Jonás Banda Marín

4º E. S. O.

María Auxiliadora

INTRODUCCION

Como antecedentes a lo que es actualmente la robótica existíanmanipuladores mecánicos con control manual remoto, utilizados paravarias cosas como manipular materiales radioactivos, en submarinosoceanográficos, naves espaciales tripuladas...

El hecho de requerir un operador humano que manejase estasmáquinas hace que estos sistemas no puedan considerarse comorobots.

El estudio de este tipo de mecanismos mejoraron la mecánicaestática y dinámica y los avances informáticos paralelos. Seempezaron a hacer avances en el M.I.T. y en Stanfordprincipalmente. 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.

Anteriormente, los robots eran demasiado grandes y costosos,además había que asociarles computadoras también muy caras. Laaparición de Microprocesador abarató bastante los precios.

Los sistemas financieros son muy reacios a aceptar nuevastecnologías como la robótica, ya que no la ven como una utilidadinmediata.

CLASIFICACIÓN DE LA ROBÓTICA DESDEEL PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL

La diferencia fundamental de un robot y unamáquina/herramienta autómata estriba en que esta última estáespecializada en su trabajo, mientras que el robot es más versátil ypude utilizarse como parte fundamental de una línea de producciónflexible.

Tipos de Robots:

- Robots Inteligentes: son manipuladores o sistemasmecánicos multifuncionales controlados por computadores capacesde relacionarse con su entorno o a través de sensores y tomardecisiones en tiempo real. Concepto de “Inteligencia Artificial”.

- Robots con control por Computador: similares a losanteriores pero carecen de la capacidad de relacionarse con elentorno que les rodea.

- Robots de Aprendizaje: se limitan a repetir una secuencia demovimientos realizada con la intervención de un operador y luegolo memorizan todo. También se denominan Robots de Macro.

- Robots Manipuladores: son sistemas mecánicosmultifuncionales cuyo sencillo sistema de control permite gobernarel movimiento de sus elementos de las formas siguientes:

- Manual: el operador lo controla directamente.

- De Secuencia Variable: es posible alterar algunas de lascaracterísticas de los ciclos de trabajo.

Los manipuladores son considerados robots en Japón, pero noen Europa y EEUU, sólo algunos de secuencia variable.

CLASIFICACIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA DELCONTROL DE SUS MOVIMIENTOS

Tipos de Robots:

- Sin Servocontrol: el programa que controla el movimiento delos diferentes componentes del robot se realiza en unposicionamiento punto a punto en el espacio.

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

- Gobierno de los movimientos de los elementos delrobot en función de sus ejes. Los desplazamientospueden realizarse punto a punto o con trayectoriacontinua.

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

Los servocontroles son sistemas realimentados que comparan laentrada 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 seresumen en las siguientes:

1. Aumento de la velocidad: se debe a la repeticiónautomática de los movimientos del robot con optimización dela velocidad.

2. Elevado tiempo en funcionamiento sin fallos.

3. Mantenimiento reducido.

4. Optimización sustancial del empleo del equipo o máquinaque maneja el robot.

5. Acoplamiento ideal para producciones de series cortas ymedias.

6. Rápida amortización de la inversión.

PROBLEMÁTICA DEL ESTUDIODE LA ROBÓTICA INDUSTRIAL

El primer problema que nos encontramos es la conjunción dediversas tecnologías dentro del robot, siendo muy difícil coordinartodas las funciones técnicas y mecánicas. El problema básico que sequiere resolver se puede plantear como:

La capacidad de colocar una herramienta en una determinadaposición y orientación en el espacio.

Dado que esa herramienta se encuentra al final de una serie deelementos del robot, su posicionamiento se realizará moviendo dichoselementos. En este caso se tratará de un problema Cinemático. Esteproblema se resolverá a través del cálculo matricial para resolverecuaciones y cambios rotacionales y posicionales.

Por otra parte será necesario aplicar fuerzas y momentos en losaccionamientos para mover el mecanismo hasta la posición deseada.Este es el campo de interés de la Dinámica. Intervendría la fuerzaañadida por el motor

El control de todo esto se haría a través de una computadora omicroprocesador.

* Momento de inercia: resistencia que un cuerpo en rotación opone alcambio de su velocidad de giro

Otros puntos a tener en cuenta en la problemática de la robóticaserían:

- La programación con sus distintos lenguajes- Sensores: diferenciación de los robots inteligentes de los

“tontos”- Procesamiento de imágenes, Inteligencia Artificial...- ...

ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICASGENERALES DE LOS ROBOTS

CARACTERÍSTICAS:

- Grados de Libertad: es el número de parámetros que es precisoconocer para determinar la posición del robot, es decir, losmovimientos básicos independientes que posicionan a loselementos del robot en el espacio. En los robots industriales seconsideran 6º de libertad: tres de ellos para definir la posición enel espacio y los otros tres para orientar la herramienta.

- Precisión: en la continua repetición del posicionamiento de lamano de sujeción de un robot industrial se establece un mínimo deprecisión aceptable de 0,3mm, aunque es factible alcanzarprecisiones de 0,05mm.

- Capacidad de carga: es el peso en Kilogramos (generalmente) queel robot puede manipular. Si son pesos muy elevados se utilizaránmecanismos hidráulicos.

