Robótica Industrial

1. Robótica Industrial E. U. Politécnica de la Universidad de Sevilla Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores

2. TEMA 1.Introducción a la Robótica

3. ¿Qué es un robot? • Robot: término acuñado por Karel Capek en Rossum’s Universal Robots (1921). • “Robota”, palabra eslava que significa “trabajo de manera forzada”. • Una máquina programable (computador) con capacidad de movimiento y de acción. • Diccionario RAE: Máquina o ingenio electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas sólo a las personas. • Tipos de robots: • En función del medio: • Terrestres (vehículos, robots con patas, manipuladores industriales) • Aéreos (dirigibles) • Acuáticos (nadadores, submarinos) • Híbridos (trepadores) • En función del control del movimiento: • Autónomos • Teleoperados. • Otras clasificaciones (más adelante)

4. ¿Para qué sirven los robots? • Reproducir ciertas capacidades de los organismos vivos. • Robots móviles: exploración, transporte. • Robots fijos: asistencia médica, automatización de procesos industriales. • Otros: control de prótesis, entretenimiento.

5. Revisando la historia (i) esculturas animadas egipcias (2000 a.C) Reloj, Piazza San Marco, Italia (s. XV)

6. Revisando la historia (ii) Relojes, cajas de música (s. XVII-XVIII).

7. Revisando la historia (iii) Autómatas (siglo XVIII). Mecanismos coordinados. Ej. bailarinas, acróbatas. Mecanismos especializados. Ej. dibujantes, músicos, escritores.

8. Revisando la historia (iv) La cibernética (años 50) • Tortugas de Grey Walter (1950's). • Burden Neurological Institute (UK) • 8 tortugas • Un foto-tubo como ojo • Comportamientos tropistas: • Baile alrededor de una luz • Recarga al detectar descarga

9. Revisando la historia (v) • La electrónica (años 60) • Johns Hopkins University (USA) • Transistores • Centrado con sonar • Brazo de recarga • Células fotoeléctricas (enchufes negros) • Tarea: patrullar pasillos

10. Revisando la historia (vi) • Los ordenadores (años 70) Shakey • Stanford University (USA) • Ordenador externo planificación • Ordenador interno control • Cámara de TV • Encuentra objetos regulares • Entorno altamente controlado • Tarea: planificar movimientos

11. Revisando la historia (vii) • Los ordenadores empotrados (años 80) • Stanford University (USA) • Dos cámaras de TV • Reconstrucción 3D limitada • Ordenador empotrado • Entorno estructurado: • Reconoce objetos regulares • Tarea: navegación • Muy lento (30 m  5 h)

12. Revisando la historia (viii) • Navegación en entornos reales • Spirit, Opportunity • “Cuerpo”: Protege los “órganos vitales” • “Cerebros”: Ordenadores para procesar la información • Controles de temperatura: Calentadores internos, capa de aislamiento, etc. • Un “cuello y cabeza”: Un poste para las cámaras que dan al robot una vista a escala humana • “Ojos” y otros sentidos: cámaras e instrumentos que dan información del entorno • Brazo: Extensión del alcance • Ruedas y “piernas”: Dotan de movilidad • Energía: Baterías y paneles solares • Comunicaciones: Antenas para “hablar” y “escuchar”

13. Revisando la historia (ix) • El futuro • 2005 manejo de mapas 3D • 2010 Robots controlados con técnicas de IA • 2020 Robots de propósito general • 2030 Primates robóticos • Nanotecnología • Interacción con humanos • Aprendizaje, adaptación, reconfiguración

14. Esquema general de un robot

15. Clasificación de robots (i) • Robots manipuladores • Robot Institute of America: un robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variados, programados para la ejecución de distintas tareas. • Funcionamiento repetitivo. Precisos, rápidos y de alta repetibilidad, con percepción limitada. • Morfología • Sistema mecánico: articulaciones. • Actuadores: motores. • Sensores: comunicación, percepción (visión, etc.). • Sistema de control: servocontrol, generación de trayectorias, planificación.

