Intro Robotica Cred Ok

8/13/2019 Intro Robotica Cred Ok

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ROBOTICA Ing. Marco Antonio Valencia Lpez 2007MAVL. All Rights Reserved. 2007MAVL. All Rights Reserved.1 - 11 - 1

ASIGNATURA:

ROBOTICA

CARRERA: INGENERIA ELECTROMECANICA

TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE

JOCOTITLAN


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OBJETIVO:

Proporcionar los conocimientos

bsicos para el modelado de robotsmanipuladores y la generacin delos movimientos necesarios de losactuadores para la realizacin de

tareas industriales.

ROBOTICA


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ROBOTICA


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UNIDAD I

INTRODUCCION

ROBOTICA


5/151ROBOTICA Ing. Marco Antonio Valencia Lpez 2007MAVL. All Rights Reserved. 2007MAVL. All Rights Reserved.1 - 51 - 5

DEFINICION:Definicin proporcionada por la Robotics Industries Association (RIA), Anteriormente

Robotics Institute of American (RIA):

Un robot industrial es un manipulador multifuncionalreprogramable diseado para desplazar materiales, piezas,

herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos

programados variables para la ejecucin de una diversidad detareas.

La Japan Industrial Robot Association (JIRA) los define como:Una maquina capaz de realizar movimientos verstilesparecidos a los de nuestras extremidades superiores, con

cierta capacidad sensorial, de reconocimiento y capaces decontrolar su comportamiento".

UNIDAD I - INTRODUCCION




Mikell Groover, en su libroAutomation, Production Systems and

Computer Integrated Manufacturing, define al robot industrial como "...unamquina programable, de propsito general, que posee ciertas

caractersticas antropomrficas, es decir, con caractersticas basadas enla figura humana..."

Cabe destacar que la caracterstica antropomrfica ms comn en nuestrosdas es la de un brazo mecnico, el cual realiza diversas tareas industriales.

Existen en el mercado diversas empresas dedicadas a la fabricacin de robotsindustriales por lo que existen diferentes marcas y modelos.




CRONOGRAM A SOBRE LA H I STOR I A D E LA ROBT I CA

FECHA DESARROLLO

SigloXVIII. A mediados del J. de Vaucanson construy varias muecas mecnicas de tamao humano que ejecutabanpiezas de msica

1801J. Jaquard invento su telar, que era una mquina programable para la urdimbre

1805 H. Maillardet construy una mueca mecnica capaz de hacer dibujos.

1946 El inventor americano G.C Devol desarroll un dispositivo controlador que poda registrar seales elctricaspor medio magnticos y reproducirlas para accionar un mquina mecnica. La patente estadounidense seemiti en 1952.

1951Trabajo de desarrollo con teleoperadores (manipuladores de control remoto) para manejar materialesradiactivos. Patente de Estados Unidos emitidas para Goertz (1954) y Bergsland (1958).

1952Una mquina prototipo de control numrico fue objetivo de demostracin en el Instituto Tecnolgico deMassachusetts despus de varios aos de desarrollo. Un lenguaje de programacin de piezas denominadoAPT (Automatically Programmed Tooling) se desarroll posteriormente y se public en 1961.

1954 El inventor britnico C. W. Kenward solicit su patente para diseo de robot. Patente britnica emitida en

1957.1954 G.C. Devol desarrolla diseos para Transferencia de artculos programada. Patente emitida en Estados

Unidos para el diseo en 1961.

1959 Se introdujo el primer robot comercial por Planet Corporation. estaba controlado por interruptores de fin decarrera.

1960 Se introdujo el primer robot Unimate, basada en la transferencia de articulaciones programada de Devol.Utilizan los principios de control numrico para el control de manipulador y era un robot de transmisinhidrulica.




1960 Se introdujo el primer robot Unimate, basada en la transferencia de articulaciones programada de Devol.Utilizan los principios de control numrico para el control de manipulador y era un robot de transmisin

hidrulica.1961 Un robot Unimate se instal en la Ford Motors Company para atender una mquina de fundicin de

troquel.

1966Trallfa, una firma noruega, construy e instal un robot de pintura por pulverizacin.

1968

Un robot mvil llamado Shakey se desarrollo en SRI (standford Research Institute), estaba provisto deuna diversidad de sensores as como una cmara de visin y sensores tctiles y poda desplazarse por elsuelo.

1971 El Standford Arm, un pequeo brazo de robot de accionamiento elctrico, se desarroll en la StandfordUniversity.

1973Se desarroll en SRI el primer lenguaje de programacin de robots del tipo de computadora para la

investigacin con la denominacin WAVE. Fue seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos lenguajes sedesarrollaron posteriormente en el lenguaje VAL comercial para Unimation por Vctor Scheinman y BruceSimano.

1974ASEA introdujo el robot Irb6 de accionamiento completamente elctrico.

1974 Kawasaki, bajo licencia de Unimation, instal un robot para soldadura por arco para estructuras demotocicletas.

1974Cincinnati Milacron introdujo el robot T3 con control por computadora.

1975 El robot Sigma de Olivetti se utiliz en operaciones de montaje, una de las primitivas aplicaciones de larobtica al montaje.

1976

Un dispositivo de Remopte Center Compliance (RCC) para la insercin de piezas en la lnea de montajese desarroll en los laboratorios Charles Stark Draper Labs en estados Unidos.



UNIDAD I - INTRODUCCION1978

El robot T3 de Cincinnati Milacron se adapt y program para realizar operaciones de taladro ycirculacin de materiales en componentes de aviones, bajo el patrocinio de Air Force ICAM

(Integrated Computer- Aided Manufacturing).1978 Se introdujo el robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assambly) para tareas de montaje

por Unimation, basndose en diseos obtenidos en un estudio de la General Motors.

1979 Desarrollo del robot tipo SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assambly) en la Universidadde Yamanashi en Japn para montaje. Varios robots SCARA comerciales se introdujeron hacia1981.

1980Un sistema robtico de captacin de recipientes fue objeto de demostracin en la Universidad deRhode Island. Con el empleo de visin de mquina el sistema era capaz de captar piezas enorientaciones aleatorias y posiciones fuera de un recipiente.

1981Se desarroll en la Universidad de Carnegie- Mellon un robot de impulsin directa. Utilizaba motores

elctricos situados en las articulaciones del manipula dor sin las transmisiones mecnicas habitualesempleadas en la mayora de los robots.

1982 IBM introdujo el robot RS-1 para montaje, basado en varios aos de desarrollo interno. Se trata deun robot de estructura de caja que utiliza un brazo constituido por tres dispositivos de deslizamientoortogonales. El lenguaje del robot AML, desarrollado por IBM, se introdujo tambin para programar elrobot SR-1.

1983 Informe emitido por la investigacin en Westinghouse Corp. bajo el patrocinio de National ScienceFoundation sobre un sistema de montaje programable adaptable (APAS), un proyecto piloto parauna lnea de montaje automatizada flexible con el empleo de robots.

1984

Robots 8. La operacin tpica de estos sistemas permita que se desarrollaran programas de robots

utilizando grficos interactivos en una computadora personal y luego se cargaban en el robot.




En 1997, el computador Deep Blue de IBM derrot en el ajedrez al campenmundial Gary Kasparov, hecho este que marc un antes y un despus en el

desarrollo de la inteligencia artificial.



La palabra "robot" fue introducida por el dramaturgo checoeslovaco KarolKarol CapekCapek en 1917 ensu obra titulada "El Robot Universal de Rossum", teniendo la connotacin de trabajo oservidumbre y representando a un humanoide artificial. Mas tarde, en los aos 40's IsaacAsimov introduce el trmino Robtica y "Las Tres Leyes de la Robtica", las cuales siguensiendo usadas como estndares de diseo en los robots industriales, Estas leyes son:

1. Un robot no deber causar ningn dao a los humanos, ni permitir , a travs de suinactividad, que algo o alguien lo haga.

2. Un robot deber obedecer siempre las rdenes humanas, a menos que secontravenga la primera ley.

3. Un robot deber autoprotegerse de cualquier dao, a menos que se contravenganlas dos leyes anteriores. j.

Los robots industriales objeto de este curso, no son los androides que caminan, ven y sienten

tal como los muestran las pelculas de ciencia ficcin del tipo Star Wars (figura No. 1.1).