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

- Cartesianas: x,y,z.

- Cilíndricas: isométrico, caballera...

- Polares:

- Programación: puede ser manual, de aprendizaje (directa omediante maqueta), punto a punto y contínua.

Aprendizaje directo: se introduce laprogramación directamente.Maqueta: aprende de los movimientosrealizados por un operario.(comportamiento tipo “macro”)

d

Aprendizaje

Contínua: se pueden incluir funciones, por ejemplo lafunción de la elipse para un recorrido que sea elíptico.

Punto a Punto: Se colocan en una tabla todas lascoordenadas punto a punto por las que va a pasar elrobot.

Manual: se maneja el robot directamente, eligiendo lasfunciones. Se pueden pasar parámetros. No se puedereprogramar.

ESTRUCTURA

Configuración básica de un Robot: se divide en tres partes esencialesatendiendo a la clasificación entre manipuladores y robots:

Manipulador: constituye la parte mecánica del robot y está formadopor los siguientes componentes:

- Varios elementos relacionados entre si mediante uniones quepermiten su movimiento rotativo. En principio, consideramosestos elementos rígidos con pocos grados de libertad, ya quehablamos de Robótica Industrial.

A estas uniones se les llama pares cinemáticos y se permitendos movimientos:

Rotación: alrededor de un eje (par de rotación)

Traslación: par prismático

La notación es para el par de rotación y parael par de traslación.

- Dispositivos de agarre y sujeción: conocidos como manos yque poseen la capacidad de sujetar, orientar y operar sobrelas piezas manipuladas.

R T

- Sistemas Motores: estos sistemas proporcionan una energíamecánica que se transmite directamente o a través deelementos auxiliares como engranajes, correas dentadas...

Control: sirve para manejar los motores, se verá posteriormente.

Sistemas Sensitivos: son aquellos que permiten la interacción delrobot 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 yutiliza el contacto para manipularlo. También se puede guiarpor el sonido.

También hay que decir que dentro de un robot existen dos tiposde sensores:

Internos: no dotan al robot de inteligencia pero sirven paracontrolar los mecanismos internos del robot.

Externos: dotan al robot de cierta “inteligencia” ya queinteractuan con el entorno.

MOTORESMotor: es un sistema basado en las leyes del electromagnetismobásicas, convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Ademáses un sistema reversible.

Generador: es una máquina que basada en las leyes delelectromagnetismo básicas sirve para convertir la energía mecánicaen eléctrica.

Destaca en especial la utilización de los motores de CorrienteContínua por su elevada relación par/velocidad que los hacen másapropiados en muchas aplicaciones, por otra parte también destaca lasencillez de control y su fácil adaptación a los circuitos electrónicosbasados en microprocesadores. Una función de los motores deCorriente Contínua eléctricos es la siguiente:

Si alimentamos el motor, éste toma una muestra de la señal de entrada, alser un sistema realimentado al final hace una comparación con la señal deentrada y la que le llega después.

Por su bajo coste y la supresión de la realimentación en ladeterminación de la posición del eje, los motores Paso a Paso sonmuy interesantes.

M

Realimentación

Comparación* La realimentación determinarála posición en la que seencuentra el motor en esemomento.

SECCIÓN DE UN MOTOR ELÉCTRICO

PRINCIPIOS GENERALES DEL ELECTROMAGNETISMO

Se ha comprobado experimentalmente que un conductorrecorrido por una corriente eléctrica y colocado en un campomagnético, está sometido a la acción de una fuerza de tipoelectromagnética. Se genera un campo magnético:

Principio del Motor:

Vamos a tomar un elemento diferencial de conductor de unalongitud 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.

+_

Esto es una manojaajajaja jo jo ji ji

Escobillas: hacen contactopero dejan rotar al motor.Alimentan las bobinas.

Cuencas

Rotor

Escobillas

Estatorbobinado

laminas

Láminas para evitarlas corrientes deFacault para que no secaliente

El eje o rotor tienecontacto con unpolo de cada bobina

La fuerza electromagnética presenta una direcciónperpendicular al plano de la figura desplazando al conductor en unsentido opuesto al observado. En el caso de que el eje del conductorsea perpendicular al campo magnético la expresión quedaría:

F=B.I.l

B

dl

I

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

F= B.I.l.sen

Fuerza nula Máxima fuerza

NS

Entrehierro

estator

Rotor

Según va rodando laescobilla, ésta vacambiando la polaridad

Los estatores notienen porque serimanes, puedenser electroimanes

El inducido en el que se distribuye un bobinado de Zconductores, alojados en ranuras practicadas en un paquete dechapas magnéticas, se sitúa sobre un cuerpo rotor o eje dispuestosobre cojinetes que permiten su fácil rotación. Los Z conductores delbobinado del inducido se encuentran bajo la influencia del campoinductor producidos por los polos norte y sur repartidos regularmenteen el interior de la carcasa del motor.

Los conductores del inducido colocados axialmente en el interiorde las ranuras presenta una dirección perpendicular al flujo delentrehierro (lo más pequeño posible teniendo en cuenta la ventilacióndel motor).