16. Clasificación de robots (ii) • Robots móviles y de servicios • Incremento de autonomía: Sistema de navegación automática (planificación percepción y control) • Generalmente son robots autónomos (perciben, modelan el entorno, planifican y actúan con mínima ó nula intervención humana). • Telerrobots • Teleoperados. El hombre realiza su percepción, planificación y manipulación.

17. TEMA 2.Morfología del Robot Manipulador

18. Índice:Morfología del RobotManipulador • Estructura mecánica de un robot • Elementos y enlaces. Grados de libertad • Tipos de articulaciones • Configuraciones básicas • Elementos finales • Volumen de trabajo • Transmisiones y reductoras • Actuadores: • Eléctricos • Hidráulicos • Neumáticos • Modelos físicos

19. Estructura mecánica de un robot (i) • Un robot manipulador está típicamenteformado por una serie de elementos (segmentos, eslabones o links) unidos mediante articulaciones (joints) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Este movimiento es producido por los actuadores. El último elemento se denomina“elemento terminal” (pinza, herramienta...) • El movimiento de la articulación puede ser: • De desplazamiento • De giro • Combinación de ambos • Grado De Libertad (GDL) “Degree Of Freedom” (DOF): • Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. El número de GDL del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. • Los grados de libertad equivalen al número de parámetros independientes que fijan la situación del elemento terminal. • Variables de estado: • Parámetros que definen la configuración (posición, orientación, etc) del elemento terminal

20. Estructura mecánica de un robot (ii) • Tipos de articulaciones:

21. Estructura mecánica de un robot (iii) • Empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, implica: • Diferentes configuraciones • Tener en cuenta las característica específicas del robot a la hora del diseño y construcción del mismo, y del diseño de las aplicaciones.

22. Estructura mecánica de un robot (iv) • Elementos terminales • Son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. • Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas. • Normalmente son diseñados específicamente para cada tipo de trabajo. • Volumen de trabajo • Volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot. • Volumen determinado por: • el tamaño, forma y tipo de los segmentos que integran el robot. • Las limitaciones de movimiento impuestas por el sistema de control • Nunca deberá utilizarse el elemento terminal para la obtención del espacio de trabajo. Las razones son: • El elemento terminal es un añadido al robot • Si variase se tendría que calcular de nuevo el espacio de trabajo

23. Transmisiones y reductoras: • Transmisiones: elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. • Reductoras o engranajes: elementos encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot. Generalmente se reduce la velocidad del actuador (de ahí el nombre).

24. Actuadores • Los actuadores generan el movimiento de los elementos del robot • La mayoría de los actuadores simples controlan únicamente 1 GDL (izq-der, arriba-abajo) • Un cuerpo libre en el espacio en general se representa mediante 6 variables de estado: • 3 de traslación (x,y,z) • 3 de orientación (P.ej. Los ángulos de Euler). • No siempre Nº GDL = Nº Variables estado. • Para la representación de la posición de un automóvil se usan 3 variables de estado: 2 de traslación (x,y) y 1 de orientación. • Sin embargo, sólo tiene 2 GDL: acelerador (adelante y atrás) y dirección (volante). • Luego hay movimientos imposibles (movimiento lateral). • Aunque maniobrando pueda adquirir cualquier configuración.

25. Holonomía y redundancia • Cuando el número de GDL es igual al número de variables de estado, el robot es holónomo. • Si el número es menor, el robot es no-holónomo (ej. Coche). • Si el número es mayor es redundante. Ejemplo, un brazo humano • Tiene 7 GDL: 3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca (no contamos los dedos) • Un objeto en el espacio sólo tiene 6 variables de estado. • Eso hace que haya varias formas de colocar la mano de la misma forma. • Aunque la redundancia dé más “riqueza” al movimiento, complica la manipulación. Actualmente resolver la redundancia está en plena investigación. • Un robot no-holónomo posee ligaduras, que típicamente se deben a un contacto de un elemento con el mundo. • Normalmente un robot móvil tiene ligaduras: la condición de rodadura ideal de las ruedas en contacto con el suelo (no pueden patinar). Ciertos robots móviles son omnidireccionales: en la prácticason holónomos.

