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Fundamentos de robótica




Enviado por Pablo Turmero



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    FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Tipos y aplicaciones de robots
    manipuladores Componentes de robots manipuladores Problemas en la
    utilización de robots Modelamiento (cinemática y
    dinámica) Control

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    Tipos y aplicaciones de robots manipuladores Nomenclatura de las
    partes mecánicas de un robot serial Un robot es llamado
    serial o en cadena cinemática abierta cuando hay solamente
    una secuencia de elos conectando los finales de la cadena; Las
    vinculaciones entre los eslabones pueden ser hechas con juntas de
    revolución o prismática y cada una suministra un
    grado de movilidad; Los grados de movilidad deben ser
    adecuadamente distribuídos en la estructura
    mecánica para dar los grados de libertad para ejecutar una
    tarea; Son necesarios 3 grados de libertad para posicionar un
    objeto en el espacio tridimensional y otros 3 grados de libertad
    para orientarlo. (EFETUADOR FINAL)

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    (Gp:) JUNTA PRISMÁTICA Tipos e aplicaciones de robots
    manipuladores Manipulador Serial Antropomórfico Pintura
    Manipulador Serial SCARA Manipulación de piezas El espacio
    de trabajo representa la porción del ambiente que el
    efectuador final es capaz de alcanzar (Gp:) ESPACIO DE
    TRABAJO

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    Tipos y aplicaciones de robots manipuladores Manipulador Serial
    Cartesiano Manipulación de piezas JUNTA
    PRISMÁTICA

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    Tipos y aplicaciones de robots manipuladores Manipulador Paralelo
    o de cadena cinemática cerrada ABB Manipulación de
    piezas y almacenaje Ventajas en relación al robot serial:
    mayor rigidez y precisión, mayor capacidad de carga,
    mayores velocidades

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    Componentes de robots manipuladores

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    Componentes de robots manipuladores Accionamiento: motores
    eléctricos con reductores, accionamientos
    hidráulicos y neumáticos; Sensores: Encoder
    (angulares para medición de ángulos en las juntas
    de revolución o lineales para desplazamientos en juntas de
    translación), Tacómetro (medición de
    velocidad), Strain gage (medición de fuerza); Sistema de
    Control: Controlador digital con circuito electrónico
    capaz de adquirir las señales medidas por los sensores y
    calcular señales adecuadas para accionar el mecanismo y
    producir los movimientos programados con los menores errores
    posibles.

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    Problemas en la utilización de robots Video
    Programación de la linea de producción Linea de
    producción parada; Programación individual de cada
    robot; Tests, ajustes y retomada de producción. (Mucho
    tiempo para el reinício de operación)
    Programación off-line Programación virtual de la
    línea; Parada de la linea de producción;
    Implementación de los programas; Tests, ajustes y retomada
    de producción. (Tiempo pequeño de
    preparación)

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    Problemas en la utilización de robots Programación
    off-line (requisitos) Modelamento del robot (cinemática y
    dinámica); Modelamento de la línea de
    producción; Línea de producción virtual;
    Programación y simulación de movimientos en
    ambiente virtual; Tests y ajustes para aumentar el
    desempeño.

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    Modelado Cinemática Cinemática Directa de
    Posición La cinemática directa de posición
    determina la posición y la orientación como
    función de las variables de junta; Las expresiones de
    posición y orientación son basadas en la teoria de
    álgebra lineal; La posición y orientación
    del efectuador final en relación a un sistema de
    coordenadas en el origem es expresa a través de una Matriz
    de Transformación Homogénea: (Gp:) Elo 2 (Gp:) Elo
    1 (Gp:) Elo 0 (Gp:) Junta 2 (Gp:) Junta 1 (Gp:) Variáveis
    de Junta: Ângulo relativo entre os elos a0 es un vector
    unitario definido en dirección de aproximación s0
    es un vector unitario ortogonal al vector a0 na dirección
    de abertura da mandíbula da garra n0 é um vetor
    unitário ortogonal aos vetores a0 e s0 p0 é um
    vetor de posição definido da origem do sistema de
    referência até a origem do sistema de coordenadas do
    efetuador final (a0, s0, n0); Manipulador planar de 2 grados de
    libertad

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    Modelado Cinemática Cinemática Directa de
    Posición Para el caso del manipulador planar de 2 grados
    de libertad, la Matriz de Transformación Homogénea
    es: donde: Manipulador planar de 2 graus de liberdade Una
    construcción adecuada de la Matriz de
    Transformación Homogénea puede ser obtenida por la
    aplicación del Método de Denavit-Hartenberg

