Morfología del RobotLUIS MARCALLACHRISTIAN RODRÍGUEZESTEBAN SEVILLA

Elementos de un Robot

Estructura mecánica Transmisiones Sistema de accionamiento Sistema sensorial Sistema de control Elementos terminales.

Estructura mecánica

Mecánicamente, un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.

Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad (GDL).

Existen también casos opuestos, en los que se precisan más de seis GDL para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno.

Transmisones y Reductores

Transmisiones

Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones

Las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circular en lineal o viceversa. Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su momento de inercia.

Un buen sistema de transmisión cumpla una serie de características básicas: debe tener un tamaño y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.

Las transmisiones más habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tanto a la entrada como a la salida

Reductores

Los reductores son los 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.

Los reductores utilizados en robótica se les exige unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas.

Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima de entrada admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor.

Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos que implican continuos arranques y paradas, es de gran importancia que el reductor sea capaz de soportar pares elevados puntuales.

Accionamiento directo Los reductores introducen una serie de efectos negativos, como son juego angular, rozamiento o

disminución de la rigidez del accionador, que pueden impedir alcanzar los valores de precisión y velocidad requeridos.

Las principales ventajas que se derivan de la utilización de accionamientos directos son las siguientes: Posicionamiento rápido y preciso, pues se evitan los rozamientos y juegos de las transmisiones y reductores. Aumento de las posibilidades de controlabilidad del sistema a costa de una mayor complejidad. Simplificación del sistema mecánico al eliminarse el reductor.

Actuadores

Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control.

Los actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica.

Las características de los actuadores: Potencia. Controlabilidad. Peso y volumen. Precisión. Velocidad. Mantenimiento. Coste.

Actuadores neumáticos

En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de actuadores neumáticos: Cilindros neumáticos.-Se consigue el desplazamiento de un émbolo

encerrado en un cilindro, como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados.

Motores neumáticos (de aletas rotativas o de pistones axiales).- Se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a presión.

Actuadores hidráulicos

Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente en mucho de los neumáticos.

En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en ocasiones .a superar los 300 bar.

Existen, como en el caso de los neumáticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y pistones.

Este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estáticas.

El actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presión ejercida sobre una superficie, sin aporte de energía.

Actuadores eléctricos Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos

eléctricos ha hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales.

Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes: Motores de corriente continua (DC): Controlados por inducido. Controlados por excitación. Motores de corriente alterna (AC): Síncronos. Asíncronos. Motores paso a paso.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA DCSON LOS MÁS USADOS EN LA ACTUALIDAD DEBIDO A SU FACILIDAD DE CONTROL, ESTOS ESÁN CONSTITUIDOS POR DOS DEVANADOS INTERNOS, INDUCTOR E INDUCIDO, QUE SE ALIMENTAN CON CORRIENTE CONTINUA.LAS VELOCIDADES DE ROTACIÓN QUE SE CONSIGUEN CON ESTOS MOTORES SON DEL ORDEN DE 1000 A 3000 R.P.M, CON UN COMPORTAMIENTO MUY LINEAL Y BAJAS CONSTANTES DE TIEMPO. LAS POTENCIAS QUE PUEDEN MANEJAR PUEDEN LLEGAR A LOS 10KW.

MOTORES PASO A PASO

ESTOS MOTORES NO SON MUY UTILIZADOS DENTRO DE LOS ACCIONAMIENTOS INDUSTRIALES, DEBIDO A QUE LOS PARES PARA LOS QUE ESTABAN DISPONIBLES ERAN MUY PEQUEÑOS Y LOS PASOS ENTRE POSICIONES CONSECUTIVAS ERAN GRANDES. EN LOS ULTIMOS AÑOS SE HAN MEJORADO NOTABLEMENTE SUS CARACTERISTICAS TÉCNICAS, ESPECIALMENTE EN LO RELATIVO AL CONTROL.

Motores de conrriente alterna(AC)

Este tipo de motor no ha tenido aplicación en el campo de la robotica hasta hace unos años, debido fundalmente a la dificultad de su control.

Las mejoras que se han introducido en las maquinas sincronicas la hacen un claro competidor contra los motores de conrriente alterna debido a 3 factores que son:

La construcción de rotores sincronicos sin escobillas Uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia

(y asi la velocidad de giro) con facilidad y precision Empleo de la microelectrónica que permite una gran cantidad de

control

Sensores

Sensores  Internos

Para conseguir que el robot realice su tarea con la adecuada precisión es preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como del estado de su entorno. Dos tipos de sensores:

Sensores internos: sensores integrados en la propia estructura mecánica del robot, que dan información del estado del robot: fundamentalmente de la posición, velocidad y aceleración de las articulaciones.

Sensores externos: dan información del entorno del robot: alcance, proximidad, contacto, fuerza, etc. Se utilizan para guiado de robots, para identificación y manipulación de objetos.

Definición

Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (luz, magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de dicha magnitud. Esto se realiza en tres fases:

Un fenómeno físico a ser medido es captado por un sensor, y muestra en su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física.

La señal eléctrica es modificada por un sistema de acondicionamiento de señal, cuya salida es un voltaje.

El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplifica la tensión de salida, la cuál pasa a un conversor A/D, conectado a un PC. El convertidor A/D transforma la señal de tensión continua en una señal discreta.

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.

Sensores internos

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

Sensores internos • Funcionamiento de un codificador óptico incremental

Sensores internos: usados normalmente en campo abierto

Brújulas: proporcionan información absoluta sobre la orientación de un vehículo

Una aguja imantada se alinea 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.

Sensores internos 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) Problema de oscilación (falsas medidas)

Sensores externos

Proximidad Son usados para determinar la presencia de objetos cercanos.

Existen muchos tipos: Ultrasonidos Magnéticos Inductivos Micro-ondas Ópticos Capacitivos

Sensores externos 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

Sensores externos 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?.

Sensores externos 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

Sensores externos 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

Sensores externos 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.

Sensores externos

Fuerza y par Galgas extensiométricas: se relacionan las deformaciones producidas

por la aplicación de fuerzas con las variaciones de resistencia eléctrica. Táctiles

Sensor sencillo, pasivo. Comunes como fin de carrera. Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no pasa) Necesitan poco procesamiento a nivel electrónico Usos variados:

Contacto: el robot choca con algo. Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (ej. Pinza

abierta) Contador: cada vez que se abre/cierra (ej. Contador de vueltas)

Sensores externos Visión artificial

Uso de cámaras como sensores Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados). Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través de

una lente (iris) en un “plano de imagen” (retina) formando una imagen que puede ser procesada.

Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente. Aunque hoy día es abordable con los nuevos microprocesadores.

Campo tan complejo que tradicionalmente se ha considerado como un campo de la informática (como la IA).