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Holonomía y redundancia
Cuando el número de GDL es igual al número de variables de estado, el robot es holónomo.
Si el número es menor, el robot es no-holónomo (ej. Coche).
Si el número es mayor es redundante. Ejemplo, un brazo humano
Tiene 7 GDL: 3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca (no contamos los dedos)
Un objeto en el espacio sólo tiene 6 variables de estado.
Eso hace que haya varias formas de colocar la mano de la misma forma.
Aunque la redundancia dé más “riqueza” al movimiento, complica la manipulación. Actualmente resolver la redundancia está en plena investigación.
Un robot no-holónomo posee ligaduras, que típicamente se deben a un contacto de un elemento con el mundo.
Normalmente un robot móvil tiene ligaduras: la condición de rodadura ideal de las ruedas en contacto con el suelo (no pueden patinar). Ciertos robots móviles son omnidireccionales: en la práctica son holónomos.
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Actuadores eléctricos
Interacción entre dos campos magnéticos (uno de ellos al menos, generado eléctricamente) provoca movimiento.
Los motores de corriente continua (DC) son los más utilizados en la actualidad debido a su facilidad de control, mayor potencia/peso, rendimiento, precio, etc.
Controlados por inducido (usado en robótica)
Controlados por excitación
La velocidad de giro es (en iguales condiciones de carga) proporcional al voltaje.
Eficientes para girar con poco par y gran velocidad: añadiendo una reductora se consigue más par aunque menos velocidad.
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Actuadores eléctricos
Motores paso-a-paso
Normalmente, no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales.
Pares muy pequeños.
Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes.
Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos.
Existen 3 tipos de motores paso-a-paso
De imanes permanentes.
De reluctancia variable.
Híbridos.
Ventajas
Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. El control se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación.
Pueden girar de forma continua, con velocidad variable.
Motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar.
Desventajas
Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por los pasos).
Existe el riesgo de pérdida de alguna posición por trabajar en bucle abierto
Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas
Presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.
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Actuadores hidráulicos
Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa hidráulica de Pascal.
Fluido que circula por tuberías a presión.
Útil para levantar grandes cargas.
Se controlan con servoválvulas que controlan el flujo que circula.
Servoválvula: Motor eléctrico de baja velocidad y alto torque.
El flujo mueve un pistón (lineal).
El movimiento lineal puede pasarse a rotacional con una biela.
Problemas: Complejos, peligrosos (inflamables), difícil mantenimiento (fugas).
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Actuadores neumáticos
Fluido compresible: generalmente aire.
Suelen mover pistones lineales.
Se controlan con válvulas neumáticas.
Son muy seguros y robustos.
Poca exactitud en la posición final: típicamente para todo/nada.
Pinza de sólo dos posiciones: abierta/cerrada.
Difíciles de controlar:
Aire es demasiado compresible.
Presión del compresor inexacta.
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Tabla resumen
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Modelo eléctrico: motor DC
Esquema de funcionamiento de un motor DC controlado por inducido:
La intensidad del inductor es constante.
Tensión del inducido utilizada para controlar la velocidad
En los controlados por excitación se actúa al contrario
(Gp:) Inductor
(Gp:) Inducido
(Gp:) ea
(Gp:) eb
(Gp:) i
(Gp:) if
(Gp:) L
(Gp:) R
(Gp:) B
(Gp:) J
(Gp:)
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Control de motores DC
A más intensidad más par. Típicamente: T = Kp * I
Sistemas digitales lo modulan con PWM (Modulación de la anchura del pulso, “Pulse Width Modulation”):
Voltaje proporcional a la componente de continua (el motor actúa de filtro paso de baja; sólo “ve” la continua) y ésta proporcional al “duty cycle” porcentaje de actividad
Periodo no importa: se escoge una frecuencia alta para evitar sonidos audibles.
(Gp:) media
(Gp:) media
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Modelo dinámico de un motor DC controlado por inducido
Para el control del motor se incluyen las etapas de potencia y control, utilizándose realimentación de intensidad y velocidad.
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Modelo físico: motor DC (iii)
Inercia y rozamiento viscoso equivalentes
vistos a la salida del eje del rotor
Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace).
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Sensores
Introducción
Clasificación de los sensores
Sensores internos
Posición y orientación
Velocidad
Aceleración
Sensores externos
Proximidad
Fuerza-par
Táctiles
Visión artificial
Tratamiento de imágenes
Integración de sensores
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Introducción
Los sensores son los dispositivos que permiten a un robot percibir su entorno.
Un sensor es un transductor que convierte algún fenómeno físico en señales eléctricas que el micro-procesador del robot puede leer.
La misma propiedad física puede medirse por varios sensores.
En general son limitados e inexactos.
La sensorización de un robot implica diversas disciplinas:
Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no corriente)
Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz del ruido)
Informática: Una cámara devuelve un imagen (reconocer los objetos que la forman)
Un diseñador de robots generalmente no puede crear nuevos sensores.
Nuestro trabajo consistirá en integrar los sensores existentes
Esta integración debe hacerse sin perder de vista la tarea a realizar.
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Algunas definiciones que debemos conocer:
Sensibilidad: Es una medida del grado de variación de la señal enviada conforme el fenómeno medido ha cambiado.
Precisión: Diferencia entre el valor real y el medido.
Repetitividad: Diferencia entre sucesivas medidas de la misma entrada.
Resolución: Incremento mínimo observable en la entrada.
