SR T2 Morfología

Grado en Ingeniera Electrnica y Automtica Industrial

Tema 2. Morfologa de un Robot

SistemasRobotizados

RafaelBareaNavarro/ElenaLpezGuillnCurso2013/14

ndice

1. Componentes de un robot

2. Estructura mecnica.

3. Transmisiones y reductores

4. Actuadores.

5. Sensores.

6. Elementos terminales.

SistemasRobotizados.Morfologa 2

Componentes de un robot

A

C

T

U

A

D

O

R

E

S

S

E

N

S

O

R

E

S

I

N

T

E

R

N

O

S

SISTEMA DE CONTROL

PERCEPCIN DEL ENTORNO: Visin Tacto Audicin Proximidad Otros

Entorno

Estructura mecnica Actuadores Sensores (Percepcin del entorno) Sistema de control

PARTES PRINCIPALES

ESTRUCTURA MECNICA


Estructura mecnica

Un robot est formado por una serie de segmentos (eslabones) unidosmediante articulaciones que permiten el movimiento entre cada doseslabones consecutivos.

Grado de libertad (GDL): cada uno de los movimientosindependientes que puede realizar cada articulacin con respecto a laanterior

BaseLink0

Joint1

Link2

Link3Joint3End of Arm

Link1

Joint2

Eslabn(link)

Articulacin(joint)


Estructura mecnica

La constitucin fsica de la mayor parte de los robots industriales guardacierta similitud con la anatoma de las extremidades superiores delcuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a losdistintos elementos que componen el robot, se usan trminos comocintura, hombro, brazo, codo, mueca, etc.


Estructura mecnica

BrazorobotRX60Staubli

A:BaseB:HombroC:BrazoD:CodoE:AntebrazoF:Mueca


Estructura mecnica

Wrist Configurations

Wrist assembly is attached to end-of-arm

End effector is attached to wrist assembly

Function of wrist assembly is to orient end effector

Body-and-arm determines global position of end effector

Two or three degrees of freedom:

Roll Pitch Yaw

Notation :RRR

Eje4

Eje5

Eje6


Rotacional

Angular

Lineal

Estructura mecnica. Movimientos articulaciones

La estructura mecnica de un robot manipulador constituye una cadenacinemtica.

Una cadena cinemtica es una serie de eslabones unidos porarticulaciones (secuencia).

Esta secuencia da origen un conjunto de parmetros que hay queconocer para definir la posicin y orientacin del efector final.

Tipos de movimientos en articulaciones: Desplazamiento (lineal) Giro (rotacional y angular) Rotacional: eje giro coincidente con el eje del eslabn Angular: eje giro perpendicular a los eslabones que une la articulacin.

Combinacin de las anterioresSistemasRobotizados.Morfologa 8

Estructura mecnica.Tipos articulaciones

De este modo son posibles seis tipos diferentes de articulaciones:

1. Rotacin (1 GDL-DoF)2. Prismtica (1 GDL)3. Tornillo (1 GDL)4. Planar (2 GDL)5. Cilndrica (2 GDL)6. Esfrica o Rtula (3 GDL)

En la prctica, en los robots slo se emplean las articulaciones tiporotacin y prismtica.


Estructura mecnica. Tipos articulaciones

Prismtica[P]1GL

Cilndrica2GL

Planar2GL

Esfrica(rtula)3GL

Rotacional[R]1GL

Tornillo1GL


Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas

Configuracin de un robot forma fsica del brazo del robot. El brazo del manipulador puede presentar cuatro configuraciones

clsicas:

Cartesiana Cilndrica Polar Articular/Angular/antropomrfico

Y configuraciones no clsicas:

SCARA Paralela



Configuracin Cartesiana

El posicionando se hace en el espacio de trabajo con las articulacionesprismticas (PPP).

Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de libertad, loscuales corresponden a los movimientos localizados en los ejes X, Y y Z.

Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base eninterpolaciones lineales.


Configuracin Cilndrica

Posee una articulacin rotacional y dos prismticas

El robot tiene un movimiento de rotacin sobre una base,una articulacin prismtica para la altura, y una prismticapara el radio.

Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional,o sea, que presenta tres grados de libertad.

Este robot ajusta bien a los espacios de trabajo circulares.

Este robot est diseado para ejecutar los movimientosconocidos como interpolacin lineal e interpolacin porarticulacin. La interpolacin por articulacin se lleva acabo por medio de la primera articulacin, ya que stapuede realizar un movimiento rotacional.

SEIKORT3300



Configuracin Esfrica / Polar

Posee dos articulaciones de rotacin y unaprismtica.

Los movimientos son: rotacional, angular y lineal.

Permiten al robot apuntar en muchasdirecciones, y extender la mano.

Este robot utiliza la interpolacin por articulacinpara moverse en sus dos primeras articulacionesy la interpolacin lineal para la extensin yretraccin.


Rotacional

Angular

Lineal


Configuracin Articular/Angular/antropomrfica

Estos tipos de robot se parecen al brazo humano, con unacintura, el hombro, el codo, la mueca.

