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Actuadores
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Grados de libertad
Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar.Numero de articulaciones
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Actuadores
• Genera movimiento de los elementos del robot
• El # actuadores puede ser mayores a los gdl• Un brazo humano
• Colocar un objeto de varias formas
• El # actuadores puede ser menor a los gdl• Movimiento reciprocante
• Hay movimientos imposibles y maniobras
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• El movimiento se consige ejerciendo fuerzas
• Lo que hace el actuador es parte de lo quehace el robot
• Actuadores vs Efectores
• Actuadores Hidraulicos, neumaticos, electricos• Potencia, velocidad precision controlabilidad
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Actuadores Neumaticos
• Fluido compresible, aire 5-10 bares
• El flujo mueve pistones en cilindro
• Valvulas neumaticas
• Seguros, robustos
• Poca exactitud en la posicion final
• Difıciles de controlar:• Aire es demasiado compresible
• Presion del compresor inexacta
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Actuadores Hidraulicos
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Actuadores Hidraulicos
• Aceite mineral a 50-100 bares
• Fuerzas y pares elevados, grandes
• cargas
• Control muy preciso, continuo.
• Estabilidad en estatico.
• Problemas: fugas, mantenimiento.
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Actuadores Electricos
• Estator (imanes) y rotor.
• Interaccion entre campo magnetico y electricoprovoca movimiento.
• Velocidad giro proporcional a Velocidad de brazo.
• Propiedes, a mas corriente mas par.
• Eficientes para girar con poca fuerza y granvelocidad.
• Sistemas digitales lo modulan con PWM(Powerwidth Modulator).
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Actuadores ElectricosServo motores
• Capaces de colocarse en una posicion.
• Motor de DC + engranajes + sensor de posicion + controlador proporcional.
• Suelen estar limitados a 180 grados.
• 3 hilos: V, tierra, senal.
• Se controlan con una serie de pulsos modulados en anchura PCM.
• Anchura proporcional a posicion.
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Motor electrico, rotor - estator
Servo Motor
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Modulacion PWMPulse With Modulation
Modulacion anchura de pulso.Velocidad proporcional al promedio.Tiempo de ciclo y ancho de pulso.
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Actuadores Controlados
• Realimentacion• Proporciona estabilidad
– Robustez perturbaciones
• Senal de error a corregir
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Actuadores controlados
Control PID
Proporcional al error instantaneo, a su Integral, a su Derivada
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Transmision y Reduccion
• No existe sistema de transmisionespecificamente para robotic.
• Se utilizan los tipicos Engranajes Para transmitir Movimiento
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Rueda Dentada
• Cambio de fuerza
• Cambio de rotacion
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Cremallera y PinonesRack and Pinion
• Cambio de rotacion a movimiento lineal
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Escuadras
• Cambio de Direccion
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Otros Sistemas de Transmision
• Ciguenales
• Poleas
• Levas
• Manivelas
• Cadenal
• Diferencial
• Etc
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El Par, Velocidad de Giro y los Engranajes
• Combinando engranajes se modifican el par del motor y su velocidad
• Relación: #dientes1/#dientes2• w = d1/d2w1• T2 = d2/d1 T1• Lo que se gana en fuerza se pierde en velocidad
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El Par y Reducciones
• El motor de radio R y par T genera una fuerza F = T/R perpendicular a su circunferencia
• Los motores suelen dar altas velocidades y bajo par.
• Los dientes estan bien disenados para evitar perdidas.
• Para aplicar una reduccion 3 : 1 se conecta el motor a un engranajede 8 dientes uno de 24.
• Se reduce la velocidad por 3 y se aumenta la fuerza tres veces.
• Se pueden formar cadenas. • 2 cadenas 3 : 1 consiguen una reduccion 9 : 1
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Locomocion
• Diferentes actuadores:– Piernas: caminar, arrastrarse, trepar, saltar, etc.
– Ruedas: rodar.
– Brazos: arrastrarse, trepar.
– Aletas: nadar.
• Locomocion con piernas es un problema muy grande para la robotica
• El robot tiene que ser estable estatica y dinamicamente
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Locomocion con PatasEquilibrio Estatico
• Equilibrio estatico: si se detieneno se cae.
• El Centro de Gravedad debe caer dentro del
• poligono de apoyo
• Al mover una pata el polıgonocambia.
