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ROBÓTICA

INTRODUCCION

Antecedentes Como antecedentes a lo que es actualmente la robótica existían manipuladores mecánicos con control manual remoto, utilizados para varias cosas como manipular materiales radioactivos, en submarinos oceanográficos, naves espaciales tripuladas... El hecho de requerir un operador humano que manejase estas máquinas hace que estos sistemas no puedan considerarse como robots. El estudio de este tipo de mecanismos mejoraron la mecánica estática y dinámica y los avances informáticos paralelos. Se empezaron a hacer avances en el M.I.T. y en Stanford principalmente. Los países que más han contribuido a la Robótica son : EEUU, Japón, URSS, Gran Bretaña y Alemania Occidental. La Robótica es una tecnología multidisplicinar que engloba: -

Automática. Mecánica. Electrónica. Informática Economía y Sociología.

Aspecto Económico Anteriormente, los robots eran demasiado grandes y costosos, además había que asociarles computadoras también muy caras. La aparición de Microprocesador abarató bastante los precios. Página 1 de 28


Los sistemas financieros son muy reacios a aceptar nuevas tecnologías como la robótica, ya que no la ven como una utilidad inmediata. CLASIFICACIÓN DE LA ROBÓTICA DESDE EL PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL

La diferencia fundamental de un robot y una máquina/herramienta autómata estriba en que esta última está especializada en su trabajo, mientras que el robot es más versátil y pude utilizarse como parte fundamental de una línea de producción flexible. Tipos de Robots: -

-

Robots Inteligentes: son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales controlados por computadores capaces de relacionarse con su entorno o a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real. Concepto de “Inteligencia Artificial”. Robots con control por Computador: similares a los anteriores pero carecen de la capacidad de relacionarse con el entorno que les rodea. Robots de Aprendizaje: se limitan a repetir una secuencia de movimientos realizada con la intervención de un operador y luego lo memorizan todo. También se denominan Robots de Macro. Robots Manipuladores: son sistemas mecánicos multifuncionales cuyo sencillo sistema de control permite gobernar el movimiento de sus elementos de las formas siguientes: - Manual: el operador lo controla directamente. - De Secuencia Variable: es posible alterar algunas de las características de los ciclos de trabajo. Nota: los manipuladores son considerados robots en Japón, pero no en Europa y EEUU, sólo algunos de secuencia variable.

CLASIFICACIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL CONTROL DE SUS MOVIMIENTOS Tipos de Robots: -

Sin Servocontrol: el programa que controla el movimiento de los diferentes componentes del robot se realiza en un posicionamiento punto a punto en el espacio.

-

Con Servocontrol: este tipo de control permite dos formas de trabajo diferentes: -

Gobierno de los movimientos de los elementos del robot en función de sus ejes. Los desplazamientos pueden realizarse punto a punto o con trayectoria continua.

-

Los movimientos se establecen en función de la posición respecto a los ejes de coordenadas (x,y,z) y de la orientación de la mano o herramienta del robot.

Nota: Servocontroles son sistemas realimentados que comparan la entrada con la salida

OBJETIVOS DE LA ROBÓTICA INDUSTRIAL A. Aumento de la Productividad. B. Mejora de la Calidad. Las causas que ocasionan la mejora de la productividad se resumen en las siguientes: Página 2 de 28


1. Aumento de la velocidad: se debe a la repetición automática de los movimientos del robot con optimización de la velocidad. 2. Elevado tiempo en funcionamiento sin fallos. 3. Mantenimiento reducido. 4. Optimización sustancial del empleo del equipo o máquina que maneja el robot. 5. Acoplamiento ideal para producciones de series cortas y medias. 6. Rápida amortización de la inversión. PROBLEMÁTICA DEL ESTUDIO DE LA ROBÓTICA INDUSTRIAL El primer problema que nos encontramos es la conjunción de diversas tecnologías dentro del robot, siendo muy difícil coordinar todas las funciones técnicas y mecánicas. El problema básico que se quiere resolver se puede plantear como: La capacidad de colocar una herramienta en una determinada posición y orientación en el espacio. Dado que esa herramienta se encuentra al final de una serie de elementos del robot, su posicionamiento se realizará moviendo dichos elementos. En este caso se tratará de un problema Cinemático. Este problema se resolverá a través del cálculo matricial para resolver ecuaciones y cambios rotacionales y posicionales. Por otra parte será necesario aplicar fuerzas y momentos en los accionamientos para mover el mecanismo hasta la posición deseada. Este es el campo de interés de la Dinámica. Intervendría la fuerza añadida por el motor El control de todo esto se haría a través de una computadora o microprocesador. Nota: Momento de inercia: resistencia que un cuerpo en rotación opone al cambio de su velocidad de giro Otros puntos a tener en cuenta en la problemática de la robótica serían: - La programación con sus distintos lenguajes - Sensores: diferenciación de los robots inteligentes de los “tontos” - Procesamiento de imágenes, Inteligencia Artificial... - ... ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS ROBOTS CARACTERÍSTICAS: -

Grados de Libertad: es el número de parámetros que es preciso conocer para determinar la posición del robot, es decir, los movimientos básicos independientes que posicionan a los elementos del robot en el espacio. En los robots industriales se consideran 6º de libertad: tres de ellos para definir la posición en el espacio y los otros tres para orientar la herramienta.

-

Precisión: en la continua repetición del posicionamiento de la mano de sujeción de un robot industrial se establece un mínimo de precisión aceptable de 0,3mm, aunque es factible alcanzar precisiones de 0,05mm.

-

Capacidad de carga: es el peso en Kilogramos (generalmente) que el robot puede manipular. Si son pesos muy elevados se utilizarán mecanismos hidráulicos.

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-

-

Sistemas de coordenadas para los movimientos del robot: son los movimientos y posiciones que se pueden especificar en coordenadas cartesianas, cilíndricas y polares. -

Cartesianas: x,y,z.