El sistema constructivo del motor con sus dispositivos deportaescobillas y escobillas repartidas sobre la superficie del colector,determina que, con independencia de la posición del inducido sobresu giro, las corrientes absorbidas de la red de alimentación, circulenen una dirección en los conductores situados bajo un polo inductorN (norte) y en una dirección bajo un inductor S (SUR)

Este hecho da lugar a la aparición de un par motor que hacegirar el motor.

N S

colector

PAR MOTOR

Los pares motores son unas fuerzas paralelas sobre undispositivo rígido que gira creando un momento.

T = F.R.Z

F=B.I.l.sen

=90º sen=1

B

K

S

T

m

meae

F = fuerza

= /S

= Z+l+R

= cte -> k = Z+I+R+S

ENSIONES GENERALES

En todo conductor que se mueve a través de un campoagnético se genera una tensión.

Si existe un flujo magnético de valor constante y uniforme (seide en webers) y en su interior se mueve un conductor, se genera

ntre los extremos A y B una tensión de tal forma que cuanto másumenta la velocidad más aumentará la Fuerza Electromotriz (FEM)ntre A y B.

Cuando la velocidad es constante la aceleración es nula.

R = radio del motorZ = número de conductores = constanteL = constanteT = Par del MotorK = Suma e las constantesS = área total sobre la que K distribuye el flujomagnético

T = K. .I

T=Z.B.I.l.R

N S

vA

BR

Bobina perpendicular al campomagnético. Al moverla se crearáuna fuerza electromotriz

= ctev = uniformea = 0t = tiempo en seg. Que tarda en recorrer el campo.

Tensión generada = cte = / t

Si el flujo de no varía:

Pequeña fuerza Electromotriz = = d / dt

Cuando L, v y B son perpendiculares podemos aplicar las dosfórmulas anteriores: = d / dt y Tensión generada = / t

Teniendo en cuenta que no es el número total de conductores elque contribuye a la tensión interna, sino que hay en cada uno de loscircuitos en dervación (Z/Za), se obtiene que:

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

La superficie será 2 por Pi porradio por la longitud del conductor

v= 2. .r.n

Pp = .D / 2p

= B.L.v.Z/Za

B = / Pp.L

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

L = longitud de la bobina

2p = el número de polos (siempre va de dos en dos)

D =diámetro

N = revoluciones por segundo

= 2p . . Z/Za . n

Cuantos más polos, más energía electromotriz

Por tanto la tensión interna generada es igual al producto delflujo total () por el número de conductores de cada circuito enparalelo del inducido y por el número total de revoluciones porsegundo de la máquina.

Teniendo en cuenta que en cada máquina 2p . Z / Za es unvalor constante que llamaremos K’

= K’. . n

Sin tener en cuenta lo anterior:

d = B . L . dl

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

FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ

Al conectar la máquina en la red de alimentación se desarrollaun par que determina el ciclo del motor. La existencia de un campoinductor portando a Z conductores alojados en las ranuras del rotorque gira a una cierta velocidad, genera fuerzas electromotrices enestos conductores. Se cumple siempre que la tensión internagenerada en el bobinado del inducido es opuesta a la tensión aplicadaen bornes del motor, por eso se llama Fuerza Contraelectromotriz,porque va en sentido contrario al motor.

= B . l . v

N S

I

conductor

Se crea un flujo magnéticoperpendicular al conductor, loque significa que interactúacon el estator, esto provocaque el conductor comience arotar. Al moverse elconductor, se crea unaFuerza Electromotriz, éstaFuerza Electromotriz creaotros campos magnéticosperpendiculares. Todo estosignifica unaretroalimentación.

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 (bobinadodel estator) se conecta en serie con el bobinado del inducido. Losmotores 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 susservicios.

Características de funcionamiento

Las expresaremos con un gráfico:

Sentido de Giro:

En un motor serie, la inversión de su sentido de giro se puedeconseguir invirtiendo la dirección de la corriente en el bobinadoinductor o en el inducido. Para cambiar el sentido de giro sólotenemos que cambiar la polaridad del motor, saldrá o entrará delbobinado.

Fuerza Contraelectromotriz e Intensidad Absorbida

RT

n

I

I = Intensidad absorbida por la línea.

T = Par

R = Rendimiento

N = Velocidad

LA tensión interna generada, nula en el arranque, aumentagradualmente de valor, hasta alcanzar un límite impuesto por lacorriente necesaria para establecer un par motor igual al resistentesolicitado por la máquina accionada.

Resistente solicitado -> lo que solicita la máquina que usa el motor.

En el arranque, el valor de E es nulo y la Intensidad dearranque puede ser muy elevada, de allí que sea necesario colocarresistencias intercaladas entre la línea y los bornes del motor.

El caso anterior hace que la intensidad sea muy alta, por lo cualsumaremos una resistencia R’ suplementaria para estabilizar elmotor. Cuando conseguimos una fuerza contraelectromotriz,quitamos R’. Estas resistencias suelen estar temporizadas por relés.

I = V / (R + R’)

Velocidad

I = (V – E) / R n = E / (K’. ) = (V – I . R) / (K’ . )

E = K’. . n n = (V – I . R) / (K’ . )

Para un flujo magnético y eléctrico constantes, la velocidaddependerá de la tensión aplicada en los bornes.

