1 ¿Qué es un robot? Robot: término
acuñado por Karel Capek en Rossum’s Universal Robots
(1921). “Robota”, palabra eslava que significa
“trabajo de manera forzada”. Una máquina
programable (computador) con capacidad de movimiento y de
acción. Diccionario RAE: Máquina o ingenio
electrónico programable, capaz de manipular objetos y
realizar operaciones antes reservadas sólo a las personas.
Tipos de robots: En función del medio: Terrestres
(vehículos, robots con patas, manipuladores industriales)
Aéreos (dirigibles) Acuáticos (nadadores,
submarinos) Híbridos (trepadores) En función del
control del movimiento: Autónomos Teleoperados. Otras
clasificaciones (más adelante)
2 ¿Para qué sirven los robots? Reproducir ciertas
capacidades de los organismos vivos. Robots móviles:
exploración, transporte. Robots fijos: asistencia
médica, automatización de procesos industriales.
Otros: control de prótesis, entretenimiento.
3 Revisando la historia (i) esculturas animadas egipcias (2000
a.C) Reloj, Piazza San Marco, Italia (s. XV)
4 Revisando la historia (ii) Relojes, cajas de música (s.
XVII-XVIII).
5 Revisando la historia (iii) Mecanismos coordinados. Ej.
bailarinas, acróbatas. Mecanismos especializados. Ej.
dibujantes, músicos, escritores. Autómatas (siglo
XVIII).
6 Revisando la historia (iv) La cibernética (años
50) Tortugas de Grey Walter (1950's). Burden Neurological
Institute (UK) 8 tortugas Un foto-tubo como ojo Comportamientos
tropistas: Baile alrededor de una luz Recarga al detectar
descarga
7 Revisando la historia (v) La electrónica (años
60) Johns Hopkins University (USA) Transistores Centrado con
sonar Brazo de recarga Células fotoeléctricas
(enchufes negros) Tarea: patrullar pasillos
8 Revisando la historia (vi) Los ordenadores (años 70)
Shakey Stanford University (USA) Ordenador externo
planificación Ordenador interno control Cámara de
TV Encuentra objetos regulares Entorno altamente controlado
Tarea: planificar movimientos
9 Revisando la historia (vii) Los ordenadores empotrados
(años 80) Stanford University (USA) Dos cámaras de
TV Reconstrucción 3D limitada Ordenador empotrado Entorno
estructurado: Reconoce objetos regulares Tarea: navegación
Muy lento (30 m ? 5 h)
10 Revisando la historia (viii) Navegación en entornos
reales Spirit, Opportunity “Cuerpo”: Protege los
“órganos vitales” “Cerebros”:
Ordenadores para procesar la información Controles de
temperatura: Calentadores internos, capa de aislamiento, etc. Un
“cuello y cabeza”: Un poste para las
cámaras que dan al robot una vista a escala humana
“Ojos” y otros sentidos: cámaras e
instrumentos que dan información del entorno Brazo:
Extensión del alcance Ruedas y
“piernas”: Dotan de movilidad Energía:
Baterías y paneles solares Comunicaciones: Antenas para
“hablar” y “escuchar”
11 Revisando la historia (ix) El futuro 2005 manejo de mapas 3D
2010 Robots controlados con técnicas de IA 2020 Robots de
propósito general 2030 Primates robóticos
Nanotecnología Interacción con humanos Aprendizaje,
adaptación, reconfiguración
12 Esquema general de un robot
13 Clasificación de robots (i) Robots manipuladores Robot
Institute of America: un robot industrial es un manipulador
programable multifuncional diseñado para mover materiales,
piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante
movimientos variados, programados para la ejecución de
distintas tareas. Funcionamiento repetitivo. Precisos,
rápidos y de alta repetibilidad, con percepción
limitada. Morfología Sistema mecánico:
articulaciones. Actuadores: motores. Sensores:
comunicación, percepción (visión, etc.).
Sistema de control: servocontrol, generación de
trayectorias, planificación.
14 Clasificación de robots (ii) Robots móviles y de
servicios Incremento de autonomía: Sistema de
navegación automática (planificación
percepción y control) Generalmente son robots
autónomos (perciben, modelan el entorno, planifican y
actúan con mínima ó nula intervención
humana). Telerrobots Teleoperados. El hombre realiza su
percepción, planificación y
manipulación.
