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INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 1.

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UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CS. FS. Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

J. RUIZ DEL SOLAR R. SALAZAR


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DEFINICIONES BÁSICAS ¿QUÉ ES UN ROBOT?

“Es un dispositivo reprogramable y multifuncional diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados” - Robot Institute of America, 1979 - “Un dispositivo automático que realiza funciones que normalmente se considera son o debieran ser realizadas por humanos” - Webster - “Un sistema que existe en el mundo físico y que autónomamente sensa su medio ambiente y actúa sobre él” - Maja Mataric/USC - “Un mecanismo reprogramable con un mínimo de cuatro grados de libertad diseñado para manipular y transportar partes, herramientas o implementar manufactura especializada a través de movimientos programados para la ejecución de la una tarea especifica de manufactura” - Asociación Británica de Robotica (BRA) - “Manipulador: una maquina la cual tiene similares funciones a aquellas de los miembros superiores de los humanos, y mueve objetos espacialmente, desde una localización a otra. Robot de grabación (Playback Robot): una manipulador el cual puede ejecutar una operación por lectura de información memorizada de una secuencia de operación, incluyendo posiciones y probable el cual aprendió siendo tomador manualmente a través de rutinas de antemano. Robot inteligente: un robot el cual puede determinar su propio comportamiento/conducta a través de sus funciones de senseo y reconocimiento. -Asociación Japonesa de Robot Industriales (JIRA)- Existen múltiples tipos de robots, cuya complejidad va desde aquellos que se utilizan en tareas industriales de ensambado (ej. fábricas de autos) hasta llegar a los de aspecto humano (“humanoides”).


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ROBÓTICA

Es una disciplina que combina todas aquellas actividades relacionados con el estudio, diseño, construcción, operación y mantención de robots. Es un campo de trabajo que combina diferentes disciplinas como Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Electrónica, Ingeniería Mecánica, Ciencias de la Computación, Matemáticas, Física, Biología, Neurociencias, etc. Disciplinas Relacionadas: - Visión Computacional - Inteligencia Artificial/Computacional - Cibernética (Control + Ciencias de la Información + Biología) - Mecatrónica (Mecánica + Electrónica + Computación)

BREVE HISTORIA DE LA ROBÓTICA.

El término robot fue introducido por el checo Karel Capek en 1921, y viene de la combinación de las palabras checas “robota” que significa “trabajo obligatorio” y “robotnik” que significa siervo. La palabra robótica fue utilizada por primera vez por el científico y escritor de ciencia ficción Isaac Asimov en 1942. El propuso las llamadas leyes de la robótica:

Ley 0: Un robot no puede realizar ninguna acción, ni por inacción permitir que nadie la realice, que resulte perjudicial para la humanidad, aun cuando ello entre en conflicto con las otras leyes. Ley 1: Un robot no puede dañar a un ser humano ni, por inacción, permitir que éste sea dañado. Ley 2: Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos excepto cuando estas órdenes entren en conflicto con las leyes anteriores. Ley 3: Un robot debe proteger su propia existencia hasta donde esta protección no entre en conflicto con las leyes anteriores.

Los primeros robots industriales modernos fue denominados “Unimates” y desarrollados a finales de la década de los 50´s y principios de los 60´s por George Devol y Joe Engelberger. En base a desarrollos posteriores Engelberger es considerado como el padre de la robótica. A finales de la década de los 70´s y principios de los 80´s el desarrollo de los robots industriales tuvo un rápido desarrollo debido principalmente a grandes inversiones desarrolladas por la industria automotriz.


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A continuación se presenta una tabla resumen de los hechos mas relevantes en la historia de la robótica.

Tabla Resumen Histórico FECHA DESARROLLOS mid-1700s J. de Vaucason construyó varias muñecas mecánicas de tamaño humano que tocaban música. 1801 J. Jacquard invento el telar Jacquard, una maquina programable para tejer e hilar o estampar en ropa 1805 H. Maillardet construyo una muñeca mecánica capaz de dibujar cuadros. 1946 Inventor americano G.C. Devol desarrolló un controlador que puede grabar magnéticamente señales

eléctricas y tocarlas de nuevo para operar una maquina mecánica, patentado en U.S. en 1952. 1951 Desarrollo en teleoperaciones (manipuladores por control remoto) para manejar materiales radioactivos.