MOTORES SHUNT

Los motores en derivación, conocidos como motores Shunt, secaracterizan porque el bobinado de excitación se encuentra enparalelo con el bobinado del inducido.

La velocidad es sensiblemente constante entre el vacío y laplena carga.

I = (V – E) / RResistencia

Tensión aplicada en los bornesFuerza Contraelectromotriz

INDUCIDO-+

* Se suele tomarde 2 a 4 Voltios

Vacío: el motor gira con el eje libre sin cargaPlena Carga: toda la energía es absorbida por la carga.

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 másdisminuye la velocidad.

- Control de la tensión del inducido: cuanta más tensión caigaen la bobina del motor Shunt, más velocidad adquirirá este.

- Control de combinación: es una combinación de los dosmétodos anteriores.

- Control del inducido mediante resistencias: intercalar unaresistencia para disminuir la velocidad del motor, ya que latensión en los bornes disminuye.

Regulación de la velocidad del motor mediante el campo inducido

Un decremento de la Intensidad de excitación manteniendoconstante la tensión V, provoca una disminución del flujo y conllevaun aumento de la velocidad n.

PAR

VELOCIDAD

PARr.p.m.

I

El reostato es unaresistencia variable.Lo ajustamos segúnqueramos aumentaro disminuir lavelocidad

INDUCIDO-+

REOSTATO

I

I

MOTORES COMPOUND

También se llaman motores de excitación compuesta. Sedistinguen por disponer de un bobinado inductor en serie cuyasfuerzas electromotrices se suman a las del bobinado inductor Shunt.

Estos motores se aplican en trenes de laminación, grúaspuente, palas excavadoras, cintas transportadoras, etc...

Para cambiar el sentido de giro se realiza por el cambio desentido 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 tieneefecto sobre la acción de control.

INDUCIDO-+

Bobina serie

Bobina Shunt

PAR

VELOCIDAD

PARr.p.m.

I

FUNCIONDESEADA

ACCIONADORESY REGULADORES

MOTORSALIDA

Que mueva elbrazo

mecánico

Potenciómetros, reostatos.Controles de regulación Motor

SalidaMecánica

SISTEMAS DE LAZO CERRADO

En este tipo de sistemas la salida tiene un efecto directo sobrela señal de control.

Se recoge una muestra de la salida eléctrica, el elemento derealimentación la recoge y la lleva a un elemento todavía máscomplicado que compara la muestra con lo que quiere, despuésmodifica el accionador según los resultados. Podríamos desear unavelocidad determinada para el motor sin saber su carga, por lo quedeberá recoger la velocidad a la que va el motor y tomar las medidaspertinentes para luego usar los accionadores. Si por ejemploquitáramos la carga del motor, el motor se realimentará y semodificará a través de los accionadores.

CONTROL DE MOTORES DE CORRIENTE CONTÍNUA

Teniendo en cuenta que la velocidad de un motor de CorrienteContínua es directamente proporcional a la tensión aplicada en losbornes e inversamente proporcional al flujo, se intentará controlar lavelocidad (n) modificando estos dos factores en la fórmulan = (V – I . R) / (K . ).

La mayoría de los controladores de velocidad de tipo industrialrequieren un par constante para distintas velocidades. Se consiguemanteniendo el flujo constante y la tensión V variable.

Por otra parte, algunas aplicaciones requieren regulación develocidad manteniendo constante la Potencia. Habría que mantener elPar y la Potencia constantes, el producto V . I se deberá mantenerconstante, el flujo sería variable. Esto se conseguiría variando laexcitación del campo de un motor de tipo Shunt que es el quepermite variar el flujo .

FUNCIONDESEADA

ACCIONADORESY REGULADORES

MOTOR SALIDA

ELEMENTO DEREALIMENTACIÓN

CARGA

MOTORES PASO A PASO

Son sencillos y económicos con respecto a los servomotoresCCC con realimentación. El problema de estos motores es que tienenuna potencia limitada (1CV).

El motor Paso a Paso es un elemento capaz de transformarpulsos eléctricos en movimientos mecánicos. El eje del motor gira undeterminado ángulo por cada impulso de entrada, con lo que elmovimiento es muy preciso y fiable.

El motor Paso a Paso puede girar en los dos sentidos, y elángulo de giro puede variar entre 0,72º 500 pasos / 1 vuelta y 90º,4 pasos / 1 vuelta.

Principios de funcionamiento

N S

S

N

S N

S

N

S N

N

S

1 2

3

S

N N

S

N

S

C

CON

UATRO

N S

N

S

4

S

N

POLOS

Se modifican los polos para provocar el giro.

El motor Paso a Paso perfecto sería el que tuviera polosinfinitos, así se obtendrían giros de 0 grados.

Para permitir una mejor resolución por paso, se añaden máspolos al estator; además en dichos polos se mecanizan.

Tipos de motores Paso a Paso

- De imán permanente: en lugar de electroimanes tienenimanes permanentes.

- De reductancia variable: se crea un campo magnéticovariable con reductancias variables.

- Híbridos: es una mezcla de los dos anteriores.

N

S

N

S

N

S

S

N

CON DOSPOLOS

S N SN

Características principales de los motores Paso a Paso

Además del giro, también hay otras características. El momentodepende de cuatro factores:

- Velocidad de Paso: el tiempo que tarda en recorrer el arcode giro. Los impulsos deben estar sincronizados con lavelocidad de paso para no perder tiempo.

