Robótica. TEMA 2: MORFOLOGIA del ROBOT. Parámetros del Robot Industrial Estructura mecánica. Actuadores Sensores internos Elementos terminales

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TEMA 2: MORFOLOGIA del ROBOT.

•Parámetros del Robot Industrial •Estructura mecánica •Transmisiones y reductores •Transmisiones y reductores •Actuadores •Sensores internos •Elementos terminales

n

IntroducciónIntroducción

o

Morfología del RobotMorfología del Robot

p

Modelado Modelado cinemáticocinemático de Robotsde Robots

q

Control de movimiento y planificaciónControl de movimiento y planificación

r

Programación de robotsProgramación de robots

s

Fundamento de FMS. Criterios de Fundamento de FMS. Criterios de implantación y aplicaciones

implantación y aplicaciones implantación y aplicaciones implantación y aplicaciones

t

Aplicaciones no industriales de la robóticaAplicaciones no industriales de la robótica

u

Introducción al los Introducción al los AGVsAGVs y Robótica móvily Robótica móvil

v

Sistemas de Sistemas de loscalizaciónloscalización en robótica: el filtro en robótica: el filtro de

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Contenidos

• Parámetros del Robot Industrial • Parámetros del Robot Industrial • Estructura mecánica

• Transmisiones y reductores • Actuadores

• Sensores internos • Elementos terminales

Morfología del robot Elementos del Robot

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Parámetros del Robot Industrial

GDL (Grados de libertad):

•cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior.

anterior.

•un cuerpo libre en el espacio puede moverse en 3 dirs indepts y rotar en esas 3 mismas direcciones por tanto tiene 6GDL

Espacio o volumen de trabajo) Es el alcance de la pinza del robot. El volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma en cuenta el actuador final.

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Morfología del robot

•Capacidad de carga.

•El peso, en kilogramos, que puede transportar el manipulador.

•En modelos de robots industriales, la capacidad deEn modelos de robots industriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 300 kg. y 0.9Kg.

•Es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot, según la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es común precisar capacidades de carga superiores a los 50kg. •Velocidad.

•Se suele dar en articulares y en cartesianas.

A d l ió /d t d l

6

•A menudo aceleración/des. consume gran parte del tiempo de ciclo (no solo importante peak speed).

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•Repetibilidad.

•Grado de exactitud en la repetición de un movimiento. Se mide en el error máximo cometido en el posicionamiento de un robot en un mismo punto.

posicionamiento de un robot en un mismo punto. •Precisión.

•Capacidad de un robot de situar el extremo de su muñeca en un punto determinado del espacio de trabajo. Se mide el error máximo cometido.

•Normalmente hay más precisión cerca de la base, tanto por razones geométricas como mecánicas.

•La carga afecta a la precisión.

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Morfología del robot Estructura Mecánica

Sistema electromecánico compuesto de:

Actuadores, Sensores y Sistema de Control

En un sistema mecánico distinguiremos:

Ó g

Órgano Terminal(End-Effector, pinza, garra…)

Brazoarticulado (eslabones + articulaciones) Vehículo (En R.Móvil, escasos en RI)

Sensores :

S.Internos: Se utilizan para el control de posición y velocidad de las distintas articulaciones del robot

S.Externos: se usan para el control de la célula de trabajo Se utilizan para coordinar la operación de los trabajo. Se utilizan para coordinar la operación de los robots con otros elementos de la célula y/o reaccionar inteligentemente a los cambios del entorno (e.g.: obstáculos, presencia de una pieza, etc.).

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Tipos de articulaciones para robots

Estructura Mecánica (III)

9

Configuración: combinación de articulaciones

Morfología del robot Estructura Mecánica (IV)

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Robots paralelos

Estructura Mecánica (V)

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Robots redundantes: GDL del robot > GDL del espacio de la tarea

Morfología del robot Estructura Mecánica (VII)

(7)

Estructura Mecánica

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• Justificación

– Reducción del momento de inercia (acercamiento de Morfología del robot

Transmisiones (I)

Reducción del momento de inercia (acercamiento de los actuadores a la base)

– Conversión lineal-circular y viceversa • Características necesarias

– Tamaño y peso reducido – Mínimos juegos u holguras – Gran rendimiento

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– No debe afectar al movimiento

– Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado

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Sistemas de transmisión para robots

Transmisiones (II)

Entrada-Salida Denominación Ventajasj Inconvenientes

Circular-Circular Engranaje Pares altos Holguras Correa dentada Distancia alta

Cadena Ruido

Paralelogramo Distancia alta Giro limitado

Cable Deformable

Circular-lineal Tornillo sin fin Poca holgura Rozamiento

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Cremallera Holgura media Rozamiento Lineal-Circular Paralel. Articulado Control dificil