Los robots industriales son mucho ms simples: se trata de dispositivos mecnicos quepueden ser programados para ejecutar alguna tarea industrial (pintar, soldar, manipular,desplazarse) bajo control automtico. Su morfologa es como la mostrada por la figura No.

1.2.




Fig. 1.1 Robots de ciencia ficcin Fig. 1.2 Robot Industrial, Manipulador deCincinnati Milacron.




El simptico Robby the Roboten Forbidden Planet

(Planeta Prohibido)

La supercomputadora asesina Hal 9000en 2001:A

Space Odissey(2001:una Odisea del Espacio)

Tiburn, monstruo mecnico, de la triloga Jaws. Los androides C3POy R2-D2de la saga Star Wars

(La Guerra de las Galaxias)

El expresivo Johnny Number Five, en la pelcula

Shortcircuit(Cortocircuito).

El androide asesino Terminator, en las pelculas The

Terminatory T2.


O CC O


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ORIGEN DE LOS ROBOTS INDUSTRIALES

Los robots industriales actuales resultan de los desarrollos tecnolgicos obtenidos, de una parte, por laingeniera de automatizacin industrial, disciplina centenaria y de otra parte, por la informtica y la

inteligencia artificial, contando estas ultimas con ms de 30 aos de desarrollo. Los distintos tipos derobots que encontramos en la Industria o centros de investigacin, difieren segn la importancia que

acuerdan a sus dos races tecnolgicas. Los robots industriales tienen su origen en los telemanipuladores

(como los utilizados en la industria nuclear, ver figura No. 1.3.) y en las maquinas-herramienta de controlnumrico (CN).

Los teleoperadores fueron desarrollados durante la Segunda Guerra para manejar materiales radioactivosa distancia. Estn formados por un brazo maestro, accionado por el operador y por un brazo esclavo, el

cual realiza la operacin a distancia reproduciendo los movimientos del brazo maestro. En 1947 los

teleoperadores fueron provistos de servomecanismos elctricos y un ao mas tarde fue introducida laretroalimentacin de esfuerzos, es decir, el operador "senta" lo que estaba haciendo. Dada la necesidadde partes maquinadas para fabricar aviones avanzados, en 1949 la Fuerza Area de los EUA patrocin eldesarrollo de una maquina-herramienta controlada numricamente, donde el patrn de maquinado estaba

registrado en una cinta de papel perforado.

En 1960 George Devol hizo la demostracin de lo que seria el primer robot industrial Unimation: undispositivo que combinaba el mecanismo articulado de los teleoperadores con los ejes articulares

servocontrolados por computadora de las maquinas-herramienta de CN. Las tareas estaban programadasen memoria digital como una simple secuencia de posiciones. La interaccin con el entorno se limitaba a

abrir o cerrar su pinza, genera seales para equipos externos o esperar seales de sincronizacin

provenientes de estos. Una Limitacin consista en que la pieza por manipular debera aparecer en unaposicin precise definida al avance y conocida por el programa del robot.


UNIDAD I INTRODUCCION


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ORIGEN DE LOS ROBOTS INDUSTRIALESEn 1970 en la Universidad de Stanford, un brazo mecnico equipado con una

cmara de televisin, ambos conectados a una computadora, era capaz deresolver problemas reales tales como rompecabezas con cubos de colores, bajo la

restriccicin de que no quedaran juntas dos caras del mismo color.

Los robots actuales son capaces de realizar cantidad de tareas industrialessencillas que no requieren de sensores sofisticados (de fuerza o de visin, entre

otros) disponibles en los robots comerciales a precios aun muy elevados.Muchas tareas en ambientes industriales estn lejos de las capacidades de losrobots actuales, sin embargo, conforme la Robtica se acerca al estado de

tecnologa madura, aparecen en el mercado nuevos robots con nuevascapacidades que bien podemos calificar de inteligentes.

Estas capacidades serian por ejemplo: percepcin visual o tctil, movilidad,comprensin de instrucciones en lenguaje natural, o la capacidad de adaptarse acondiciones cambiantes en el ambiente de trabajo, para mantener invariantes los

resultados en la ejecucin de la tarea programada.




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Como antecedentes a lo que es actualmente la robticaexistan manipuladores mecnicos con control manualremoto, utilizados para varias cosas como manipularmateriales radioactivos, en submarinos oceanogrficos,naves espaciales tripuladas...El hecho de requerir un operador humano que manejaseestas mquinas hace que estos sistemas no puedanconsiderarse como robots.El estudio de este tipo de mecanismos mejoraron lamecnica esttica y dinmica y los avances informticos

paralelos. Los pases que ms han contribuido a la Robticason : EEUU, Japn, URSS, Gran Bretaa y AlemaniaOccidental.



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La Robtica es una tecnologamultidisplicinar que engloba:

Automtica.Mecnica.

Electrnica.InformticaEconoma y Sociologa.



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ESTRUCTURA Y CARACTERSTICAS

GENERALES DE LOS ROBOTSCARACTERSTICAS:

Grados de Libertad: es el nmero de parmetros que es

preciso conocer para determinar la posicin del robot, esdecir, los movimientos bsicos independientes que

posicionan a los elementos del robot en el espacio. En los

robots industriales se consideran 6 de libertad: tres de ellospara definir la posicin en el espacio y los otros tres paraorientar la herramienta.

Precisin: en la continua repeticin del posicionamiento dela mano de sujecin de un robot industrial se establece unmnimo de precisin aceptable de 0,3mm, aunque es factible

alcanzar precisiones de 0,05mm.



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-Capacidad de carga: es el peso en Kilogramos(generalmente) que el robot puede manipular. Si sonpesos muy elevados se utilizarn mecanismos

hidrulicos.-Sistemas de coordenadas para los movimientos delrobot: son los movimientos y posiciones que sepueden especificar en coordenadas cartesianas,

cilndricas y polares.-Cartesianas: x,y,z.-Cilndricas: isomtrico, caballera...

d-Polares:



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UNIDAD I - INTRODUCCION-Programacin: puede ser manual, de aprendizaje (directa o mediante maqueta), punto a puntoy continua.

Aprendizaje

Aprendizaje directo: se introduce la programacindirectamente.

Maqueta: aprende de los movimientos realizados

por un operario. (comportamiento tipo macro)

Continua: se pueden incluir funciones, porejemplo la funcin de la elipse para un recorrido

que sea elptico.

Punto a Punto: Se colocan en una tabla todas lascoordenadas punto a punto por las que va a

pasar el robot.

Manual: se maneja el robot directamente,eligiendo las funciones. Se pueden pasar

parmetros. No se puede reprogramar.



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CARACTERISTICAS DE UN ROBOTUna mano para tomar o soltar las piezas por manipular, capaz de orientar estasmediante tres articulaciones.

Un brazo que permita posicionar la mano en el espacio, el cual necesita tambin

tres articulaciones.Potencia suficiente para tomar y manipular las piezas.Controles manuales para operar el robot.

Memoria capaz de registrar las operaciones manuales.Capacidad de operacin automtica del robot a partir de las operaciones registradas

en la memoria.Velocidad de operacin al menos igual a la humana.

Confiabilidad.Las personas que hacen investigacin y desarrollo en Robtica agregan a esta lista,

algunas caractersticas que aun no estn disponibles en los robots comerciales:Percepcin: capacidad de detectar el entorno y sus cambios mediante la vista,el tacto o algn otro medio entendido en trminos de la tarea a efectuar.

Resolucin heurstica de problemas: entendida como la capacidad de planear ydirigir sus acciones para lograr metas de mayor importancia, a pesar de las

perturbaciones presentes.




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ESTRUCTURAConfiguracin bsica de un Robot: se divide en tres partes esenciales atendiendoa la clasificacin entre manipuladores y robots:Manipulador: constituye la parte mecnica del robot y est formado por lossiguientes componentes:-Varios elementos relacionados entre si mediante uniones que permiten su

movimiento rotativo. En principio, consideramos estos elementos rgidos conpocos grados de libertad, ya que hablamos de Robtica Industrial.A estas uniones se les llama pares cinemticos y se permiten dos movimientos:


R T

Rotacin: alrededor de un eje (par de rotacin)

Traslacin: par prismtico

La notacin es para el par de rotacin y para el par de traslacin.