- Corriente del devanado: la corriente que atraviesa lasbobinas del motor paso a paso. Si el motor se queda quietodespués de girar, la corriente usada para el nuevo impulsoserá 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 lasiguiente 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 alenroscar).

e) Manos de diseño específico.

- Sensores utilizados en la robótica:

- De posición y proximidad: que pueden ser internos oexternos.

- De velocidad y aceleración.- 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 circulaciónde corriente según la luz que le incide.

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

Aplicaciones:

Sensores Electromecánicos

- Presductores: es un sensor de presión. Se suele poner enrobots que deben calibrar su fuerza. Se suelen crear enmallas que, según la presión y la posición, un codificadordeterminará las variables, que en este caso serían digitales.Hay otros que cuantifican la presión.

Punto depresión

receptor

emisor

Si se interpone un objetoante el haz del emisor, se detectarádebido a que no llega al receptor.

También se puede calcular eldesvío del haz al pasar por el objetopara identificarlo

RE

Rueda dentada

R

E

Octacoplador en forma de U

- Galgas Extensiométricas: sirven para medir la fuerza que seaplica sobre un material flexible.

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 corrientecontínua.

Sensores Electromecánicos

- Dinamos tacométricas: generan una tensión proporcional ala velocidad del eje al que se aplican

- Resolver: se emplean en los sensores internos del brazo delrobot. Se emplean para la medida de la posición del eje deun motor.

- Transductores de Vibración: se suelen emplearacelerómetros (sensores), sensores de velocidad, etc.Determinan la vibración que hay en el punto que queremosmedir.

- Interruptores: por ejemplo, para que una mano tenga tacto,se usan “membranas Myler”; al igual que cualquier cosa dela que se quiera medir la presión. Otro tipo son losinterruptores secos, que creo que son los de presión.

“Matriz de interruptores”: con este tipo de interruptorcalculamos la posición del contacto.

Hilo decobre

Mide lafuerza y lasdirecciones

- Sensores de efecto Hall: sólo perciben corriente cuando noes perpendicular. Son dispositivos que generan un voltajecuando 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 deconductores...

Se utilizan por varias razones:

- Tienen una frecuencia elevada (por encima de frecuencias de15000 Hz).

- Por su bajo coste.

La velocidad con que las ondas ultrasónicas atraviesan a losmateriales, depende de su elasticidad y de su densidad. Si el medioes un gas también influye considerablemente la Temperatura.

Cuando las ondas ultrasónicas que circulan por un mediochocan con otro diferente, una parte de ellas se reflejan hacia suorigen.

Teniendo en cuenta la velocidad de propagación y el tiempo quetranscurre hasta el regreso de la onda al emisor(a la fuente quegenera la señal), se puede calcular fácilmente la distancia entre el

Punto depresión

Decodificadocolumna

Decodificadofila

reflexión

’

v

v’

v’ < v

Refracción,depende de laviscosidad

Hazrefractado

foco de ultrasonidos y el objeto reflector, así como el espesor de losmateriales. Va a atravesar el objeto hasta que no pueda atravesarlomás, entonces vuelve el haz.

Sistema con rayo láser

Es otro tipo de sensor con un funcionamiento similar que elultrasónico. Aunque tiene más ventajas:

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

Se utiliza para telemetría así por su precisión. También tienereflexión y refracción.

láser

Luz normal

SÍNTESIS DE VOZ

Este es una clase de mecanismo de los que hacen que el robotse comunique con su entorno.

Hay que muestrear a intervalos muy pequeños, con lo cual esdemasiada información, necesita mucha memoria y es un problema.

El enorme problema de almacenamiento de datos y procesadoen tiempo real se ha simplificado notablemente por el desarrollo de latécnica 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 muestrearseel doble de la señal serán 40000 Hz.

Codificador Almacenamiento Decodificador

digitalmente

Entrada Voz

Previo /amplificador

CAD

Análisis

Cuantificacióny codificación

Output

CDA

Síntesis

Decodificación

Salida Voz

Cintamagnética

(disco duro)

Granmemoriadigital

Mediamemoriadigital

Pequeñamemoriadigital

1

2

3

4

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Etapa 4

En la etapa 1 y 2, la forma de onda de voz se almacena encódigo digital, lo que exige una gran cantidad de memoria.

La 3 y 4 requieren menos memoria porque se eliminainformación repetitiva y sólo seleccionan y guardan las característicasesenciales de los sonidos vocales.

Un modelo de síntesis de voz instrumental es el MEA 8000

Diagrama de lo dicho anteriormente:

La combinación de una señal periódica que representa el tono“pitch” de la voz original y de otra no periódica que representa elsonido sin voz, alimenta a través de un amplificador de control laamplitud a un filtro variable con 4 resonadores.

Resonador: modifica el sonido de acuerdo con el formato de vozoriginal.