Todas las articulaciones son rotacionales (giros)

Presenta una articulacin con movimiento rotacional y dosangulares.

Aunque el brazo articulado puede realizar el movimientollamado interpolacin lineal (para lo cual requiere moversimultneamente dos o tres de sus articulaciones), elmovimiento natural es el de interpolacin por articulacin,tanto rotacional como angular.



Configuracin SCARA

Selective Compliance Assembly Robot Arm

Similar al de configuracin cilndrica, pero elradio y la rotacin se obtiene por uno o doseslabones.

Este brazo puede realizar movimientoshorizontales de mayor alcance debido a sus dosarticulaciones rotacionales.

El robot de configuracin SCARA tambinpuede hacer un movimiento lineal (mediante sutercera articulacin)..



Configuracin Paralela

El elemento terminal se encuentra conectado a labase por al menos dos cadenas cinemticasindependientes

La carga se reparte entre los eslabones

La rigidez de los eslabones asegura mayorprecisin en el posicionamiento

Bajo coste y montaje preciso



Cartesiana [PPP] Polar [RRP]

Cilndrica [RPP] Angular/Articulada [RRR]

SCARA [RRP]


Paralela


Configuraciones bsicas ms frecuentes



La mayor parte de manipuladores actuales responden a una estructuraangular o articular (45%) seguidos de los de estructura Cartesiana ySCARA.

Los robots de estructura esfrica y cilndrica estn en deshuso.



Estructura mecnica. Grados de libertad

GDL: cada uno de los movimientos independientes que puede realizarcada articulacin con respecto a la anterior.

Los robots manipuladores pueden considerarse (en la mayor parte delos casos) cadenas cinemticas abiertas con articulaciones de tiporotacin o prismtica (con un solo GDL cada una).

En este caso, el nmero de grados de libertad del robot coincide con elnmero de articulaciones del robot

NGDL = Nmero de articulaciones del robot


Para posicionar y orientar un objeto en el espacio son necesarios 6parmetros (3 posicin, 3 orientacin) Son necesarios 6 GDL

En la prctica muchos robots industriales disponen slo de 4 o 5 GDL,suficientes para realizar las tareas que realizan (coger y dejar piezas,paletizado, etc)

Otras veces es necesario dotar al robot con ms GDL (8 o 9)

Carril o track Mesa

Estructura mecnica. Grados de libertad


Estructura mecnica. Ejemplo Dimensiones y GDL

Articulacin Jt1 Jt2 Jt3 Jt4 Jt7 Jt6

Amplitud [] 320 255 269 540 230 540

Distribucin del rangode trabajo []

A B C D E F

+/- 160 +/- 127.5 +/- 134.5 +/- 270 +120.5 / -109.5 +/- 270

Velocidad Nominal [/s] 287 287 319 410 320 700

Resolucin angular[10-3] 0.724 0.724 0.806 1.177 0.879 2.747

Brazo robot RX60-Staubli


Estructura mecnica.Espacio de trabajo

El espacio de trabajo de un robot est definido por las dimensiones delos elementos del manipulador junto con los grados de libertad y loslimites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.

Se construye trazando los lmites de cada elemento (eslabn) y cadaarticulacin

Adems, hay que tener en cuenta las dimensiones del elementoterminal.

Las configuraciones cartesiana y cilndrica presentan un espacio detrabajo regular, mientras que las configuraciones Esfrica, Angular ySCARA lo presentan irregular

CartesianaPPP CilndricaRPP EsfricaRRP


Cartesiano Cilndrico Polar o esfrico

Articular SCARA Paralelo

25SistemasRobotizados.Morfologa



Zona de Trabajo RX60

RMmax alcanza el centro de la mueca entre las articulaciones 2 y 5

600 mm

RMmin alcanza el centro de la mueca entre las articulaciones 2 y 5

233 mm

Brazo robot RX60 -Staubli


Brazo robot kuka KR 60



Transmisiones

Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir elmovimiento desde los actuadores hasta las articulaciones.

Justificacin

El extremo del robot se mueve con aceleraciones elevadas reduccin delmomento de inercia

Pares estticos distancia al actuador acercamiento de los actuadores (pesados)a la base del robot uso de transmisiones para trasladar el movimiento a lasarticulaciones

Conversin movimiento lineal-circular y viceversa Caractersticas necesarias (Altas prestaciones)

Tamao y peso reducido Mnimos juegos u holguras Gran rendimiento No debe afectar al movimiento Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado


Transmisiones

Sistemas de transmisin para robots

Las transmisiones ms habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tantoen la entrada como a la salida. Incluidas es stas se hallan los engranajes, las correasdentadas y las cadenas.