Cremallera Holgura media Rozamiento

Transmisión por engranajes en el telemanipulador TELBOT Morfología del robot

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• Misión:

Adaptar par y velocidad de la salida del

Reductores (I)

Adaptar par y velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los eslabones del robot

• Específicos para robots (altas prestaciones) • Características:

– Bajo peso, tamaño y rozamiento

– Capacidad de reducción elevada en un solo

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Capacidad de reducción elevada en un solo paso

– Mínimo momento de inercia – Mínimo juego o backslash – Alta rigidez torsional

Características de los reductores para robótica

Morfología del robot Reductores (II)

Características Valores típicos Características Valores típicos

Relación de reducción 50-300

Peso y tamaño 0.1-30Kg

Momento de Inercia 10-4_{Kg m}2

Velocidad de entrada máxima 6000 - 7000 rpm Par de salida nominal 5700 Nm

P d lid á i 7900 N

18

Par de salida máximo 7900 Nm

Juego –angular 0 - 2 “

Rigidez torsional 100 - 2000 Nm/rad

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Reductor Harmonic-Drive

Reductores (III)

VIDEO

Morfología del robot Reductores (IV)

Reductor CYCLO

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• Robots de accionamiento eléctrico sin reductores (Direct Drive)

Robots de accionamiento directo )

• Ventajas:

– Posicionamiento rápido y preciso

– Mayor controlabilidad (aunque más compleja) – Simplificación del sistema mecánico

• Desventajas:

– Necesidad de motores especiales (par elevado a

b j l i lt i id )

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bajas revoluciones con alta rigidez)

– Reducción de la resolución del codificador de posición • Típicos en robots SCARA

• Tipos empleados en robótica:

Neumáticos (cilindros y motores)

Morfología del robot Actuadores (I)

– Neumáticos (cilindros y motores) – Hidráulicos (cilindros y motores)

– Eléctricos (DC , AC y Motores paso a paso)

• Características: – Potencia – Controlabilidad – Peso y volumen Robotica Industrial-Morfología 22 – Precisión – Velocidad – Mantenimiento – Coste

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Características de los actuadores para robots

Actuadores (II)

Neumático Hidráulico Eléctricos Energíag Aire a presiónp Aceite mineral AC,DC

(5-10 bar) (50-100 bar) , Opciones Cilindros Motor de paletas Motor de pistón Cilindros Motor de Paletas M. de pistones axial Motores DC Motores AC Paso a paso Ventajas Baratos Rápidos Sencillos Robustos Rápidos Alta rel. Pot./peso Autolubricados Fuerzas/pares altos Estabilidad estática Precisos Fiables Control sencillo Instalación sencilla Silenciosos Robotica Industrial-Morfología 23

Estabilidad estática Silenciosos

Desventajas Control complejo Instalación especial Ruidoso Mantenimiento complejo Instalación especial Fugas frecuentes Caros Potencia limitada Motores eléctricos

Morfología del robot Actuadores(III)

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Sensores Internos (I)

Robotica Industrial-Morfología

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Morfología del robot Sensores Articulares

• Posición

– Indican en que posición se encuentra un elemento del robot. – Potenciómetro: es una resistencia al que se le puede variar el

valor de su R en función de un ángulo o desplazamiento valor de su R en función de un ángulo o desplazamiento

• Se utilizan para determinar desplazamientos lineares o angulares • Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisión, etc.) • No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots

educacionales, ejes de poca importancia) • Se usan combinados.

– Encoders(Codificadores angulares de posición)

• A partir de un desplazamiento angular o lineal proporcionan una señal digital, que sirve para obtener una medida absoluta o incremental del desplazamiento

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• Basados en principios ópticos (los hay magnéticos y eléctricos)

Encoder Incremental (I)

magnéticos y eléctricos)

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• Para diferenciar el sentido de giro se

disponen dos franjas de marcas (A y B) desplazadas de forma que los trenes de

Morfología del robot Encoder Incremental (II)

p q

pulsos generados estén desfasados 90º en sentido positivo

• Existe una marca de cero (pulso C) para

contar vueltas

• Existen encoders lineales (reglas ópticas) • Consideraciones:

– + Gran precisión (hasta 200.000 pulsos por vuelta)p ( p p ) – - Pierden la posición al cortar la alimentación

(incrementales)

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• Proporcionan una salida digital codificada

correspondiente a la posición absoluta del

l t ó il

Encoder Absoluto

elemento móvil

• La codificación (binaria) se consigue a través

de la disposición adecuada de zonas distintas a las que se le asigna un valor binario

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• Se basan en propiedades ópticas (como los

encoders incrementales)