Cada resonador se controla mediante dos parámetros, uno ponela frecuencia de resonancia y otro para el ancho de banda. Lo que vaa hacer es la campana de Gauss. Un circuito resonante es un circuitoque obedece a una frecuencia central que es fc. O la frecuencia deresonancia

La información necesaria para controlar al modelo cuenta detono, amplitud y señal con voz/sin voz como fuente de

Controlfiltro

tonoImpulsoPeriódico

Ruido

Filtrovariable

Con voz / sin voz

Amplitud

Amplificador

Sonido voz

Por no dejar vacía la señal atramos, cuando no hablamos, secierra la pestaña y recoge ruido

Es el que sintetiza nuestrotono, señal periódica

Son sólo puntos de señal

Según el tipo deseñal se trataráde una forma uotra.

Forman elespectro

Campana de Gauss

fc.

Anchodebanda

excitación(esto en el cuerpo humano serían las cuerdas vocales) asícomo un filtro para la formación del espectro.

Mediante una actualización periódica de la información del filtrose obtiene una buena reproducción de voz original, como que pese aeso se usa un método LPC (Codificación Lineal Proyectiva oPredectiva, no lo sé).

VISION MAQUINA. GENERALIDADES

Los sistemas de visión artificial son caros e imprecisos, son parados 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 lasimágenes).

FACTORES

Un sistema de visión ideal a de optimizar los siguientesfactores:

- COSTE: usar materiales semiconductores para minimizar elcoste.

- FLEXIBILIDAD: debe buscarse varias aplicaciones, porejemplo un sistema óptico que tenga varias distanciasfocales. Implica a las características intrínsecas del Sistemade 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.

- VELOCIDAD: nos interesa que el Sistema de Visión trate lasimágenes en tiempo real. Esto depende de las característicasde procesamiento, por lo que actualmente se da unacantidad de procesamiento muy elevada.

Los algoritmos más comunes simplifican extraordinariamente laimagen, transformándola en “binaria” (objetos negros sobre fondo

blanco o viceversa). Además operan con un número reducido deobjetos y sin superponerse. Bajo estas limitaciones es posibleprocesar 6 imágenes por segundo y obtener una información básicadel 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 dedetectar el brillo del objeto y almacenar esa imagen.

2) REPROCESO DE LA INFORMACIÓN: simplificar la escena dela imagen.

3) SEGMENTACIÓN: “romper” una escena en varios objetos, osea, distinguir los objetos.

4) RECONOCIMIENTO: Basado en algoritmos y patrones y unsistema de Inteligencia Artificial reconoce contornos dentrodel medio comparando patrones.

5) INTERPRETACIÓN: un ejemplo sería que la máquina tieneque interpretar que lo que ve es un huevo y lo debe cogercon cudadín.

PERCEPCIÓN VISUAL

Los sensores utilizados para la adquisición de la información deuna imagen son numerosos:

- Cámaras de TV de estado Sólido: son prácticamente las másusadas en robótica.

- Cámaras de TV Vidicom: funcionan en niveles deluminosidad 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 dispositivocapacitivo cuya carga es directamente proporcional a laluminosidad que recibe. Un CCD necesita mucha másluminosidad que una cámara de estado sólido.

CCD (por células) Estado Sólido (por rastreo)

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

Pixel: unidad elemental de información visual que proporciona cadaelemento fotosensible.

La exploración CCD depende del algoritmo que se use, peronormalmente se hace fila a fila. La captación es instantánea, pero elalmacenamiento necesita de un procesamiento. Actualmente se estáestudiando que la célula a la vez que recoge la información, proceseel almacenamiento.

LA CÁMARA

Es preciso disponer de una descripción o modelo de cámara quesirva de base para su calibración automática al comienzo de unatarea específica, con objeto de minimizar los errores de medición.

Un sencillo modelo basado en una cámara de caja con unorificio minúsculo o puntual, permite obtener la transformación deperspectiva inversa que en visión monocular determina lascoordenadas de un punto en el plano de trabajo conociéndolos en elplano de la imagen.

En visión estereoscópica, además de lo anterior, determina ladistancia objeto / cámara.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Problemas de los lenguajes de programación en robótica:

- Hay tantos lenguajes como máquinas, no existe un estándarque los unifique.

- No son óptimos, ya que no son capaces de adaptarse alentorno. Sería necesario que incluyeran cierta InteligenciaArtificial.

- Dependen totalmente del hardware en el que estáninstalados, ya que no hay un estándar para todas lasmáquinas.

TÉCNICAS GENERALES DE PROGRAMACIÓNEN ROBÓTICA

Programación explícita del Sistema: el operador es el responsable delas acciones de control y de las instrucciones adecuadas que lasimplementa. Es el que más se utiliza.

Modelación del mundo exterior: se basa en cierta dosis deinteligencia. Basándose en una amplia descripción de la tarea y delentorno, es el propio sistema el que lleva a cabo la toma de ciertasdecisiones. En esta técnica existen dos subdivisiones:

A) Programación Gestual: la programación gestual o directa,muy extendida en robótica industrial, funciona de lasiguiente manera: el operador guía el brazo directamente através del camino que ha de seguir en su trabajo deaplicación. Posteriormente, el sistema repetirá ese caminocíclicamente.

B) Programación Textual: la programación textual consisteen la concepción de un programa de instrucciones osentencias con las que las acciones del brazo a manipular sedefinen y regulan.

Existen varios niveles en la programación de un robot:

- Nivel 1>> Nivel de control del elemento motriz o accionadorque gobierna el movimiento de cada articulación del brazo.

