Tema 2. Morfología del Robot

Presentación del tema: "Tema 2. Morfología del Robot"— Transcripción de la presentación:

1 Tema 2. Morfología del Robot
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID E.U.I.T. Industrial Titulación: Grado en Ingeniería Electrónica y Automática Área: Ingeniería de Sistemas y Automática Departamento de Electrónica Automática e Informática Industrial Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial Robótica Tema 2. Morfología del Robot 1

2 Resumen La morfología del robot hace referencia a los elementos constructivos que forman parte del mismo. El robot está formado por los siguientes subsistemas: Estructura mecánica Sistema de transmisión Actuadores Sensores Sistema de Control Sistema de Interacción con el entorno En el Tema 2 serán estudiados con detalle cada uno de los subsistemas anteriores.

3 Objetivos Conocer los elementos constitutivos de un robot
Adquirir destreza en la determinación de grados de libertad de un robot. Determinar los grados de libertad de un robot e inferir cualitativamente su espacio de trabajo.

4 Contenido 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial
2.2 Transmisiones y Reductores 2.3 Actuadores 2.4 Sensores 2.5 Sistema de control 2.6 Efector final Bibliografía recomendada: [1] Robótica: Control, Visión, Detección e Inteligencia. Fu, Gonzales y Lee. Mc-Grow Hill. [2] Fundamentos de Robótica. Barrientos, Peñín, Balaguer, Aracil. [3] Robótica: Manipuladores y Robots Móviles. A. Olleros. Ed. Macombo

5 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial

6 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Elementos mecánicos o eslabones unidos mediante articulaciones. Tipos de movimiento en articulaciones: Desplazamiento (traslación) Giro (rotación) Combinación (roto-traslación)

7 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
GRADO DE LIBERTAD (GDL o DoF) Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar el robot. La cantidad de DoF es MENOR O IGUAL a la cantidad de eslabones del robot [3] Fig. 2.1: Ejemplo de pérdida de DoF [3]

8 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Volumen de Trabajo El volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma en cuenta el efector final. La razón de ello es que a la muñeca del robot se le pueden adaptar grippers de distintos tamaños.

9 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Configuraciones: Robot Cartesiano Articulaciones Cintura: Prismática Hombro: Prismática Codo: Prismática Coordenadas: X,Y,Z Ventajas: Movimiento lineal en tres dimensiones Modelo cinemático simple Estructura rígida Fácil de visualizar Desvetajas Requiere gran espacio de trabajo Espacio de trabajo es menor que el volumen del robot Problemas de suciedad en las articulaciones prismáticas

10 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Configuraciones: Robot Cilíndrico RPP Desventajas Espacio de trabajo restringido Articulaciones prismáticas con problemas de suciedad Parte trasera del robot ocupa mucho volumen sin utilizar Articulaciones Cintura: Rotación Hombro: Prismática Codo: Prismática Coordenadas: θ,z,r Ventajas: Modelo cinemático simple Fácil de visualizar Buen acceso dentro de cavidades Gran capacidad de carga si se usan accionamientos hidráulicos Robot RT3300 de Seiko

11 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Configuraciones: Robot Esférico o Polar RRP Articulaciones Cintura: Rotación Hombro: Rotación Codo: Prismática Coordenadas: θ,Φ,r Ventajas: Cubre un gran volumen desde el centro de trabajo Puede recoger objetos a nivel del suelo. Desventajas: Modelo cinemático complejo Difícil de visualizar

12 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Configuraciones: Robot Articulado Desventajas: Cinemática compleja Difícil de visualizar Control de movimiento lineal muy difícil Estructura no es muy rígida cuando está estirado Articulaciones Cintura: Rotación Hombro: Rotación Codo: Rotación Coordenadas: θ1, θ2 , θ3 Ventajas: Máxima flexibilidad Cubre gran espacio de trabajo relativo al volumen del robot Las articulaciones de rotación robustas mecánicamente Perfectos para motores eléctricos Puede alcanzar objetos por arriba y por abajo

13 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Configuraciones: Robot SCARA Configuración simple. Tareas de ensamblado “Compliance”: Capacidad de acomodación debido a cierta “fexibilidad” de sus brazos. Dos articulaciones de revolución en torno a dos ejes paralelos.