-

Cilíndricas: isométrico, caballera...

-

Polares:

d 

Programación: puede ser manual, de aprendizaje (directa o mediante maqueta), punto a punto y contínua. Aprendizaje directo: se introduce la programación directamente. Maqueta: aprende de los movimientos realizados por un operario. (comportamiento tipo “macro”)

Aprend

Contínua: se pueden incluir funciones, por ejemplo la función de la elipse para un recorrido que sea elíptico. Punto a Punto: Se colocan en una tabla todas las coordenadas punto a punto por las que va a pasar el robot. Manual: se maneja el robot directamente, eligiendo las funciones. Se pueden pasar parámetros. No se puede reprogramar. ESTRUCTURA Configuración básica de un Robot: se divide en tres partes esenciales atendiendo a la clasificación entre manipuladores y robots: Manipulador: constituye la parte mecánica del robot y está formado por los siguientes componentes: -

Varios elementos relacionados entre si mediante uniones que permiten su movimiento rotativo. En principio, consideramos estos elementos rígidos con pocos grados de libertad, ya que hablamos de Robótica Industrial. A estas uniones se les llama pares cinemáticos y se permiten dos movimientos: Rotación: alrededor de un eje (par de rotación) Traslación: par prismático

La notación es

para el par de rotación y

para el par de traslación.

-

Dispositivos de agarre y sujeción: conocidos como manos y que poseen la capacidad de sujetar, orientar y operar sobre las piezas manipuladas.

-

Sistemas Motores: estos sistemas proporcionan una energía mecánica que se transmite directamente o a través de elementos auxiliares como engranajes, correas dentadas... Página 4 de 28


Control: sirve para manejar los motores, se verá posteriormente. Sistemas Sensitivos: son aquellos que permiten la interacción del robot con el entorno. Pueden ser de dos tipos: De contacto directo -> de fuerza Remotos: de visión y de sonido Un ejemplo seria el robot que reconoce un objeto ópticamente y utiliza el contacto para manipularlo. También se puede guiar por el sonido. También hay que decir que dentro de un robot existen dos tipos de sensores: Internos: no dotan al robot de inteligencia pero sirven para controlar los mecanismos internos del robot. Externos: dotan al robot de cierta “inteligencia” ya que interactuan con el entorno. MOTORES Motor: es un sistema basado en las leyes del electromagnetismo básicas, convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Además es un sistema reversible. Generador: es una máquina que basada en las leyes del electromagnetismo básicas sirve para convertir la energía mecánica en eléctrica. Destaca en especial la utilización de los motores de Corriente Contínua por su elevada relación par/velocidad que los hacen más apropiados en muchas aplicaciones, por otra parte también destaca la sencillez de control y su fácil adaptación a los circuitos electrónicos basados en microprocesadores. Una función de los motores de Corriente Contínua eléctricos es la siguiente: Si alimentamos el motor, éste toma una muestra de la señal de entrada, al ser un sistema realimentado al final hace una comparación con la señal de entrada y la que le llega después. Com

* La realimentación determinará la Reali posición en la que se encuentra el Por su bajo costo y la supresión de la realimentaciónmotor en la determinación de la posición del eje, los motores en ese Paso a Paso son muy interesantes. momento.

M

SECCIÓN DE UN MOTOR ELÉCTRICO Estat

Cuen

bobi lami

El eje o rotor tiene

Láminas para evitar las

Roto Esco

Escobillas:

hacen Página 5 de 28


PRINCIPIOS GENERALES DEL ELECTROMAGNETISMO Se ha comprobado experimentalmente que un conductor recorrido por una corriente eléctrica y colocado en un campo magnético, está sometido a la acción de una fuerza de tipo electromagnética. Se genera un campo magnético: Esto es

_

+

Principio del Motor:

Vamos a tomar un elemento diferencial de conductor de una longitud dl sometido a la acción de un campo magnético B que es recorrido por una intensidad I y que forma un ángulo  con la dirección de campo. La fuerza electromagnética presenta una dirección perpendicular al plano de la figura desplazando al conductor en un sentido opuesto al observado. En el caso de que el eje del conductor sea perpendicular al campo magnético la expresión quedaría:

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

B

F=B.I.l

F= B.I.l.sen

Fuerz

Según va rodando la

Máxim

Los estatores no tienen

N Rotor

Entreh

S estato

El inducido en el que se distribuye un bobinado de Z conductores, alojados en ranuras practicadas en un paquete de chapas magnéticas, se sitúa sobre un cuerpo rotor o eje dispuesto sobre cojinetes que permiten su fácil rotación. Los Z conductores del bobinado del inducido se encuentran bajo la influencia del campo inductor producidos por los polos norte y sur repartidos regularmente en el interior de la carcasa del motor. colecto

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Los conductores del inducido colocados axialmente en el interior de las ranuras presenta una dirección perpendicular al flujo del entrehierro (lo más pequeño posible teniendo en cuenta la ventilación del motor). El sistema constructivo del motor con sus dispositivos de portaescobillas y escobillas repartidas sobre la superficie del colector, determina que, con independencia de la posición del inducido sobre su giro, las corrientes absorbidas de la red de alimentación, circulen en una dirección en los conductores situados bajo un polo inductor N (norte) y en una dirección bajo un inductor S (SUR)

N

S

Este hecho da lugar a la aparición de un par motor que hace girar el motor. PAR MOTOR Los pares motores son unas fuerzas paralelas sobre un dispositivo rígido que gira creando un momento.