Patentes U.S. publico a Goertz (1954) y a Bergsland (1958). 1952 Prototipo de maquina de control numérico demostrada en el MIT después de algunos años de desarrollo.

Parte del lenguaje de programación llamado APT( Automatically Programmed Tooling). Posteriormente desarrollada y lanzada en 1961.

1954 Inventor Britanico C.W. Kenward aplico por patentar el diseño del robot. Patente Británica publicada en 1957.

1954 G.C. Devol desarrollo diseño para “transferir artículos programados”. Patente U.S. publicada 1961. 1959 Primer robot comercial introducido por Planet Corporation. Fue controlado por schitches en limites. 1960 Primer “Unimate” robot introducido, basado en “transferir artículos programados” de Devol. Utilizó

principios de control numérico para el control del manipulador y fue un robot manejado hidráulicamente. 1961 Robot Unimate fue instalado en la compañía de motores Ford para servir en una maquina de fundición. 1966 Trallfa, una empresa Noruega, construyo e instalo un robot que pinta. 1968 Un robot móvil llamado “ Shakey” desarrollado en SRI (Stanford Research Institute). Fue equipado con

una variedad de sensores, incluyendo una cámara y sensores de tacto, y se puede mover sobre el piso. 1971 El “Stanford Arm”, un pequeño brazo robótico alimentado eléctricamente, desarrolado en la universidad

de Stanford. 1973 El primer robot tipo computadora con lenguaje de programación, desarrolada en SRI para investigación

llamada WAVE. Siguió para el lenguaje AL en 1974. Los dos lenguajes fueron posteriormente desarrollado en un lenguaje comercial VAL para Unimation por Victor Scheinman y Bruce Sinamo.

1974 ASEA introdujo todo el control eléctrico del robot IRb6 1974 Kawasaki, bajo la licencia de Unimation instaló un soldador al arco para las ventanas de motocicletas. 1974

Cincinnati Milacron introdujo el robot 3T con control computacional. 1975 El Robot Olivetti “Sigma” se usó en operaciones de ensamblaje – una de las primeras operaciones de

ensamblaje de los robot. 1976 Remote Center Compílanse (RCC) dispositivos para partes de inserción en ensamblaje desarrollado en el

Laboratorio de Charles Stara Draper en U.S. 1978 PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) robot introducido por Unimation, basado en

diseños desde un estudio de la General Motors. 1978

Cincinnati Milacron adapto el robot 3T y lo programo para realizar perforaciones y operaciones de rutina en componentes de aviones, bajo el patrocino de Air Force ICAM (Integrated Computer-Aided Manufacturing) .

1979 Desarrollo del robot prototipo SCARA (Selective Compílanse Arm Robotic Assembly) en la Universidad de Yamanashi (en Japón) para tareas de ensamblaje. Algunos robot SCARA fueron introducidos en 1981.

1980 Sistema robótico Bin-picking mostrado en la Universidad de Rhode Island. Utilizando machine vision, el sistema era capaz de escoger partes en orientaciones aleatorias y colocarlas fuera de la caja.

1981 Un “Direct-drive-robot” desarrollado en la Universidad Carnegie-Mellon. Utilizaba motores eléctricos localizados en las articulaciones sin el usual mecanismo de trasmisión por encademaniento utilizado en la mayoría de los robots.

1982 IBM introduce el robot RS-1 para ensamblaje, basado en varios de los desarrollos internos. Es un robot en marco de caja, que utiliza brazo que consiste en tres lados ortogonales. El lenguaje del robot es AML, desarrollado por IBM, también introducido para programar el RS-1.

1983 Se pública informe de investigación en Westinghouse Corp. Bajo el patrocinio de a Fundación de Ciencia Nacional en “sistemas de ensamblaje programable y adaptable” (APAS), un proyecto piloto para utilizar robots de líneas de ensamblaje automatizado y flexible.

1984 Varios sistemas de off-line mostrado en Robot 8. Las operaciones típicas de estos sistemas permitían programas del robot para ser desarrollados utilizando gráficos intereactivos en un computador personal y luego eran descargados en el robot.