15 TEMA 2.Morfología del Robot Manipulador
16 Índice: Morfología del Robot Manipulador
Estructura mecánica de un robot Elementos y enlaces.
Grados de libertad Tipos de articulaciones Configuraciones
básicas Elementos finales Volumen de trabajo Transmisiones
y reductoras Actuadores: Eléctricos Hidráulicos
Neumáticos Modelos físicos
17 Estructura mecánica de un robot (i) Un robot
manipulador está típicamente formado por una serie
de elementos (segmentos, eslabones o links) unidos mediante
articulaciones (joints) que permiten un movimiento relativo entre
cada dos eslabones consecutivos. Este movimiento es producido por
los actuadores. El último elemento se
denomina“elemento terminal” (pinza, herramienta…)
El movimiento de la articulación puede ser: De
desplazamiento De giro Combinación de ambos Grado De
Libertad (GDL) “Degree Of Freedom” (DOF): Cada uno de
los movimientos independientes que puede realizar cada
articulación con respecto a la anterior. El número
de GDL del robot viene dado por la suma de los GDL de las
articulaciones que lo componen. Los grados de libertad equivalen
al número de parámetros independientes que fijan la
situación del elemento terminal. Variables de estado:
Parámetros que definen la configuración
(posición, orientación, etc) del elemento
terminal
18 Estructura mecánica de un robot (ii) Tipos de
articulaciones:
19 Estructura mecánica de un robot (iii) Empleo de
diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, implica:
Diferentes configuraciones Tener en cuenta las
característica específicas del robot a la hora del
diseño y construcción del mismo, y del
diseño de las aplicaciones.
20 Estructura mecánica de un robot (iv) Elementos
terminales Son los encargados de interaccionar directamente con
el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de
aprehensión como herramientas. Normalmente son
diseñados específicamente para cada tipo de
trabajo. Volumen de trabajo Volumen espacial al que puede llegar
el extremo del robot. Volumen determinado por: el tamaño,
forma y tipo de los segmentos que integran el robot. Las
limitaciones de movimiento impuestas por el sistema de control
Nunca deberá utilizarse el elemento terminal para la
obtención del espacio de trabajo. Las razones son: El
elemento terminal es un añadido al robot Si variase se
tendría que calcular de nuevo el espacio de trabajo
21 Transmisiones y reductoras: Transmisiones: elementos
encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta
las articulaciones. Reductoras o engranajes: elementos encargados
de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los
valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot.
Generalmente se reduce la velocidad del actuador (de ahí
el nombre).
22 Actuadores Los actuadores generan el movimiento de los
elementos del robot La mayoría de los actuadores simples
controlan únicamente 1 GDL (izq-der, arriba-abajo) Un
cuerpo libre en el espacio en general se representa mediante 6
variables de estado: 3 de traslación (x,y,z) 3 de
orientación (P.ej. Los ángulos de Euler). No
siempre Nº GDL = Nº Variables estado. Para la
representación de la posición de un
automóvil se usan 3 variables de estado: 2 de
traslación (x,y) y 1 de orientación. Sin embargo,
sólo tiene 2 GDL: acelerador (adelante y atrás) y
dirección (volante). Luego hay movimientos imposibles
(movimiento lateral). Aunque maniobrando pueda adquirir cualquier
configuración.
23 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.
24 Actuadores eléctricos (i) 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.
25 Actuadores eléctricos (ii): (Gp:) Inductor (Gp:)
Inducido (Gp:) ea (Gp:) eb (Gp:) i (Gp:) if (Gp:) L (Gp:) R (Gp:)
B (Gp:) J (Gp:)
26 Actuadores eléctricos (iii) 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.
27 Actuadores eléctricos (iv)
28 Actuadores hidráulicos (i) 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).
29 Actuadores hidráulicos (ii)
30 Actuadores neumáticos (i) 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.
31 Actuadores neumáticos (ii)
32 Tabla resumen
33 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:)
34 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
35 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.
36 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).
37 TEMA 3.Sensores
38 Índice: 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
39 Introducción (i) 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.
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
LA VERSIÓN DE DESCARGA