14 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial (cont.)
Configuraciones: Robots Paralelos

15 Contenido 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial
2.2 Transmisiones y Reductores 2.3 Actuadores y Reductores 2.4 Sensores 2.5 Sistema de control 2.6 Efector final Bibliografía recomendada: [1] Mechatronics. Principles and Applications. Godfrey Onwubolu. Elsevier. ISBN [2] Fundamentos de Robótica. Barrientos, Peñín, Balaguer, Aracil.

16 2.2 Transmisiones y Reductores
Justificación Son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los motores a las articulaciones. Las reductoras son transmisiones que transforman los valores de posición y velocidad del motor a las necesidades del robot. Reducción de los momentos de inercia (Se acercan los accionamientos a la base) Conversión lineal-circular y viceversa. Características necesarias Tamaño y peso reducido Mínimos juegos y holguras Gran rendimiento No debe afectar al movimiento Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado

17 2.2 Transmisiones y Reductores (cont)
Entrada-Salida Denominación Ventajas Inconvenientes Circular-Circular Engranaje Correa Dentada Cadenas Paralelogramo Cable Pares altos Distancias grandes Ídem Holguras Ruido Giro limitado Deformación Circular-Lineal Tornillo sin fin Cremallera Poca holgura Holgura media Fricción Lineal-Circular Paralel. Articulador Control complejo Tabla 2.1 Resumen de Transmisiones [2]

18 2.2 Transmisiones y Reductores (cont)
Engranajes Un par ruedas dentadas puede transferir el movimiento rotatorio de un eje a otro (rotacional o lineal) La transferencia de los el movimiento entre los dos cilindros depende de las fuerzas de fricción entre las dos superficies en contacto.

19 2.2 Transmisiones (cont.) Tren de Engranajes
Dos o más engranajes montados sobre un mismo eje. La velocidad angular es la misma.

20 2.2 Transmisiones (cont.)

21 2.2 Transmisiones y Reductores (cont)
Correas La relación entre ambos radios se limita a 3:1 con el fin de mantener el arco constante entre la correa y las poleas. El par transmitido es debido a la diferencia en tensión que ocurre durante el movimiento de la correa.

22 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Cadenas Más par que las correas. Bajas velocidades. Necesitan pre-tensado para evitar holguras.

23 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Tornillos de Bolas (Usillos) Movimiento Circular-Lineal Gran par Reducción

24 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Adaptar el par de salida del actuador al valor adecuado para los movimientos de los eslabones del robot. Específicos con altas prestaciones en robótica. Los reductores normalmente alcanzan entre 1000 y 3000 horas de funcionamiento continuo a la máxima carga permitida y a la velocidad de entrada recomendada. Características: Bajo peso, tamaño y rozamiento Capacidad de reducción elevada en un solo paso Mínimo momento de inercia Mínimo juego o backlash Alta rigidez torsiona

25 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Características Valores Típicos Relación de reducción Peso y Tamaño 0.1 – 30 Kg Momento de Inercia 10-4 kg m2 Velocidad de entrada máxima rpm Par de salida nominal 5700 NM Par de salida máximo 7900 Nm Rendimiento 85% - 98% Tabla 2.2 Características de los reductores [2]

26 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Cálculo del par de salida Selección de reductores Calcular la potencia entregable (depende del nº de etapas del reductor) El par de carga debe ser menor que el par nominal (par máx. continuo) del reductor 3.

27 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Reductores Harmonic-Drive VIDEO

28 2.2 Transmisiones y Reductores (cont.)
Reductores CYCLO VIDEO

29 Contenido 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial
2.2 Transmisiones y Reductores 2.3 Actuadores 2.4 Sensores 2.5 Sistema de control 2.6 Efector final Bibliografía recomendada: [1] Catálogos de Maxon Motors. Disponibles on-line [2] Mechatronics. Principles and Applications. Godfrey Onwubolu. Elsevier. ISBN [3] Pneumatic actuators for serpentine robot. G. Granosik and J. Borenstein. 8th International Conference on Walking and Climbing Robots (CLAWAR), London, U.K., Sept. 2005, pp