F = fuerza R = radio del motor Z = número de conductores = constante L = constante T = Par del Motor K = Suma e las constantes S = área total sobre la que K distribuye el flujo magnético T = K. .I

T = F.R.Z F=B.I.l.sen =90º sen=1

T=Z. B.I.l. B = /S KR= Z+l+R S= cte -> k = Z+I+R+S

TENSIONES GENERALES En todo conductor que se mueve a través de un campo magnético se genera una tensión. Si existe un flujo magnético de valor constante y uniforme  (se mide en webers) y en su interior se mueve un conductor, se genera entre los extremos A y B una tensión de tal forma que cuanto más aumenta la velocidad más aumentará la Fuerza Electromotriz (FEM) entre A y B.

N

v

 A

B

Bobina perpendicular

al

S

R Página 7 de 28


Cuando la velocidad es constante la aceleración es nula.  = cte v = uniforme a=0 t = tiempo en seg. Que tarda en recorrer el campo. Tensión generada = cte =  / t La superficie será 2 por Pi por

Si el flujo de  no varía: Pequeña fuerza Electromotriz = = d / dt Cuando L, v y B son perpendiculares podemos aplicar las dos fórmulas anteriores: = d / dt y Tensión generada = / t Teniendo en cuenta que no es el número total de conductores el que contribuye a la tensión interna, sino que hay en cada uno de los circuitos en dervación (Z/Za), se obtiene que:

B=/ Pp =

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

v= 2.

L = longitud de la bobina

=

= 2p .  . Cuantos más polos, más

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

Por tanto la tensión interna generada es igual al producto del flujo total () por el número de conductores de cada circuito en paralelo del inducido y por el número total de revoluciones por segundo de la máquina. Teniendo en cuenta que en cada máquina 2p . Z / Za es un valor constante que llamaremos K’ = K’.  . n Sin tener en cuenta lo anterior:

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d = B . L . dl = d /dt = (B . L . dl) / dt . dv

= B.l. v

FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ

Al conectar la máquina en la red de alimentación se desarrolla un par que determina el ciclo del motor. La existencia de un campo inductor portando a Z conductores alojados en las ranuras del rotor que gira a una cierta velocidad, genera fuerzas electromotrices en estos conductores. Se cumple siempre que la tensión interna generada en el bobinado del inducido es opuesta a la tensión aplicada en bornes del motor, por eso se llama Fuerza Contraelectromotriz, porque va en sentido contrario al motor.

conduc

N

S

I

Se crea un flujo magnético perpendicular al conductor, lo que significa que interactúa con el estator, esto

TIPOS DE MOTORES SEGÚN SU EXCITACIÓN Hay dos tipos de motores, en serie o en paralelo (Shunt) MOTORES SERIE En este tipo de motores, el bobinado de excitación (bobinado del estator) se conecta en serie con el bobinado del inducido. Los motores en serie tienen varios usos: - Tracción eléctrica: conseguir arrastrar cosas... - Trenes de laminación: para laminar con rodillos... - Grúas Puente: se usan en naves para trasladar cosas... - Cintas transportadoras... - ... Estos motores se utilizan por su dureza y durabilidad en sus servicios. Características de funcionamiento Las expresaremos con un gráfico:

R

T

I = Intensidad absorbida por la línea. T = Par

n

I

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Sentido de Giro: En un motor serie, la inversión de su sentido de giro se puede conseguir invirtiendo la dirección de la corriente en el bobinado inductor o en el inducido. Para cambiar el sentido de giro sólo tenemos que cambiar la polaridad del motor, saldrá o entrará del bobinado. Fuerza Contraelectromotriz e Intensidad Absorbida LA tensión interna generada, nula en el arranque, aumenta gradualmente de valor, hasta alcanzar un límite impuesto por la corriente necesaria para establecer un par motor igual al resistente solicitado por la máquina accionada. Resistente solicitado -> lo que solicita la máquina que usa el motor.

I = (V –

Resiste

Tensión aplicada

Fuerza

En el arranque, el valor de E es nulo y la Intensidad de arranque puede ser muy elevada, de allí que sea necesario colocar resistencias intercaladas entre la línea y los bornes del motor. El caso anterior hace que la intensidad sea muy alta, por lo cual sumaremos una resistencia R’ suplementaria para estabilizar el motor. Cuando conseguimos una fuerza contraelectromotriz, quitamos R’. Estas resistencias suelen estar temporizadas por relés. I = V / (R + R’) Velocidad I = (V – E) / R (K’. ) = (V – I . R) / (K’ . )

n=E/

E = K’.  . n – I . R) / (K’ . )

n = (V

Para un flujo magnético y eléctrico constantes, la velocidad dependerá de la tensión aplicada en los bornes. MOTORES SHUNT Los motores en derivación, conocidos como motores Shunt, se caracterizan porque el bobinado de excitación se encuentra en paralelo con el bobinado del inducido. +

INDU

-

* Se suele Página 10 de 28


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

Plena Carga: toda la energía es absorbida por la carga. PAR r.p.

PAR VELO I

Esta clase de motores se usan para ventiladores industriales, bombas centrífugas y máquinas herramienta. Métodos para el control de velocidad en los motores Shunt -

Control del campo inducido: cuanto mayor es el campo más disminuye la velocidad. Control de la tensión del inducido: cuanta más tensión caiga en la bobina del motor Shunt, más velocidad adquirirá este. Control de combinación: es una combinación de los dos métodos anteriores. Control del inducido mediante resistencias: intercalar una resistencia para disminuir la velocidad del motor, ya que la tensión en los bornes disminuye.

Regulación de la velocidad del motor mediante el campo inducido Un decremento de la Intensidad de excitación manteniendo constante la tensión V, provoca una disminución del flujo y conlleva un aumento de la velocidad n.

I I

+

INDU

-

REOS

El reostato es una resistenci

MOTORES COMPOUND También se llaman motores de excitación compuesta. Se distinguen por disponer de un bobinado inductor en serie cuyas fuerzas electromotrices se suman a las del bobinado inductor Shunt.

