CONTROL Y PROGRAMACIÓN DE ROBOTS Año académico: 2006-2007 Centro: Escuela Politécnica Superior Estudios: Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas Asignatura: Control y programación de robots Ciclo: 1º Curso: 3 Cuatrimestre: 1º Carácter: Optativa Créditos teóricos: 3 Créditos prácticos.: 3 Profesor/es: D. José Carlos Moreno Úbeda Área: Ingeniería de Sistemas y Automática Departamento: Lenguajes y Computación INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Control y programación de robots es una asignatura optativa ofertada por el área de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Almería que consta de 3 créditos teóricos y 3 créditos prácticos, impartiéndose durante el primer cuatrimestre del curso académico. Los objetivos fundamentales de la asignatura son: Introducir al alumno en los conceptos fundamentales de la robótica de manipulación, así como la descripción de sus periféricos, para que sean capaces de analizar, diseñar, programar y utilizar este tipo de sistemas y adaptarse a su evolución. Describir las técnicas utilizadas en el control de la trayectoria que debe seguir el robot cuando realiza una tarea. Describir las técnicas de control automático utilizadas para el control de los actuadores del robot. Describir los métodos de enseñanza de robot, ya sea mediante aprendizaje directo o mediante lenguajes de programación de robots: textuales, a nivel de tareas, etc. Dar a conocer los criterios, normas y técnicas necesarias para el diseño y la implementación de células robotizadas para la solución de problemas. Mostrar al alumno ámbitos de aplicación concretos en los que se puedan utilizar el control automático y la robótica de manipulación en los distintos sectores de producción de la provincia de Almería: agrícola (robotización de tareas de trasplante, transporte, recolección y postrecolección), industria del mármol en la comarca de Macael, robotización en industrias de envasado, industria química y cementera. PROGRAMA DE TEORÍA Tema 1.- Introducción a la robótica de manipulación 1.1.- Antecedentes históricos y evolución de la robótica 1.2.- Concepto de robot manipulador 1.3.- Elementos de un sistema robotizado 1.4.- Morfología de los robots manipuladores 1.5.- Clasificación de los robots manipuladores 1.6.- Actuadores 1.7.- Sistema sensorial de los robots manipuladores 1.8.- Controladores 1.9.- Elemento terminal ISA. Dep. Lenguajes y Computación. Universidad de Almería Pag. 1
Tema 2.- Modelado y simulación de la cinemática de robots manipuladores 2.1.- Concepto de cinemática directa e inversa 2.2.- Representación de la posición 2.3.- Representación de la orientación 2.4.- Matrices de transformación 2.5.- Gráficos de transformación 2.6.- Modelo cinemático directo. Algoritmo Denavit-Hartenberg 2.7.- Modelo cinemático inverso 2.8.- Velocidad de trabajo del manipulador. Jacobiano. Tema 3.- Modelado y simulación de la dinámica de robots manipuladores 3.1.- Introducción a la dinámica 3.2.- Modelo dinámico de la estructura mecánica de un robot rígido 3.3.- Formulación de Lagrange-Euler 3.4.- Formulación Newton-Euler iterativa 3.5.- Modelo dinámico de los actuadores de un robot manipulador Tema 4.- Generación de trayectorias: control cinemático de robots manipuladores 4.1.- Funciones del control cinemático 4.2.- Tipos de trayectorias 4.3.- Interpolación articular 4.4.- Generación de trayectorias en el espacio cartesiano 4.5.- Polinomios cúbicos 4.6.- Polinomios de orden superior 4.7.- Funciones lineales con enlace parabólico 4.8.- Muestreo de trayectorias cartesianas 4.9.- Generación en tiempo real Tema 5.- Control de articulaciones de manipuladores robóticos 5.1.- Control de articulaciones 5.2.- Control PID individual de articulaciones 5.3.- Control mediante el método del par calculado 5.4.- Consideraciones de inercias. Desacoplamiento inercial 5.5.- Control en el espacio cartesiano 5.6.- Introducción al control adaptativo y aprendizaje 5.7.- Control de esfuerzos 5.8.- Esquema híbrido de control de esfuerzos y posición 5.9.- Aspectos prácticos de la implantación del controlador Tema 6.- Control del movimiento de robots manipuladores 6.1.- Niveles de control 6.2.- Especificaciones 6.3.- Arquitecturas para control 6.4.- Gestión de ejecución e implantación 6.5.- Descripción de las implantaciones más habituales 6.6.- Detección de obstáculos ISA. Dep. Lenguajes y Computación. Universidad de Almería Pag. 2