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UNIDAD I INTRODUCCION-Dispositivos de agarre y sujecin: conocidos como manos y

que poseen la capacidad de sujetar, orientar y operar sobrelas piezas manipuladas.

Sistemas Motores: estos sistemas proporcionan una energa

mecnica que se transmite directamente o a travs deelementos auxiliares como engranajes, correas dentadas...

Control: sirve para manejar los motores, se ver posteriormente.



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UNIDAD I INTRODUCCIONSistemas Sensitivos: son aquellos que permiten la

interaccin del robot con el entorno. Pueden ser de dostipos:De contacto directo -> de fuerza

Remotos: de visin y de sonidoUn ejemplo seria el robot que reconoce un objeto

pticamente y utiliza el contacto para manipularlo. Tambin

se puede guiar por el sonido.

Tambin hay que decir que dentro de un robot existendos tipos de sensores:

Internos: no dotan al robot de inteligencia pero sirvenpara controlar los mecanismos internos del robot.

Externos: dotan al robot de cierta inteligencia ya que

interactuan con el entorno.



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UNIDAD I INTRODUCCIONComponentesComponentes

El componente principal lo constituye el manipulador, el cual consta de varias articulaciones ysus elementos.

Las partes que conforman el manipulador reciben los nombres de: cuerpo, brazo, mueca y

efector final. Al efector final se le conoce comnmente como sujetador o gripper.



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Anatoma del robot

La idea comn que se tiene de un robot industrial, es la de un brazomecnico articulado, pero este elemento no es ms que una parte delo que se considera tcnicamente como un sistema de robot industrial.

Un sistema de robot industrial consta de las siguientes partes:1. Manipulador o brazo mecnico.2. Controlador.

3. Elementos motrices o actuadores.4. Elemento terminal.5. Herramienta o aprehensor.6. Sensores de informacin en los robots inteligentes.

Por ltimo, al robot industrial se le engloba dentro de la arquitectura dela clula de fabricacin flexible, en la que se combinan diversosdispositivos que configuran un ncleo bsico de produccin.



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Estructura general de una clula de fabricacin flexible



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1.- El manipuladorRecibe el nombre de manipulador o brazo de un robot, el conjunto de

elementos mecnicos que propician el movimiento del elemento terminal(aprehensor o herramienta). Dentro de la. estructura interna delmanipulador se alojan, en muchas ocasiones, los elementos motrices,engranajes y transmisiones que soportan el movimiento de las cuatropartes que, generalmente, suelen conformar el brazo:

a) Base o pedestal de fijacin.b) Cuerpo.c) Brazo.d) Antebrazo.

Los cuatro elementos rgidos del brazo estn relacionados entre s

mediante articulaciones, las cuales pueden ser giratorias, cuando elmovimiento permitido es el de rotacin, como sucede con todas las delPUMA 600 fig. 3, o prismticas, en las que existe un movimiento detraslacin entre los elementos que relacionan.



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A semejanza con el brazo humano, a las uniones o articulacionesdel manipulador se las denomina:

-Unin del cuerpo (Base-Cuerpo )-Unin hombro (Cuerpo-Brazo)

-Unin codo (Brazo-Antebrazo)-Unin mueca (Antebrazo-Aprehensor)El nmero de elementos del brazo y el de las articulaciones que

los relacionan, determinan los grados de libertad del manipulador,que en los robots industriales suelen ser 6, que coinciden con losmovimientos independientes que posicionan las partes del brazo en

el espacio. Tres de ellos definen la posicin en el espacio y los otrostres la orientacin del elemento terminal. En la figura 4 se indicanlos movimientos de un manipulador clsico.



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Fig. 3 Esquema del manipulador correspondiente al robot PUMA 600 de UNIMATION, conindicacin del nombre de sus elementos y el de sus articulaciones, as como la

especificacin de los movimientos posibles.



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Fig. 4 Grados de libertad o movimientos independientes de un manipulador clsico

UNIDAD I - INTRODUCCION2 El l d


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2. El controladorRecibe este nombre el dispositivo que se encarga de regular el movimiento de los

elementos del manipulador y todo tipo de acciones, clculos y procesado deinformacin, que se realiza. La complejidad del control vara segn los parmetros quese gobiernan, pudiendo existir las siguientes categoras:a) Controlador de posicin. Slo interviene en el control de la posicin del elementoterminal. Puede actuar en modo punto a punto, o bien, en modo continuo, en cuyocaso recibe el nombre de control continuo de trayectoria.b) Control cinemtico. Cuando adems de la posicin se regula la velocidad.c) Control dinmico. Se tienen en cuenta, tambin, las propiedades dinmicas delmanipulador, motores y elementos asociados.

d) Control adaptativo. Adems de lo indicado en los anteriores controles, tambin seconsidera la variacin de las caractersticas del manipulador al variar la posicin.Refirindose a otro aspecto, el control puede llevarse a cabo en lazo abierto o en

lazo cerrado. En el caso del control en lazo abierto, se produce una seal de consignaque determina el movimiento, pero no se analiza si se ha realizado con exactitud o se

ha producido un error, al efectuarse en la realidad. El control en lazo abierto es tpicoen los motores paso a paso (PAP), en los cuales las seales que generan un paso delmismo, dan lugar al giro de un determinado ngulo del eje, es decir, son motores conmovimiento cuantificado. Existen sistemas con salidas tempo- rizadas o movimientos

predeterminados, que actan en lazo abierto.



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El control en lazo abierto tiene muchas causas de error (inercia,interferencias, fricciones, desplazamientos, etc.), y si bien es muy

simple y econmico, no se admite en las aplicaciones industriales,donde es funda- mental la exactitud en la repetibilidad de losmovimientos. Sin embargo, en robots dedicados a la enseanza y elentrenamiento, este tipo de control est muy extendido.

La mayora de los sistemas de robots industriales poseen uncontrol en lazo cerrado, con realimentacin. Este control hace uso deun transductor o sensor de la posicin real de la articulacin o del

elemento terminal, cuya informacin se compara con el valor de laseal de mando o consigna, que indica la posicin deseada. El errorentre estas dos magnitudes, se trata de diversas formas para obteneruna seal final, que aplicada a los elementos motrices, vare la

posicin real hasta hacerla coincidir con la deseada. En la figura 5 semuestra un esquema por bloques de un controlador en bucle cerrado,en el que la seal que acta sobre el motor es proporcional a la sealde error (posicin deseada menos posicin real), de forma que la

relacin entre la salida del controlador y la seal de error es constante.



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Fig. 5 Un controlador de tipo proporcional, en el que la seal aplicada almotor es proporcional a la seal de error



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Adems del controlador de tipo proporcional, hay otros como el"integral", cuya salida vara proporcionalmente a la seal de error y el"derivativo", en el que la salida vara proporcionalmente con lavelocidad de variacin de la seal de error. La combinacin de los trestipos de controladores descritos, dan lugar al que se denomina PID

( Proporcional-Integral-Derivativo). La figura 6 presenta el esquemageneral de un controlador PID, con los circuitos caractersticosimplementados a base de Amplificadores Operacionales.

Los sensores empleados para la determinacin de la posicin de

los ejes de los motores motrices, pueden ser de carcter analgico odigital, como discos de plstico transparentes con rayas negras, que algirar a travs de detectores pticos, cortan el haz de luz entre emisor ydetector y generan una serie de impulsos elctricos que sirven para

calcular el ngulo desplazado.Los modernos controladores de robots son ordenadores, en los

que el programa correspondiente se encarga de calcular las sealesaplicadas a los actuadores, tras el procesado de la seal de consignay la que procede de los transductores de posicin.



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Fig.6 Esquema de un controlador PID



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3. Los elementos motrices o actuadoresLos elementos motrices son los encargados de producir el

movimiento de las articulaciones, bien directamente o a travs depoleas, cables, cadenas, etc. Se clasifican en tres grandes grupos,atendiendo a la energa que utilizan:

a)Neumticos.b)Hidrulicos.c)Elctricos.

Los actuadores neumticos emplean el aire comprimido como

fuente de energa y son muy indicados en el control de movimientosrpidos, pero de precisin limitada.

