Grados de libertad. Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar. Numero de articulaciones

Transcripción

1 Actuadores

2 Grados de libertad Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar. Numero de articulaciones

3 Actuadores Genera movimiento de los elementos del robot El # actuadores puede ser mayores a los gdl Un brazo humano Colocar un objeto de varias formas El # actuadores puede ser menor a los gdl Movimiento reciprocante Hay movimientos imposibles y maniobras

4 El movimiento se consige ejerciendo fuerzas Lo que hace el actuador es parte de lo que hace el robot Actuadores vs Efectores Actuadores Hidraulicos, neumaticos, electricos Potencia, velocidad precision controlabilidad

5 Actuadores Neumaticos Fluido compresible, aire 5-10 bares El flujo mueve pistones en cilindro Valvulas neumaticas Seguros, robustos Poca exactitud en la posicion final Difıciles de controlar: Aire es demasiado compresible Presion del compresor inexacta

6 Actuadores Hidraulicos

7 Actuadores Hidraulicos Aceite mineral a bares Fuerzas y pares elevados, grandes cargas Control muy preciso, continuo. Estabilidad en estatico. Problemas: fugas, mantenimiento.

8 Actuadores Electricos Estator (imanes) y rotor. Interaccion entre campo magnetico y electrico provoca movimiento. Velocidad giro proporcional a Velocidad de brazo. Propiedes, a mas corriente mas par. Eficientes para girar con poca fuerza y gran velocidad. Sistemas digitales lo modulan con PWM(Power width Modulator).

9 Actuadores Electricos Servo motores Capaces de colocarse en una posicion. Motor de DC + engranajes + sensor de posicion + controlador proporcional. Suelen estar limitados a 180 grados. 3 hilos: V, tierra, senal. Se controlan con una serie de pulsos modulados en anchura PCM. Anchura proporcional a posicion.

10 Motor electrico, rotor - estator Servo Motor

11 Modulacion PWM Pulse With Modulation Modulacion anchura de pulso. Velocidad proporcional al promedio. Tiempo de ciclo y ancho de pulso.

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13 Actuadores Controlados Realimentacion Proporciona estabilidad Robustez perturbaciones Senal de error a corregir

14 Actuadores controlados Control PID Proporcional al error instantaneo, a su Integral, a su Derivada

15 Transmision y Reduccion No existe sistema de transmision especificamente para robotic. Se utilizan los tipicos Engranajes Para transmitir Movimiento

16 Rueda Dentada Cambio de fuerza Cambio de rotacion

17 Cremallera y Pinones Rack and Pinion Cambio de rotacion a movimiento lineal

18 Escuadras Cambio de Direccion

19 Otros Sistemas de Transmision Ciguenales Poleas Levas Manivelas Cadenal Diferencial Etc

20 El Par, Velocidad de Giro y los Engranajes Combinando engranajes se modifican el par del motor y su velocidad Relación: #dientes1/#dientes2 w = d1/d2w1 T2 = d2/d1 T1 Lo que se gana en fuerza se pierde en velocidad

21 El Par y Reducciones El motor de radio R y par T genera una fuerza F = T/R perpendicular a su circunferencia Los motores suelen dar altas velocidades y bajo par. Los dientes estan bien disenados para evitar perdidas. Para aplicar una reduccion 3 : 1 se conecta el motor a un engranajede 8 dientes uno de 24. Se reduce la velocidad por 3 y se aumenta la fuerza tres veces. Se pueden formar cadenas. 2 cadenas 3 : 1 consiguen una reduccion 9 : 1

22 Locomocion Diferentes actuadores: Piernas: caminar, arrastrarse, trepar, saltar, etc. Ruedas: rodar. Brazos: arrastrarse, trepar. Aletas: nadar. Locomocion con piernas es un problema muy grande para la robotica El robot tiene que ser estable estatica y dinamicamente

23 Locomocion con Patas Equilibrio Estatico Equilibrio estatico: si se detiene no se cae. El Centro de Gravedad debe caer dentro del poligono de apoyo Al mover una pata el polıgono cambia. Modos de caminar, ej paso alternativo en trıpode (hormigas) Con muchas patas es facil y seguro pero lento e ineficiente