Tema 7.- Programación de robots 7.1.- Métodos de programación 7.2.- Programación por guiado 7.3.- Programación a nivel de robot 7.4.- Programación a nivel de tarea 7.5.- Programación textual 7.6.- Requerimientos de un sistema de programación de robots 7.7.- El lenguaje de programación ACL 7.8.- Otros lenguajes de programación de robots 7.9.- Introducción a la programación mediante herramientas CAD 7.10.- Introducción al control con realimentación del entorno y percepción de distancia, posición y movimiento. Tema 8.- Desarrollo e implantación de un sistema robotizado 8.1.- Diseño y control de una célula robotizada 8.2.- Configuraciones en los sistemas de producción robotizados 8.3.- Selección de robots 8.4.- Características del sistema de control de una célula robotizada 8.5.- Elementos terminales específicos 8.6.- Seguridad en instalaciones robotizadas 8.7.- Justificación económica Tema 9.- Aplicaciones de los robots 9.1.- Mercado de robots 9.2.- Clasificación de las aplicaciones 9.3.- Transferencia de material y carga/descarga de máquinas 9.4.- Operaciones de procesamiento 9.5.- Montaje e inspección 9.6.- Otras aplicaciones 9.7.- Aplicaciones futuras 9.8.- Aplicaciones de la robótica en los sectores de producción de la provincia de Almería PRÁCTICAS DE LABORATORIO Módulo 1. Identificación y funcionamiento de una sistema robotizado real: Robot SCORBOT ER-V Posicionamiento y trabajo (2 horas) 1.1.- Reconocimiento de las partes que constituyen el sistema 1.2.- Conexión del robot a la pistola de mando 1.3.- Conexión del robot a un ordenador 1.4.- Reglas de seguridad a cumplir 1.5.- Desplazamiento de los diferentes grados de libertad 1.6.- Movimiento continuo e intermitente 1.7.- Funcionamiento de la pinza 1.8.- Posicionamiento del robot en el espacio 1.9.- Aprendizaje directo ISA. Dep. Lenguajes y Computación. Universidad de Almería Pag. 3
Módulo 2.- Diseño e implementación de programas de posicionamiento y manipulación de objetos (6 horas) 2.1.- Diseñar e implementar programas para el desplazamiento del robot por posiciones memorizadas 2.2.- Almacenamiento de programas 2.3.- Inserción de los movimientos de pinzas 2.4.- Corrección de programas 2.5.- Diseño e implementación de programas situar el robot y coger objetos (Pick and Place ) 2.6.- Programación de la velocidad del robot Módulo 3.- Integración del robot en un proceso de fabricación. Gestión de entradas y salidas (6 horas), sensores de distancia y presencia, cinta transportadora con variador de velocidad. 3.1.- Interacción del controlador del robot con señales de sensores externos 3.2.- Respuesta del robot a eventos discretos y temporizados 3.3.- Coordinación de movimientos del robot y de una cinta transportadora Módulo 4. Generación y movimiento del robot a lo largo de una trayectoria determinada (8 horas) 4.1 Definición de posiciones y variables a utilizar. 4.2 Diseñar e implementar un programa que calcule una trayectoria sinusoidal. 4.3 Diseñar e implementar un programa que mueva el robot hacia delante y hacia atrás a lo largo de la trayectoria anterior. 4.4 Diseño de estrategias de control para robots manipuladores Módulo 5. Estudio de la cinemática de robots manipuladores (8 horas) Material: Entorno matemático Matlab, Robotics Toolbox 5.1.- Realización del tutorial del toolbox de robótica. Robot Puma 5.2.- Calculo del modelo cinemático directo de un robot tipo SCARA 5.3.- Calculo del modelo cinemático inverso de un robot tipo SCARA 5.4.- Simulación visual del movimiento a lo largo de una trayectoria de un robot tipo SCARA 5.5.- Estudio de la velocidad de las articulaciones de un robot tipo SCARA 5.6.- Diseño e implementación de una función que genere trayectorias a partir de unos determinados datos de entrada BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Se recomienda la siguiente bibliografía, marcadas en negrita la que se considera básica: Teoría: Barrientos, Peñín, Balaguer, Aracil; Fundamentos de Robótica; Ed. Mc Graw Hill, 1997 Fu K.S.; González,, R.C.; Lee, C.S.G.; Robótica. Control, detección, visión e inteligencia. Ed. Mc Graw Hill, 1990 M.P. Groover, M. Weiss, R.N. Nagel y N.G. Odrey. Robótica Industrial: Tecnología, Programación y aplicaciones. McGraw-Hill, 1989. M. W. Spong y M. Vidyasagar. Robot Dynamic and Control. John Wiley and Sons, 1989. Ollero, A.; Robótica. Manipuladores y Robots Móviles. Editorial Marcombo, 2002 Mellado, M.; Control Cinemático de Robots; Editorial Prentice Hall 2002. Tomás, Fuente, Robots y Sistemas Sensoriales, Editorial Prentice Hall 2002. ISA. Dep. Lenguajes y Computación. Universidad de Almería Pag. 4
Prácticas: Eshed Robotec, Manual de usuario del SCORBOT - ER V. 1994 Eshed Robotec, ACL Lenguaje de Control Avanzado y ATS Software de terminal Avanzado. Guía de Referencia. 3ª Edición. Noviembre 1994. EVALUACIÓN 1. Prácticas obligatorias 2. Trabajo obligatorio sobre aplicaciones de la robótica de manipulación 3. Ejercicios obligatorios a entregar de cada tema 4. Examen final si se estima necesario: Febrero 2002 5. Convocatorias extraordinarias que decida Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Almería ISA. Dep. Lenguajes y Computación. Universidad de Almería Pag. 5