+

Bobi

INDU

-

Bobin Página 11 de 28


Estos motores se aplican en trenes de laminación, grúas puente, palas excavadoras, cintas transportadoras, etc... PAR r.p.

PAR VELO I

Para cambiar el sentido de giro se realiza por el cambio de sentido de la corriente del inducido o del inductor indistintamente. SISTEMAS DE CONTROL SISTEMA DE LAZO ABIERTO La salida no influye en la entrada, es decir, la salida no tiene efecto sobre la acción de control.

FU NCI Que mueva el

ACCIO NADOR Potenciómetro s, reostatos.

M OT Motor

SALIDA Salida Mecáni

SISTEMAS DE LAZO CERRADO En este tipo de sistemas la salida tiene un efecto directo sobre la señal de control. FU NCI

ACCIO NADOR

M SALI CAR OT

ELEMEN TO DE

Se recoge una muestra de la salida eléctrica, el elemento de realimentación la recoge y la lleva a un elemento todavía más complicado que compara la muestra con lo que quiere, después modifica el accionador según los resultados. Podríamos desear una velocidad determinada para el motor sin saber su carga, por lo que deberá recoger la velocidad a la que va el motor y tomar las medidas pertinentes para luego usar los accionadores. Si por ejemplo quitáramos la carga del motor, el motor se realimentará y se modificará a través de los accionadores. CONTROL DE MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA

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Teniendo en cuenta que la velocidad de un motor de Corriente Continua es directamente proporcional a la tensión aplicada en los bornes e inversamente proporcional al flujo, se intentará controlar la velocidad (n) modificando estos dos factores en la fórmula n = (V – I . R) / (K .  ). La mayoría de los controladores de velocidad de tipo industrial requieren un par constante para distintas velocidades. Se consigue manteniendo el flujo  constante y la tensión V variable.

Por otra parte, algunas aplicaciones requieren regulación de velocidad manteniendo constante la Potencia. Habría que mantener el Par y la Potencia constantes, el producto V . I se deberá mantener constante, el flujo  sería variable. Esto se conseguiría variando la excitación del campo de un motor de tipo Shunt que es el que permite variar el flujo . MOTORES PASO A PASO Son sencillos y económicos con respecto a los servomotores CCC con realimentación. El problema de estos motores es que tienen una potencia limitada (1CV). El motor Paso a Paso es un elemento capaz de transformar pulsos eléctricos en movimientos mecánicos. El eje del motor gira un determinado ángulo por cada impulso de entrada, con lo que el movimiento es muy preciso y fiable. El motor Paso a Paso puede girar en los dos sentidos, y el ángulo de giro puede variar entre 0,72º 500 pasos / 1 vuelta y 90º, 4 pasos / 1 vuelta.

Principios de funcionamiento

1

2

S N

S

N

S

S S

N

3

COS N N

S

S

N

N

4

N S

N

N

N

N

N S

S N

S

S

N

CO N N CU ATR S ON POL S OS

S

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Se modifican los polos para provocar el giro. El motor Paso a Paso perfecto sería el que tuviera polos infinitos, así se obtendrían giros de 0 grados. Para permitir una mejor resolución por paso, se añaden más polos al estator; además en dichos polos se mecanizan.

N S

N

S

Tipos de motores Paso a Paso -

De imán permanente: en lugar de electroimanes tienen imanes permanentes. De reductancia variable: se crea un campo magnético variable con reductancias variables. Híbridos: es una mezcla de los dos anteriores.

Características principales de los motores Paso a Paso Además del giro, también hay otras características. El momento depende de cuatro factores: -

Velocidad de Paso: el tiempo que tarda en recorrer el arco de giro. Los impulsos deben estar sincronizados con la velocidad de paso para no perder tiempo. Corriente del devanado: la corriente que atraviesa las bobinas del motor paso a paso. Si el motor se queda quieto después de girar, la corriente usada para el nuevo impulso será muy elevada. Diseño del controlador

EL ROBOT Y SU ENTORNO ELEMENTOS TERMINALES Y SENSORES -

Elementos terminales(manos): hay de dos tipos: - Dispositivos aprensores o manos mecánicas. - Herramientas de trabajo.

La forma de aprensión de las manos mecánicas da lugar a la siguiente clasificación: a) Manos de sujeción por presión. b) Manos de sujeción por enganche. c) Manos de sujeción por acción auxiliar. (Electroimán, Ventosa, adhesivos vacíos...) d) Manos dotadas de sensores (un ejemplo sería un robot para apretar tornillos que debe calcular la fuerza al enroscar). e) Manos de diseño específico. -

Sensores utilizados en la robótica: - De posición y proximidad: que pueden ser internos o externos. - De velocidad y aceleración. Página 14 de 28


Fuerzas y pares (para el apreta-tornillos...). Dimensiones y entornos de objetos Sensores de Temperatura, Presión...

-

Sensores Optoeléctricos -

LED (Ligth Emitting Diode): emisor

-

Fotodiodos: dispositivos receptores que permiten la circulación de corriente según la luz que le incide.

-

Fototransistores: es un receptor que tiene la base al aire libre y se excita por la acción de los fotones.

Aplicaciones: Si se interpone un objeto ante el haz del emisor, se detectará debido a

recep

emis

Rueda

E

R

Octacoplador

E R

Sensores Electromecánicos -

Presductores: es un sensor de presión. Se suele poner en robots que deben calibrar su fuerza. Se suelen crear en mallas que, según la presión y la posición, un codificador determinará las variables, que en este caso serían digitales. Hay otros que cuantifican la presión. Punt o de

Galgas Extensiométricas: sirven para medir la fuerza que se aplica sobre un material flexible. Hilo de

Mide la

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Sensores de proximidad -

Inductivos: para ferromagnéticos. Capacitivos. Triangulación: es una mezcla de la trigonometría y de los sistemas optoeléctricos, así podremos medir la proximidad. Se usan haces reflectantes o refractantes.