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    Modelado Cinemática Cinemática Inversa de
    Posición El problema de la cinemática inversa
    consiste en determinar un conjunto de variables de junta que
    corresponden a una dada posición y orientación del
    efectuador final; Para el caso del manipulador planar de 2
    eslabones, la cinemática inversa obtiene los
    ángulos relativos de los eslabones para que el efectuador
    final se mueva sobre una recta con orientación definida,
    por ejemplo; Es un problema mas complejo que la cinemática
    directa: No siempre hay una solución; Puede haber muchas
    soluciones; Si el manipulador fuera redundante, puede haber
    infinitas soluciones; Algunas soluciones pueden no ser adecuadas
    debido a las características constructivas del robot.
    Manipulador planar de 2 eslabones

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    donde v es un vector de velocidad del movimiento realizado por el
    actuador final; J(q) es una matriz que es uma función
    no-lineal de las variables de junta; es un vector de velocidades
    en las juntas del manipulador Modelado Cinemática
    Diferencial La cinemática diferencial da la
    relación entre las velocidades en las juntas y las
    velocidades en el actuador final: La matriz J(q) es llamada
    Jacobiano y es dependiente de la configuración del robot;
    Esta matriz es muy importante porque permite la
    determinación de singularidades del robot, analizar
    redundancia, determinar la cinemática inversa de
    velocidades, relacionar fuerzas en el actuador final con los
    torques aplicados en las juntas y es aplicada em el modelo
    dinámico de robots.

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    Modelado Singularidad Un robot manipulador presenta una
    configuración singular cuando el Jacobiano posee lineas
    que son linealmente dependientes. Se llama SINGULARIDAD LIMITE
    cuando el manipulador está completamente distendido o
    retraído. Se llama SINGULARIDAD INTERNA cuando ocurre el
    alineamiento de dos o mas ejes de los sistemas de coordenadas,
    tornando las lineas del Jacobiano linealmente dependientes. Este
    tipo de singularidad puede ocurrir en cualquier posición
    del actuador final. Es importante conocer las configuraciones
    singulares del robot por las siguientes razones: Causa
    pérdida de movilidad del robot; Cuando el robot
    está en una configuración singular, pueden existir
    infinitas soluciones para la cinemática inversa; Cuando el
    manipulador se aproxima a una configuración singular, una
    pequeña velocidad del actuador final provoca grandes
    velocidades en el accionamento del robot..

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    Modelado Redundancia Un robot manipulador es llamado de
    REDUNDANTE cuando el número de grados de movilidad del
    mecanismo es mayor que el número de variables que son
    necesarias para realizar una tarea. Este concepto es relativo,
    pues un mismo robot puede ser redundante para ejecutar una tarea
    y no ser redundante para ejecutar otra; Un robot que presenta
    redundancia posee mayor versatilidad de movimientos; El Jacobiano
    de un manipulador redundante presenta un número mayor de
    columnas que de líneas (el Jacobiano deja de ser una
    matriz cuadrada y no puede más ser invertida). Para
    resolver el problema se usa un método de los
    Multiplicadores de Lagrange.

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    Modelado Dinámica El modelo dinámico del
    manipulador es de extrema importancia para la simulación
    de movimientos, análisis mecánico de la estructura,
    proyecto de los algoritmos de control y programar movimientos sin
    usar un sistema físico; Por el análisis del modelo
    dinámico es posíble determinar la resistencia
    mecánica de los componentes y los torques y fuerzass que
    deben ser producidos por el accionamiento / transmisión;
    Métodos de elaboración de modelos: Lagrange e
    Newton-Euler; Identificación de parámetros del
    modelo matemático;

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    Modelado Dinámica – Método de Lagrange El
    modelo dinámico del manipulador provee una
    descripción de las relaciones entre los torques en las
    juntas realizado por los actuadores y el movimiento realizado por
    el mecanismo del robot; El modelo dinámico define una
    ecuación del movimiento; Siendo escogido el conjunto de
    variables (li, i = 1, … , n variables) llamado de coordenadas
    generalizadas, que describen la posición de los eslabones
    del manipulador de n grados de movilidad, el Lagrangeano del
    sistema mecánico puede ser definido como función de
    estas coordenadas generalizadas y es donde L es el Lagrangeano; T
    es la energia cinética del sistema; U es la energia
    potencial del sistema.