Tipo movimiento Entrada-Salida

Denominacin Ventajas Inconvenientes

Circular-Circular EngranajeCorrea dentada

CadenaParalelogramo

Cable

Pares altosDistancia grandeDistancia grande

--

Holguras-

RuidoGiro limitado

Deformabilidad

Circular-Lineal Tornillo sin finCremallera

Poca holguraHolgura media

RozamientoRozamiento

Lineal-Circular Paral. ArticuladoCremallera

-Holgura media

Control difcilRozamiento


Transmisiones

ConjuntopincremalleraConversindemovimientocircularalineal


Transmisiones

transmisindemovimientocorrespondientealamuecadeunrobot:


Transmisiones

Mecanismos de Transmisin Circular-Circular

RuedadeFriccin

RuedasdentadasTornillosinfin corona

movimientocircularentreejesperpendiculares.

Poleasycorreas/cadenas


Transmisiones

Tornillotuerca(tornillosinfin)

Pincremallera Levas Excntrica

Mecanismos de Transmisin Circular-Lineal


Transmisiones

Actuador de desplazamiento linealParalelogramosarticulados

conversin de movimiento lineal en circular

Mecanismos de Transmisin Circular-Lineal

Bielamanivela Cigeal


Reductores

Los reductores se encargan de adaptar el par y velocidad de la salida delactuador a los valores adecuados para el movimiento de los eslabones delrobot.

Especficos para robots altas prestaciones que se le piden al robot en cuantoa precisin y velocidad de posicionamiento.

Caractersticas:

Bajo peso, tamao y rozamiento Capacidad de reduccin elevada en un solo paso Mnimo momento de inercia Mnimo juego o Backslash (se define como el ngulo que gira el eje de salida cuando

cambia el sentido de giro sin que llegue a girar el eje de entrada)

Alta rigidez torsional

2

112 * =

T2: par de salidaT1: par de entrada: rendimiento1= velocidad de entrada2 = velocidad de salida


Reductores

Valores tpicos de los reductores utilizados en robtica

Los reductores ms utilizados en robots son los de las empresasHarmonic Drive y Cyclo-Getriebebau


Reductores

Diferencia entre dientes: Z= Nc - NfReduccin: Z/Nf

www.harmonic-drive.comReductor Harmonic Drive

Caractersticas: ElCircularSpline esrgidoyestafijo. ElFlexspline esflexibleyseunealejedesalida ElWaveGenerator eselpticoysefijaalejedeentrada. LosdientesinterioresdelCircularSpline engrananconlos

exterioresdelFlexspline. Ladiferenciadedientesesde1o2. Larelacindereduccineslarelacinentredichadiferenciay

losdientesdelFlexspline.


Reductores

Caractersticas: Movimiento cicloidal de un disco de curvas movido por excntrica. El disco de curvas rueda sobre los rodillos exteriores. Relacin de reduccin igual a la diferencia entre rodillos exteriores y huecos

del disco de curvas.

Reductor CYCLO


Robots de accionamiento directo (Direct Drive DD)

Robots de accionamiento elctrico sin reductores El eje del actuadorse conecta directamente a la carga o articulacin, sin la utilizacin de unreductor intermedio

Este tipo de accionamiento aparece debido la necesidad de utilizarrobots en aplicaciones que exigen combinar gran precisin con altavelocidad. Los reductores introducen una serie de efectos negativos,como son el juego angular, rozamiento o disminucin de la rigidez delaccionador, que pueden impedir alcanzar los valores de precisin yvelocidad requeridos.

Ventajas:

Posicionamiento rpido y preciso se evitan los rozamientos y juegos delas transmisiones y reductores

Mayor controlabilidad (aunque ms compleja) Simplificacin del sistema mecnico (se elimina el reductor)



Desventajas:

Necesidad de motores especiales (par elevado a bajas revoluciones conalta rigidez) sncronos, brushless se encarece el sist. Acondicionam.

Aumenta la inercia al poner motores pesados junto a las articulaciones. Reduccin de la resolucin del codificador de posicin El sensor de

posicin va directamente acoplado al eje: necesita ser mucho ms preciso.

Utilizan codificadores de posicin de muy alta resolucin Control. Al no tener reductores, la ley de control no se simplifica. El control

debe ser mucho ms sofisticado.

Tpicos en robots SCARA

Altas prestaciones en velocidad y posicionamiento

40SistemasRobotizados.Morfologa 40

Actuadores

Los actuadores tienen por misin generar el movimiento de loselementos del robot segn las rdenes dadas por la unidad de control.