- Nivel 2>> Nivel de control del elemento final de trabajo, esdecir, 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 PROGRAMACIÓNEN ROBÓTICA

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 enla tarea de la aplicación, se conoce como programación online.

Para este tipo de programación se pueden utilizar dos técnicasya mencionadas anteriormente:

- Mediante aprendizaje directo.- Mediante dispositivos de enseñanza: como pueden ser un

teclado, jostick, botones, teclas, luces que hagan deseñales...)

PROGRAMACIÓNEN ROBÓTICA

GESTUAL

TEXTUAL

Aprendizaje directo

Mediante dispositivosde enseñanza(teclado,jostick...)

Explícita(movimiento)

Especificativa(modelo)

Movimientoselementales

Estructurado

Modelo Orientado aObjetos

Modelo Orientado aObjetivos o Tareas

Articulados

Cartesianos

El software se organiza aquí en forma de intérprete, de talforma que no se necesita saber programar.

La programación gestual o directa puede incluye las siguientesfunciones:

- 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

PROGRAMACIÓN TEXTUAL

El programa queda constituido por un texto de instrucciones osentencias 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 escompleta, por lo que se puede variar el código a nuestro antojo segúnlas necesidades que se planteen.

En la codificación pueden usarse condiciones, bases de datos ...

Dentro de la programación textual existen dos grandes gruposde características netamente diferentes:

1) Programación Textual Explícita

2) Programación textual Especificativa.

PROGRAMACION TEXTUAL EXPLÍCITA

El programa consta de una serie de órdenes que van definiendocon rigor las operaciones necesarias para llevar a cabo la aplicación.El programador debe tener en cuenta todos los supuestos. Hay dosniveles:

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

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

- Cartesianas: cuando el lenguaje define los movimientosrelacionados con el sistema de manufactura, es decir, losdel punto final de trabajo (TCP). Cada fabricante tiene supropio sistema de coordenadas. Un robot que tiene unascoordenadas cartesianas determinadas puede ser, enteoría, fácilmente transportable a otro sistema cambiandosimplemente el punto de referencia.

Los lenguajes de tipo Cartesiano utilizan transformacioneshomogéneas, lo que confiere portabilidad al programa,independizando a la programación del model particular delrobot puesto que un programa confeccionado para uno encoordenadas cartesianas, puede usarse en otro con distintascoordenadas. Por el contrario, los lenguajes de tipo articular,indican los incrementos angulares de las articulaciones (ofrecenel ángulo de giro, cuanto se extiende el brazo...)

Aunque esta acción es bastante sencilla para los motoresPaso a Paso y de Corriente Continua realimentados, al no teneruna referencia general de la posición de las articulaciones conrelación al entorno es difícil relacionar al sistema con piezasmóviles, obstáculos, etc.

Los lenguajes correspondientes al nivel de movimientoelementales aventajan principalmente a los de punto a punto enla posibilidad de realizar bifurcaciones simples y saltos asubrutinas así como de tratar informaciones sensoriales.

- Nivel Estructural: el nivel estructurado intenta introducirrelaciones entre el objeto y el sistema del robot, para lo quelos lenguajes se desarrollan sobre una estructura formal.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL ESPECIFICATICA

Se trata de una programación de tipo no-procesal en la que elusuario describe las especificaciones de los productos mediante unamodelalización al igual que las tareas que hay que realizar sobreellos.

El sistema informático para la programación textualespecificativa a de disponer de un modelo del Universo ( el objeto ysu entorno y las relaciones con otros objetos de ese entorno) omundo donde se encuentra el robot. Este modelo será normalmenteuna Base de datos más o menos compleja y requerirá de unacomputación potente. El trabajo de la programación consistirá en larealización de las tareas a realizar, lo que supone llevar a cabotrabajos complicados

En la actualidad, los modelos del Universo son de tipoGeométrico y Físico.

Dentro de la programación textual especificativa hay dos clasesdiferenciadas según si la orientación del modelo se refiere a losobjetos o a los objetivos:

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

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

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 modotan peculiar que constituye en la actualidad una categoría aparte.En efecto, mientras que un motor convencional gira libremente alaplicar una tensión comprendida dentro de ciertos límites (que secorresponden de un lado al par mínimo capaz de vencer su propiainercia mecánica, y de otro a sus propias limitaciones de potencia); elmotor paso a paso está concebido de tal manera que gira undeterminado ángulo proporcional a la "codificación" de tensionesaplicadas a sus entradas (4, 6, etc.). La posibilidad de controlar entodo momento esta codificación permite realizar desplazamientosangulares lo suficientemente precisos, dependiendo el ángulo de paso(o resolución angular) del tipo de motor (puede ser tan pequeñocomo 1,80º hasta unos 15º). De este modo, si por ejemplo el númerode grados por paso es de 1,80º, para completar una vuelta seránnecesarios 200 pasos.

De la misma manera que se puede posicionar el eje del motor,es posible controlar la velocidad del mismo, la cual será funcióndirecta de la frecuencia de variación de las codificaciones en lasentradas. De ello se deduce que el motor paso a paso presenta unaprecisión y repetitividad que lo habilita para trabajar en sistemasabiertos sin realimentación.

