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Sesión 1: Robots

  • Tiempo: 2h
  • Objetivos de la sesión:
    • Aprender/repasar la terminología
    • Breve recapitulación de las ideas centrales sobre robots
    • Tiempo tutelado para trabajar

Contenido

Introducción

Los robots son entidades físicas situadas en un entorno. Que sean físicos significa que están formados por material (a diferencia de los robots software o bots)

Definimos el entorno como el lugar que rodea al robot, y es donde desarrolla sus actividades

El robot interactúa con el entorno de dos formas diferentes. Por un lado recibe estímulos a través de los sensores. Es la manera que tiene el robot de leer información del entorno: ver objetos a través de sus "ojos", detectar colisiones con otros elementos, etc. Por otro lado, el robot genera respuestas para actuar sobre este entorno, modificándolo. Esto lo realiza a través de sus actuadores

Haciendo un símil con los seres vivos, los sensores son los sentidos y los actuadores son los músculos. La activación de los músculos en los seres vivos origina distintas respuestas: caminar, volar... Lo mismo en los robots. La activación de los actuadores genera diferentes respuestas: desplazarse, mover un brazo, cerrar un ojo...

A partir de este esquema, describimos un robot como una entidad que recibe estímulos a través de los sensores, los procesa y genera una respuesta en el entorno mediante la activación de los actuadores

Hay un elemento importantísimo: el procesador. Es el componente que recibe por sus entradas la información de los sensores, la procesa y saca por su salida las órdenes para los actuadores, que generan la respuesta en el entorno. Hay que entender aquí la palabra Procesador en su sentido más amplio: Es cualquier elemento capaz de realizar este procesamiento de la información. Puede ser un circuito analógico, uno digital (que no llevan software) o un microprocesador (que ejecuta un software)

Modelo de robot

De manera esquemática representaremos nuestro robot así:

  • Entorno: Lugar que rodea al robot, y donde desarrolla sus actividades
  • Sensores: Elementos que captan los estímulos del entorno y los entregan al procesador
  • Actuadores: Elementos que generan una acción sobre el entorno, lo que provoca la respuesta del robot
  • Procesador: Circuito de procesamiento de la información. Genera como salidas señales para el control de los actuadores, a partir de la información recibida por sus entradas, provenientes de los sensores.

El procesador es el que define el comportamiento del robot. Es el que determina la relación que hay entre los estímulos de entrada y las respuestas del robot

Clasificación de los Robots

En la robótica existen dos grandes áreas: Manipulación y Locomoción. La manipulación es la capacidad de actuar sobre los objetos, trasladándolos o modificándolos. Esta área se centra en la construcción de manipuladores y brazos robóticos. La locomoción es la facultad de un robot para poder desplazarse de un lugar a otro. Los robots con capacidad locomotiva se llaman robots móviles

Robots manipuladores

Los robots manipuladores actúan sobre otros objetos situados en el entorno, bien trasladándolos, o bien modificándolos (Ej. robot pintor). El robot manipulador por excelencia es el Brazo robotizado.

Elementos principales

Los brazos robóticos están formados por dos elementos independientes: El propio brazo y el elemento terminal o efector final

La misión del brazo es localizar el extremo del robot: Llevarlo a una posición determinada en el espacio (x,y,z) con una cierta orientación. El elemento terminal es el que realiza la interacción con el objeto: lo coge, lo pinta, lo taladra... Típicamente, el elemento terminal es un componente autónomo que permite intercambiarse por otro. Así podemos utilizar el mismo brazo para Localizar diferentes efectores. Por ejemplo una pinza mecánica para mover objetos, o bien un pincel para pintarlos

El conjunto de puntos del entorno donde llega el efector final se llama Espacio de trabajo. Es el volúmen donde el robot puede realizar su trabajo. Si los objetos están situados fuera del espacio de trabajo no serán alcanzables por el brazo. En esta figura se muestra la proyección del espacio de trabajo en el plano xy, de un Brazo robot (sin efector final) Cualquier objeto situado en la zona gris será alcanzable

Grados de libertad del espacio de trabajo

Se definen los grados de libertad (GDL) de un sólido rígido como el número mínimo de coordenadas independientes que se necesitan para su localización en ese espacio

Los espacios de trabajos que típicamente se usan son el plano (superficie) y el espacio (volúmen)

  • Pregunta:
¿Cuántos GDL tiene un objeto situado en un plano?