Los motores hidrulicos son recomendables en los manipuladoresque tienen una gran capacidad de carga, junto a una precisa

regulacin de velocidad.Finalmente, los motores elctricos son los ms utilizados, por su

fcil y preciso control, as como por otras propiedades ventajosas que

reporta su funcionamiento, como consecuencia del empleo de laenerga elctrica.



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4.- El elemento terminal (herramienta)

A la mueca del manipulador se acopla una garrao una herramienta, que ser la encargada dematerializar el trabajo previsto.

Por lo general, la problemtica del elementoterminal radica en que ha de soportar una elevadacapacidad de carga y al mismo tiempo conviene quetenga reducido peso y tamao.

Como consecuencia de la amplia variedad de

tareas a las que se destinan los robots, el elementoterminal adopta formas muy diversas. En bastantesocasiones es necesario disear el elemento terminal

a medida de la operacin en la que se aplica.



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5. Sensores de informacinLos robots de la ltima generacin tienen capacidad para

relacionarse con el entorno y tomar decisiones en tiempo real, paraadaptar sus planes de accin a las circunstancias exteriores. La

informacin que reciben les hace autoprogramables, o sea, alteran suactuacin en funcin de la situacin externa, lo que supone disponer deun cierto grado de Inteligencia Artificial.

Las informaciones ms solicitadas por los robots, son las que hacen

referencia a la posicin, velocidad, aceleracin, fuerzas, pares,dimensiones y contorno de objetos y temperatura. Para cuantificar losvalores correspondientes a estos parmetros, existen en el mercadosensores de tipo mecnico, ptico, trmico, elctrico, ultrasnico, etc.

Sin embargo, la investigacin ms avanzada contempla con especiaatencin a los transductores de visin artificial y sonido de mquinas,que posibilitan un tratamiento de la informacin ms exacto y apropiadoal ser humano.

l



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MOTORES

Motor: es un sistema basado en las leyes delelectromagnetismo bsicas, convierte la energa elctrica enenerga mecnica. Adems es un sistema reversible.

Generador: es una mquina que basada en las leyes delelectromagnetismo bsicas sirve para convertir la energamecnica en elctrica.

Destaca en especial la utilizacin de los motores deCorriente Continua por su elevada relacin par/velocidad quelos hacen ms apropiados en muchas aplicaciones, por otra

parte tambin destaca la sencillez de control y su fciladaptacin a los circuitos electrnicos basados enmicroprocesadores. Una funcin de los motores de CorrienteContinua elctricos es la siguiente:



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M

Realimentacin

Comparacin * La realimentacin

determinar la posicin enla que se encuentra elmotor en ese momento.

Si alimentamos el motor, ste toma una muestra de la seal de entrada,al ser un sistema realimentado al final hace una comparacin con la seal

de entrada y la que le llega despus.

Por su bajo coste y la supresin de la realimentacin en la determinacinde la posicin del eje, los motores Paso a Paso son muy interesantes.

UNIDAD I - INTRODUCCIONSECCIN DE UN MOTOR ELCTRICO


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SECCIN DE UN MOTOR ELCTRICO

Escobillas: hacen contactopero dejan rotar al motor.Alimentan las bobinas.

Cuencas

Rotor

Escobillas

Estator bobinado

laminas

Lminas para evitarlas corrientes deFacault para que nose caliente

El eje o rotor tienecontacto con un polode cada bobina

UNIDAD I - INTRODUCCIONPRINCIPIOS GENERALES DEL


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PRINCIPIOS GENERALES DELELECTROMAGNETISMO

+_ Posicin de lamano

Se ha comprobado experimentalmente que unconductor recorrido por una corriente elctrica y

colocado en un campo magntico, est sometido a laaccin de una fuerza de tipo electromagntica. Segenera un campo magntico:

UNIDAD I - INTRODUCCIONPrincipio del Motor:


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Principio del Motor:Vamos a tomar un elemento diferencial de conductor

de una longitud dl sometido a la accin de un campomagntico B que es recorrido por una intensidad I yque forma un ngulo con la direccin de campo.

B

dl

I

dF= B.I.dl.sen (valor infinitisimal de la fuerza)

F= B.I.l.sen

Fuerza nula Mxima fuerza


L f l t ti t di i di l l l d l


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N SEntrehierro

estator

Rotor

Segn va rodando laescobilla, sta va

cambiando lapolaridad Los estatores no

tienen porque serimanes, puedenser electroimanes

La fuerza electromagntica presenta una direccin perpendicular al plano de lafigura desplazando al conductor en un sentido opuesto al observado. En el caso de

que el eje del conductor sea perpendicular al campo magntico la expresinquedara:

F=B.I.l


El i d id l di t ib b bi d d Z d t


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El inducido en el que se distribuye un bobinado de Z conductores,alojados en ranuras practicadas en un paquete de chapasmagnticas, se sita sobre un cuerpo rotor o eje dispuesto sobrecojinetes que permiten su fcil rotacin. Los Z conductores delbobinado del inducido se encuentran bajo la influencia del campoinductor producidos por los polos norte y sur repartidosregularmente en el interior de la carcasa del motor.

colector



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N S

Los conductores del inducido colocados axialmente en el interior de

las ranuras presenta una direccin perpendicular al flujo delentrehierro (lo ms pequeo posible teniendo en cuenta laventilacin del motor).

El sistema constructivo del motor con sus dispositivos de

portaescobillas y escobillas repartidas sobre la superficie delcolector, determina que, con independencia de la posicin delinducido sobre su giro, las corrientes absorbidas de la red dealimentacin, circulen en una direccin en los conductores

situados bajo un polo inductor N (norte) y en una direccinbajo un inductor S (SUR)

Este hecho da lugar a la aparicin de un par motor que hace girar

el motor.



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F = fuerzaR = radio del motorZ = nmero de conductores =constanteL = constanteT = Par del MotorK = Suma e las constantesS = rea total sobre la que K

distribuye el flujo magnticoT = K. .I

T=Z.B.I.l.R

PAR MOTOR

Los pares motores son unas fuerzas paralelas sobre un dispositivorgido que gira creando un momento.

T = F.R.ZF=B.I.l.sen

=90 sen=1

B = /SK = Z+l+RS= cte -> k = Z+I+R+S


S O S G S


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TENSIONES GENERALES

En todo conductor que se mueve a travs de un campomagntico se genera una tensin.Si existe un flujo magntico de valor constante y uniforme (semide en webers) y en su interior se mueve un conductor, se

genera entre los extremos A y B una tensin de tal forma quecuanto ms aumenta la velocidad ms aumentar la FuerzaElectromotriz (FEM) entre A y B.

N Sv

AB

R

Bobina perpendicular alcampo magntico. Almoverla se crear unafuerza electromotriz


Cuando la velocidad es constante la aceleracin es nula


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Si el flujo de no vara:

Pequea fuerza Electromotriz = = d / dt

La superficie ser 2 por Pi por radiopor la longitud del conductor

Cuando la velocidad es constante la aceleracin es nula. = cte

v = uniformea = 0t = tiempo en seg. Que tarda en recorrer el campo.Tensin generada = cte = / t

Cuando L, v y B son perpendiculares podemos aplicar las dos frmulasanteriores:

= d/ dt y Tensin generada =/ t

UNIDAD I - INTRODUCCIONTeniendo en cuenta que no es el nmero total de conductores el


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v= 2. .r.n

Pp = .D / 2p

= B.L.v.Z/Za

B = / Pp.L

Pp = Paso polar (el motor puede tener variospolos y es el graduaje entre los polos)

L = longitud de la bobina2p = el nmero de polos (siempre va de dos endos)D =dimetroN = revoluciones por segundo

= 2p . . Z/Za . n

Cuantos ms polos, ms energa electromotriz

qque contribuye a la tensin interna, sino que hay en cada uno de

los circuitos en dervacin (Z/Za), se obtiene que:

= B.L.v.Z/Za =>

UNIDAD I - INTRODUCCIONFUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ


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Al conectar la mquina en la red de alimentacin se desarrolla un

par que determina el ciclo del motor. La existencia de un campoinductor portando a Z conductores alojados en las ranuras del rotorque gira a una cierta velocidad, genera fuerzas electromotrices enestos conductores. Se cumple siempre que la tensin interna

generada en el bobinado del inducido es opuesta a la tensinaplicada en bornes del motor, por eso se llama FuerzaContraelectromotriz, porque va en sentido contrario al motor.