30 2.3 Actuadores Generan los movimientos del robot según los comandos generados a partir del sistema de control. Tipos usados: Neumáticos: Cilindros y motores Hidráulicos: Cilindros y motores Eléctricos: AC, DC, Paso a Paso Características: Potencia Controlabilidad Peso y volumen reducidos Precisión Velocidad (arranque) Bajo mantenimiento Bajo coste

31 2.3 Actuadores Actuadores Eléctricos [1]
El motor eléctrico convierte la potencia eléctrica Pel (corriente I y tensión U) en potencia mecánica Pmech (velocidad ω y par T). Las pérdidas que se producen se dividen en pérdidas por fricción en Pmech y pérdida de potencia en Jules PJ en el bobinado (resistencia R). Motores DC (servo-motores) Motores brushless DC Motores asíncronos Motores síncronos Motores Paso a Paso

32 2.3 Actuadores Dos importantes valores de esta conversión de energía son la constante de velocidad kn y la constante de par kT. Curvas de Velocidad - Par Esta curva describe el comportamiento mecánico de un motor a voltaje constante U: – La velocidad decrece linealmente cuando aumenta el par – Cuanto más rápido va un motor, menos par puede suministrar. La curva se puede describir mediante los dos extremos, velocidad en vacío n0 y el par de arranque MH

33 2.3 Actuadores Curvas de Corriente
La curva de corriente representa la equivalencia entre par y corriente: cuanto más corriente fluya a través del motor, más par se produce. La curva de corriente se puede trazar entre los puntos de los dos extremos; el de corriente en vacío I0 y la corriente de arranque IA . La corriente en vacío I0 es equivalente al par de fricción MR producido por los rodamientos y el sistema de conmutación. MR = kM · I0 El motor desarrolla su máximo par cuando arranca. Este par es varias veces superior al par normal de funcionamiento, y por lo tanto la corriente también es muy superior. MH = kM · IA

34 2.3 Actuadores Curvas de Eficiencia
La eficiencia η describe la relación entre potencia mecánica entregada y potencia eléctrica consumida. Se puede ver que a un voltaje constante dado U, la eficiencia aumenta con el aumento de la velocidad (disminución del par). A pares bajos, las pérdidas por fricción son cada vez más relevantes y la eficiencia se aproxima a cero. La máxima eficiencia se calcula usando la corriente de arranque y la velocidad en vacío y depende del voltaje.

35 2.3 Actuadores

36 2.3 Actuadores Actuadores Neumáticos e Hidráulicos
Tanto los actuadores hidráulicos y neumáticos utilizan fluidos en movimiento (aceite a presión o aire comprimido) para alimentar un dispositivo. En ambos tipos de actuadores se puede observar que: Ambos tipos son similares en términos de sus funciones operativas. Se diferencian en su capacidad para ejercer presión sobre el fluido. El actuador hidráulico es capaz de proporcionar la presión a lb/in2, mientras que el actuador neumático sólo puede entregar alrededor de 100 lb/in2.

37 2.3 Actuadores Actuadores Neumáticos Actuadores Hidráulicos Ventajas:
Relativamente baratos Alta velocidad Limpios Uso en laboratorio No es necesario línea de retorno Común en la industria Desventajas: Aire compresible – Limita precisión Ruido Equipos de filtrado son necesarios Dificultad de control de velocidad Actuadores Hidráulicos Ventajas Grandes fuerzas Relación potencia/peso alta Velocidades medias Rígidos Buen servo control Auto lubricante y auto refrigerante Respuesta rápida. Desventajas Costosos Problemas de mantenimiento – Fugas No factibles para ciclos rápidos Necesaria línea de retorno Difícil miniaturización Necesario equipo de presión adicional

38 2.3 Actuadores Tabla 2.3: Comparativa entre los diferentes tipos de actuadores [3]

39 Contenido 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial
2.2 Transmisiones y Reductores 2.3 Actuadores 2.4 Sensores 2.5 Sistema de control 2.6 Efector final Bibliografía recomendada: [1] Robot Manipulator. Control, Theory and Practice. Frank L. Lewis, Darren M.Dawson, Chaouki T.Abdallah, Ed. MARCEL DEKKER, INC. ISBN

40 2.4 Sensores Se usan para: Clasificación: Medir parámetros del robot
Encontrar la posición de objetos Corregir el error de los modelos Detectar y evitar fallos Monitorizar la interacción con el entorno (Ej. Fuerzas) Monitorizar el ambiente (Ej. Temperatura) Clasificación: Internos: Información propia del Robot – Propiocepción Externos: Obtener información del entorno.