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En el mundo existen actualmente más de 750 mil robots!

Fuente: United Nations Economic Commission for Europe (UN/ECE)

El índice de compensación del trabajo aumento en de un 100 a un 137, lo que implica que los precios relativos han caído de 100 en 1990 a 31 en 1999.

Fuente: United Nations Economic Commission for Europe (UN/ECE)


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LOS ROBOTS Y EL TRABAJO Los robots permiten mejorar la calidad de vida de las personas al reemplazarlas en la realización de tareas repetitivas. Algunas personas piensan que los robots quitan trabajo a los humanos. Si bien es cierto que los robots reemplazan a humanos que realizaban el mismo trabajo, por cada robot que realiza una tarea peligrosa o repetitiva, nuevos puestos de trabajo son creados para diseñar, construir, programar y mantener dicho robot. APLICACIONES DE LOS ROBOTS Dentro de las aplicaciones se puede observar los siguientes usos de los robots:

A. Robots Industriales. B. Robots de Servicio. C. Robots de Exploración. D. Otras aplicaciones.

A. ROBOTS INDUSTRIALES. Los robots industriales se utilizan para realizar trabajos repetitivos, pesados o peligrosos. En el mundo existen más de 740.000 robots de este tipo, utilizados principalmente en la industria automovilística.


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B. ROBOTS DE SERVICIO. Los robots de servicio ayudan a los hombres a realizar distintos tipos de labores. Se estima que en el mundo existen más de 6000 de estas unidades, de los cuales 50% son robots domésticos, el 14% son robots submarinos, el 12% son robots médicos, el 6% son robots de limpieza y el 23% restante corresponde a otro tipo de robots.

• Robots Médicos • Robots Domésticos • Robots de Ayuda a Discapacitados • Robots de Limpieza. • Robots de Vigilancia.

Robots Médicos Robots Domésticos Robots de Ayuda a

Discapacitados

Robots de Limpieza

Robots de Limpieza

Robots de Vigilancia


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C. ROBOTS DE EXPLORACIÓN Permiten explorar lugares inaccesibles para el hombre como por ejemplo otros planetas (ej. Marte), el fondo del mar (ej. Titanic) o la antártica.

• Robots Submarinos

• Robots Espaciales

• Robots Antárticos


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D. OTROS ROBOTS

• Robots para Desactivar Minas • Robot abastecedor de Gasolina

• Robots para fumigar • Robot limpia aviones

• Robots de juego • Robot limpia cañerías

• Robots entrega correspondencia • Robots levanta muros de construcción


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TIPOS DE ROBOT POR SU ESTRUCTURA MECÁNICA. La clasificación de los robots se puede ver por su estructura. Las configuraciones más comunes son:

1. Cartesiano. 2. Cilíndrico. 3. Esférico (Polar)

4. SCARA 5. Articulado 6. Paralelo.

Diagrama Cinemática Espacio de trabajo Ejemplo


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ESTRUCTURA INTERNA DE UN ROBOT Un robot está formado por:

1. Sistema de control (sistema nervioso) 2. Sensores 3. Efectores y actuadores 4. Sistema de locomoción/manipulación

1. SISTEMA DE CONTROL (SISTEMA NERVIOSO) La función de este sistema es controlar las acciones que ejecuta el robot de tal forma que pueda cumplir con la tarea que le ha sido asignada y tomando en consideración la información del medio ambiente.

Este sistema de control corresponde a una suerte de sistema nervioso del robot, el cual puede variar en complejidad, de igual forma como varía la complejidad del sistema nervioso de los diferentes animales (humano v/s insecto). Las acciones a desarrollar por un robot son gatilladas por la información que éste capta del medio ambiente, pero considerando el estado interno (mental) del mismo y la tarea a realizar.