N S

I

conductor

Se crea un flujo magnticoperpendicular al conductor, loque significa que interactacon el estator, esto provocaque el conductor comience arotar. Al moverse el

conductor, se crea unaFuerza Electromotriz, staFuerza Electromotriz creaotros campos magnticosperpendiculares. Todo estosignifica una

retroalimentacin.



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TIPOS DE MOTORES SEGN SU EXCITACINHay dos tipos de motores, en serie o en paralelo (Shunt)

MOTORES SERIEEn este tipo de motores, el bobinado de excitacin

(bobinado del estator) se conecta en serie con el bobinadodel inducido. Los motores en serie tienen varios usos: Traccin elctrica: conseguir arrastrar cosas...

Trenes de laminacin: para laminar con rodillos... Gras Puente: se usan en naves para trasladar cosas... Cintas transportadoras...

...Estos motores se utilizan por su dureza y durabilidad en

sus servicios.


Caractersticas de funcionamiento


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Caractersticas de funcionamiento

Las expresaremos con un grfico:

R

T

n

I

I = Intensidad absorbida por la lnea.T = ParR = RendimientoN = Velocidad



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Sentido de Giro:En un motor serie, la inversin de su sentido de giro sepuede conseguir invirtiendo la direccin de la corriente en elbobinado inductor o en el inducido. Para cambiar el sentido

de giro slo tenemos que cambiar la polaridad del motor,saldr o entrar del bobinado.

Fuerza Contraelectromotriz e Intensidad AbsorbidaLa tensin interna generada, nula en el arranque, aumentagradualmente de valor, hasta alcanzar un lmite impuesto

por la corriente necesaria para establecer un par motor igualal resistente solicitado por la mquina accionada.

UNIDAD I - INTRODUCCIONResistente solicitado -> lo que solicita la mquina que usa el motor.


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En el arranque, el valor de E es nulo y la Intensidad de arranque puede ser muy

elevada, de all que sea necesario colocar resistencias intercaladas entre la lnea ylos bornes del motor.El caso anterior hace que la intensidad sea muy alta, por lo cual sumaremos unaresistencia R suplementaria para estabilizar el motor. Cuando conseguimos unafuerza contraelectromotriz, quitamos R. Estas resistencias suelen estartemporizadas por rels.I = V / (R + R)Velocidad

I = (V E) / RResistencia

Tensin aplicada en los bornesFuerza Contraelectromotriz

I = (V E) / R n = E / (K. ) = (V I . R) / (K . )

E = K. . n n = (V I . R) / (K . )

Para un flujo magntico y elctrico constantes, la velocidad depender de latensin aplicada en los bornes.

UNIDAD I - INTRODUCCIONMOTORES SHUNTL t d i i id t Sh t


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INDUCIDO-+

* Se suele tomar de2 a 4 Voltios

PAR

VELOCIDAD

PAR r.p.m.

I

Los motores en derivacin, conocidos como motores Shunt, se

caracterizan porque el bobinado de excitacin se encuentra en paralelocon el bobinado del inducido.

La velocidad es sensiblemente constante entre el vaco y la plena carga.Vaco: el motor gira con el eje libre sin carga

Plena Carga: toda la energa es absorbida por la carga.

Esta clase de motores se usan para ventiladores industriales, bombas centrfugas y

mquinas herramienta.



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Mtodos para el control de velocidad en los motores ShuntControl del campo inducido: cuanto mayor es el campo msdisminuye la velocidad.

Control de la tensin del inducido: cuanta ms tensin caigaen la bobina del motor Shunt, ms velocidad adquirir este.

Control de combinacin: es una combinacin de los dosmtodos anteriores.

Control del inducido mediante resistencias: intercalar unaresistencia para disminuir la velocidad del motor, ya que latensin en los bornes disminuye.

UNIDAD I - INTRODUCCIONRegulacin de la velocidad del motor mediante el campo inducidoUn decremento de la Intensidad de excitacin manteniendo constante la


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Un decremento de la Intensidad de excitacin manteniendo constante la

tensin V, provoca una disminucin del flujo y conlleva un aumento de lavelocidad n.

El reostato es unaresistencia variable.Lo ajustamos segnqueramos aumentaro disminuir la

velocidad

INDUCIDO-+

REOSTATO

I

I


MOTORES COMPOUND


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INDUCIDO-+

Bobina serie

Bobina Shunt

PAR

VELOCIDAD

PAR r.p.m.

I

Tambin se llaman motores de excitacin compuesta. Se distinguen por disponer

de un bobinado inductor en serie cuyas fuerzas electromotrices se suman a las delbobinado inductor Shunt.

Estos motores se aplican en trenes de laminacin, gras puente, palas

excavadoras, cintas transportadoras, etc...

Para cambiar el sentido de giro se realiza por el cambio de sentido de la corrientedel inducido o del inductor indistintamente.


SISTEMAS DE CONTROL


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SISTEMA DE LAZO ABIERTOLa salida no influye en la entrada, es decir, la salida no tiene efecto sobre la accinde control.

FUNCIONDESEADA

ACCIONADORESY REGULADORES

MOTOR

SALIDA

Que mueva elbrazo

mecnico

Potencimetros, reostatos.Controles de regulacin

Motor SalidaMecnica


SISTEMAS DE LAZO CERRADO


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En este tipo de sistemas la salida tiene un efecto directo sobre la seal decontrol.

FUNCIONDESEADA

ACCIONADORESY REGULADORES

MOTOR SALIDA

ELEMENTO DEREALIMENTACIN

CARGA

Se recoge una muestra de la salida elctrica, el elemento derealimentacin la recoge y la lleva a un elemento todava ms complicado

que compara la muestra con lo que quiere, despus modifica el accionadorsegn los resultados. Podramos desear una velocidad determinada para elmotor sin saber su carga, por lo que deber recoger la velocidad a la queva el motor y tomar las medidas pertinentes para luego usar losaccionadores. Si por ejemplo quitramos la carga del motor, el motor se

realimentar y se modificar a travs de los accionadores.



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CONTROL DE MOTORES DE CORRIENTE CONTNUATeniendo en cuenta que la velocidad de un motor de Corriente Contnuaes directamente proporcional a la tensin aplicada en los bornes e

inversamente proporcional al flujo, se intentar controlar la velocidad

(n) modificando estos dos factores en la frmulan = (V I . R) / (K . ).

La mayora de los controladores de velocidad de tipo industrialrequieren un par constante para distintas velocidades. Se consigue

manteniendo el flujo constante y la tensin V variable.Por otra parte, algunas aplicaciones requieren regulacin de velocidadmanteniendo constante la Potencia. Habra que mantener el Par y la

Potencia constantes, el producto V . I se deber mantener constante, elflujo sera variable. Esto se conseguira variando la excitacin delcampo de un motor de tipo Shunt que es el que permite variar el flujo .


MOTORES PASO A PASO


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MOTORES PASO A PASO

Son sencillos y econmicos con respecto a los servomotoresCCC con realimentacin. El problema de estos motores esque tienen una potencia limitada (1CV).

El motor Paso a Paso es un elemento capaz de transformarpulsos elctricos en movimientos mecnicos. El eje del motor

gira un determinado ngulo por cada impulso de entrada, conlo que el movimiento es muy preciso y fiable.

El motor Paso a Paso puede girar en los dos sentidos, y elngulo de giro puede variar entre 0,72 500 pasos / 1 vuelta y90, 4 pasos / 1 vuelta.


Principios de funcionamiento


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N S

S

N

S N

S

N

S N

N

S

N S

N

S

1 2

3 4

S

N

S

N

S

N

S

N

CONCUATROPOLOS


CON DOS POLOS


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N

S

N

S

N

S

S

N

CON DOS POLOS

Se modifican los polos para provocar el giro.El motor Paso a Paso perfecto sera el que tuviera polos infinitos, as se

obtendran giros de 0 grados.


Para permitir una mejor resolucin por paso, se aaden ms polos al


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Para permitir una mejor resolucin por paso, se aaden ms polos al

estator; adems en dichos polos se mecanizan.

