9/12/07 page 44 Forma Forma - cilíndrico La forma del robot tiene un fuerte impacto en su facilidad de navegación, en particular con obstáculos y pasillos angostos Robot cilíndricos: Es más fácil navegar por la simetría del robot (espacio de configuraciones se reduce a 2D) Robots cuadrados: Es más complejo navegar, depende de la orientación del robot (espacio de configuraciones en 3D) 9/12/07 page 45 9/12/07 page 46

11 Forma - Cuadrado Espacio de configuraciones Grados de libertad: Se refiere a los posibles movimientos de un robot (X,Y,Z y rotaciones) Para manipuladores, cada articulación provee un grado de libertad (se requieren 6 para ubicar un manipulador en cualquier posición y orientación) Robots móviles: Movimiento en el plano X-Y y rotación 9/12/07 page 47 9/12/07 page 48 Otro tipo de config. Otro tipo de config. Spacecat Robot Shrimp 9/12/07 page 49 9/12/07 page 50

12 Otro tipo de config. Otro tipo de config. Robot Shrimp Robot Shrimp 9/12/07 page 51 9/12/07 page 52