Tipos empleados en robtica:

Neumticos (cilindros y motores) Hidrulicos (cilindros y motores) Elctricos (DC , AC y Motores paso a paso)

Las caractersticas a considerar son:

Potencia Controlabilidad Peso y volumen Precisin Velocidad Mantenimiento Coste


Actuadores. Caractersticas

Neumtico Hidrulico Elctrico

Energa Aire a presin(5-10 bar)

Aceite mineral(50-100 bar)

Corriente elctrica

Opciones CilindrosMotor de paletasMotor de pistn

CilindrosMotor de paletasMotor de pistones axiales

Corriente continuaCorriente alternaMotor paso a paso

Ventajas BaratosRpidosSencillosRobustos

RpidosAlta relacin potencia-pesoAutolubricantesAlta capacidad de cargaEstabilidad frente a cargas estticas

PrecisosFiablesFcil controlSencilla instalacinSilenciosos

Desventajas Dificultad de control continuoInstalacin especial (compresor, filtros)Ruidoso

Difcil mantenimientoInstalacin especial (filtros, eliminacin de aire)Frecuentes fugasCaros

Potencia limitada

Caractersticas


Actuadores neumticos (I)

Fuente de energa: Aire comprimido. Generalmente aire a presin entre 5 y 10 bar.

Dos tipos Cilindros neumticos Motores neumticos

Caractersticas generales: Difciles de controlar: Aire es demasiado compresible. Presin del compresor inexacta.

Poca precisin de posicionamiento Poca exactitud en la posicin final. Manipuladores sencillos uso para sistemas con un posicionamiento en

dos estados (todo o nada) Ejemplo: Pinza de slo dos posiciones: abierta/cerrada.


Actuadores neumticos (II)

Cilindros neumticos

Desplazamiento de un mbolo encerrado en un cilindro, como consecuenciade la diferencia de presin a ambos lados del mbolo.

Los cilindros neumticos pueden ser de simple o doble efecto. Posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento

continuo. Repetitividad inferior a otros tipos de actuadores,

Cilindro neumtico de simple efecto doble efecto


Actuadores neumticos (III)

Motores neumticos Movimiento de rotacin de un eje mediante aire a presin. Los dos tipos ms usados son los motores de aletas

rotativas y los motores de pistones axiales. En los motores de aletas rotativas, sobre el rotor excntrico

estn dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar airea presin en uno de los compartimentos formados por dosaletas y la carcasa, stas tienden a girar hacia una situacinen la que el compartimento tenga mayor volumen.

Los motores de pistones axiales tienen un eje de girosolidario a un tambor que se ve obligado a girar por lasfuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre unplano inclinado.

Motordepaletasdossentidosdegiro

Motordepistonesaxiales


Otro mtodo comn ms sencillo de obtener movimientos de rotacin a partirde actuadores neumticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo mbolo seencuentra acoplado a un sistema de pin-cremallera.

El empleo de un robot con accionamientos neumticos hace necesariodisponer de una instalacin de aire comprimido (compresor, sistemadistribucin, etc)

Actuadores neumticos (IV)

Actuadorrotativopioncremallera


Actuadores hidrulicos (I)

Se utilizan aceites minerales a una presin comprendida normalmenteentre los 50 y 100 bar.

Funcionamiento similar a los neumticos. Dos tipos: Cilindros y Motores Caractersticas generales: El grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente

inferior a la del aire, por lo que la precisin obtenida en este caso esmayor.

Por motivos similares, es ms fcil en ellos realizar un control continuo connotable precisin.

Elevadas fuerzas y pares. Inconvenientes: Fugas de aceite. Inflamables. Instalacin ms complicada (equipos de filtrado de partculas, eliminacin de aire,

sistemas de refrigeracin y unidades de control de distribucin).

En la actualidad, las cargas manejadas por los robots elctricos sonequiparables a los hidrulicos y por lo tanto, stos estn siendorelegados a un segundo plano


Actuadores elctricos (I)

Son los ms utilizados en los robots industriales actuales

Caractersticas:

Fciles de controlar Sencillos Precisin Alta repetitividad Ms pesados que los neumticos e hidrulicos a igualdad de potencia

Tipos diferentes:

Motores de corriente continua (DC): Controlados por inducido Controlados por excitacin

Motores de corriente alterna (AC): Sncronos Asncronos

Motores paso a pasoSistemasRobotizados.Morfologa 48

Motores de corriente continua (DC)

Son los ms usados en la actualidad debido a su facilidad de control. Los motores DC estn constituidos por dos devanados internos, inductor e

inducido, que se alimentan con corriente continua: El inductor, tambin denominado devanado de excitacin, est situado en el

estator y crea un campo magntico de direccin fija, denominado excitacin. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de

Lorentz que aparece como combinacin de la corriente circulante por l y delcampo magntico de excitacin. Recibe la corriente del exterior a travs delcolector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.

Actuadores elctricos (II)



El devanado inductor suele ser sustituido por imanes que generan de maneraequivalente un campo magntico constante.

Las velocidades de rotacin que se consiguen con estos motores son del ordende 1000 a 3000 r.p.m., con un comportamiento muy lineal y bajas constantesde tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10 kW.

Actuadores elctricos (III)


Control Motores DC

Dos tipos: por inducido y por inductor

En el control por inducido, la tensin del inducido se utiliza para controlar lavelocidad de giro.

Los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de lavelocidad de giro originado por la realimentacin intrnseca que posee a travsde la fuerza contraelectromotriz.

El control por inducido es el que se usa en el accionamiento de robots.