S N SN

Tipos de motores Paso a Paso-De imn permanente: en lugar de electroimanestienen imanes permanentes.

-De reductancia variable: se crea un campomagntico variable con reductancias variables.-Hbridos: es una mezcla de los dos anteriores.



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Caractersticas principales de los motores Paso a PasoAdems del giro, tambin hay otras caractersticas. Elmomento depende otros factores, como:

Velocidad de Paso: el tiempo que tarda en recorrer el arcode giro. Los impulsos deben estar sincronizados con lavelocidad de paso para no perder tiempo.Corriente del devanado: la corriente que atraviesa lasbobinas del motor paso a paso. Si el motor se queda quietodespus de girar, la corriente usada para el nuevo impulsoser muy elevada.Diseo del controlador



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EL ROBOT Y SU ENTORNOELEMENTOS TERMINALES Y SENSORESElementos terminales(manos): hay de dos tipos: Dispositivos aprensores o manos mecnicas.

Herramientas de trabajo.La forma de aprensin de las manos mecnicas da lugar a la siguiente

clasificacin:a) Manos de sujecin por presin.

b) Manos de sujecin por enganche.c) Manos de sujecin por accin auxiliar. (Electroimn, Ventosa,

adhesivos vacos...)d) Manos dotadas de sensores (un ejemplo sera un robot para apretar

tornillos que debe calcular la fuerza al enroscar).e) Manos de diseo especfico.


Sensores utilizados en la robtica:


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De posicin y proximidad: que pueden ser internos oexternos.De velocidad y aceleracin.

Fuerzas y pares (para el apreta-tornillos...).Dimensiones y entornos de objetosSensores de Temperatura, Presin...

Sensores OptoelctricosLED (Ligth Emitting Diode): emisorFotodiodos: dispositivos receptores que permiten la

circulacin de corriente segn la luz que le incide.Fototransistores: es un receptor que tiene la base al airelibre y se excita por la accin de los fotones.


Aplicaciones:


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receptor

emisor

Si se interpone un objeto ante elhaz del emisor, se detectar debidoa que no llega al receptor.

Tambin se puede calcular el

desvo del haz al pasar por el objetopara identificarlo

RE

Rueda dentada

R

E

Octacoplador en forma de U


Sensores Electromecnicos


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-Presductores: es un sensor de presin. Se suele poneren robots que deben calibrar su fuerza. Se suelen crearen mallas que, segn la presin y la posicin, un

codificador determinar las variables, que en este casoseran digitales. Hay otros que cuantifican la presin.

Punto depresin



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-Galgas Extensiomtricas: sirven para medir la fuerzaque se aplica sobre un material flexible.

Hilo decobre

Mide lafuerza y lasdirecciones

Sensores de proximidadInductivos: para ferromagnticos.

Capacitivos.Triangulacin: es una mezcla de la trigonometra y de lossistemas optoelctricos, as podremos medir la proximidad.Se usan haces reflectantes o refractantes.


Sensores Elctricos


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Suelen usarse para conocer el estado de motores de corriente contnua.Sensores Electromecnicos

Dinamos tacomtricas: generan una tensin proporcional a la velocidaddel eje al que se aplican

Resolver: se emplean en los sensores internos del brazo del robot. Seemplean para la medida de la posicin del eje de un motor.Transductores de Vibracin: se suelen emplear acelermetros(sensores), sensores de velocidad, etc. Determinan la vibracin que hayen el punto que queremos medir.Interruptores: por ejemplo, para que una mano tenga tacto, se usanmembranas Myler; al igual que cualquier cosa de la que se quiera

medir la presin. Otro tipo son los interruptores secos, que creo que sonlos de presin.Matriz de interruptores: con este tipo de interruptor calculamos laposicin del contacto.



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Punto depresin

Decodificadocolumna

Decodificadofila

-Sensores de efecto Hall: slo perciben corriente cuando no esperpendicular. Son dispositivos que generan un voltaje cuando un

campo magntico los cruza perpendicularmente, son semiconductores,de estado slido (como un transistor)

UNIDAD I - INTRODUCCIONSensores ultrasnicos.Se emplean bastante en la industria, usados para limpieza de


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conductores...Se utilizan por varias razones:-Tienen una frecuencia elevada (por encima de frecuencias de 15000 Hz).-Por su bajo coste.

reflexin

v

v

v < v

Refraccin, depende

de la viscosidad

Hazrefractado

La velocidad con que las ondas ultrasnicas atraviesan a los materiales,depende de su elasticidad y de su densidad. Si el medio es un gastambin influye considerablemente la Temperatura.

Cuando las ondas ultrasnicas que circulan por un medio chocan con

otro diferente, una parte de ellas se reflejan hacia su origen.

UNIDAD I - INTRODUCCIONTeniendo en cuenta la velocidad de propagacin y el tiempo quetranscurre hasta el regreso de la onda al emisor(a la fuente que genera laseal), se puede calcular fcilmente la distancia entre el foco de


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), p

ultrasonidos y el objeto reflector, as como el espesor de los materiales.Va a atravesar el objeto hasta que no pueda atravesarlo ms, entoncesvuelve el haz.Sistema con rayo lser

Es otro tipo de sensor con un funcionamiento similar que el ultrasnico.Aunque tiene ms ventajas:-Es puro, es monofsico, no es una mezcla de distintas frecuencias comoel ultrasnico (lo que le pasaba es que se le abra el haz). Aqu semantiene la frecuencia.

Se utiliza para telemetra as por su precisin. Tambin tienereflexin y refraccin.

lser

Luz normal

UNIDAD I - INTRODUCCIONPERCEPCIN VISUALLos sensores utilizados para la adquisicin de la informacin de unaimagen son numerosos:


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-Cmaras de TV de estado Slido: son prcticamente las ms usadas enrobtica.-Cmaras de TV Vidicom: funcionan en niveles de luminosidad muy bajos.Son muy caros.

-Conjuntos lineales de dispositivos de acoplo de carga (CCD): Hoy por hoyson los ms utilizados. El CCD es un dispositivo capacitivo cuya carga esdirectamente proporcional a la luminosidad que recibe. Un CCD necesitamucha ms luminosidad que una cmara de estado slido.

CCD (por clulas) Estado Slido (por rastreo)

Los elementos CCD lineales consisten en una serie longitudinal declulas CCD cada una de las cuales proporciona un voltaje proporcional a

la informacin recibida. Estas seales se almacenan en un registro dedesplazamiento para su posterior procesamiento.



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Pixel: unidad elemental de informacin visual queproporciona cada elemento fotosensible.

La exploracin CCD depende del algoritmo que seuse, pero normalmente se hace fila a fila. La

captacin es instantnea, pero el almacenamientonecesita de un procesamiento. Actualmente se estestudiando que la clula a la vez que recoge lainformacin, procese el almacenamiento.


LA CMARA


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Es preciso disponer de una descripcin o modelo decmara que sirva de base para su calibracinautomtica al comienzo de una tarea especfica, con

objeto de minimizar los errores de medicin.Un sencillo modelo basado en una cmara de cajacon un orificio minsculo o puntual, permite obtenerla transformacin de perspectiva inversa que envisin monocular determina las coordenadas de un

punto en el plano de trabajo conocindolos en elplano de la imagen.En visin estereoscpica, adems de lo anterior,

determina la distancia objeto / cmara.

UNIDAD I - INTRODUCCIONAnlisis y control del sistema motriz

Los dispositivos que producen el movimiento de las articulaciones


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del manipulador pueden clasificarse en tres grandes grupos, segn laenerga que consumen:1. Hidrulicos.2. Neumticos.

3. Elctricos.Los actuadores neumticos e hidrulicos hacen uso del aire

comprimido y de un fluido a presin, respectivamente. Dada suimportancia y la creciente implantacin en Robtica, veremos los

motores elctricos, que como su nombre indica, funcionan con energaelctrica.

Las diferentes tareas encomendadas a los robots, exigen variadasprestaciones (presin, fuerza, par, velocidad, etc. ). Cada tipo deactuador tiene sus cualidades especficas, lo que obliga en muchoscasos a combinar varios tipos en un mismo robot. As por ejemplo, esaconsejable el uso de elementos hidrulicos en los manipuladores que

deban soportar una gran capacidad de carga, con un control develocidad aceptable.