Robot

Tarea MedioAmbiente

Robot

Tarea MedioAmbiente

Percepción

Modelación

Planificación

Ejecución de la Tarea

Control de los Actuadores

Sensores

Actuadores

Percepción

Modelación

Planificación

Ejecución de la Tarea

Control de los Actuadores

Sensores

Actuadores


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Las diferentes estrategias de control que pueden ser utilizadas se dividen en: - Control Reactivo (no piense, reaccione) - Control Deliberativo (piense intensamente, luego actúe) - Control Híbrido (Piense y actúe independientemente, en paralelo) - Control basado en la conducta (Piense en la forma en que actúa) Control Reactivo

- Conjunto de reglas estímulo/respuesta (sensar/actuar) - Inherentemente concurrente (paralelo) - No hay memoria - Muy rápido y reactivo - Incapaz de planificar y aprender

Control Deliberativo

- Basado en el modelo clásico sensar->planificar->actuar - Inherentemente secuencial - Planificar requiere búsqueda, la cual es lenta - Buscar requiere poseer internamente un modelo del mundo - El modelo del mundo muchas veces queda obsoleto (el mundo cambia!) - Normalmente la búsqueda y la planificación requieren mucho tiempo

Control Híbrido

- Combina los dos esquemas anteriores y es llamado frecuentemente sistemas de 3 capas: a) es reactivo en su capa inferior; b) es deliberativo en su capa superior y c) posee una tercera capa que conecta las 2 anteriores

- Las capas deben operar en forma concurrente - Existen diferentes tipos de representaciones y escalas de tiempo en las diferentes

capas Control basado en la conducta

- Alternativa a los sistemas híbridos pero sin capa intermedia - También posee la habilidad de actuar en forma reactiva y deliberativa - Utiliza una representación y una escala de tiempo única en todo el sistema, esto

permite la existencia de conductas concurrentes

La forma en que el sistema de control es construido da lugar a dos grandes familias de robots, robots clásicos y robots BEAM (Biology Electronics Aesthetics Mechanics). Los robots clásicos están construidos en base a componentes digitales, microprocesadores que procesan información en base a programas, y memorias que almacenan la información y los programas. Este tipo de componentes implementan un sistema nervioso similar al sistema nervioso central de los humanos. Los robots BEAM están construidos en base a componentes analógicos, los cuales implementan en hardware (su estructura) la funcionalidad que necesitan. Este tipo de componentes implementan un sistema nervioso similar al sistema nervioso de los insectos.


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2. SENSORES Los sensores son dispositivos físicos que miden cantidades físicas. El objetivo de los sensores es permitir que los robots puedan recibir y percibir información desde el mundo que los rodea. Su función es similar a la de nuestros sentidos. El tipo de sensores a utilizar dependerá de la de propiedad física que necesita ser sensada:

PROPIEDAD FÍSICA TECNOLOGÍA Contacto Switch, sensor de contacto Distancia Ultrasonido, radar, infrarrojo Luz Diodo Infrarrojo, Fotoresistencia Nivel de Luz/ Imagen Cámaras Sonido Micrófono Olor Química Temperatura Termal, infrarrojo Inclinación Inclinómetro, giroscopio Altitud Altímetro … …

El rango de complejidad de los sensores varía dependiendo de la cantidad de información que estos entregan:

- Un switch es un sensor simple de tipo on/off - Una cámara de video entrega una gran cantidad de información (ej. 512x512 pixeles)

Los sensores no proveen directamente la información que uno necesita (símbolos) sino que señales. Generalmente estas señales deben ser procesadas (ej. digitalizadas, filtradas) para poder obtener información que el robot pueda entender. Los sensores de los robots pueden ser manejados de forma activa o pasiva. De esta forma un sensor de temperatura es generalmente un sensor de tipo pasivo, es decir, solo capta información del medio ambiente. Por otra parte una cámara de video puede ser activa si posee la capacidad para moverse y “activamente” buscar objetos en su medio ambiente (ej. nuestros ojos). El tipo de percepción que puede tener un robot puede ser dividida en:

- Propiopercepción: Sensa estados internos (ej. tensión de los músculos, posición de un motor)

- Exteropercepción: Sensa estados externos (ej. visión, audición)