41 2.4 Sensores Sensores Internos Sensores Externos Posición Velocidad
Analógicos Potenciómetros Resolver Sincro Inductivos-syn LVDT Digitales Encoders absolutos Encoders relativos Velocidad Tacogeneratriz Presencia y Táctiles Inductivos Capacitivos Efecto Hall Ópticos Etc… Cámaras

42 2.4 Sensores Sensores Táctiles
1. Sensores táctiles se basan en el contacto físico con objetos externos. 2. Los sensores digitales (finales de carrera, microinterriptores, etc) indican si el contacto se ha producido o no. 3. Los sensores analógicos proporcionan mayor información sobre el contacto e incluso se podría determinar la geometría de la pieza y su localización espacial. 4. Sensores basados en materiales elastómeros con elementos resistivos o capacitivos 5. Es posible colocarlos en forma de malla (red) y obtener, con el adecuado procesamiento, "imágenes táctiles" semejantes a las obtenidas por una cámara. Los sensores táctiles analógicos se basan en materiales elastómeros con elementos resistivos o capacitivos incrustados. Al cambiar la compresión sobre el elastómero cambia la corriente eléctrica que circula por dichos elementos y a partir de aquí se obtiene la información detallada del contacto. Es posible

43 2.4 Sensores Sensores de proximidad y distancia
Los sensores de proximidad sin contacto incluyen dispositivos basados ​​en el efecto Hall , dispositivos inductivos o capacitivos Suelen ser digitales y las distancias de detección suelen no exceder los 10 mm. Los sensores ópticos y de ultrasonido tienen mayor rango de medición. Los sonars y los lásers son también sensores de distancia de alta precisión y amplio rango de medición (desde los cm hasta varios metros) Utilizados en robótica móvil requieren un procesamiento de la información más complejo. Los sensores inductivos utilizan el principio del electromagnetismo para detectar la proximidad de materiales ferrosos a una distancia de 5 mm aproximadamente. Los sensores capacitivos detectan cualquier sólido cercano o incluso líquidos a distancia no superiores a 5 mm.

44 2.4 Sensores Sensores de posición, velocidad y aceleración
La medición de la posición lineal incluye sensores tales como potenciómetros lineales, sonars y lasers. La medición de la posición y velocidad angular de la articulación es fundamental para el servo control del brazo. Sensores de posición angular incluir potenciómetros, que utilizan la tensión continua o resolvers, que utilizan voltaje de corriente alterna. Los encoders ópticos incrementales utilizan tres sensores ópticos y un único anillo de alternar áreas opacas/claras, para proporcionar posición angular con respecto a un punto de referencia

45 2.4 Sensores Sensores de posición, velocidad y aceleración (cont.)
Los encoders ópticos absolutos tienen n anillos concéntricos que alternan áreas opacas y claras. Ofrecen mayor exactitud y reducir al mínimo los errores asociados con la lectura y transmisión de datos, particularmente si se emplean el código Grey, donde sólo hay un cambio de bits entre dos sectores consecutivos. La resolución es fija y viene dada por el número de anillos del disco graduado (típicamente desde 256 a posiciones)

46 Contenido 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial
2.2 Transmisiones y Reductores 2.3 Actuadores 2.4 Sensores 2.5 Sistema de control 2.6 Efector final Bibliografía recomendada: [1] Mechanisms and mechanical devices. Neil Sclater, Nicholas P. Chironi. McGraw-Hill. ISBN

47 2.5 Sistema de Control

48 Contenido 2.1 Estructura Mecánica de un Robot Serial
2.2 Transmisiones y Reductores 2.3 Actuadores 2.4 Sensores 2.5 Sistema de control 2.6 Efector final Bibliografía recomendada: [1] Mechanisms and mechanical devices. Neil Sclater, Nicholas P. Chironi. McGraw-Hill. ISBN

49 2.5 Effector Final

50 2.5 Effector Final