24 Locomocion con Patas Equilibrio Dinamico Ser estable en movimiento. Robot con una pata: saltan, pero no pueden quedar quietos. Robots bıpedos, cuadrupedos, hexapodos... Cuantas patas estan en el aire durante el movimiento? La estabilidad dinamica requiere mas control, pero permite mayor velocidad

25 Locomocion con Ruedas Mas eficientes que las piernas, y estaticamente estables. Las ruedas pueden ser muy sofisticadas: varios neumaticos, cadenas, con cilindros con otras ruedas, etc. Mecanismo diferencial (tipo tanque). Ruedas directrices (tipo coche).

26 Locomocion con Ruedas

27 Preocupaciones en Locomocion Ir a un lugar concreto. Planificacion de trayectorias Campo tradicional de la robotica Es compleja: busqueda y evaluacion de todas las posibilidades. La geometrıa del robot y su holonomicidad deben considerarse. Seguir una determinada trayectoria. puede ser imposible para ciertos robots

28 Sistemas de Control

29 Sistema de Control Mision Recibir ordenes del usuario para llevar a cabo una tarea concreta, ya sea de forma directa o atraves de un programa

30 Sistema de Control, cont La unidad de control esta basada en uno o mas microprocesadores, unidades de entrada y salidas, puertos en serie, paralelos, procesadores especializados, etc El usuario atraves del programa, ordena al robot realizar una tarea

31 Ordenes Tipicas Puntos de destinos Velocidad de desplazamiento Tiempo Frecuencia

32 Tipos de Controles Control Cinematico Control Dinamico

33 Control Cinematico Establece cuales son las trayectorias que debe seguir cada articulacion del robot a lo largo del tiempo para lograr los objetivos fijados por el usuario.

34 Control Dinamico Tiene por mision procurar que las trayectorias realmente seguidas por el robot sean lo mas parecidas a las propuestas por el control cinematico. El modelo dinamico de un robot no es lineal, es multivariable, de parametros variantes, por lo que en general su control es extremadamente complejo.

35 Esquema del Control del Robot Programa Generacion de Trayectorias Control Dinamico Ordenes a los Actuadores

36 Componentes del Sistema de control dinamico Orden, entrada Controlador, Actuadores Articulacion robot Elementos de retroalimentacion

37 Sistemas de Potencia Los subsistemas de power tienen como mision mover el manipulador

38 Sistemas de Potencia Electricos Activados con energia electrica Neumaticos Energizado con aire comprimido Hidraulico Energizado con aceite u otro fluido

39 Sistemas Electricos Ventajas Confiabilidad Limpieza Grado de Conocimiento Relacion carga/velocidad Economico Desventajas Sistemas de Transmision son costosos Los harmonic drives son sistemas mas precisos que los de engranajes tradicionales

40 Sistemas Hidraulicos Se utilizan en robots grandes que tienen que manejar cargas pesadas Se usa en ambientes hostiles o flamable Este tipo de robot constituye 25 % de la produccion total

41 Sistemas Neumaticos Son mas limitadas debido a que la exactitud se restringe a los extremos del recorrido Se usa en aplicaciones de pick and place o de secuencia fija Este tipo de robot constituye 10 % de la representacion robotica en el mercado

42 El motor Electrico La mayoria de los robots electricos usan stepper motor o servomotores Stepper motor tienen la desventaja que se salen de fase a razon de.5 grd / pulso Los motores servo estan disenado a menor diametro para tener menor momento de inercia y asi tener mas control, a pesar que no tienen mucha potencia

43 Sistemas Hidraulicos Se usaron en los primeros robots, pero su uso se ha reducido atraves del tiempo El dispositivo servocontrol dirige el sistema hidraulico mediante servovalvulas. Estesproporcionan buena estabilidad en los cambios de voltaje en un tiempo corto Inconvenientes, cambios en temperatura