Problema: mantenimiento de las escobillas

Actuadores elctricos (IV)



Problemas:

Mantenimiento de las escobillas Generacin de chispas elctricas (en las escobillas) Peligro incendio Mala capacidad de disipacin del calor. No es posible mantener el par con el rotor parado ms de unos segundos,

debido a los calentamientos que se producen en el colector.

No es posible proporcionar pares elevados, asociados al mantenimientoprolongado de intensidades elevadas (como las que se producen ante unaelevada aceleracin)

Solucin: Motores DC brushless (sin escobillas)

Actuadores elctricos (IV)


Motores DC brushless (sin escobillas)

Los imanes de excitacin se sitan en el rotor y el devanado delinducido en el estator, con lo que es posible convertir la corrientemediante interruptores estticos, que reciben la seal de conmutacin atravs de un detector de posicin del rotor.

The four poles on the stator of atwophase BLDC motor. This ispart of a computer cooling fan;the rotor has been removed

Motorfroma3.5"floppydiskdrive.Thecoilsarecopperwirecoatedwithgreenfilminsulation.Therotor(upperright)hasbeenremovedandturnedupsidedown.Thegreyringjustinsideitscupisapermanentmagnet

Actuadores elctricos (V)


Motores DC brushless (sin escobillas)

Ventajas

Menor mantenimiento Bajo momento de inercia Alto par a velocidad nula Mejor rendimiento (no hay prdidas en el rotor) Mejor disipacin trmica (devanado en contacto con la carcasa) Mejor relacin potencia-peso o volumen

Actuadores elctricos (V)


Motores paso-a-paso

No han sido considerados dentro de los accionamientos industriales. Pares muy pequeos. Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos.

Existen 3 tipos de motores paso-a-paso De imanes permanentes. El rotor posee una polarizacin magntica constante y gira para orientar sus polos

de acuerdo al campo magntico creado por el estator.

De reluctancia variable. El rotor est formado por un material ferromagntico que tiene a orientarse de

modo que facilite el camino de las lneas de fuerza del campo magntico generadopor el estator.

Hbridos. Combinan los dos modos de funcionamiento anteriores

Actuadores elctricos (VI)


Motores paso-a-paso. Funcionamiento.

En los motores paso a paso la seal de control son trenes de pulso quevan actuando rotativamente sobre una serie de electroimanesdispuestos en el estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor giraun determinado nmero discreto de grados.

Actuadores elctricos (VII)


Motores paso-a-paso

Ventajas

Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Elcontrol se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores derealimentacin.

Pueden girar de forma continua, con velocidad variable. Motores muy ligeros, fiables y fciles de controlar.

Desventajas

Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por lospasos).

Existe el riesgo de prdida de alguna posicin por trabajar en bucle abierto Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas Poca precisin: Presentan un lmite en el tamao que pueden alcanzar.

Actuadores elctricos (VIII)


Motores de corriente alterna (AC)

No han tenido aplicacin en el campo de la robtica hasta hace unosaos, debido fundamentalmente a la dificultad de su control.

Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las mquinassncronas hacen que se presenten como un claro competidor de losmotores de corriente continua.

Esto se debe principalmente a tres factores:

La construccin de rotores sncronos sin escobillas Uso de convertidores estticos que permiten variar la frecuencia (y as la

velocidad de giro) con facilidad y precisin

Empleo de la microelectrnica que permite una gran capacidad de control

Actuadores elctricos (IX)



El inductor se sita en el rotor y est constituido por imanespermanentes, mientras que el inducido, situado en el estator, estformado por tres devanados iguales decalados 120 elctricos y sealimenta con un sistema trifsico de tensiones.

Similitud con el motor DC sin escobillas (brushless).

Actuadores elctricos (X)


Motores de corriente alterna (AC). Funcionamiento

ClockwiseACmotoroperation. ThreephaseACmotor:Aphasesequenceof123spinsthemagnetclockwise

Actuadores elctricos (XI)



En los motores sncronos la velocidad de giro depende nicamente de lafrecuencia de la tensin que alimenta el inducido.

Para poder variar la velocidad con precisin, el control de velocidad serealiza mediante un convertidor de frecuencia.

Para evitar el riesgo de prdida de sincronismo se utiliza un sensor deposicin continuo que detecta la posicin del rotor y permite manteneren todo momento el ngulo que forman los campos del estator y delrotor.

Este mtodo de control se conoce como autosncrono o autopilotado.

El motor AC permite desarrollar, a igualdad de peso, una potenciamayor que el motor de corriente continua.

En la actualidad diversos robots industriales emplean este tipo deaccionamientos con notables ventajas frente a los motores de corrientecontinua.

Actuadores elctricos (XII)


Sensores

Los sensores son los dispositivos que permiten a un robot percibir su entorno.

Un sensor es un transductor que convierte algn fenmeno fsico en sealeselctricas que el controlador del robot puede leer e interpretar.