• Modos de caminar, ej pasoalternativo en trıpode(hormigas)
• Con muchas patas es facil y seguro pero lento e ineficiente
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Locomocion con PatasEquilibrio Dinamico
• Ser estable en movimiento.• Robot con una pata: saltan,
pero no pueden quedarquietos.
• Robots bıpedos, cuadrupedos, hexapodos...
• ¿Cuantas patas estan en el aire durante el
• movimiento?• La estabilidad dinamica
requiere mas control, peropermite mayor velocidad
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Locomocion con Ruedas
• Mas eficientes que las piernas, y estaticamente estables.
• Las ruedas pueden ser muy sofisticadas: varios neumaticos, cadenas,
• con cilindros con otras ruedas, etc.
• Mecanismo diferencial (tipo tanque).
• Ruedas directrices (tipo coche).
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Locomocion con Ruedas
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Preocupaciones en Locomocion
• Ir a un lugar concreto.
• Planificacion de trayectorias
– Campo tradicional de la robotica
– Es compleja: busqueda y evaluacion de todas las posibilidades.
– La geometrıa del robot y su holonomicidad deben considerarse.
• Seguir una determinada trayectoria.
– puede ser imposible para ciertos robots
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Sistemas de Control
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Sistema de Control
• Mision•Recibir ordenes del usuario para llevar a cabo una tarea concreta, ya sea de forma directa o atraves de un programa
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Sistema de Control, cont
• La unidad de control esta basada en uno o mas microprocesadores, unidades de entrada y salidas, puertos en serie, paralelos, procesadores especializados, etc
• El usuario atraves del programa, ordena al robot realizar una tarea
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Ordenes Tipicas
• Puntos de destinos
• Velocidad de desplazamiento
• Tiempo
• Frecuencia
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Tipos de Controles
• Control Cinematico
• Control Dinamico
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Control Cinematico
• Establece cuales son las trayectorias que debe seguir cada articulacion del robot a lo largo del tiempo para lograr los objetivos fijados por el usuario.
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Control Dinamico
• Tiene por mision procurar que las trayectoriasrealmente seguidas por el robot sean lo masparecidas a las propuestas por el control cinematico.
• El modelo dinamico de un robot no es lineal, es multivariable, de parametros variantes, porlo que en general su control esextremadamente complejo.
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Esquema del Control del Robot
• Programa
• Generacion de Trayectorias
• Control Dinamico
• Ordenes a los Actuadores
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Componentes del Sistema de control dinamico
• Orden, entrada
• Controlador, Actuadores
• Articulacion robot
• Elementos de retroalimentacion
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Sistemas de Potencia
Los subsistemas de power tienencomo mision mover el manipulador
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Sistemas de Potencia
• Electricos• Activados con energia electrica
• Neumaticos• Energizado con aire comprimido
• Hidraulico• Energizado con aceite u otro fluido
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Sistemas Electricos
Ventajas Desventajas
• Confiabilidad
• Limpieza
• Grado de Conocimiento
• Relacion carga/velocidad
• Economico
• Sistemas de Transmisionson costosos
• Los harmonic drives son sistemas mas precisos quelos de engranajestradicionales
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Sistemas Hidraulicos
• Se utilizan en robots grandes que tienen quemanejar cargas pesadas
• Se usa en ambientes hostiles o flamable
• Este tipo de robot constituye 25 % de la produccion total
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Sistemas Neumaticos
• Son mas limitadas debido a que la exactitud se restringe a los extremos del recorrido
• Se usa en aplicaciones de pick and place o de secuencia fija
• Este tipo de robot constituye 10 % de la representacion robotica en el mercado
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El motor Electrico
• La mayoria de los robots electricos usanstepper motor o servomotores
• Stepper motor tienen la desventaja que se salen de fase a razon de .5 grd / pulso
• Los motores servo estan disenado a menordiametro para tener menor momento de inercia y asi tener mas control, a pesar que no tienen mucha potencia
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Sistemas Hidraulicos
• Se usaron en los primeros robots, pero su usose ha reducido atraves del tiempo
• El dispositivo servocontrol dirige el sistemahidraulico mediante servovalvulas. Estesproporcionan buena estabilidad en los cambios de voltaje en un tiempo corto
• Inconvenientes, cambios en temperatura
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Funcion Subsistema de Control
• Dirige el sistema de potencia para que muevael manipulador en una forma predeterminada
• Almacena uno o varios programas asi como la informacion recojida durante el proceso
• Permiten la comunicacion, ingreso, egreso de datos en forma de pantallas, teclados o medios magneticos
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Subsistemas de Control
• Nivel Bajo• Relays, air logic, drum secuencer, PLC
• Nivel Medio• Servo, poseen entradas (I/O) discretas
• Nivel Alto• Interface de programacion
• Nivel Expansivo• Mayor Capacidad sensorial e interface
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Sensores
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Clasificación de Robot
• De acuerdo al grado de manejo que tiene una
persona tras el robot, éste se puede clasificar como
autónomo o teleoperado
• De acuerdo al ambiente en que se desarrollan se
pueden clasificar como marinos, terrestres, aéreos,
espaciales, etc.
