Date post: | 25-Jan-2016 |
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RobóticaRobótica
Sensores, Actuadores, Sensores, Actuadores, Instrumentación en RobóticaInstrumentación en Robótica
Prof. Gerardo FernándezProf. Gerardo Fernández
Prof. Juan Carlos GriecoProf. Juan Carlos Grieco
EL Robot Industrial EL Robot Industrial
Manipulador
Sensores internos
Potencia
Sensores externos
Controlador
Entrada/salida
COMPONENTES BASICOS DE UN COMPONENTES BASICOS DE UN ROBOT MANIPULADORROBOT MANIPULADOR
Eslabones y articulaciones
Transmisión Reductor
Actuadores
Amplificadores
Controladores
Sensores
Manipulador
Unidad de Potencia
Controlador
Sistema Sensorial
Componentes Componentes mecánicos mecánicos ARTICULACIONESARTICULACIONES
ACTUADORESACTUADORES
TRANSMISIONES Y REDUCTORESTRANSMISIONES Y REDUCTORES
FRENOSFRENOS
SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento terminalterminal
ARTICULACIONESARTICULACIONES– 1 grado de libertad1 grado de libertad
Componentes Componentes mecánicos mecánicos
RotacionalRotacional PrismáticaPrismática
CilíndricaCilíndrica PlanarPlanar EsféricaEsférica
– 2 y 3 grados de libertad2 y 3 grados de libertad
Componentes Componentes mecánicos mecánicos ARTICULACIONESARTICULACIONES
ACTUADORESACTUADORES
TRANSMISIONES Y REDUCTORESTRANSMISIONES Y REDUCTORES
FRENOSFRENOS
SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento terminalterminal
Los actuadores: Los actuadores: Motores DCMotores DC
F = (I x B)
Los actuadores: Los actuadores: Motores DCMotores DC
VaIa
La Ra
m m
+
-Vb
+
-
Vb= K m
m = K Ia
t
Vel
t
Pos
Los actuadores: Los actuadores: Motores DCMotores DC
Motor Maxon
Los actuadores: Los actuadores: Motores de pasoMotores de paso
El giro del rotor se produce de forma discretaEl giro del rotor se produce de forma discreta La rotación se produce mediante La rotación se produce mediante
desplazamientos del rotor desde una posición de desplazamientos del rotor desde una posición de equilibrio a otra posición de equilibrio. equilibrio a otra posición de equilibrio.
Los hay de tres tipos:Los hay de tres tipos:
Reluctancia VariableReluctancia Variable
De imán permanenteDe imán permanente
Híbridos…Híbridos…
El motor de paso: Principio El motor de paso: Principio de funcionamientode funcionamiento
rotor elen polos de número el es y
estator elen polos de número el es
/
360
r
s
rs
rs
rs
rs
N
N
donde
NNNN
VueltaPasos
NN
NNPaso
El motor de paso: Principio El motor de paso: Principio de funcionamientode funcionamiento
Los actuadores: Los actuadores: Motores de pasoMotores de paso VENTAJAS:VENTAJAS:
– Se opera en Se opera en lazo abiertolazo abierto– Precisiones altas de posicionamiento a bajas velocidadesPrecisiones altas de posicionamiento a bajas velocidades– El motor ofrece alto torque para velocidades angulares bajasEl motor ofrece alto torque para velocidades angulares bajas– No necesita codificador o tacómetroNo necesita codificador o tacómetro– Bajo mantenimientoBajo mantenimiento
DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:– Si no hay lazo de control de posición, el motor puede parar (por Si no hay lazo de control de posición, el motor puede parar (por
causas no deseadas) y no haber alcanzado la posición finalcausas no deseadas) y no haber alcanzado la posición final– Pueden existir errores de posición al tratar de mover el rotor Pueden existir errores de posición al tratar de mover el rotor
demasiado rápido (fenómeno de “dropped steps”)demasiado rápido (fenómeno de “dropped steps”)– El movimiento “a pasos” puede generar oscilaciones en el El movimiento “a pasos” puede generar oscilaciones en el
manipuladormanipulador
Actuadores: Actuadores: Motores Motores HidráulicosHidráulicos
BombaHidráulica
Controlador
Servo Válvula
Motor
Los actuadores: Los actuadores: Motores Motores HidráulicosHidráulicos
VENTAJAS:VENTAJAS:- Mueven cargas muy grandes.- Presenta una gran relación par/peso.- Rápidos en desplazamientos lineales. - Son muy baratos.
