ROBÓTICA Licenciatura en Ingeniería Mecatrónica Licenciatura en Electrónica Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Fernando Reyes Cortés Período Otoño 2015 ftp://ece.buap.mx/pub/profesor/fernandoreyes/robotica
Robótica El curso de Robótica se ubica en los contextos científicos y tecnológicos, integrando los siguientes objetivos: Objetivo general Proporcionar al estudiante las bases científicas y herramientas tecnológicas para adquirir una formación sólida en robótica, tal que le permita aplicar los conocimientos adquiridos en modelado dinámico, control y programación de robots manipuladores, desarrollo de soluciones innovadoras de automatización en diversas áreas del conocimiento. La parte esencial del objetivo general incluye que el alumno asimile y aplique las herramientas matemáticas de la robótica, conceptos físicos, técnicas modernas de control y lenguajes de programación para automatizar procesos a través de robots manipuladores. Para tal efecto, se han propuesto los siguientes objetivos específicos: ❶ Modelado de cinemática de robots manipuladores usando la metodología Denavit-Hartenberg. ❷ Análisis de cinemática diferencial. ❸ Métodos geométricos descriptivos para deducir la cinemática inversa. ❹ Programación en MATLAB (desarrollo de funciones de modelado cinemático, dinámico y control). ❺ Ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange: como parte de la mecánica analítica, se presentan un procedimiento simplificado en 4 etapas secuenciales para obtener el modelo dinámico de un robot manipulador, así como deducir sus principales propiedades matemáticas enfocadas al análisis y diseño de algoritmos de control. ❻ Moldeo de energía: representa hoy en día, la técnica más eficiente para analizar y diseñar nuevas estrategias de control para robots manipuladores. ❼ Robótica industrial a través de un robot industrial FANUC se describe el procedimiento para programar y automatizar diversos procesos. ❽ Prácticas con robots manipuladores y sistema Arduino.
Contenido Capítulo 1 Preliminares Matemáticos 1.1 Programación en lenguaje MATLAB... 1.1.1 Programación simbólica... 1.1.2 Tipos de variables... 1.1.3 Instrucciones de programación... 1.1.4 Operadores... 1.1.5 Funciones... 1.1.6 Gráficas... 1.2 Vectores y matrices... 1.3 Gradientes... 1.4 Jacobianos... 1.5 Integración numérica... 1.5.1 Práctica: Sistema Arduino... 1.6 Diferenciación numérica... 1.6.1 Caso práctico con sistema Arduino... 1.7 Funciones de energía... 1.8 Sistemas dinámicos... 1.9 Observadores (filtrado y estimadores)... 1.9.1 Casos prácticos con Arduino... 1.10 Teoría de estabilidad de Lyapunov... 1.11 Control... 1.11.1 Aplicaciones... 1.11.2 Caso de estudio con sistema Arduino... 1.11.3 Práctica con robots manipuladores...
4 Contenido Capítulo 2 Cinemática de robots manipuladores 2.1 Introducción... 2.2 Matrices de rotación y traslación... 2.3 Transformaciones homogéneas... 2.4 Librerías de MATLAB para matrices de rotación y traslación... 2.5 Robots industriales... 2.5.1 Morfología de robots industriales... 2.5.2 Clasificación de robots industriales... 2.6 Método de Denavit-Hartenberg... 2.7 Robots antropomórficos: Análisis cinemático (directa, inversa y diferencial).. 2.7.1 Péndulo... 2.7.2 Robot de 2 grados de libertad... 2.7.3 Robot de 3 grados de libertad... 2.7.4 Librerías MATLAB para robots antropomórficos... 2.8 Robot SCARA: Análisis cinemático (directa, inversa y diferencial)... 2.8.1 Librerías MATLAB para robots SCARA... 2.9 Configuración esférica: Análisis cinemático (directa, inversa y diferencial)... 2.9.1 Librerías MATLAB para robots esféricos... 2.10 Configuración cilíndrica: Análisis cinemático (directa, inversa y diferencial).. 2.10.1 Librerías MATLAB para robots cilíndricos... 2.11 Robot cartesiano: Análisis cinemático (directa, inversa y diferencial)... 2.11.1 Librerías MATLAB para robots cartesianos... Curso de Robótica. Fernando Reyes Cortés
Contenido 5 Capítulo 3 Dinámica de robots manipuladores 3.1 Introducción... 3.2 Dinámica de robots manipuladores... 3.2.1 Dinámica de Euler Lagrange... 3.3 Descripción de los fenómenos físicos de robots manipuladores... 3.3.1 Efecto inercial... 3.3.2 Fuerzas centrípetas y de Coriolis... 3.3.3 Par gravitacional... 3.3.4 Fricción... 3.4 Modelo dinámico de robots manipuladores... 3.4.1 Robot antropomórfico de 2 grados de libertad... 3.4.2 Centrífuga... 3.4.3 Péndulo... 3.4.5 Robot cartesiano de 3 grados de libertad... 3.4.6 Librerías MATLAB para el modelo dinámico de robots manipuladores... 3.5 Propiedades del modelo dinámico... 3.6 Práctica con robots manipuladores... Capítulo 4 Control de posición de robots manipuladores 4.1 Introducción... 4.2 Control PD... 4.3 Librerías MATLAB para control de robots manipuladores... Curso de Robótica. Fernando Reyes Cortés.