• Es necesario que exista un buen alineamiento entre las franjas

Morfología del robot Encoder Absoluto (II)

j

+ No se pierde información con la caída de tensión

+ inmunidad ante interferencias

+ No es necesario punto de referencia

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+ Buena información a grandes velocidades + Resolución 6 a 16 bits

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• La resolución es fija y viene dada por el número de anillos del disco graduado (típicamente desde 256 a 524.288 posiciones)

Encoder Absoluto (III)

posiciones)

• Para evitar errores se utiliza el Código Gray (entre posiciones consecutivas sólo cambia un bit)

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El Código Gray

Morfología del robot Encoder Absoluto (IV)

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Sensores Externos

• Visión: Identificación de superficies y objetos

por medio de cámaras digitales

• Fuerza y Contacto: Control de la fuerza de

agarre, alineaciones, inserciones, dinámica…

• Proximidad: evitar obstáculos, detección de

piezas

•

33 ….

Morfología del robot Sensores Externos

• Proximidad: usados para detectar la

presencia de objetos cercanos.

• Hay de muchos tipos: • Ultrasónicos • Magnéticos • Inductivos C iti 34 • Capacitivos • Ópticos • ….

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Sensores Externos • Scaneres

• Para medir grandes distancias, se mide el TOF (Time of Flight). • Para medir distancias menores, se mide el desplazamiento de

fase (luz modulada) fase (luz modulada).

• Son de una gran precisión.

• Funcionan mediante un barrido del emisor. El receptor recoge

los ecos de las distintas posiciones del barrido.

• Gran inconveniente: precio.

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Morfología del robot Sensores Externos • Scaneres

• Se usan mucho como sistema de seguridad • Actualmente las TOF Cameras

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Sensores Externos • Sensores de Fuerza

• Determina la fuerza con que el extremo del robot actua sobre un determinado objeto

• Se suelen poner en la muñeca y/o pinza

• Proporciona información sobre Fuerzas y Momentos (3, 1 por cada eje)

• Sensores piezorresistivos: varian su resistencia al sufrir un alargamiento (Galgas extensiométricas) • Sensores piezoeléctricos: cuando se le aplica una

fuerza, las cargas negativas del material se

37

g g

concentran en un lado, y las positivas en el lado opuesto generándose un voltaje que está relacionado linealmente con la fuerza aplicada

Morfología del robot Sensores Externos • Cámaras

• De perspectiva simple • Stereoscópicas • Omnidireccionales

• Con iluminación estructurada

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• Los robots no incluyen el efector final.

Elementos terminales (I)

• Tipos de elementos terminales o end

effectors:

– Elementos de aprehensión o sujeción – Herramientas: fresadora, soldadura,

inyección

39 inyección,…

Sistemas de sujeción para robots Tipos de sujeción Accionamiento Uso

Morfología del robot Elementos Terminales (II)

Pinza de presión Neumático o eléctrico Transporte y manipulación · desp. angular de piezas sobre las que no · desp. lineal importe presionar Pinza de enganche Neumático o eléctrico Piezas de grandes dimens.

o sobre las que no se puede ejercer presión

Ventosas de vacío Neumático Cuerpos con superficie lisa poco porosa (cristal, plástico, etc.) Electroimán Eléctrico Piezas ferromagnéticas.

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Herramientas terminales para robots

Tipo de herramienta Comentarios

Pinza soldadura por puntos Dos electrodos que se cierran Elementos terminales (III)

p p q

sobre la pieza a soldar

Soplete soldadura al arco Aportan el flujo de electrodo que se funde

Cucharón para colada Para trabajos de fundición Atornillador Suelen incluir la alimentación de

tornillos

Fresa-lija Para perfilar, eliminar rebabas,

pulir etc

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pulir, etc

Pistola de pintura Por pulverización de la pintura

Cañón láser Para corte de materiales, soldadura

o inspección.

Cañón de agua a presión Para corte de materiales.

Pistola de pintura neumática Morfología del robot Elementos Terminales (IV)

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Pinza de soldadura

Elementos Terminales (V)

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Morfología del robot Elementos Terminales (VI)

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Sensores internos Articulación 1

Arquitectura de control

Interfaz

de usuario GenéricaCPU Memoria Dispositivos de

almacenamiento

Servocontrolador

Articulación 1 Amplificadorde potencia

Servocontrolador

Articulación 2 Amplificadorde potencia Sensores internos Articulación 2 Accionamiento Articulación 1 Accionamiento Articulación 2 45 Comunicaciones Servocontrolador

Articulación n Amplificadorde potencia Sensores internos

Articulación n

Accionamiento Articulación n

Morfología del robot Armario de control

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Paleta o unidad de programación