DESVENTAJAS:DESVENTAJAS: - Difíciles de mantener. - Propensos a fugas contaminantes.
Componentes Componentes mecánicos mecánicos ARTICULACIONESARTICULACIONES
ACTUADORESACTUADORES
TRANSMISIONES Y REDUCTORESTRANSMISIONES Y REDUCTORES
FRENOSFRENOS
SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento SUBSISTEMAS MECÁNICOS: Muñeca, Elemento terminalterminal
TRANSMISIONES y TRANSMISIONES y REDUCCIONESREDUCCIONES
El movimiento de una articulación se puede El movimiento de una articulación se puede realizar de dos manerasrealizar de dos maneras
Accionamiento directoAccionamiento directo Accionamiento indirecto o por Accionamiento indirecto o por transmisióntransmisión
Simplicidad mecánicaSimplicidad mecánicaMayor complejidadMayor complejidad
Pero…podemos convertir el movimiento…disminuir la Pero…podemos convertir el movimiento…disminuir la inercia, adaptar el par y la velocidad etc…inercia, adaptar el par y la velocidad etc…
REDUCTORES Y ELEMENTOS REDUCTORES Y ELEMENTOS TRANSMISORESTRANSMISORES
Estos elementos toman el par y la velocidad proporcionados por un actuador acoplado al eje de entrada y lo transforman y envían al eje de salida.
La transformación puede suponer aumento o disminución tanto del par como de la velocidad y los ejes de entrada y salida pueden ser paralelos, concéntricos, perpendiculares, etc.
Motor
Articulación RobotElemento
Transmisor
TRANSMISIONESTRANSMISIONES
Las más empleadas en robótica son:Las más empleadas en robótica son:
Cadenas: Transmiten movimiento circular de un eje a Cadenas: Transmiten movimiento circular de un eje a otrootro
Problemas de ruidoProblemas de ruidolubricaciónlubricación
Grandes paresGrandes paresNo hay deslizamientoNo hay deslizamientoMantiene el sentido de Mantiene el sentido de giro.giro.
Cables: Similar a la cadena…pero pueden tener Cables: Similar a la cadena…pero pueden tener deformacionesdeformaciones
TRANSMISIONESTRANSMISIONES
Correas : Similar a la cadena…pero algunas utilizan la Correas : Similar a la cadena…pero algunas utilizan la fricciónfricción
Son menos ruidosas pero tienen menor parSon menos ruidosas pero tienen menor par
Enlaces rígidos: permiten convertir el movimientoEnlaces rígidos: permiten convertir el movimiento
Circular-circularCircular-circular Circular-linealCircular-lineal
Características:Características:
-.Realizan la misma función de -.Realizan la misma función de reducción o amplificación que los reducción o amplificación que los engranajes.engranajes.-.Mantiene el sentido de giro.-.Mantiene el sentido de giro.- Permiten la transmisión de - Permiten la transmisión de movimiento y par sobre grandes movimiento y par sobre grandes distanciasdistancias- Si la correa es dentada evita los - Si la correa es dentada evita los deslizamientos.deslizamientos.- Tienen una pequeña elasticidad.- Tienen una pequeña elasticidad.
REDUCTORESREDUCTORES
Permiten además de convertir movimientos, adecuar Permiten además de convertir movimientos, adecuar
la velocidad y el par deseadola velocidad y el par deseado
Trenes de engranajesTrenes de engranajes Un engranaje es un dispositivo de conversión de Un engranaje es un dispositivo de conversión de
movimiento rotatorio a movimiento rotatorio.movimiento rotatorio a movimiento rotatorio.