Rango: Diferencia entre el máximo y mínimo valor medible.
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Clasificación de los sensores
Vamos a clasificar los sensores en dos grandes grupos:
Sensores internos: Nos da información sobre el propio robot.
Posición y orientación
Velocidad
Aceleración
Sensores externos: Nos da información sobre el entorno del robot.
Proximidad
Tacto
Fuerza
Visión
Otra clasificación:
Sensores pasivos: Miden señales del entorno.
Sensores activos: Producen un estímulo y miden su interacción en el entorno.
El sensor consta de un emisor y un receptor.
Necesitan más energía y en general más complejidad.
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Sensores internos (i)
Posición y orientación
Indican en que posición se encuentra un elemento del robot.
Potenciómetros.
Un contacto que se mueve sobre una espiral.
Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisión, etc.)
No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia)
Encoders (Codificadores angulares de posición)
Diodo LED (emisor) más fototransistor (receptor)
Miden el número de grados que gira algo (motor).
Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco)
Resolución: número de agujeros
Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir reflexión
Se obtiene una onda que puede procesarse
¿Cómo detectar el cambio de dirección?: dos canales.
Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)
Resolvers y sincros
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Sensores internos (iii): usados normalmente en campo abierto
Brújulas: proporcionan información absoluta sobre la orientación de un vehículo
Una aguja imantada se alínea hacia el norte magnético
Existen diversos tipos de brújulas
Magnéticas
Electrónicas (dispositivos de estado sólido)
Inclinómetros: ayudan a determinar si el robot está inclinado.
Giroscopios: determinan la velocidad de rotación y la distancia rotada.
GPS (Global Positioning System)
sistema de orientación/navegación desarrollado y administrado por el US DOD (Departament of Defense).
La información enviada por al menos 4 satélites (señales codificadas), son procesadas por un receptor GPS para calcular su posición (3D), velocidad y tiempo.
Principales usos: navegación aérea y marítima, seguridad vehículos terrestres.
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Sensores internos (iv)
Velocidad
Miden la velocidad (generalmente angular)
Eléctricos:
Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magnético)
Se genera tensión proporcional a la velocidad de giro
Varios nombres: tacogenerador, tacómetro, tacodinamo, etc
Ópticos:
Usan los sensores de posición, derivando para calcular la velocidad
Aceleración
Usan la inercia: un muelle que se estira
Cada vez se usan más (uso clásico: aviones)
La integral numérica es mucho más exacta que la derivada
Problema de oscilación (falsas medidas)
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Sensores externos (i)
Proximidad
Son usados para determinar la presencia de objetos cercanos. Existen muchos tipos:
Ultrasonidos
Magnéticos
Inductivos
Micro-ondas
Ópticos
Capacitivos
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Sensores externos (ii)
Ultrasonidos
Uno de los sensores más utilizados en robots móviles.
Sensor activo de reflexión (el emisor y el receptor se colocan juntos y detectan la reflexión de los objetos)
Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un micrófono el reflejo. La diferencia entre ambas señales indica la distancia al objeto.
Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm/ms.
Propiedades estándar:
Rango de 10 m (aprox.)
30 grados de amplitud
Devuelven distancia al objeto más próximo
Combinables en arrays con desfases entre ellos (más precisos)
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Sensores externos (iii)
Desventajas:
La posición real del objeto es desconocida (cualquier posición del cono a distancia d).
Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran longitud.
Cuanto mayor es el ángulo, más probabilidad de que se detecte un objeto no deseado.
Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes).
En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser muy erróneas.
Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede “no verla”.
¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?.
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Sensores externos (iv)
Ópticos
Muy utilizados en aplicaciones industriales
Sensor activo de reflexión (existen tambien de barrera, pero estos no pueden ser considerados de proximidad)
Se emite luz y se captan los rebotes mediante fotodiodos o fototransistores (las fotoresistencias son más lentas)
Se utilizan para:
Detectar la presencia de objetos
Medir la distancia a los objetos
Detección de características: encontrar una marca, seguir una línea, etc.
Lectura de códigos de barras
Existen distintos tipos de sensores, en función del tipo de luz con la que trabaja:
Luz en el espectro visible
Infrarrojos
Láser
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Sensores externos (v)
Luz en el espectro visible
La reflexión depende del color y de las características del material.
En principio, los colores claros reflejan más que los más oscuros:
Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros.
Los objetos claros “parecen” estar más cerca y los oscuros más lejos de lo que realmente están.
La luz ambiente es una fuente de ruido:
Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo).
La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto tiempo
Infrarrojos
Quizá son los sensores de no-contacto más extendidos
Utiliza la parte del espectro del infrarrojo
Para distinguir la reflexión del infrarrojo ambiente se suele modular (100 Hz usualmente)
Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son fácilmente modulables y no son visibles.
Problema: objetos que no reflejan el IR, tiene un rango máximo entre 50 y 75 cm.
La distancia aproximada se calcula por el ángulo de la luz reflejada
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Sensores externos (vi)
Láser
Para medir grandes distancias, se utiliza el mismo principio que los anteriores sensores cuando trabaja en modo TOF (Time of Flight).
Para medir distancias menores, trabajan estudiando el desplazamiento de fase (luz modulada).
Son de una gran precisión.
Normalmente, estos sensores funcionan mediante un barrido del emisor. El receptor recoge los ecos de las distintas posiciones del barrido, obteniendo el contorno de la escena.
Gran inconveniente: precio.
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