Sensores Eléctricos Suelen usarse para conocer el estado de motores de corriente contínua. Sensores Electromecánicos -

Dinamos tacométricas: generan una tensión proporcional a la velocidad del eje al que se aplican Resolver: se emplean en los sensores internos del brazo del robot. Se emplean para la medida de la posición del eje de un motor. Transductores de Vibración: se suelen emplear acelerómetros (sensores), sensores de velocidad, etc. Determinan la vibración que hay en el punto que queremos medir. Interruptores: por ejemplo, para que una mano tenga tacto, se usan “membranas Myler”; al igual que cualquier cosa de la que se quiera medir la presión. Otro tipo son los interruptores secos, que creo que son los de presión. “Matriz de interruptores”: con este tipo de interruptor calculamos la posición del contacto. Decodif icado Decodif icado

-

Punt o de

Sensores de efecto Hall: sólo perciben corriente cuando no es perpendicular. Son dispositivos que generan un voltaje cuando un campo magnético los cruza perpendicularmente, son semiconductores, de estado sólido (como un transistor)

Sensores ultrasónicos. Se emplean bastante en la industria, usados para limpieza de conductores... Se utilizan por varias razones: -

Tienen una frecuencia elevada (por encima de frecuencias de 15000 Hz). Por su bajo costo.

v 

v v’ < v

reflexi ón Refracció n, Haz refra

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La velocidad con que las ondas ultrasónicas atraviesan a los materiales, depende de su elasticidad y de su densidad. Si el medio es un gas también influye considerablemente la Temperatura. Cuando las ondas ultrasónicas que circulan por un medio chocan con otro diferente, una parte de ellas se reflejan hacia su origen. Teniendo en cuenta la velocidad de propagación y el tiempo que transcurre hasta el regreso de la onda al emisor(a la fuente que genera la señal), se puede calcular fácilmente la distancia entre el foco de ultrasonidos y el objeto reflector, así como el espesor de los materiales. Va a atravesar el objeto hasta que no pueda atravesarlo más, entonces vuelve el haz. Sistema con rayo láser Es otro tipo de sensor con un funcionamiento similar que el ultrasónico. Aunque tiene más ventajas: -

Es puro, es monofásico, no es una mezcla de distintas frecuencias como el ultrasónico (lo que le pasaba es que se le abría el haz). Aquí se mantiene la frecuencia.

láse r

Luz nor mal

Se utiliza para telemetría así por su precisión. También tiene reflexión y refracción. SÍNTESIS DE VOZ Este es una clase de mecanismo de los que hacen que el robot se comunique con su entorno. Hay que muestrear a intervalos muy pequeños, con lo cual es demasiada información, necesita mucha memoria y es un problema. El enorme problema de almacenamiento de datos y procesado en tiempo real se ha simplificado notablemente por el desarrollo de la técnica de síntesis de voz. El problema es que hay que muestrear: T = 1 / f = 1 / 40000 . nºbits El ancho de la frecuencia es 20Hz – 20Hz, pero al muestrearse el doble de la señal serán 40000 Hz. digitalme

Codi

Entrad

Etapa Etapa Etapa

Almace

Deco

Previo Cinta magné Output / 1 2

CAD

3

Anális

tica Gran memo ria Media memo ria

Salida Página 17 de 28

CDA Síntesi


En la etapa 1 y 2, la forma de onda de voz se almacena en código digital, lo que exige una gran cantidad de memoria. La 3 y 4 requieren menos memoria porque se elimina información repetitiva y sólo seleccionan y guardan las características esenciales de los sonidos vocales. Un modelo de síntesis de voz instrumental es el MEA 8000 Diagrama de lo dicho anteriormente:

Contr ol

Según el tipo de Son sólo puntos señal se de señal Forman Imp tono el Amplific ulso Sonid Es el que Filtr sintetiza o Ruid Con voz / Por no dejar Ampli vacía la señal a

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La combinación de una señal periódica que representa el tono “pitch” de la voz original y de otra no periódica que representa el sonido sin voz, alimenta a través de un amplificador de control la amplitud a un filtro variable con 4 resonadores. Resonador: modifica el sonido de acuerdo con el formato de voz original. Cada resonador se controla mediante dos parámetros, uno pone la frecuencia de resonancia y otro para el ancho de banda. Lo que va a hacer es la campana de Gauss. Un circuito resonante es un circuito que obedece a una frecuencia central que es fc. O la frecuencia de resonancia Anc ho

Campana

fc

La información necesaria para controlar al modelo cuenta de tono, amplitud y señal con voz/sin voz como fuente de excitación(esto en el cuerpo humano serían las cuerdas vocales) así como un filtro para la formación del espectro. Mediante una actualización periódica de la información del filtro se obtiene una buena reproducción de voz original, como que pese a eso se usa un método LPC (Codificación Lineal Proyectiva o Predectiva, no lo sé). VISION MAQUINA. GENERALIDADES Los sistemas de visión artificial son caros e imprecisos, son para dos dimensiones y aplicables a una tarea específica. Futuro: -

Nuevas estrategias en IA(Inteligencia Artificial).

-

Componentes microelectrónicos mejores y más rápidos.

-

Tamaño de la información (mejor tratamiento de las imágenes).

FACTORES Un sistema de visión ideal a de optimizar los siguientes factores: -

COSTO: usar materiales semiconductores para minimizar el costo.

-

FLEXIBILIDAD: debe buscarse varias aplicaciones, por ejemplo un sistema óptico que tenga varias distancias focales. Implica a las características intrínsecas del Sistema de Visión, también implica mejor Inteligencia Artificial.