Consideraremos que un engranaje es ideal cuando: Consideraremos que un engranaje es ideal cuando: es perfectamente redondeado, o cuando rota sobre es perfectamente redondeado, o cuando rota sobre su centro real y se supone sin inercia.su centro real y se supone sin inercia.
Conversión de Conversión de movimientomovimientoEngranajes idealesEngranajes ideales
T1*1=T2*2
r1*1=r2*2
N1/r1=N2/r2
T1=T2*(N1/N2)
J1=(N1/N2)2*J2
MAXONMAXON
Engranajes idealesEngranajes ideales
MAXONMAXON
Ventajas de los engranajes:Ventajas de los engranajes:
- Multiplican el par.
- Reducen la inercia reflejada.
Inconvenientes:Inconvenientes:
- Disminuyen velocidad y aceleración.
- Son muy voluminosos.
- No son concéntricos.
- Presentan holguras
Conversión de movimientoConversión de movimientoDe rotacional a lineal: el De rotacional a lineal: el tornillo sin fintornillo sin fin
=P*xAl rotar un ángulo , el tornillo se desplaza la distancia xP es el paso, expresado en vueltas/cm
2eqk
2Lk
J 2
1 = E
v M 2
1 = E
Conversión de movimientoConversión de movimientoDe rotacional a lineal: sistemas De rotacional a lineal: sistemas con piñóncon piñón
Siendo “r” el radio de circunferencia del piñónx=2rn; n: número de vueltas
yJ=Mr2, J es la inercia vista por la entrada
r
x
Conversión de movimientoConversión de movimiento“Harmonic Drives”“Harmonic Drives”
Es un tren de engranajes especial que no Es un tren de engranajes especial que no tiene zonas muertastiene zonas muertas
Sólo dos dientes de diferencia entre los Sólo dos dientes de diferencia entre los engranesengranes
Dos áreas de contacto entre los engranes Dos áreas de contacto entre los engranes con más de 5 dientes en contactocon más de 5 dientes en contacto
HD SystemsHD Systems
Conversión de movimientoConversión de movimiento“Harmonic Drives”“Harmonic Drives”
Ventajas:Ventajas: - Ejes de entrada y salida concéntricos. - No presentan holguras. - Se consiguen grandes reducciones con dispositivos de poco volumen.
Desventajas:Desventajas: - Es un elemento frágil. - Precio muy elevado.
Conversión de movimientoConversión de movimiento“Harmonic Drives”“Harmonic Drives”
AcoplesAcoples
• Acoples UniversalesAcoples Universales• Acoples elásticos: ModeloAcoples elásticos: ModeloResorte-AmortiguadorResorte-Amortiguador
Cambio direccionalCambio direccional
Componentes Componentes SensorialesSensoriales
SENSORES DE POSICIÓNSENSORES DE POSICIÓN
SENSORES DE PROXIMIDADSENSORES DE PROXIMIDAD
SENSORES DE VELOCIDADSENSORES DE VELOCIDAD
SENSORES DE FUERZASENSORES DE FUERZA
SENSORES ÓPTICOSSENSORES ÓPTICOS
INTERNOSINTERNOS
EXTERNOSEXTERNOS
Sensores de posición: Sensores de posición: PotenciómetrosPotenciómetros
Rotatorio Lineal
Convierte posiciones mecánicas en tensiones eléctricas de una forma muy sencilla.
Sensores de posición; el Sensores de posición; el encoder absolutoencoder absoluto
Características:Características:
- La posición se obtiene con un simple dispositivo e/s digital.
- Deben ir situados en el eje de la carga (salida).
- Son muy caros y voluminosos.
Sensores de posición; el Sensores de posición; el encoder incrementalencoder incremental
Sensores de posición; el Sensores de posición; el encoder incrementalencoder incremental
Típicos encoders incrementales con Típicos encoders incrementales con 100, 128, 200, 256, 500, 512, 1000, 100, 128, 200, 256, 500, 512, 1000, 1024, 2000 y 2048 líneas. 1024, 2000 y 2048 líneas. Resolución=360/N.Resolución=360/N.
