TSTC. Dpt. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones Tema 1 INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

Transcripción

1 Dpt. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones Tema 1 INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

2 Secciones 1. Introducción y definiciones. 2. Visión General de la manipulación mecánica. 1. Posicionamiento y Cinemática 2. Dinámica de Manipuladores. 3. Planificación de Trayectorias. 4. Control de Movimientos. 5. Capacidad Sensorial Externa. 3. Estructuras de Robots 2

3 1. Introducción y Definiciones Qué es un Robot? Robota = Trabajo. Origen: Necesidad de flexibilizar los procesos de producción. Manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programables y variables que permitan llevar a cabo tareas diversas. Primer Robot Industrial: George Devol en Desarrollo durante los años 70, paralelamente al desarrollo del microprocesador. 3

4 1. Introducción y Definiciones Estructura: Enlaces. Articulaciones. Efector Final. Muñeca*. a) Robot Cincinnati Milacron b) Robot serie PUMA Especificaciones de operación: Repetibilidad: error al volver a una posición. Resolución: movimiento de paso más corto. Capacidad de carga. 4

5 1. Introducción y Definiciones Característica Fundamental: Manipulador reprogramable. Inicialmente los robots se limitaban a repetir una cierta secuencia de movimientos aprendida. Actualmente se les intenta dotar de cierta inteligencia. Objetivos de la robótica: mejora de la productividad y calidad ($$$). Mayor velocidad. Elevado tiempo de funcionamiento sin fallos. Mantenimiento reducido. 5

6 1. Introducción y Definiciones Áreas de la robótica: Manipulación mecánica. Locomoción. Interacción Entorno-Maquina. Inteligencia Artificial. Nos centraremos fundamentalmente en la manipulación mecánica (clásico). Implica: Mecánica. Control. Informática. 6

7 2. Manipulación mecánica En que consiste? Situar al robot en una serie de posiciones de acuerdo con las ordenes de movimiento dadas y las condiciones de trabajo. Problemas a resolver? Posicionamiento y Cinemática. Dinámica de Manipuladores. Planificación de Trayectorias. Control de movimientos. Capacidad sensorial externa. 7

8 2.1. Posicionamiento y Cinemática Posicionamiento: Estudio de posiciones de objetos en el espacio tridimensional. Posicionamiento de un objeto: Posición Orientación Herramienta: Sistemas de referencia. Transformaciones homogéneas. 8

9 2.1. Posicionamiento y Cinemática Cinemática: Estudio de las características geométricas de los sistemas robóticos. La geometría del robot es cambiante. Articulaciones: Lineal o prismática. Rotacional. Torsión (revolución) Movimiento y ejes. Lineal Rotacional Torsión Revolución 9

10 2.1. Posicionamiento y Cinemática Objetivo. Conocer la posición del efector final (EF) (pinza, soldador, etc.) Volumen de trabajo: Conjunto de puntos accesibles por el EF. Orientación no limitada vs Orientación limitada. Grados de libertad: Número de variables de posición independientes. Nº Articulaciones 10

11 2.1. Posicionamiento y Cinemática Problema Cinemático Directo (PCD). Hallar la posición y orientación del EF respecto a la base en función de las variables de articulación θ i. Ecuaciones Cinemáticas: Posición = f pos ({θ i }) Orientación = f or ({θ i }) Método: Denavit-Hartenberg 11

12 2.1. Posicionamiento y Cinemática Problema Cinemático Inverso (PCI). Operación Inversa. Hallar las variables de articulación θ i para alcanzar una determinada posición. Mas relevante que el anterior. Pero más difícil: Resolución ecuaciones no lineales (aparición de funciones trigonométricas). Existencia de soluciones (Volumen de trabajo!). Multiplicidad de soluciones. 12

13 2.2. Dinámica de Manipuladores. La cinemática atiende a las posiciones pero ignora las fuerzas que hacen posible llegar a dichas posiciones. Ecuaciones dinámicas: Fuerza = f (aceleraciones, velocidades, posiciones) Utilidad: Control y Simulaciones. 13

14 2.3. Planificación de Trayectorias. Trayectoria: Camino que describe el EF en el espacio al realizar el movimiento. θ i = θ i (t) i Objetivos planificación: Evitar obstáculos. Evitar movimientos bruscos y/o en zigzag (maximizar productividad). 14

15 2.3. Planificación de Trayectorias. Características de la trayectoria: θ i función de variación suave en el tiempo. Todas las articulaciones comienzan y acaban el movimiento simultáneamente. Planificación de la trayectoria: generación de las funciones de movimiento. Tipos: Trayectorias cartesianas: Dominio cartesiano (coordenadas). Trayectorias interpoladas: Dominio de las variables de articulación (puntos intermedios). 15

16 2.4. Control de Movimientos. Generación del movimiento: mediante aplicación de fuerzas (lineales) o pares de ellas (rotacionales) en las articulaciones. Control de movimiento: cálculo de los pares necesarios para conseguir posiciones y velocidades requeridas. Planificador de Trayectorias Posición deseada Algoritmo de + - error tension CC Control Sensores Motor CC + Respuesta Dinámica posición real Características adicionales: compesación de errores y perturbaciones. 16

17 2.5. Capacidad Sensorial Externa. Tipos de sensores: Internos: componentes del sistema de generación y control de movimientos. Externos: dotan al sistema robótico de capacidad sensorial para interactuar con el entorno de forma autónoma. Ejemplos: Subsistemas de visión (cámaras). Sensores de obstáculos (ultrasonidos, interruptores). Subsistemas de posicionamiento (GPS, Zigbee). Sensores de fuerza. Fuerte relación con Inteligencia Artificial: Conocer el entorno no implica saber interactuar con él. 17

18 2.6. Programación. El lenguaje de programación de robots sirve de interfaz a los usuarios. Baja complejidad. Sencillo y directo. Generalmente visual. Capacidad de funcionamiento off-line: simular movimientos sin necesidad de la presencia física del robot ($$$). Ejemplos: Scorbase y ACL. 18

19 3. Estructuras de Robots Clasificación por la interconexión de los enlaces: Tipo paralelo: Elementos mecánicos independientes entre si. Movimiento poco intuitivo. Robot Serie-Paralelo GEC-Gadfly Tipo serie: Enlaces consecutivos unidos entre sí por articulaciones. Acumulación de errores. Primeras articulaciones: fijan el área de trabajo. Últimas articulaciones (muñeca): movimientos pequeños dentro del área de trabajo. 19

20 3. Estructuras de Robots Configuraciones típicas: Robots cartesianos. Articulaciones lineales en ejes cartesianos. Sencillez de uso. Ocupan mucho espacio. Poca capacidad de movimiento. 20

21 3. Estructuras de Robots Configuraciones típicas: Robots giratorios. Estilo antropomórfico. Control complejo (coordenadas cartesianas vs variables articulación. Gran volumen de trabajo y amplias posibilidades de movimiento. Robot PUMA 500 de Unimation 21

22 3. Estructuras de Robots Configuraciones típicas: Robots mixtos Giratorio- Prismáticos. Menor dificultad de control. Amplio volumen de trabajo. Robot tipo SCARA (UMI-RTX) 22