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1 ROBÓTICA Grupo de Sistemas y Comunicaciones jmplaza@gsyc.es Curso

2 1 Actuadores ROBÓTICA

3 índice 2 índice Definiciones Tipos de actuadores Actuadores controlados Transmisiones y reducciones Locomoción Manipulación

4 Definiciones 3 Definiciones Grados de libertad Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar. Número de articulaciones.

5 Definiciones 4 Un cuerpo 3D tiene 6 gdl: 3 de posicio n (x,y,z), 3 de orientacio n. Un cuerpo 2D tiene 3 gdl: 2 de posicio n (x,y), 1 de orientacio n. c 2007 GSyC ROBO TICA: Actuadores

6 Definiciones 5 Actuadores Genera movimiento de los elementos del robot. La mayoría de actuadores controlan únicamente 1 gdl. Puede que #actuadores > gdl Un brazo humano: 6 gdl, 7 actuadores. Hay varias formas de colocar un objeto. Puede que #actuadores < gdl Un coche: 3 gdl, 2 actuadores. Hay movimientos imposibles, maniobras

7 Definiciones (cont.) 6 El movimiento se consigue ejerciendo fuerzas. Lo que hace un actuador es parte de lo que hace el robot. Actuadores vs Efectores. efector final en un brazo articulado Hidráulicos, neumáticos, eléctricos. potencia, velocidad precisión, controlabilidad

8 Tipos de actuadores (cont.) 7 Tipos de actuadores Actuadores neuma ticos Fluido compresible, aire 5-10 bares El flujo mueve pistones en cilindro Va lvulas neuma ticas Seguros, robustos Poca exactitud en la posicio n final Difı ciles de controlar: Aire es demasiado compresible Presio n del compresor inexacta c 2007 GSyC ROBO TICA: Actuadores

9 Tipos de actuadores (cont.) 8

10 Tipos de actuadores (cont.) 9 Actuadores hidráulicos Aceite mineral a bares Fuerzas y pares elevados, grandes cargas Control muy preciso, continuo. Estabilidad en estático. Problemas: fugas, mantenimiento.

11 Tipos de actuadores (cont.) 10 Actuadores eléctricos: motores de corriente continua Estator (imanes) y rotor. Interacción entre campo magnético y eléctrico provoca movimiento. Velocidad giro proporcional a V. Compra: a más corriente más par. Eficientes para girar con poca fuerza y gran velocidad. Sistemas digitales lo modulan con PWM.

12 Tipos de actuadores (cont.) 11 Modulación PWM Modulación anchura de pulso. Velocidad proporcional al promedio. Tiempo de ciclo y ancho de pulso.

13 Tipos de actuadores (cont.) 12 Actuadores eléctricos: servo motores Capaces de colocarse en una posición. Motor de DC + engranajes + sensor de posición + controlador proporcional. Suelen estar limitados a 180 grados. 3 hilos: V cc, tierra, señal. Se controlan con una serie de pulsos modulados en anchura PCM. Anchura proporcional a posición.

14 Tipos de actuadores 13

15 Actuadores controlados 14 Actuadores controlados Realimentación proporciona estabilidad robustez perturbaciones Señal de error a corregir

16 Actuadores controlados 15 Control PID Proporcional al error instantáneo, a su Integral, a su Derivada u (t) = K p (ref y(t)) + K d ẏ(t) + K i t t o (ref y(t)) dt Ajuste de constantes K p, K d, K i

17 Transmisión y reducción 16 Transmisión y reducción Engranajes transmiten movimiento Tipos de engranajes: Ruedas dentadas: Cambio de fuerza Cremalleras y piñones: Cambio de rotación a movimiento lineal Escuadras: cambio de dirección Cigüeñales, poleas, levas, manivelas, cadenas, diferencial, etc.

18 Transmisión y reducción 17 El par, la velocidad de giro y los engranajes Combinando engranajes se modifican el par del motor y su velocidad Relación: #dientes 1 /#dientes 2 ω 2 = d 1 d 2 ω 1 T 2 = d 2 d 1 T 1 Lo que se gana en fuerza se pierde en velocidad

19 Transmisión y reducción 18 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 están bien diseñados para evitar pérdidas. Para aplicar una reducción 3 : 1 se conecta el motor a un engranaje de 8 dientes uno de 24. Se reduce la velocidad por 3 y se aumenta la fuerza tres veces. Se pueden formar cadenas. P.e.: 2 cadenas 3 : 1 consiguen una reducción 9 : 1

20 Locomoción 19 Locomoción Diferentes actuadores: Piernas: caminar, arrastrarse, trepar, saltar, etc. Ruedas: rodar. Brazos: arrastrarse, trepar. Aletas: nadar. Locomoción con piernas es un problema muy grande para la robótica El robot tiene que ser estable estática y dinámicamente

21 Locomoción 20 Locomoción con patas: equilibrio estático Equilibrio estático: si se para no se cae. El Centro de Gravedad debe caer dentro del poĺıgono de apoyo Al mover una pata el poĺıgono cambia. Modos de caminar, p.e: paso alternativo en trípode (hormigas) Con muchas patas es fácil y seguro pero lento e ineficiente

22 Locomoción 21 Locomoción con patas: equilibrio dinámico Ser estable en movimiento. Robot con una pata: saltan, pero no pueden quedar quietos. Robots bípedos, cuadrúpedos, hexápodos... Cuántas patas están en el aire durante el movimiento? La estabilidad dinámica requiere más control, pero permite mayor velocidad

23 Locomoción 22 Locomoción con ruedas Más eficientes que las piernas, y estáticamente estables. Las ruedas pueden ser muy sofisticadas: varios neumáticos, cadenas, con cilindros con otras ruedas, etc. Mecanismo diferencial (tipo tanque). Ruedas directrices (tipo coche).

24 Locomoción 23 Preocupaciones en Locomoción Ir a un lugar concreto. Planificación de trayectorias Campo tradicional de la robótica Es compleja: búsqueda y evaluación de todas las posibilidades. La geometría del robot y su holonomicidad deben considerarse. Seguir una determinada trayectoria. puede ser imposible para ciertos robots (dependiendo de sus DOF).

25 Manipuladores 24 Manipuladores El manipulador se mueve para colocar su efector en una determinada posición (3D) y orientación. Agarrar y trasladar objetos es una extensión del problema anterior. No vale calcular el camino del efector, hay que considerar las restricciones de las articulaciones. Tele-operación de brazos: joysticks, exo-esqueletos.

26 Manipuladores 25 Cinemática directa Desde los movimientos de los articulaciones y conocer el del efector. Cambios de coordenadas. P x = L 1 cos(θ 1 ) + L 2 cos(θ 1 + θ 2 ) P y = L 1 sin(θ 1 ) + L 2 sin(θ 1 + θ 2 )

27 Manipuladores 26 Cinemática inversa Desde posición deseada del efector calcular movimiento de las articulaciones Problema complejo geométrica y computacionalmente. Muchas posibles soluciones por redundancia. θ 2 = acos[(x 2 + y 2 L 2 1 L 2 2)/(2 L 1 L 2 )]

28 Manipuladores 27 Otros problemas de la manipulación Cuánta fuerza aplico? (huevo vs tornillo) Por donde lo agarro? (bombilla) Cómo consigo que no se deslice? Cómo lanzo objetos? Con cuanta fuerza? Cómo cojo lo que me lanzan?

29 Manipuladores 28 Elementos terminales Pinzas de presión Pinzas de enganche Ventosas Electroimanes Corte: láser Soldadura: puntos, arco Otros: pintura, lijado, atornillado, etc.