UNIDAD I - INTRODUCCIONLos actuadores neumticos ofrecen velocidades elevadas de trabajo, pero

con una regulacin imprecisa de la velocidad.


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Los motores elctricos se caracterizan: por la facilidad de realizar un controlriguroso de su movimiento. La posibilidad de encontrar energa elctrica encualquier parte, unido al funcionamiento limpio y seguro de sus motores, hacende ellos los actuadores ms extensamente aplicados en los robots.

Dentro de la variedad de tipos de motores elctricos, los ms adecuadospara el movimiento de las articulaciones de los manipuladores, son los decorriente continua y los de paso a paso, que se denominan abreviadamentePAP.

Los motores de cc producen un par casi proporcional al voltaje de entrada,lo que les confiere una precisa regulacin. Este tipo de motores requierencaptadores que informen al sistema de control sobre la posicin del eje en cadainstante, realizando un trabajo en bucle cerrado.

Los motores PAP giran su eje un ngulo fijo, al aplicar a sus bobinas unconjunto adecuado de impulsos elctricos;. No precisan detectores sobre elposicionamiento de su eje, ya que el simple contaje de los impulsos aplicados,determina el ngulo girado. Trabajan en bucle abierto, son econmicos ysencillos, pero al no recorrer su eje todas las posiciones posibles, no cubren porcompleto el rea de trabajo.

UNIDAD I - INTRODUCCIONSistemas De Control Para Motores PAP

Una buena regulacin del movimiento de un motor PAP exige un


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sistema de control apropiado, estando ntimamente relacionados estosdos elementos. En lneas generales, el sistema de control recibe lasconsignas de velocidad y sentido de giro y genera la secuencia deimpulsos elctricos adecuada para su aplicacin a las bobinas del motor,

como se muestra, de forma esquemtica, en la figura 9.Aunque los motores PAP estn concebidos para funcionar con

sistemas en lazo abierto, tambin es posible su control en sistemas conlazo cerrado

Fig.9 Curva que relaciona la velocidad con el par en un motor paso a paso



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Fig. 10 Esquema general de la actuacin del sistema de control

Control en lazo cerrado para motores PAPCuando se trabaja en bucle cerrado, la posicin instantnea del eje

del motor es detectada y enviada, para su procesamiento, a la unidadde control. Cada orden de ejecucin de pasos, slo se lleva a cabocuando el eje del motor se ha situado correctamente con la ordenprecedente, eliminando los posibles errores por deslizamiento, friccin,

inercia, etc.En la figura 11 se ofrece un diagrama por bloques de una

configuracin de un sistema de control, en lazo cerrado, para un motorPAP.



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Fig.11 Diagrama por bloques de un sistema en lazo cerrado, para el control de un motor

PAP.El conjunto de la figura 11 comienza su actuacin cargando en el contador descendente,la posicin que se desea alcanzar y generando la seal de arranque en el sistema de control.La puesta en marcha del secuenciador origina el movimiento del motor. Al completar un

paso del, eje del motor, el detector de posicin enva un impulso al contador descendente,que decrementa su contenido y otro al sistema de control, que sirve para la generacin de lasiguiente orden de paso al secuenciador. Cuando es grande la carga, se precisa ms tiempo

para completar un paso y el tiempo entre dos rdenes sucesivas se ajusta automticamente.El motor alcanza una velocidad mxima de trabajo, que es funcin del valor de la carga y de

la relacin par/velocidad del motor .


El contador descendente produce la seal de "retardo", que se usapara variar la secuencia de fases y desacelerar el motor hasta la


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velocidad deseada, momento en el que se enva una seal al sistema decontrol para su informacin.

La utilizacin de un sistema con microprocesador en el control de un

motor PAP, en lazo cerrado, puede intervenir en cualquiera de las cincofunciones principales:1.a Registrar el nmero pe pasos.2.a Excitacin de las fases del motor, con la secuencia apropiada,

segn la direccin de giro.3.a Generacin de un impulso, al completarse cada paso.4.a Variacin del ngulo de puesta en marcha, segn la velocidad del

motor.

5.a Regular la desaceleracin al detectar la proximidad de la posicindeseada.

Las dos primeras funciones pueden ser implementadas por hardwareo software, como en los sistemas con lazo abierto.

UNIDAD I - INTRODUCCIONPara detectar la posicin del eje; se usan detectores pticos o de formas

de onda, pero dedicar el microprocesador a esta labor, reducira la velocidadmxima de trabajo del motor. Por ejemplo, si un motor PAP tiene una


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velocidad de 1,000 pasos/segundo, el intervalo entre pasos es de 100microsegundos y en este tiempo, el nmero de instrucciones que puedeprocesar un microprocesador corriente, no es muy elevado y, quizs,insuficiente para realizar un anlisis exacto de los datos disponibles.

El microprocesador se puede emplear para controlar los ngulos deencendido, continuamente variables. De esta forma, el motor desarrolla suspares de salida a todas las velocidades, optimizndose su funcionamiento.Para llevar a cabo esta tarea, el sistema de control procesa la informacin

existente sobre la velocidad instantnea del eje del motor, con lo que calculael ngulo de encendido correspondiente.

Cuando se desea minimizar el tiempo empleado en mover la carga hastala posicin deseada, hay que usar curvas velocidad/proximidad, que

provoquen una aceleracin, con velocidades elevadas, en la fase inicial,mientras que en el acercamiento final, originen una desaceleracin, quepermita alcanzar la posicin deseada con velocidad nula. Un sistema conmicroprocesador, puede tener almacenados los puntos en los que se debe

iniciar la desaceleracin, considerando todos los factores que producen unatrayectoria ptima.

UNIDAD I - INTRODUCCIONControl de motores de corriente continua

Teniendo en cuenta que la velocidad de un motor de cc es directamente


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proporcional a la tensin aplicada en bornes e inversamente proporcional alflujo, se intenta controlar al mencionado parmetro interviniendo en estosdos factores, segn las caractersticas requeridas en cada caso particular.

La mayora de los controladores de velocidad de tipo industrial precisan

un par constante para distintas velocidades, lo que puede lograrsecontrolando la tensin en bornes y manteniendo constante la excitacin delcampo inductor.

Por otra parte, algunas aplicaciones requieren la regulacin de la

velocidad manteniendo constante la potencia. En este caso, la regulacin develocidad se alcanza variando la excitacin de campo de un motor de tiposhunt. Como se sabe, el par motor T es proporcional al producto del flujo porla intensidad del inducido y por una constante de la mquina ; por lo tanto,

para la corriente nominal del inducido, el par disminuye con la reduccin delflujo en la obtencin de velocidades gradualmente ms elevadas. Como lapotencia es directamente proporcional al producto del par por la velocidad, setiene que:

P = KT rpm.


Para una intensidad constante, la variacin del flujo esprcticamente constante. Cualquier aumento de la velocidad por

d bilit i d l i d t di i i


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debilitacin del campo inductor provoca una disminucinproporcional del par.

Hoy en da, los elementos ms empleados, en la zona de

potencia, para el control de la velocidad en motores son los tiristores(rectificacin controlada). Sin embargo, para potencias pequeas dehasta 5 10 kw, es posible, ya veces ventajoso, usar transistores depotencia.

Un diodo conduce cuando su nodo es ms positivo que suctodo. En el caso de los tiristores, se precisa para su conduccin,un impulso en puerta. En la mayora de las aplicaciones industriales,dos tiristores, en combinacin con dos diodos, son suficientes parael control requerido. Ver la figura 12. Como se indica en la figura 13,se usa, tambin, un diodo rpido ("free wheeling") D3, que conducela corriente inductiva, al final de la semionda, hasta reducirla a cero,

o hasta que un nuevo impulso la transfiera hacia otro tiristor.



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Fig. 12 Control de un motor de cc mediante dos tiristores y dosdiodos

Fig.13 Adicin de un diodo rpido D3

UNIDAD I - INTRODUCCIONMecanismo manipulador del robot

Un mecanismo es un medio para transmitir, controlar o limitar

i i t l ti E l d l i i t i t d


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movimientos relativos. En el mundo real siempre existe un cierto gradode elasticidad inherente en cada uno de los cuerpos integrantes, oeslabones dentro de un mecanismo, pero esto con frecuencia puedeignorarse, de modo que el mecanismo se puede tratar como un

ensamble de eslabones rgidos conectados unos con otros por medio dearticulaciones que permiten un movimiento relativo.