Motores paso a paso con rotor de imán permanente

En lo que se refiere a la esencia de su funcionamiento, unmotor paso a paso clásicamente siempre se ha comparado a unmotor síncrono: un campo magnético rotativo, controlado aquí por undispositivo electrónico, pone en funcionamiento al rotor, que es unimán permanenteEn este tipo de motores, como en todos, cabe destacar dos partesprincipales (rotor y estator); como se puede ver en la figura 4, estosmotores pueden constar de dos o más estatores, oportunamentebobinados.

En todo instante, el campo magnético producido por una de lasfases en particular dependerá de la intensidad de corriente de esafase. Si la intensidad es cero, el campo magnético también será nulo.Si la intensidad es máxima, el campo magnético tendrá una fuerzamáxima.

Por otro lado, dado que el rotor es un imán permanente, si sepermite el giro de éste dentro de un campo magnético, acabará pororientarse hasta la total alineación con el campo. De otro lado, si elcampo magnético giratorio es intenso, se origina un par, capaz deaccionar una determinada carga.

Dependiendo del tipo de bobinas que se encuentran devanadassimétricamente sobre los estatores (y, por tanto, del modo de crearel 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 condos estatores, sobre cada uno de los cuales se ha devanado unabobina (1 y U), las cuales se encuentran conectadas directamente aunos conmutadores de control que, como se verá más adelante,podrán ser sustituidos por las líneas de entrada y salida de nuestroordenador debidamente programadas.

Como las bobinas se encuentran distribuidas simétricamente entorno al estator, el campo magnético creado dependerá en magnitudde la intensidad de corriente por cada fase, y en polaridad magnética,del sentido de la corriente que circule por cada bobina. De este modoel estator adquiere la magnetización correspondiente, orientándose elrotor según ella (fig. 4a). Si el interruptor 1.1 se conmuta a susegunda posición (fig. 4b), se invierte el sentido de la corriente quecircula por T y por tanto la polaridad magnética, volviéndose areorientar el rotor (el campo ha sufrido una rotación de 90º ensentido antihorario, haciendo girar el rotor 90º en ese mismosentido). Con esto se llega a la conclusión de que para dar una vueltacompleta serían necesarios cuatro pasos de 90º cada uno (el ciclocompleto se puede seguir en la figura 4a,b,c,d).

Ahora bien, este tipo de motores también puede funcionar de unmodo menos "ortodoxo", pero que nos va a permitir doblar el númerode pasos, si bien a costa de la regularidad del par. Esto se consiguede la siguiente manera: en principio, al igual que en el anterior fondode funcionamiento, por los devanados T y U se hace circular unacorriente, de tal modo que el estator adquiere la magnetizacióncorrespondiente y por lo tanto el rotor se orienta según ella. Ahorabien, al contrario que en el caso anterior, antes de conmutar elinterruptor 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 construcciónson muy similares a los anteriormente descritos excepto en eldevanado de su estator (fig. 5). En efecto, cada bobina del estator seencuentra dividida en dos mediante una derivación central conectadaa un terminal de alimentación. De este modo, el sentido de lacorriente que circula a través de la bobina y por consiguiente lapolaridad magnética del estator viene determinada por el terminal alque se conecta la otra línea de la alimentación, a través de undispositivo de conmutación. Por consiguiente las medias bobinas deconmutación hacen que se inviertan los polos magnéticos del estator,en la forma apropiada. Nótese que en vez de invertir la polaridad dela corriente como se hacía en los M.P.P. bipolares se conmuta labobina por donde circula dicha corriente.

Al igual que los M.P.P. bipolares, es posible tener resolucionesde giro correspondientes a un semipaso. Ahora bien, dado que lascaracterísticas constructivas de estos motores unipolares sonidénticas a las de los bipolares, se puede deducir que los devanadostanto en uno como otro caso ocuparán el mismo espacio, y por tantoes evidente que por cada fase tendremos menos vueltas o bien el hilode cobre será de una sección menor. En cualquiera de los dos casosse deduce la disminución de la relación de amperios/vuelta. Portanto, a igualdad de tamaño los motores bipolares ofrecen un mayorpar.

Hasta aquí se ha venido describiendo el funcionamiento de losM.P.P. con dos estatores, si bien es posible aumentar el número deéstos para mejorar la resolución angular.

- 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 muchossensores

Sensores de Luz Visible

Fotoceldas, fotodiodos, fototransistores

Utilizados para esconderse en la oscuridad, detectar metas, jugar conlinternas...

Sensores de Fuerza

Microswitches: Lógica booleana. Presionado(0) o No-Presionado (1).

Analógicos: resistencia variable, detecta la cantidad de fuerzaaplicada

Los sensores de fuerza a menudo son utilizados para detectarcolisiones.

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 esusada 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 recibidoposteriormente.

El “tiempo de vuelo” es usado para medir la distancia al objeto quereflejo el sonido.

Angulo de 30º aproximadamente

Ventajas:

- Amplio rango de distancias

Problemas:

- La velocidad del sonido depende de la temperatura delaire.

- El eco depende del material del objeto y el ángulo deincidencia.

- Ciego ante objetos muy próximos (pocos cm) y capazde detectar “objetos fantasma”.

El comportamiento del sensor es mucho mas complicado que susmodelos 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...