6 Bibliografía 4.4 Control PID... 4.5 Moldeo de energía... 4.5.1 Tipos de familias de algoritmos de control... 4.5.2 Librerías de simulación de las familias de control de robots manipuladores 4.5.3 Control con acciones no acotadas... 4.5.4 Control con acciones acotadas... 4.5.5 Control con acciones saturadas... 4.6 Práctica con robots manipuladores... Capítulo 5 Robótica Industrial 5.1 Introducción... 5.2 Arquitectura de un robot industrial... 5.3 Consola de control... 5.4 Teach Pendal... 5.5 Programación... 5.6 Aplicaciones... Bibliografía [I] Fernando Reyes, Robótica: Control de Robots Manipueladores Alfaomega, 2011. [II] Fernando Reyes MATLAB Aplicado a Robótica y Mecatrónica. Alfaomega, 2012. [III] Rafael Kelly y Víctor Santibáñez Control de Movimiento de Robots Manipuladores. Person, Prentice-Hall, 2003. Curso de Robótica. Fernando Reyes Cortés
Bibliografía 7 [IV] Fernando Reyes, Jaime Cid y Emilio Vargas Mecatrónica: Control y Automatización. Alfaomega, 2013. [V] Fernando Reyes y Jaime Cid Arduino: Aplicaciones en Robótica y Mecatrónica. Alfaomega, 2015. [VI] John J. Craig Robótica. Pearson Eduación, México, Tercera Edición, 2006. [VII] Mark W. Spong and M. Vidyasagar Robot Dynamics and Control. John Wiley & Sons, 1989. [VIII] Fernando Reyes, Toolbox de Robótica para MATLAB, FCE-BUAP, 2012. Adicional a la presente bibliografía, en forma sistemática se utilizarán los siguientes paquetes de cómputo: MATLAB Versión 2015a: www.mathworks.com Arduino : www.arduino.cc Todas las sesiones de clase incluyen conceptos, definiciones, teoría (análisis y demostraciones matemáticas), videos, simulaciones y prácticas; dicho material, se encuentra disponible en diapositivas contenidas en archivos digitales con formato pdf con el nombre de la materia: donde i indica el número de clase. robotica clasei.pdf Todas las diapositivas se pueden descargar del siguiente enlace: ftp://ece.buap.mx/pub/profesor/fernandoreyes/robotica/ Curso de Robótica. Fernando Reyes Cortés.
8 Forma de calificación Forma de calificación La calificación del curso contempla asistencia presencial durante todo el curso, particularmente se toman en cuenta los siguientes aspectos: Participación activa en clase. Actitud. Disciplina y constancia. Formalidad en el desarrollo de actividades académicas. Calidad de los trabajos entregados (en tiempo y forma). Profundidad para aplicar los conocimientos adquiridos. La calificación del curso se compone por un examen parcial y tareas de cada capítulo del temario propuesto, de acuerdo a los siguientes criterios ponderados: Tareas son actividades académicas tales como: simulación, prácticas de laboratorio, reportes, análisis de documentos de investigación, etc.: 60 % (entrega en tiempo y forma). Un examen parcial por capítulo y representan el 40 % de la calificación. La calificación final del curso (sin reprobar algún capítulo) resulta del promedio de: 5 i=1 [0.4 examen parcial i + 0.6 tareas i ] 5 Examen extraordinario El examen extraordinario es un examen final de todo el curso, en forma escrita; en este caso, no se permiten consultar notas, apuntes, libros, enlaces a sitios Web, etc. En el examen extraordinario no aplican los porcentajes de calificación descritos anteriormente. Curso de Robótica. Fernando Reyes Cortés