Clasificacin (Segn el origen de la informacin):

Propioceptivos (Sensores internos): Informan sobre el estado delpropio robot. Presencia Posicin y orientacin Velocidad y Aceleracin Fuerza

Extereoceptivos (Sensores externos): Informan sobre el entorno delrobot. Presencia Distancia Tacto Fuerza Visin


Sensores internos - Propioceptivos

Posicin y orientacin

Indican en que posicin se encuentra un elemento del robot.

Posicin Analgicos

Digitales

PotencimetrosResolverSincroInductosynLVDT

Encoders absolutosEncoders incrementalesRegla ptima




Potencimetros

Un contacto que se mueve sobre una espiral. Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisin, desgaste, velocidad

limitada, etc.)

No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejesde poca importancia)




Encoders pticos (Codificadores angulares de posicin)

Diodo LED (emisor) ms fototransistor (receptor) Miden el nmero de grados que gira algo (motor). Tipos: incremental y absoluto Incremental: agujeros a un disco

9 Se miden posiciones relativas.9 Deteccin sentido giro 2 canales9 Resolucin: nmero de agujeros

Absoluto: Se pintan sectores blancos y negros y medir reflexin9 Se obtiene una onda que puede procesarse

Problema: Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)



Encoder incremental

Encoder absoluto

Posicin y orientacin Encoders




Resolvers y sincros

Transductores de posicin angular de tipo electromagntico Resolver: Bobina solidaria al eje excitada por una portadora (400Hz) y dos

bobinas fijas situadas a su alrededor. Los valores V1 y V2 dependen delseno del ngulo de giro.

Sincros: Las bobinas fijas forman un sistema trifsico en estrella

( ) sinsin1 tVV =

resolver

( ) cossin2 tVV =




LVDT e Inductosyn. Sensores lineales de posicin

LVDT: Transformador diferencial de variacin lineal

Inductosyn

( )21 MMEo

= pxkVVs 2cos

Eoesproporcionalaladiferenciadeinductanciasmtuasyporlotantodependelinealmentedeldesplazamientodevstagosolidarioalncleo

El ncleo se mueve linealmente entre un devanadoprimario y dos secundarios, variando la inductanciaentre ellos




Brjula/Compass: proporcionan informacin absoluta sobre la orientacin

Utilizan el campo magntico de la Tierra para obtener una medida absoluta deorientacin

Existen diversos tipos de brjulas9 Magnticas9 Electrnicas (dispositivos de estado slido)

Principales inconvenientes de las brjulas:9 Debilidad del campo magntico de la tierra9 Perturbaciones causadas por otros objetos o fuentes magnticas9 No son tiles en entornos interiores

HMC6343isasolidstatecompassmoduleDigitalCompassinRobotNavigation(ZCC211S232GMD)




Inclinmetros y gonimetros: Sensores de inclinacin/ngulo

Tipos:

Burbuja

Electrnicos: Capacitivos: la variacin de inclinacin se traduce en una variacin de la capacidad

entre las placas del sensor, que actuando como un condensador, vara la seal desalida.

Conductancia: miden el nivel de conductividad que hay entre dos electrodos, detal forma que al inclinarse uno de los dos electrodos tiene ms conductividad.

pticos: Desplazamiento que sufre un haz de lser despus de reflejarse en la superficie

del lquido.



Posicin y orientacin Girscopos: Determinan la velocidad de rotacin y la distancia rotada. Son sensores de orientacin que mantienen un sistema de coordenadas

fijo. Proporcionan una medida absoluta de orientacin del robot. Dos tipos:

mecnicos (standard, rated-velocidad) pticos (rated-velocidad)



Posicin

GPS (Global Positioning System) Sistema de orientacin/navegacin desarrollado y administrado por el US DOD

(Departament of Defense).

La informacin enviada por al menos 4 satlites (seales codificadas), sonprocesadas por un receptor GPS para calcular su posicin (3D), velocidad y tiempo.

Principales usos: navegacin area y martima, seguridad vehculos terrestres.

La medida de la distancia d1 al satlite1 y la distancia d2 al satlite2proporciona la interseccin de las dos esferas (una circunferencia)

Con la medida de la distancia d4 al satlite4 se obtiene un nico punto de corte que corresponder con la posicin estimada del robot

La medida de la distancia d3 al satlite3 puede proporcionar hasta 2 puntos de corte con la circunferencia obtenida anteriormente

Principiodetrilateracin



Velocidad Miden la velocidad (generalmente angular) Elctricos: Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magntico) Se genera tensin proporcional a la velocidad de giro Varios nombres: tacogenerador, tacmetro, tacodinamo, etc

pticos: Usan los sensores de posicin, derivando para calcular la velocidad

Aceleracin Acelermetros. Miden aceleraciones en 3 ejes Tipos: mecnicos, piezoelctricos, efecto hall, condensador Actualidad: chip de silicio (tecnologa MEMS)



Presencia Mecnicos: Fines de carrera / Bumpers Utilizan la deformacin mecnica que sufren determinados dispositivos para

cerrar o abrir un circuito e indicar que se ha producido un impacto

Problemas de mantenimiento: mecnico y desgaste de contactos.