-

PRECISIÓN: se debe tener la mejor precisión o “resolución” para que el Sistema de Visión se pueda aplicar, por ejemplo, a objetos de distintos tamaños. Página 19 de 28


-

VELOCIDAD: nos interesa que el Sistema de Visión trate las imágenes en tiempo real. Esto depende de las características de procesamiento, por lo que actualmente se da una cantidad de procesamiento muy elevada.

Los algoritmos más comunes simplifican extraordinariamente la imagen, transformándola en “binaria” (objetos negros sobre fondo blanco o viceversa). Además operan con un número reducido de objetos y sin superponerse. Bajo estas limitaciones es posible procesar 6 imágenes por segundo y obtener una información básica del elemento: posición, orientación, perímetro, centro de gravedad, radio máximo... Las fases fundamentales del proceso de información visual son: 1)

PERCEPCIÓN: a través de un captador propio capaz de detectar el brillo del objeto y almacenar esa imagen.

2)

REPROCESO DE LA INFORMACIÓN: simplificar la escena de la imagen.

3)

SEGMENTACIÓN: “romper” una escena en varios objetos, o sea, distinguir los objetos.

4)

RECONOCIMIENTO: Basado en algoritmos y patrones y un sistema de Inteligencia Artificial reconoce contornos dentro del medio comparando patrones.

5)

INTERPRETACIÓN: un ejemplo sería que la máquina tiene que interpretar que lo que ve es un huevo y lo debe coger con cudadín.

PERCEPCIÓN VISUAL Los sensores utilizados para la adquisición de la información de una imagen son numerosos: -

Cámaras de TV de estado Sólido: son prácticamente las más usadas en robótica.

-

Cámaras de TV Vidicom: funcionan en niveles de luminosidad muy bajos. Son muy caros.

-

Conjuntos lineales de dispositivos de acoplo de carga (CCD): Hoy por hoy son los más utilizados. El CCD es un dispositivo capacitivo cuya carga es directamente proporcional a la luminosidad que recibe. Un CCD necesita mucha más luminosidad que una cámara de estado sólido.

CCD

(por

Estado

Sólido

Los elementos CCD lineales consisten en una serie longitudinal de células CCD cada una de las cuales proporciona un voltaje proporcional a la información recibida. Estas señales se almacenan en un registro de desplazamiento para su posterior procesamiento.

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Pixel: unidad elemental de información visual que proporciona cada elemento fotosensible. La exploración CCD depende del algoritmo que se use, pero normalmente se hace fila a fila. La captación es instantánea, pero el almacenamiento necesita de un procesamiento. Actualmente se está estudiando que la célula a la vez que recoge la información, procese el almacenamiento. LA CÁMARA Es preciso disponer de una descripción o modelo de cámara que sirva de base para su calibración automática al comienzo de una tarea específica, con objeto de minimizar los errores de medición. Un sencillo modelo basado en una cámara de caja con un orificio minúsculo o puntual, permite obtener la transformación de perspectiva inversa que en visión monocular determina las coordenadas de un punto en el plano de trabajo conociéndolos en el plano de la imagen. En visión estereoscópica, además de lo anterior, determina la distancia objeto / cámara. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Problemas de los lenguajes de programación en robótica: -

Hay tantos lenguajes como máquinas, no existe un estándar que los unifique.

-

No son óptimos, ya que no son capaces de adaptarse al entorno. Sería necesario que incluyeran cierta Inteligencia Artificial.

-

Dependen totalmente del hardware en el que están instalados, ya que no hay un estándar para todas las máquinas.

TÉCNICAS GENERALES DE PROGRAMACIÓN EN ROBÓTICA Programación explícita del Sistema: el operador es el responsable de las acciones de control y de las instrucciones adecuadas que las implementa. Es el que más se utiliza. Modelación del mundo exterior: se basa en cierta dosis de inteligencia. Basándose en una amplia descripción de la tarea y del entorno, es el propio sistema el que lleva a cabo la toma de ciertas decisiones. En esta técnica existen dos subdivisiones: A) Programación Gestual: la programación gestual o directa, muy extendida en robótica industrial, funciona de la siguiente manera: el operador guía el brazo directamente a través del camino que ha de seguir en su trabajo de aplicación. Posteriormente, el sistema repetirá ese camino cíclicamente. B) Programación Textual: la programación textual consiste en la concepción de un programa de instrucciones o sentencias con las que las acciones del brazo a manipular se definen y regulan. Existen varios niveles en la programación de un robot: -

Nivel 1>> Nivel de control del elemento motriz o accionador que gobierna el movimiento de cada articulación del brazo. Página 21 de 28


-

Nivel 2>> Nivel de control del elemento final de trabajo, es decir, la garra, pinza o herramienta.

-

Nivel 3>> Nivel de objeto sobre el que el sistema opera.

-

Nivel 4>> Nivel de la tarea que el robot realiza.

CLASIFICACION DE LA PROGRAMACIÓN EN ROBÓTICA

Aprendizaje directo GEST UAL PROGRA MACIÓN

Movimi Articu Explícita entos lados (movimie elemen nto) Modelo Orientado a Objetos

PROGRAMACIÓN GESTUAL O DIRECTA En este tipo de programación, el propio brazo manipulador, interviene en el trazado del camino y en las acciones a desarrollar en la tarea de la aplicación, se conoce como programación online. Para este tipo de programación se pueden utilizar dos técnicas ya mencionadas anteriormente: -

Mediante aprendizaje directo. Mediante dispositivos de enseñanza: como pueden ser un teclado, jostick, botones, teclas, luces que hagan de señales...)