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3. EFECTORES Y ACTUADORES Un efector corresponde a cualquier dispositivo que afecte o modifique al medio ambiente. Ejemplos de efectores robóticos son piernas, ruedas, brazos, dedos y pinzas. Un efector robótico esta siempre bajo el control del robot. Un actuador corresponde a cualquier mecanismo que permita al efector ejecutar una acción. Ejemplos de actuadores robóticos son motores eléctricos (servomotores, de paso, de corriente continua, etc.), cilindros neumáticos y cilindros hidraúlicos. 4. SISTEMA DE LOCOMOCIÓN/MANIPULACIÓN Los robots pueden tener un sistema de: a) locomoción y/o de b) manipulación. El sistema de locomoción permite que el robot se mueva. El sistema de manipulación permite que el robot pueda mover o alcanzar objetos que estén cerca de él. En base a estas características los robots se dividen en robots móviles y manipuladores robóticos.

robot móvil

manipulador robótico

a) Locomoción

Los tipos de efectores que pueden ser utilizados son:

- Piernas/patas (para caminar, gatear, trepar, saltar, rebotar) - Ruedas (para rodar) - Brazos (para trepar, gatear, colgar) - Aletas (para nadar)

A pesar de que la mayor parte de los animales utiliza piernas para desplazarse, la locomoción en base a piernas es mucho más complicada que la en base a ruedas. Esto principalmente debido a problemas de estabilidad. Existen dos tipos de estabilidad: estática y dinámica. La estabilidad estática implica que el robot puede estar parado sin caerse. La estabilidad dinámica implica que el


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robot puede desplazarse sin caerse. Poseer estabilidad dinámica no quiere decir que se posea estabilidad estática (ej. saltar en un pie, equilibrar una escoba invertida en la palma de la mano). A modo de ejemplo los seres humanos no poseemos estabilidad estática. Nosotros podemos estar de pie porque poseemos un control activo de nuestro balance, logrado por la acción de músculos, nervios y tendones. Este control es aprendido y es la razón de que los bebes no puedan estar de pie. Para que un robot posea estabilidad estática su centro de gravedad debe estar dentro de su polígono de soporte. El polígono de soporte es la proyección de sus puntos de soporte en la superficie sobre la que se encuentra. En un robot de 2 piernas el polígono de soporte es una línea y por lo tanto no estable. En un robot de 3 piernas, con las piernas organizadas en forma de trípode y con el cuerpo sobre las mismas, el polígono de soporte es estable. Normalmente mientras más piernas posea un robot más estable será. La mayor parte de los robots posee 6 piernas (hexápodos) tal como los insectos. El controlar la caminata de un robot es una tarea complicada, dado que se deben enviar las ordenes a los actuadores que controlan el movimiento de éstas. Desde el punto de vista de gasto de energía es más eficiente el utilizar ruedas para desplazarse. Esto dado que al desplazarse utilizando piernas siempre se debe levantar parte del cuerpo del robot para mover una pierna. Por otra parte al utilizar piernas se posee la capacidad de caminar por diferentes tipos de terrenos (este es le motivo por el cual los animales poseen piernas y no ruedas).

robot con ruedas

robot con piernas En el ámbito de la locomoción las posibles tareas a realizar son:

- llegar a una posición determinada - seguir una trayectoria determinada (más complicado)


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b) Manipulación

El objetivo de un manipulador robótico es mover parte de su cuerpo de tal forma que uno de sus efectores (ej. mano, dedo, pinza) alcance una posición y una orientación dada en el espacio. Esto con el objetivo de tomar o tocar algún objeto. Los manipuladores robóticos más comunes son los brazos robóticos. Las uniones permiten conectar partes de los manipuladores. A modo de ejemplo en el caso humano tenemos la muñeca, el codo, la rodilla, etc. Los tipos de uniones más comunes son:

- rotacional (rotación alrededor de un eje fijo) - prismática (movimiento lineal)