Presencia pticos Emisor y receptor en un nico encapsulado. Emisor y receptor independientes: barreras fotoelctricas.

Inductivos Deteccin de variacin de consumos debidos a corrientes de Focault. Slo sirve para materiales metlicos.

Capacitivos Medida de variacin de capacidad. Materiales metlicos y no metlicos.



Fuerza y par

Galgas extensiomtricas: se relacionan las deformacionesproducidas por la aplicacin de fuerzas con las variaciones deresistencia elctrica.

FlexiforceSensor

SENSORDEFUERZARESISTIVOS320255Sensordefuerzadetiporesisitivoquepuedeutilizarseparaproporcionarunasalidade05Venfuncindelafuerzaaplicada.Estesensortieneunaresistenciatpicadeuno100Kohmiosenreposoylaresistenciabajahastalos10Kohmioscuandosehacepresinsobreelsensor.Elsensoresmuytilparadetectarpresinendeterminadospuntoscomoporejemplolaparadeunrobot,lapresindecierredeunapinzaderobot,etc.



Fuerza y par

The BH8series BarrettHand is a multifingered programmable grasper with thedexterity to secure target objects ofdifferent sizes, shapes, and orientations.

Tctil


Sensores externos - Extereoceptivos

Proximidad/Distancia

Son usados para determinar la presencia/distancia de objetos cercanos.Existen muchos tipos:

Ultrasonidos Magnticos Inductivos Micro-ondas pticos (infrarrojos, lser) Capacitivos



Ultrasonidos

Uno de los sensores ms utilizados en robots mviles. Sensor activo de reflexin (el emisor y el receptor se colocan juntos y

detectan la reflexin de los objetos)

Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un micrfono el eco. Ladiferencia entre ambas seales indica la distancia al objeto.

Propiedades estndar: Rango de 1-10 m (aprox.) 30 grados de amplitud Devuelven distancia al objeto ms prximo

SRF02



UltrasonidosLa distancia d al objeto que devuelve el eco se puede calcular en base a la velocidad de propagacin del sonido c y el tiempo de vuelo t

2tcd =

Ultrasonido transmitido

Seal de eco analgicoUmbral



Desventajas Ultrasonidos:

La posicin real del objeto es desconocida (cualquier posicin del cono a distancia d). Cuanto menor sea el ngulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas

medidas de gran longitud.

Cuanto mayor es el ngulo, ms probabilidad de que se detecte un objeto nodeseado.

Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que lleganantes).

En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser muy errneas. Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ngulo puede no verla. Qu ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?.



pticos Muy utilizados en aplicaciones industriales Sensor activo de reflexin (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 ms lentas) Se utilizan para: Detectar la presencia de objetos Medir la distancia a los objetos Deteccin de caractersticas: encontrar una marca, seguir una lnea, etc. Lectura de cdigos de barras

Existen distintos tipos de sensores, en funcin del tipo de luz con la quetrabaja: Luz en el espectro visible Infrarrojos Lser



Infrarrojos Quiz son los sensores de no-contacto ms extendidos Utiliza la parte del espectro del infrarrojo Para distinguir la reflexin del infrarrojo ambiente se suele modular (100

Hz usualmente)

Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son fcilmentemodulables y no son visibles.

Problema: objetos que no reflejan el IR La distancia aproximada se calcula por el ngulo de la luz reflejada

SENSORINFRARROJOSSHARPGP2Y0A02YK



Lser 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 defase (luz modulada).

Son de una gran precisin. 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.



PhaseMeasurement

Target

D

L

Transmitter

Transmitted BeamReflected Beam

P

Medida de la distancia con Lser: Lser pulsado, medir el tiempo de vuelo directamente (resultados en picosegundos) Medir la interferencia entre la frecuencia continua modulada de la onda y la seal

reflejada (interferometra) Medir la diferencia de fase para estimar la distancia. Triangulacin en base a relaciones geomtricas conocidas

La tcnica ms fcil de implementar es la ltima: medida de diferencia de fase

dondec: es la velocidad de la luz; f la frecuencia de modulacin; D la distancia recorrida en ida-vuelta y : diferencia de fase entre la transmitida y la reflejada

para f = 5 MHz (sensor A.T&T.), = 60 metros

2

2 +=+= LDLD = c/f



REFLEXINDIRECTASOBREOBJETO(PROXIMIDAD)

APLICACIONESDEDETECTORESPTICOS

BarrerafotoelctricarflexSICKG6SensordedistancialsersickDS40



REFLEXIN SOBRE ESPEJO REFLECTOR

BARRERA PTICA

APLICACIONESDEDETECTORESPTICOS


Aplicaciones Lser Robtica mvil: Percepcin de entorno 2D y 3D

2D SickLMS200

3D LidarHDL64E

MuCAR3:MunichCognitiveAutonomousRobotCar



Generacindemapas

Localizacinynavegacin

Aplicaciones Lser Robtica mvil



Visin artificial

Uso de cmaras como sensores Procesamiento de imgenes para obtener informacin de la escena Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente. Aunque

hoy da es abordable con los nuevos equipos.