• De acuerdo a su sistema de locomoción se clasificar
en desplazados por ruedas y caminantes
• La clasificación menos importante es su forma
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Clasificación holonómica
• El área de la robótica tiene dos grandes divisiones
• – Robot holonómicos• formados por ligaduras, como los son los brazos y
manipuladores
• – Robot no-holonómicos• corresponde a los robot móviles en general
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Clasificación
Robot MóvilesRobot Manipuladores
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Restricciones de Movimiento
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Partes de un Robot
• En un robot se puede encontrar elementos
• como:
• – Sensores
• – Actuadores
• – Efectores
• – Control
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Partes Principales de un Robot
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Sensores
• Los datos percibidos depende de los sensores del robot
• El robot existe en el espacio de los sensores
• Los sensores de un robot son muy distinto a los biológicos
• El programador debe tratar de situarse en el mundo del robot
• • El tipo de sensor dependerá de la tarea a realizar
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Sensores
• Dificultades
• Son limitados
• Están sujetos inexactitud
• Una propiedad en el ambiente podria ser medido con distintos tipos de sensores
• Costo
• Sistema sensorial e integración
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Ejemplos de Sensores
• Se clasifican como activo o pasivo. Ejemplos:
• – Sensores de Interruptor
• – Sensores de Luz
• – Sensores de Rotación
• – Sensores de Infra-rojo
• – Sensores de ultrasonido
• – Sensores de Temperatura
• – Sensores Láser
• – Visión Artificial
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Efectores
• Efectores que realizan la locomoción:
• • Piernas: caminar, arrastrarse, trepar,
• saltar
• • Ruedas y Orugas: rodar
• • Brazos: arrastrarse, trepar
• • Aletas: nadar
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Actuadores
• Mecanismo encargado de producir energía
• para accionar los efectores
• • Ejemplos: motores, dispositivos hidráulicos
• • Motortransforma energía en movimiento
• • Tipos de Energía: neumática, hidráulica,
• eléctrica
• • Los motores de robot en general son
• eléctricos
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Tipos de Actuadores
• Neumáticos: cilindros y motores
• Hidráulicos: cilindros y motores
• Eléctricos: DC, AC
• Características• Potencia
• Controlabilidad
• Peso y volumen
• Precisión
• Velocidad
• • Mantenimiento
• • Costo
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Actuadores
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DOF
• Degree of Freedom (grados de libertad, GDL)
• • Los robot móviles terrestres en gdl. viven en un mundo de dos dimensiones
• Otros robot móviles viven en 3 dimensiones:• robot voladores, espaciales, submarinos
• • El número de dimensiones del ambiente de un
• robot suele ser la primera consideracion de los DOF de un robot.
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DOF y Actuadores
• En general los actuadores sencillos controlan un grado de libertad ( izq-der, arriba-abajo)
• Un cuerpo en el espacio tiene en gral. 6 dof• 3 de traslación
• 3 de orientación
• • Si hay un actuador para cada dof, todos soncontrolables
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Determinado DOF
• Dof de un auto:
• – Un auto tiene 3 dof (x,y,orientación)
• – 2 son controlables,
• • Aceleración, adelante y atrás
• • Dirección, con el volante
• – Ello implica que existen ciertos movimientos que nos son factibles de hacer para el auto
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¿Cuántos DOF en el brazo?
Piensen en su brazo (no considerenlos dedos)
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Determinando DOF
Los dof de un brazohumano– La claves son la ligaduras(hombro, codo, muñeca)
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DOF y holonomicidad
• Si el número de DOF controlables son todos los del robot, se dice que el robot esholonómico
• Si el numero de DOF no son todos los del robot, se dice que es un robot no-holonómico
• Si el numero de DOF es mayor que los del robot, se dice que es un sistema redundante