26. Actuadores eléctricos (i) • Interacción entre dos campos magnéticos (uno de ellos al menos, generado eléctricamente) provoca movimiento. • Los motores de corriente continua (DC) son los más utilizados en la actualidad debido a su facilidad de control, mayor potencia/peso, rendimiento, precio, etc. • Controlados por inducido (usado en robótica) • Controlados por excitación • La velocidad de giro es (en iguales condiciones de carga) proporcional al voltaje. • Eficientes para girar con poco par y gran velocidad: añadiendo una reductora se consigue más par aunque menos velocidad.

27. Inducido L R ea eb J i B Inductor if Actuadores eléctricos (ii):

28. Actuadores eléctricos (iii) • Motores paso-a-paso • Normalmente, no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales. • Pares muy pequeños. • Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. • Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos. • Existen 3 tipos de motores paso-a-paso • De imanes permanentes. • De reluctancia variable. • Híbridos. • Ventajas • Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. El control se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación. • Pueden girar de forma continua, con velocidad variable. • Motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar. • Desventajas • Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por los pasos). • Existe el riesgo de pérdida de alguna posición por trabajar en bucle abierto • Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas • Presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.

29. Actuadores eléctricos (iv)

30. Actuadores hidráulicos (i) • Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa hidráulica de Pascal. • Fluido que circula por tuberías a presión. • Útil para levantar grandes cargas. • Se controlan con servoválvulas que controlan el flujo que circula. • Servoválvula: Motor eléctrico de baja velocidad y alto torque. • El flujo mueve un pistón (lineal). • El movimiento lineal puede pasarse a rotacional con una biela. • Problemas: Complejos, peligrosos (inflamables), difícil mantenimiento (fugas).

31. Actuadores hidráulicos (ii)

32. Actuadores neumáticos (i) • Fluido compresible: generalmente aire. • Suelen mover pistones lineales. • Se controlan con válvulas neumáticas. • Son muy seguros y robustos. • Poca exactitud en la posición final: típicamente para todo/nada. • Pinza de sólo dos posiciones: abierta/cerrada. • Difíciles de controlar: • Aire es demasiado compresible. • Presión del compresor inexacta.

33. Actuadores neumáticos (ii)

34. Tabla resumen

35. Inducido R L ea eb J i B Inductor if Modelo eléctrico: motor DC • Esquema de funcionamiento de un motor DC controlado por inducido: • La intensidad del inductor es constante. • Tensión del inducido utilizada para controlar la velocidad • En los controlados por excitación se actúa al contrario

36. media media Control de motores DC • A más intensidad más par. Típicamente: T = Kp * I • Sistemas digitales lo modulan con PWM (Modulación de la anchura del pulso, “Pulse Width Modulation”): • Voltaje proporcional a la componente de continua (el motor actúa de filtro paso de baja; sólo “ve” la continua) y ésta proporcional al “duty cycle” porcentaje de actividad • Periodo no importa: se escoge una frecuencia alta para evitar sonidos audibles.

37. Modelo dinámico de un motor DC controlado por inducido • Para el control del motor se incluyen las etapas de potencia y control, utilizándose realimentación de intensidad y velocidad.

38. Modelo físico: motor DC (iii) • Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace). Inercia y rozamiento viscoso equivalentes vistos a la salida del eje del rotor

39. TEMA 3.Sensores

40. Índice: Sensores • Introducción • Clasificación de los sensores • Sensores internos • Posición y orientación • Velocidad • Aceleración • Sensores externos • Proximidad • Fuerza-par • Táctiles • Visión artificial • Tratamiento de imágenes • Integración de sensores

41. Introducción (i) • Los sensores son los dispositivos que permiten a un robot percibir su entorno. • Un sensor es un transductor que convierte algún fenómeno físico en señales eléctricas que el micro-procesador del robot puede leer. • La misma propiedad física puede medirse por varios sensores. • En general son limitados e inexactos. • La sensorización de un robot implica diversas disciplinas: • Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no corriente) • Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz del ruido) • Informática: Una cámara devuelve un imagen (reconocer los objetos que la forman) • Un diseñador de robots generalmente no puede crear nuevos sensores. • Nuestro trabajo consistirá en integrar los sensores existentes • Esta integración debe hacerse sin perder de vista la tarea a realizar.