La manipulación robótica es una tarea bastante complicada, dado que para alcanzar un objeto dado en el espacio, el robot debe poseer mecanismos de control de las uniones que permiten mover la parte del manipulador que alcanzará dicho objeto, respetando las leyes físicas de la cinemática y la .dinámica. En el contexto de la robótica se entiende por cinemática a la correspondencia que debe existir entre el movimiento del actuador y el movimiento resultante del efector. Para controlar un manipulador debemos conocer su cinemática (que está conectado con que, cuantas uniones existen, los DOF de cada unión, etc.). Este conocimiento se formaliza utilizando ecuaciones, que generalmente relacionan ángulos de una unión con movimientos traslacionales (x,y,z) del efector. La dinámica tiene que ver con la leyes que rigen los movimiento del manipulador (ej. la velocidad y la aceleración de algún efector). Generalmente en las tareas de manipulación no solamente se necesita alcanzar un objeto, sino que también tomarlo (grasping). La tarea de tomar un objeto introduce una dificultad adicional dado que se debe controlar la fuerza que se aplica al tomar el objeto, de tal forma de no romperlo. A modo de ejemplo el tomar un huevo o una ampolleta sin romperlos es una tarea difícil para un robot.

CINEMÁTICA, CINÉTICA Y DINÁMICA. La cinemática (kinematics) estudia los movimientos aislados desde las fuerzas y toques asociados con el movimiento linear y angular respectivamente. Además de las derivadas del movimiento con respecto al tiempo, es decir, velocidad y aceleración, incluso derivadas de orden superior están todas combinadas en la cinemática. En pocas palabras la cinemática en robótica puede ser interpretada como los objetos de movimiento mecánico de todo tipo. Por otro lado la cinética (kinetic) involucra fuerzas, torques, energía, momentos de inercia, masa, equilibrio, estabilidad, etc. Y la cinemática y cinética están juntas combinadas dentro de la dinámica (dynamic).


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GRADOS DE LIBERTAD (DOF) Y GRADO DE MOVILIDAD (DOM) Un concepto clave en robótica es el de grado de libertad (DOF – degree of freedom). Grado de libertad significa la capacidad de moverse a los largo de un eje o de rotar a lo largo de un eje. En general un cuerpo libre en el espacio tiene 6 DOF, tres de traslación (x,y,z) y tres de orientación/rotación (roll, pitch and yaw).


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Figura 1. Representa 6 grados de libertad en el movimiento espacial donde 3 corresponden a traslación (T1, T2, T3) y 3 corresponden a rotación (R1,R2,R3). Un automóvil posee 3 DOF, 2 de posición (x,y) y uno de orientación (theta). De estos 3 DOF solamente los de posición pueden ser controlados (por este motivo estacionarse es complicado). El brazo humano posee 7 DOF (3 en la espalda, 1 en el codo y 3 en la muñeca), todos los cuales pueden ser controlados. A esto debemos sumar los DOF de la mano. Dado que para tomar alcanzar cualquier objeto en el espacio se necesitan solo 6 DOF, para un ser humano existe más de una forma de alcanzar un objeto dado. La complejidad de las acciones que pueda realizar un robot dependerá de los DOF que posea. Mientras más DOF posea un robot, más complejas serán las tareas que pueda realizar. Lamentablemente más complejo será también el control de estas acciones. No todos los DOF que posea un robot pueden ser controlados (recordemos ejemplo automóvil). Por cada DOF que pueda ser controlado deberá existir al menos un actuador.

y

z

x

R2

R3

R1

T2

T3

T1

y

z

x

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R1

T2

T3

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VOLUMEN DE TRABAJO ( WORK VOLUME) Es work volume corresponde al espacio en el cual el robot puede manipular su muñeca, esta es la convención que se adopta para evitar complicaciones de tamaños diferentes de los efectores que pueden ser colocados en la muñeca del robot ya que el efector es un adicional al robot básico. El work space se determina por las siguientes características físicas del robot: 1. Configuración física del robot 2. Tamaño de las componentes del cuerpo, brazo y muñeca. 3. Limites de las articulaciones del robot. PRECISIÓN Y REPETIBILIDAD. Precisión (acurracy) es la capacidad del robot para moverse a una posición comandada a una velocidad especificada en su área de trabajo establecida. La precisión corresponde a una medida de error es decir que esta definida como la diferencia entre el valor medido y el valor comandado. En cambio repetibilidad (repeatability) es una medida de la velocidad de posición en una serie de intentos para posicionar el manipulador en una posición fija.

Pobre PrecisiónPobre Repetibilidad

Pobre PrecisiónBuena Repetibilidad

Buena PrecisiónPobre Repetibilidad

Buena PrecisiónBuena Repetibilidad









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