Se puede incrementar la resolución Se puede incrementar la resolución electrónicamente.electrónicamente.
Para ello se emplean dos Para ello se emplean dos fotodetectores en lugar de unofotodetectores en lugar de uno
Sensores de posición: El LVDT Sensores de posición: El LVDT (Linear Variable Differential (Linear Variable Differential Transformer)Transformer)
“Indican a un robot si está próximo (dentro de un intervalo de distancia especificado, por ejemplo algunos centímetros) a un objeto u obstáculo”
Estos pueden ser:• Sensores de Contacto• Sensores de no-Contacto
Según el modo de operación tenemos:• Sensor óptico -luz relejada-,• Sensor de fíbra óptica,• Inductivos• Capacitivos• Efecto hall• Ultrasonido, etc
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de Contacto
“Es el tipo más sencillo de sensor de proximidad.Consiste de un vástago con una extremidad localizada dentro del sensor (llave mecánica)”
La llave mecánica posee dos estados abierto/cerradoCuando cambia de estado el robot puede realizar una acción programada, ej. Parada inmediata, cierre de la garra.
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
• Sensor de proximidad óptico (luz reflejada)
• Posee una fuente de luz y un fotodetector. • La máxima tensión de salida ocurre cuando el objeto está en el punto focal. • Un simple comparador de tensión nos determina la distancia.
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
• Sensor de barrido laser
El haz de luz barre la superficie por la acción del espejo montado sobre el eje del motor mientras una lente capta la luz procedente de la superficie. La distancia se mide sincronizando la tensión del motor con un reloj de alta frecuencia (conteo de pulsos)
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
Un ejemplo de sensor laser comercial es el Seampilot de Oldfeldt. Utiliza un laser de HeNe, de baja potencia (1.5 mW)
Además de detectar proximidad, este sensor es capaz de reconstruir la topografía de las juntas de soldadura, además de seguir líneas de soldadura guiando una antorcha.
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
Produce una variación en la inductancia en presencia de objetos metálicos. Son robustos ante presencia de sucio y aceite.
Emplea una bobina enrrollada próxima a un imán. Cuando el sensor se aproxima a un material ferromagnético cambian las líneas de flujo.
• Sensor inductivo
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Un ejemplo de aplicación es el manipulador industrial de grandes dimensiones desarrollado por Barnes y Reineke, utilizado para limpiar cascos de buques.
Con tres sensores inductivos se mantiene la herramienta de limpieza dentro de un intervalo de 0-4 cm del casco
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
El sensor relaciona la tensión entre dos puntos, en un material conductor o semiconductor, con un campo magnético que pasa a través del mismo.
Ante la proximidad de un objeto ferromagnético disminuye el campo magnético en el sensor.
• Sensor de efecto Hall (con imán permanente)
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
A diferencia de los sensores inductivos y de efecto hall (para objetos ferromagné-ticos) estos sensores detectan todos los materiales sólidos y líquidos.Detectan cambios en la capacidad inducida cuando una superficie está próxima al sensor.
• Sensor capacitivo
El elemento sensor es un condensador compuesto por un electrodo sensor y uno de referencia
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
• Sensor de ultrasonidos
A diferencia de los otros sensores de proximidad la respuesta de este sensor es casi independiente del tipo de material a detectar
Pueden estar basados en el efecto piezoeléctrico o electrostático
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensor de proximidad de no Contacto
• Sensor de ultrasonidos
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Un ejemplo de aplicación es el robot móvil “Brutus” desarrollado en la Universidad Espiritu Santo en Brasil
Emplea 16 sensores de ultrasonidos, basados en transductores electrostáticos de Polaroid y espaciados 22,5 o, para tareas de navegación y construcción de mapas. El sistema está ajustado para medir distancias entre 0,4 y 3,5 mts con precisión del 1%
Sensores de Proximidad en RobóticaSensores de Proximidad en Robótica
Sensores de Velocidad:Sensores de Velocidad:
Para luego.....