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Robótica industrial




Enviado por Pablo Turmero



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    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)

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    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.

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    3 Revisando la historia (i) esculturas animadas egipcias (2000
    a.C) Reloj, Piazza San Marco, Italia (s. XV)

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    4 Revisando la historia (ii) Relojes, cajas de música (s.
    XVII-XVIII).

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    5 Revisando la historia (iii) Mecanismos coordinados. Ej.
    bailarinas, acróbatas. Mecanismos especializados. Ej.
    dibujantes, músicos, escritores. Autómatas (siglo
    XVIII).

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    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

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    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

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    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

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    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)

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    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”

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    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

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    12 Esquema general de un robot

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    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.

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    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.

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    15 TEMA 2.Morfología del Robot Manipulador

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    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

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    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

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    18 Estructura mecánica de un robot (ii) Tipos de
    articulaciones:

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    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.

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    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

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    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).

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    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.

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    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.

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    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.

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    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:)

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    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.

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    27 Actuadores eléctricos (iv)

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    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).

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    29 Actuadores hidráulicos (ii)

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    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.

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    31 Actuadores neumáticos (ii)

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    32 Tabla resumen

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    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:)

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    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

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    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.

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    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).

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    37 TEMA 3.Sensores

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    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

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    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.

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