En la figura 14 (a) se muestra un mecanismo planar en el cual el

movimiento de los eslabones est restringido a un solo plano; en estecaso, el plano del papel. El mecanismo aparenta tener solamente treseslabones, pero en realidad existen cuatro, si se considera que el cuartode estos enlaces est fijo en tierra. El diagrama en la figura 14(b) es un

ejemplo de otra clase de mecanismo, el mecanismo espacial, cuyosdiversos eslabones pueden moverse en diferentes direcciones en elespacio. Nuevamente, el ejemplo mostrado tiene cuatro eslabones, conuno de ellos fijo en tierra.



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Fig 14 Mecanismos: (a) plano, (b) espacial

Las articulaciones que conectan los enlaces se conocen como pares cinemticos.Como el nombre lo indica, un par tiene dos elementos, cada uno conectado a cadauno de los enlaces que une. Si dos elementos aparejados estn en contactosuperficial, se dice que forman un par inferior si el contacto se da en un punto o a lo

largo de una lnea, el par se conoce como par superior. Por ejemplo, todas lasarticulaciones en la figura 14 son pares inferiores. Dos ejemplos de pares superioresson los engranes y las bielas. Cuando todas las articulaciones de un mecanismo sonpares inferiores, comnmente se le denomina mecanismo: de aqu que en la figura

14 se ilustren dos tipos.

UNIDAD I - INTRODUCCIONEn la figura 15 el par (a) es un par giratorio o rotacional R. Permite solamente un

movimiento relativo entre los dos enlaces, una rotacin alrededor del eje del par. Es

por esta razn que se dice que tiene un grado de libertad f 1 En la figura 15(b) sed li i i l d i


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por esta razn que se dice que tiene un grado de libertad f = 1. En la figura 15(b) semuestra un par deslizante o prismtico P. Los elementos de un par P son prismascongruentes o cilindros no circulares. Tiene un grado de libertad translacional f = 1.Los pares P y los pares R pueden usarse en mecanismos tanto planares como

espaciales.

Fig.15 Pares: (a) rotacional, (b) prismticos, (c) cilndrico , (d) esfrico

ranurado, (e) esfrico

UNIDAD I - INTRODUCCIONLos pares inferiores restantes de la figura 15 son de la variedad

espacial. En la figura 15(c) se muestra un par cilndrico o par C,consistente en dos cilindros circulares idnticos uno de ellos convexo, el

otro cncavo Los elementos pueden rotar uno respecto al otro sobre


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otro cncavo. Los elementos pueden rotar uno respecto al otro sobreeste eje. Como estos dos movimientos pueden existir en forma

enteramente independiente, se dice que el par C tiene dos grados de

libertad f = 2. En la figura 15(d) se muestra otro par inferior con dosgrados de libertad, pero en este caso ambos movimientos son giratorios.El par esfrico ranurado o par SL consiste de una esfera convexa oslida que, idealmente, coincide de manera exacta con una cubierta

esfrica del mismo radio. El perno y la ranura detienen la rotacinrelativa sobre el eje vertical. En la figura 15(e), por otra parte, no existeesta restriccin y, por lo tanto, la articulacin de bola o par esfrico S

tiene tres grados de libertad giratoria; f = 3.

Existen otros tipo de pares, como los de tornillo y los planares, perola figura 15 nos brinda una variedad suficiente para cubrir nuestras

necesidades. Nuestro objetivo es demostrar cmo afectan los pares los

grados de libertad de un mecanismo y esto, a su vez, nos permitirproponer una cierta variedad de configuraciones posibles para robots.

UNIDAD I - INTRODUCCIONTipos de configuraciones

Cuando se habla de la configuracin de un robot, se habla de la

forma fsica que se le ha dado al brazo del robotEl bra o del manip lador p ede presentar c atro


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forma fsica que se le ha dado al brazo del robot.El brazo del manipulador puede presentar cuatroconfiguraciones clsicas: la cartesiana, la cilndrica, la polar y laangular.

Configuracin cartesiana:Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de

libertad, los cuales corresponden a los movimientos localizados en

los ejes X, Y y Z. Los movimientos que realiza este robot entre unpunto y otro son con base en interpolaciones lineales.Interpolacin, en este caso, significa el tipo de trayectoria querealiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto y otro.

A la trayectoria realizada en lnea recta se le conoce comointerpolacin lineal y a la trayectoria hecha de acuerdo con el tipode movimientos que tienen sus articulaciones se le llama

interpolacin por articulacin.



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UNIDAD I - INTRODUCCIONConfiguracin cilndrica:

Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea,

que presenta tres grados de libertad El robot de configuracin


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que presenta tres grados de libertad. El robot de configuracin

cilndrica est diseado para ejecutar los movimientos conocidos

como interpolacin lineal e interpolacin por articulacin. La

interpolacin por articulacin se lleva a cabo por medio de la

primera articulacin, ya que sta puede realizar un movimiento

rotacional (ver movimiento A en el dibujo siguiente).

UNIDAD I - INTRODUCCIONConfiguracin polar:

Tiene varias articulaciones. Cada una de ellas puede realizar un

movimiento distinto: rotacional angular y lineal. Este robot utiliza


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movimiento distinto: rotacional, angular y lineal. Este robot utilizala interpolacin por articulacin para moverse en sus dos primeras

articulaciones y la interpolacin lineal para la extensin y

retraccin.

UNIDAD I - INTRODUCCIONConfiguracin angular (o de brazo articulado):Presenta una articulacin con movimiento rotacional y dos

angulares. Aunque el brazo articulado puede realizar el


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angulares. Aunque el brazo articulado puede realizar elmovimiento llamado interpolacin lineal (para lo cual requiere

mover simultneamente dos o tres de sus articulaciones), el

movimiento natural es el de interpolacin por articulacin, tantorotacional como angular.


Adems de las cuatro configuraciones clsicas mencionadas, existen otras

configuraciones llamadas no clsicas.

El ejemplo ms comn de una configuracin no clsica lo representa el robot


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j p g p

tipo SCARA, cuyas siglas significan: Selective apliance arm robot for asembly.

Este brazo puede realizar movimiento horizontales de mayor alcance debido a

sus dos articulaciones rotacionales. El robot de configuracin SCARA tambin

puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercer articulacin).

Ejemplo de un robot SCARA:

UNIDAD I - INTRODUCCIONVolumen de Trabajo:

Para acercarnos ms al conocimiento de los robots

industriales es preciso tocar el tema que se refiere al volumen


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industriales, es preciso tocar el tema que se refiere al volumende trabajo y la precisin de movimiento. Entre lascaractersticas que identifican a un robot se encuentran su

volumen de trabajo y ciertos parmetros como el control deresolucin, la exactitud y la repetibilidad.El volumen de trabajo de un robot se refiere nicamente al

espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de sumueca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma encuenta el efector final.La razn de ello es que a la mueca del robot se le pueden

adaptar gripers de distintos tamaos.Para ilustrar lo que se conoce como volumen de trabajo

regular y volumen de trabajo irregular, tomaremos como

modelos varios robots.

El robot cartesiano y el robot cilndrico presentan volmenes de trabajoregulares. El robot cartesiano genera una figura cbica.



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g g g

El robot de configuracin cilndrica presenta un volumen de trabajo

parecido a un cilindro (normalmente este robot no tiene una rotacin de

360)

Por su parte, los robots que poseen una configuracin polar, los de brazo

articulado y los modelos SCARA presentan un volumen de trabajo

irregular.

UNIDAD I - INTRODUCCIONPara determinar el volumen de trabajo de un robot industrial,

el fabricante generalmente indica un plano con los lmites de

movimiento que tiene cada una de las articulaciones del robot,


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q ,

como en el siguiente caso:


Precisin de Movimientos:

La precisin de movimientos en un robot industrial depende detres factores: la resolucin espacial, la exactitud y la repetibilidad.


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p , y pLa resolucin espacial se define como el incremento ms

pequeo de movimiento que puede ejecutar un robot depende

Directamente del control del sistema y de las inexactitudesmecnicas del robot.Del control del sistema porque ste, prec

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