42. Introducción (ii) • Algunas definiciones que debemos conocer: • Sensibilidad: Es una medida del grado de variación de la señal enviada conforme el fenómeno medido ha cambiado. • Precisión: Diferencia entre el valor real y el medido. • Repetitividad: Diferencia entre sucesivas medidas de la misma entrada. • Resolución: Incremento mínimo observable en la entrada. • Rango: Diferencia entre el máximo y mínimo valor medible.

43. Clasificación de los sensores • Vamos a clasificar los sensores en dos grandes grupos: • Sensores internos: Nos da información sobre el propio robot. • Posición y orientación • Velocidad • Aceleración • Sensores externos: Nos da información sobre el entorno del robot. • Proximidad • Tacto • Fuerza • Visión • Otra clasificación: • Sensores pasivos: Miden señales del entorno. • Sensores activos: Producen un estímulo y miden su interacción en el entorno. • El sensor consta de un emisor y un receptor. • Necesitan más energía y en general más complejidad.

44. Sensores internos (i) • Posición y orientación • Indican en que posición se encuentra un elemento del robot. • Potenciómetros. • Un contacto que se mueve sobre una espiral. • Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisión, etc.) • No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia) • Encoders (Codificadores angulares de posición) • Diodo LED (emisor) más fototransistor (receptor) • Miden el número de grados que gira algo (motor). • Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco) • Resolución: número de agujeros • Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir reflexión • Se obtiene una onda que puede procesarse • ¿Cómo detectar el cambio de dirección?: dos canales. • Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan) • Resolvers y sincros

45. Sensores internos (ii) • Funcionamiento de un codificador óptico incremental

46. Sensores internos (iii): usados normalmente en campo abierto • Brújulas: proporcionan información absoluta sobre la orientación de un vehículo • Una aguja imantada se alínea hacia el norte magnético • Existen diversos tipos de brújulas • Magnéticas • Electrónicas (dispositivos de estado sólido) • Inclinómetros: ayudan a determinar si el robot está inclinado. • Giroscopios: determinan la velocidad de rotación y la distancia rotada. • GPS (Global Positioning System) • sistema de orientación/navegación desarrollado y administrado por el US DOD (Departament of Defense). • La información enviada por al menos 4 satélites (señales codificadas), son procesadas por un receptor GPS para calcular su posición (3D), velocidad y tiempo. • Principales usos: navegación aérea y marítima, seguridad vehículos terrestres.

47. Sensores internos (iv) • Velocidad • Miden la velocidad (generalmente angular) • Eléctricos: • Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magnético) • Se genera tensión proporcional a la velocidad de giro • Varios nombres: tacogenerador, tacómetro, tacodinamo, etc • Ópticos: • Usan los sensores de posición, derivando para calcular la velocidad • Aceleración • Usan la inercia: un muelle que se estira • Cada vez se usan más (uso clásico: aviones) • La integral numérica es mucho más exacta que la derivada • Problema de oscilación (falsas medidas)

48. Sensores externos (i) • Proximidad • Son usados para determinar la presencia de objetos cercanos. Existen muchos tipos: • Ultrasonidos • Magnéticos • Inductivos • Micro-ondas • Ópticos • Capacitivos

49. Sensores externos (ii) • Ultrasonidos • Uno de los sensores más utilizados en robots móviles. • Sensor activo de reflexión (el emisor y el receptor se colocan juntos y detectan la reflexión de los objetos) • Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un micrófono el reflejo. La diferencia entre ambas señales indica la distancia al objeto. • Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm/ms. • Propiedades estándar: • Rango de 10 m (aprox.) • 30 grados de amplitud • Devuelven distancia al objeto más próximo • Combinables en arrays con desfases entre ellos (más precisos)

50. Sensores externos (iii) • Desventajas: • La posición real del objeto es desconocida (cualquier posición del cono a distancia d). • Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran longitud. • Cuanto mayor es el ángulo, más probabilidad de que se detecte un objeto no deseado. • Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes). • En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser muy erróneas. • Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede “no verla”. • ¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?.