Visin artificial - Aplicaciones

Control de calidad Posicionado de piezas, Reconocimiento, inspeccin y deteccin de fallos Metrologa industrial sin contacto Guiado de robots.



Elementos terminales

Los elementos terminales son los encargados de interaccionardirectamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos deaprehensin como herramientas.

Se puede establecer una clasificacin de los elementos terminales:sujecin, operacin, manipulacin, montaje, especiales.


Sistemas de sujecin para robots

Tipos de sujecin Accionamiento UsoPinza de presin(desplazamiento angular olineal)

Neumtico / elctrico Transporte y manipulacin depiezas sobre las que no importepresionar

Pinza de enganche Neumtico / elctrico Piezas de grandes dimensiones osobre las que no se puede ejercerpresin

Ventosas de vaco Neumtico Cuerpos con superficie lisa pocoporosa (cristal, plstico, etc.)

Electroimn Elctrico Piezas ferromagnticas.



Sistemas de sujecin. Pinzas - grippers



Sistemas de sujecin. Pinzas - grippers


Grapuenteautomticaparalalogsticadebiomasa

Pinzas de enganche


Sistemas de sujecin. Manos robticas

BarrettHand

HandC5



Sistemas de sujecin. Ventosas de vaco Efecto succin



Sistemas de sujecin. Electroimn


Electroimanescircularesparalamanipulacindechatarra


Herramientas

Tipo de herramienta ComentariosPinza soldadura por puntos

Soplete soldadura al arco

Cucharn para colada

Atornillador

Fresa- lija

Pistola de pintura

Can lser

Can de agua a presin

Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldarAportan el flujo de electrodo que se funde

Para trabajos de fundicin

Suelen incluir la alimentacin de tornillos

Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc

Para pulverizacin de la pintura

Para corte de materiales, soldadura o inspeccin.Para corte de materiales.



Herramientas. Soldadura

Robot ABB - IRB 1600ID

Soldadura al arco

Soldadura por puntos


Antorcha

Pinza


Herramientas. Soldadura

ArcWeldingSolutionArmdeFANUCRobotics

RobotsoldadorpanasonicVR006



Herramientas. Pintura

IRB52ABBRoboticsrobotcompactodepintura

IRB5400ABBRobotics


Pistolaneumticadepintura


Herramientas. Vdeos


ABBRobotics 10mostpopularapplicationsforrobotshttps://www.youtube.com/watch?v=fH4VwTgfyrQ

ABBRobotics PickingPackingPalletizing10popularapplicationshttps://www.youtube.com/watch?v=bYdFUS2dzyI

Soldaduraalarco http://www.youtube.com/watch?v=HUU3HdxOqZsSoldaduraporpuntos http://www.youtube.com/watch?v=5jWy8oM7UwUPintura http://www.youtube.com/watch?v=oCyPT4pEeBgPainting &coatinghttp://www.youtube.com/watch?v=xLyfegzK6AU&list=PLE3DAD8C9AEF81839&index=2Sellado http://www.youtube.com/watch?v=CjUTnCowzNQ&list=PLE3DAD8C9AEF81839Pickupventosa http://www.youtube.com/watch?v=wg8YYuLLoM0


Bibliografa

General

Barrientos, A., Pen, L. F., Balaguer, C., Aracil, R. Fundamentos de Robtica.McGraw-Hill. 1997.

Tema 2: Morfologia del robot. Robtica y Visin por Computador. UniversidadMiguel Hernndez

Transmisiones

http://www-pagines.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-04/rob_ia2/elem3.htm

http://cursos.itchihuahua.edu.mx/file.php/65/Transmision_del_movimiento.pdf

http://www.tecnojulio.com/1eso/2012/02/03/mecanismos-de-transformacion-del-movimiento/

http://www.aprendetecnologia.es/index.php?option=com_content&task=view&id=46&Itemid=71

Reductores



Bibliografa


http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2004/Rob%C3%B3tica/seminario%202004%20robotica/Seminario_Robotica/Documentos/MORFOLOG%C3%8DA%20DEL%20ROBOT.htm

Actuadores


http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_neumatica/neumatica_indice.htm

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica22.htm

Sensores y Actuadores Industriales. Universidad de Vigo. ISAD_Tema7_2.pdf

https://sites.google.com/site/tecnorlopez33/tema4-maquinas-electricas

http://www.ece.umn.edu/users/riaz/animations/listanimations.html


Bibliografa

Sensores

Robtica Industrial. Temas1_2_y_3. Universidad de Sevilla



Sensores, actuadores y efectores. Universidad de Chile. Capitulo2.pdf


Robtica Industrial. Temas1_2_y_3. Universidad de Sevilla




SR T2 Morfología

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