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    Modelado Dinámica – Método de Lagrange La
    ecuación de Lagrange es dada por (Gp:) La derivada en
    relación al tiempo (Gp:) 1 (Gp:) la derivada parcial del
    Lagrangeano (Gp:) 2 (Gp:) en relación a cada velocidad i
    (Gp:) 3 (Gp:) menos (Gp:) 4 (Gp:) la derivada parcial del
    Lagrangeano (Gp:) 5 (Gp:) en relación a cada
    posición i (Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) es igual (Gp:) a cada
    fuerza generalizada i de accionamiento (Gp:) 8

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    Modelado Dinámica – Método de Lagrange
    Ejemplo: Péndulo accionado por un motor eléctrico
    con reductor (Gp:) Eixo (Gp:) Mancal (Gp:) Pêndulo (Gp:)
    Redutor (Gp:) Rotor do motor elétrico (Gp:) –
    Relação de transmissão do redutor (Gp:) –
    Coeficiente de atrito viscoso (Gp:) Momento de inércia do
    pêndulo – (Gp:) – Peso (Gp:) Posição angular
    – (Gp:) Torque – Lagrangeano: Energia cinética: Energia
    potencial: Lagrangeano:

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    Modelado Dinámica – Método de Lagrange –
    Exemplo La ecuación de Lagrange es dada por (Gp:) Primer
    término de la ecuación de Lagrange (Gp:) Segundo
    término de la ecuación de Lagrange (Gp:) El torque
    en el eje (Gp:) La dinámica del péndulo es

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    Modelado Dinámica – Método de Lagrange –
    Exemplo (Gp:) La dinámica del péndulo es
    Escribiendo de otra forma Segunda Ley de Newton torque inercial
    torque de rozamiento torque gravitacional

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    Modelamento Dinámica – Interpretación La
    dinámica del péndulo es torque inercial (Gp:)
    torque de rozamiento torque gravitacional Torque nulo; Torque
    para velocidad constante; Torque de posicionamiento en
    ángulo. (Gp:) 0 (Gp:) 0 (Gp:) 0 (Gp:) 0 (Gp:) 0 (Gp:) 0
    (Gp:) Eixo (Gp:) Mancal (Gp:) Pêndulo (Gp:) Redutor (Gp:)
    Rotor do motor elétrico (Gp:) ?

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    Modelado Dinámica – Robot planar de 2 elos La
    dinámica del manipulador es (Gp:) donde (Gp:) B(q) es una
    matriz 2 x 2 con componentes de torques inerciales que son
    funciones de q; C(q,q) es una matriz 2 x 2 con componentes de
    torques de coriolis y centrífugos que son funciones de q e
    q; G(q) es un vector con componentes de torques gravitacionales
    que son funciones de q; FA es un vetor de torques de atrito t es
    un vector de torques de accionamiento. (Gp:) . (Gp:) .

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    Control El problema de controlar un robot hidráulico
    consiste en determinar las fuerzas y torques generalizados para
    ser aplicados en las juntas por los actuadores y garantir la
    acción de comandos satisfaciendo los requisitos de
    transitorio y de régimen permanente; El control cuando el
    efectuador final interactúa con el medio (usinage) es mas
    complejo que cuando solamente realiza movimentos sin
    interacción (solda MIG); Control en el ESPACIO DE LAS
    JUNTAS (el control es realizado directamente en las variables de
    junta) Control en el ESPACIO OPERACIONAL (las variables
    controladas son las coordenadas espaciales de posicionamento del
    efectuador final)

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    Control Control en el Espacio de las Juntas (Gp:)
    CINEMÁTICA INVERSA (Gp:) CONTROLADOR (Gp:) MANIPULADOR
    (Gp:) SENSORES (Gp:) xd (Gp:) x (Gp:) q La especificación
    de coordenadas emn el espacio operacional xd puede ser usada
    incluyendo la cinemática inversa y calculando las
    variables de junta q; Las variables en el espacio operacional son
    controladas en malla abierta. Cualquier problema constructivo en
    el mecanismo, problemas de calibración, folgas en
    acoplamentos o transmisiones provocan errores de posicionamiento;
    Es mas simple que el control en el espacio operacional.

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    Control en el Espacio Operacional (Gp:) CONTROLADOR (Gp:)
    SENSORES (Gp:) MANIPULADOR (Gp:) xd (Gp:) x Control La
    cinemática inversa está incluída en el
    algoritmo de control y presenta la ventaja conceptual de
    controlar directamente las variables del espacio operacional;
    Esta estrategia es la base de los esquemas de control para cuando
    el manipulador ejecuta tareas donde el efectuador final
    interactúa con el medio; Es mas complejo que el control en
    el espacio de las juntas.

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