El software se organiza aquí en forma de intérprete, de tal forma que no se necesita saber programar. La programación gestual o directa puede incluye las siguientes funciones: -

Selección de velocidad Generación de retardos Señalización del estado de los sensores, tanto internos como externos. Borrado y modificación de los puntos de trabajo. Funciones especiales

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PROGRAMACIÓN TEXTUAL El programa queda constituido por un texto de instrucciones o sentencias cuya concepción no requiere de la intervención del robot (se efectúa offline). Es más exacto para operaciones industriales. En la programación textual, la posibilidad de reedición es completa, por lo que se puede variar el código a nuestro antojo según las necesidades que se planteen. En la codificación pueden usarse condiciones, bases de datos ... Dentro de la programación textual existen dos grandes grupos de características netamente diferentes: 1) Programación Textual Explícita 2) Programación textual Especificativa. PROGRAMACION TEXTUAL EXPLÍCITA El programa consta de una serie de órdenes que van definiendo con rigor las operaciones necesarias para llevar a cabo la aplicación. El programador debe tener en cuenta todos los supuestos. Hay dos niveles: -

Nivel de Movimiento elemental: comprende los lenguajes dirigidos a controlar los movimientos del brazo manipulador, existen dos tipos: -

Articular: cuando el lenguaje se dirige al control de los movimientos de las diversas articulaciones del brazo.

-

Cartesianas: cuando el lenguaje define los movimientos relacionados con el sistema de manufactura, es decir, los del punto final de trabajo (TCP). Cada fabricante tiene su propio sistema de coordenadas. Un robot que tiene unas coordenadas cartesianas determinadas puede ser, en teoría, fácilmente transportable a otro sistema cambiando simplemente el punto de referencia.

Los lenguajes de tipo Cartesiano utilizan transformaciones homogéneas, lo que confiere portabilidad al programa, independizando a la programación del model particular del robot puesto que un programa confeccionado para uno en coordenadas cartesianas, puede usarse en otro con distintas coordenadas. Por el contrario, los lenguajes de tipo articular, indican los incrementos angulares de las articulaciones (ofrecen el ángulo de giro, cuanto se extiende el brazo...) Aunque esta acción es bastante sencilla para los motores Paso a Paso y de Corriente Continua realimentados, al no tener una referencia general de la posición de las articulaciones con relación al entorno es difícil relacionar al sistema con piezas móviles, obstáculos, etc. Los lenguajes correspondientes al nivel de movimiento elementales aventajan principalmente a los de punto a punto en la posibilidad de realizar bifurcaciones simples y saltos a subrutinas así como de tratar informaciones sensoriales. -

Nivel Estructural: el nivel estructurado intenta introducir relaciones entre el objeto y el sistema del robot, para lo que los lenguajes se desarrollan sobre una estructura formal.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL ESPECIFICATICA Se trata de una programación de tipo no-procesal en la que el usuario describe las especificaciones de los productos mediante una modelalización al igual que las tareas que hay que realizar sobre ellos. Página 23 de 28


El sistema informático para la programación textual especificativa a de disponer de un modelo del Universo (el objeto y su entorno y las relaciones con otros objetos de ese entorno) o mundo donde se encuentra el robot. Este modelo será normalmente una Base de datos más o menos compleja y requerirá de una computación potente. El trabajo de la programación consistirá en la realización de las tareas a realizar, lo que supone llevar a cabo trabajos complicados En la actualidad, los modelos del Universo son de tipo Geométrico y Físico. Dentro de la programación textual especificativa hay dos clases diferenciadas según si la orientación del modelo se refiere a los objetos o a los objetivos: -

Si el modelo se orienta al nivel de los objetos, el lenguaje trabaja con ellos y establece las relaciones entre ellos. La programación se realiza Offline y la conexión CAM es posible (Computing Arded Manufacturing).

-

Cuando el modelo se orienta a los objetivos, se define el producto final.

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ANEXO 1 - MOTORES PASO A PASO

¿Qué es un motor paso a paso? Como todo motor, es en esencia un conversor electromecánico, que transforma la energía eléctrica en mecánica; pero de un modo tan peculiar que constituye en la actualidad una categoría aparte. En efecto, mientras que un motor convencional gira libremente al aplicar una tensión comprendida dentro de ciertos límites (que se corresponden de un lado al par mínimo capaz de vencer su propia inercia mecánica, y de otro a sus propias limitaciones de potencia); el motor paso a paso está concebido de tal manera que gira un determinado ángulo proporcional a la "codificación" de tensiones aplicadas a sus entradas (4, 6, etc.). La posibilidad de controlar en todo momento esta codificación permite realizar desplazamientos angulares lo suficientemente precisos, dependiendo el ángulo de paso (o resolución angular) del tipo de motor (puede ser tan pequeño como 1,80º hasta unos 15º). De este modo, si por ejemplo el número de grados por paso es de 1,80º, para completar una vuelta serán necesarios 200 pasos. De la misma manera que se puede posicionar el eje del motor, es posible controlar la velocidad del mismo, la cual será función directa de la frecuencia de variación de las codificaciones en las entradas. De ello se deduce que el motor paso a paso presenta una precisión y repetitividad que lo habilita para trabajar en sistemas abiertos sin realimentación. Motores paso a paso con rotor de imán permanente En lo que se refiere a la esencia de su funcionamiento, un motor paso a paso clásicamente siempre se ha comparado a un motor síncrono: un campo magnético rotativo, controlado aquí por un dispositivo electrónico, pone en funcionamiento al rotor, que es un imán permanente En este tipo de motores, como en todos, cabe destacar dos partes principales (rotor y estator); como se puede ver en la figura 4, estos motores pueden constar de dos o más estatores, oportunamente bobinados. En todo instante, el campo magnético producido por una de las fases en particular dependerá de la intensidad de corriente de esa fase. Si la intensidad es cero, el campo magnético también será nulo. Si la intensidad es máxima, el campo magnético tendrá una fuerza máxima. Por otro lado, dado que el rotor es un imán permanente, si se permite el giro de éste dentro de un campo magnético, acabará por orientarse hasta la total alineación con el campo. De otro lado, si el campo magnético giratorio es intenso, se origina un par, capaz de accionar una determinada carga.