44 Funcion Subsistema de Control Dirige el sistema de potencia para que mueva el manipulador en una forma predeterminada Almacena uno o varios programas asi como la informacion recojida durante el proceso Permiten la comunicacion, ingreso, egreso de datos en forma de pantallas, teclados o medios magneticos

45 Subsistemas de Control Nivel Bajo Relays, air logic, drum secuencer, PLC Nivel Medio Servo, poseen entradas (I/O) discretas Nivel Alto Interface de programacion Nivel Expansivo Mayor Capacidad sensorial e interface

46 Sensores

47 Clasificación de Robot De acuerdo al grado de manejo que tiene una persona tras el robot, éste se puede clasificar como autónomo o teleoperado De acuerdo al ambiente en que se desarrollan se pueden clasificar como marinos, terrestres, aéreos, espaciales, etc. De acuerdo a su sistema de locomoción se clasificar en desplazados por ruedas y caminantes La clasificación menos importante es su forma

48 Clasificación holonómica El área de la robótica tiene dos grandes divisiones Robot holonómicos formados por ligaduras, como los son los brazos y manipuladores Robot no-holonómicos corresponde a los robot móviles en general

49 Clasificación Robot Móviles Robot Manipuladores

50 Restricciones de Movimiento

51 Partes de un Robot En un robot se puede encontrar elementos como: Sensores Actuadores Efectores Control

52 Partes Principales de un Robot

53 Sensores Los datos percibidos depende de los sensores del robot El robot existe en el espacio de los sensores Los sensores de un robot son muy distinto a los biológicos El programador debe tratar de situarse en el mundo del robot El tipo de sensor dependerá de la tarea a realizar

54 Sensores Dificultades Son limitados Están sujetos inexactitud Una propiedad en el ambiente podria ser medido con distintos tipos de sensores Costo Sistema sensorial e integración

55 Ejemplos de Sensores Se clasifican como activo o pasivo. Ejemplos: Sensores de Interruptor Sensores de Luz Sensores de Rotación Sensores de Infra-rojo Sensores de ultrasonido Sensores de Temperatura Sensores Láser Visión Artificial

56 Efectores Efectores que realizan la locomoción: Piernas: caminar, arrastrarse, trepar, saltar Ruedas y Orugas: rodar Brazos: arrastrarse, trepar Aletas: nadar

57 Actuadores Mecanismo encargado de producir energía para accionar los efectores Ejemplos: motores, dispositivos hidráulicos Motortransforma energía en movimiento Tipos de Energía: neumática, hidráulica, eléctrica Los motores de robot en general son eléctricos

58 Tipos de Actuadores Neumáticos: cilindros y motores Hidráulicos: cilindros y motores Eléctricos: DC, AC Características Potencia Controlabilidad Peso y volumen Precisión Velocidad Mantenimiento Costo

59 Actuadores

60 DOF Degree of Freedom (grados de libertad, GDL) Los robot móviles terrestres en gdl. viven en un mundo de dos dimensiones Otros robot móviles viven en 3 dimensiones: robot voladores, espaciales, submarinos El número de dimensiones del ambiente de un robot suele ser la primera consideracion de los DOF de un robot.

61 DOF y Actuadores En general los actuadores sencillos controlan un grado de libertad ( izq-der, arriba-abajo) Un cuerpo en el espacio tiene en gral. 6 dof 3 de traslación 3 de orientación Si hay un actuador para cada dof, todos soncontrolables

62 Determinado DOF Dof de un auto: Un auto tiene 3 dof (x,y,orientación) 2 son controlables, Aceleración, adelante y atrás Dirección, con el volante Ello implica que existen ciertos movimientos que nos son factibles de hacer para el auto

63 Cuántos DOF en el brazo? Piensen en su brazo (no consideren los dedos)

64 Los dof de un brazo humano La claves son la ligaduras (hombro, codo, muñeca) Determinando DOF

65 DOF y holonomicidad Si el número de DOF controlables son todos los del robot, se dice que el robot es holonómico Si el numero de DOF no son todos los del robot, se dice que es un robot no-holonómico Si el numero de DOF es mayor que los del robot, se dice que es un sistema redundante