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Dependiendo del tipo de bobinas que se encuentran devanadas simétricamente sobre los estatores (y, por tanto, del modo de crear el campo giratorio) se pueden clasificar estos tipos de motores en:  paso a paso bipolares.  paso a paso unipolares. Motores paso a paso bipolares En el esquema de la figura 4 aparece uno de estos motores con dos estatores, sobre cada uno de los cuales se ha devanado una bobina (1 y U), las cuales se encuentran conectadas directamente a unos conmutadores de control que, como se verá más adelante, podrán ser sustituidos por las líneas de entrada y salida de nuestro ordenador debidamente programadas. Como las bobinas se encuentran distribuidas simétricamente en torno al estator, el campo magnético creado dependerá en magnitud de la intensidad de corriente por cada fase, y en polaridad magnética, del sentido de la corriente que circule por cada bobina. De este modo el estator adquiere la magnetización correspondiente, orientándose el rotor según ella (fig. 4a). Si el interruptor 1.1 se conmuta a su segunda posición (fig. 4b), se invierte el sentido de la corriente que circula por T y por tanto la polaridad magnética, volviéndose a reorientar el rotor (el campo ha sufrido una rotación de 90º en sentido antihorario, haciendo girar el rotor 90º en ese mismo sentido). Con esto se llega a la conclusión de que para dar una vuelta completa serían necesarios cuatro pasos de 90º cada uno (el ciclo completo se puede seguir en la figura 4a,b,c,d). Ahora bien, este tipo de motores también puede funcionar de un modo menos "ortodoxo", pero que nos va a permitir doblar el número de pasos, si bien a costa de la regularidad del par. Esto se consigue de la siguiente manera: en principio, al igual que en el anterior fondo de funcionamiento, por los devanados T y U se hace circular una corriente, de tal modo que el estator adquiere la magnetización correspondiente y por lo tanto el rotor se orienta según ella. Ahora bien, al contrario que en el caso anterior, antes de conmutar el interruptor I.1 a su segunda posición, se desconectará el devanado T, reorientándose por consiguiente el rotor, pero la mitad de un paso (45º). Motores paso a paso unipolares Los motores paso a paso unipolares, en cuanto a construcción son muy similares a los anteriormente descritos excepto en el devanado de su estator (fig. 5). En efecto, cada bobina del estator se encuentra dividida en dos mediante una derivación central conectada a un terminal de alimentación. De este modo, el sentido de la corriente que circula a través de la bobina y por consiguiente la polaridad magnética del estator viene determinada por el terminal al que se conecta la otra línea de la alimentación, a través de un dispositivo de conmutación. Por consiguiente las medias bobinas de conmutación hacen que se inviertan los polos magnéticos del estator, en la forma apropiada. Nótese que en vez de invertir la polaridad de la corriente como se hacía en los M.P.P. bipolares se conmuta la bobina por donde circula dicha corriente. Al igual que los M.P.P. bipolares, es posible tener resoluciones de giro correspondientes a un semipaso. Ahora bien, dado que las características constructivas de estos motores unipolares son idénticas a las de los bipolares, se puede deducir que los devanados tanto en uno como otro caso ocuparán el mismo espacio, y por tanto es evidente que por cada fase tendremos Página 26 de 28


menos vueltas o bien el hilo de cobre será de una sección menor. En cualquiera de los dos casos se deduce la disminución de la relación de amperios/vuelta. Por tanto, a igualdad de tamaño los motores bipolares ofrecen un mayor par. Hasta aquí se ha venido describiendo el funcionamiento de los M.P.P. con dos estatores, si bien es posible aumentar el número de éstos para mejorar la resolución angular. ANEXO 2 - Sensores Los robots tienen muy pocos sensores en comparación a un ser vivo Es costoso montar muchos sensores en un robot No hay buenos modelos computacionales para hacer uso de muchos sensores Sensores de Luz Visible Fotoceldas, fotodiodos, fototransistores Utilizados para esconderse en la oscuridad, detectar metas, jugar con linternas... Sensores de Fuerza Microswitches: Lógica booleana. Presionado(0) o No-Presionado (1). Analógicos: resistencia variable, detecta la cantidad de fuerza aplicada Los sensores de fuerza a menudo son utilizados para detectar colisiones. Sensores Infrarrojo Sensibles a un rango de luz no visible Constan de un emisor y un detector infrarrojo Miden la cantidad de luz retornada. Sin embargo esta magnitud es usada con frecuencia como una medida de distancia Ventajas: Económico Problemas: Dependen del material y del color del objeto Dependen de la posición exacta del emisor y el receptor Funcionan sobre distancias muy pequeñas Sensores de Ultrasonido Un sonido (pulso) de alta frecuencia es emitido y el eco es recibido posteriormente. El “tiempo de vuelo” es usado para medir la distancia al objeto que reflejo el sonido. Angulo de 30º aproximadamente Ventajas: -

Amplio rango de distancias Página 27 de 28


Problemas: -

La velocidad del sonido depende de la temperatura del aire. El eco depende del material del objeto y el ángulo de incidencia. Ciego ante objetos muy próximos (pocos cm) y capaz de detectar “objetos fantasma”.

El comportamiento del sensor es mucho mas complicado que sus modelos matemáticos. Sensores Láser Espectro de luz de baja frecuencia Producen una imagen tridimensional de cuanto ha viajado la luz (profundidad) Ventajas: cantidad de datos; distancias de 50m, aproximadamente Problemas: Costoso y Pesado Ambiguo a grandes distancias Afectado por neblina, humo, lluvia Visión Cámaras CCD Arreglo de pixeles (512x512, por ejemplo) 30 imágenes por segundo 0.25Mb de información por imagen Números digitales indican la luminosidad de cada punto de la imagen Frame grabbers colocan el arreglo en RAM Rutinas de atención, búsqueda, seguimiento, detección, segmentación...

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