La respuesta es: DEPENDE. Si se trata de un objeto cotidiano sin ligaduras externas, como por ejeplo una llave sobre una mesa, la respuesta es 3 GDL

Necesitamos 2 coordenadas (x,y) para posicionar la llave y una tercera para establecer su orientación (θ). En total 3 coordenadas independientes. Por tanto, el objeto tiene 3 GDL cuando se apoya sobre el plano

Sin embargo estos GDL se pueden reducir si se añaden restricciones, como por ejemplo que el elemento sólo se pueda mover por un rail. En ese caso tiene sólo 1 GDL porque el único parámetro independiente es la distancia (d) recorrida en el rail

Pero también se reducen los GDL si se trata de un objeto con simetría de revolución en el eje z (perpendicular al plano). Ya que en ese caso el objeto es el mismo con independencia de su orientación. Por ejemplo una ficha del juego de las damas

En el caso general, los GDL de un sólido rígido en el plano son 3, y si está situado en el espacio son 6. En el caso del espacio, necesitamos las tres coordenadas de posición (x,y,z) y los tres ángulos de rotación alrededor de los ejes para la orientación (α, Φ, θ)

Así, diremos que los GDL del espacio de trabajo son:

  • Si es un plano: 3
  • Si es en el espacio: 6

Estructura mecánica

La estructura mecánica de los brazos robóticos está compuesta por la unión de eslabones mediante articulaciones. Hay por tanto 2 elementos fundamentales

  • Eslabones: Elementos rígidos
  • Articulaciones: Permiten el movimiento relativo entre dos eslabones

El brazo de esta figura está formado por 3 eslabones y 2 articulaciones

La base es el primer eslabón, y está fijado al suelo. Las articulaciones permiten un movimiento relativo entre los dos eslabones que unen

Se denomina Grado de Libertad de la articulación (GDL) al número de movimientos independientes que puede realizar. En esta figura se muestran dos articulaciones: una esférica (o rótula), que tiene 3 GDL y una Cilíndrica, de 2 GDL

Hay 3 articulaciones que tienen 1 GDL y son las que normalmente usaremos: Prismática, Rotación y Tornillo. Las articulaciones de más grados de libertad se pueden modelar como articulaciones de 1 GDL unidas por eslabones de longitud 0

En esta figura se muestra las articulaciones Prisática y de Rotación. Las articulaciones prismáticas también se llaman articulaciones lineales

Y en esta la articulación de tipo Tornillo. Esta articulación se usa mucho para el movimiento del eje Z de la impresoras 3D

Denominamos cadena cinemática a una serie de eslabones unidos mediante articulaciones. La estructura de los brazos robóticos son cadenas cinemáticas. Si hay dos caminos por lo que se puede llegar de un eslabón a otro, se llama cadena cinemática cerrada, y si sólo hay uno se denomina abierta

Los grados de libertad de una cadena cinemática, foramada por articulaciones de 1 GDL, se calcula según la siguiente fórmula:

En este dibujo se muestra un ejemplo del cálculo de los grados de libertad de las cadenas cinemáticas de la figura anterior, cuando el espacio de trabajo está sobre el plano:

Para el caso de cadenas cinemáticas abiertas, con articulaciones de 1 GDL (que es el caso más habitual), el número de grados de libertad coincide con el de articulaciones

Configuraciones

Los eslabones se pueden conectar entre sí utilizando cualquier tipo de articulaciones. Esto da lugar a diferenes configuraciones. Algunas configuraciones son el Robot angular (o antropomórfico), el robot cartesiano o el Robot scara

El robot angular tiene 3 articulaciones de rotación. Es la configuración típica usada por los robots industriales. Con estos 3 GDL se posiciona el extremo del robot en cualquier punto del espacio de trabajo (x,y,z)

El robot Scara tiene dos articulaciones de rotación y una lineal. Se usa mucho en aplicaciones de Pick and place. Son pequeños y rápidos

Los robots cartesianos tiene 3 articulaciones lineales (prismáticas). Esta es la configuración típica de las mayoría de impresoras 3D

Robots móviles

La locomoción es la capacidad que tienen los seres vivos pertenecientes al reino animal que les permite trasladarse voluntariamente de un lugar a otro. Hay dos aspectos importantes a tener en cuenta: el control y la voluntariedad. Para que el movimiento sea considerado locomoción el individuo tiene que querer realizarlo y además controlarlo. Así, los nenúfares que reposan sobre la superficie del agua se mueven por las corrientes o la acción de otros animales, pero no se considerará locomoción ya que no son voluntarios ni controlados.

Los robots dotados de capacidad locomotiva se denominan robots móviles. El campo de la robótica que estudia el diseño de robots capaces de desenvolverse por sí mismos en entornos desconocidos se denomina robótica móvil.

Se establece una primera clasificación de los robots móviles atendiendo al tipo de entorno en el que realizan la locomoción. Igual que en el reino animal, tenemos robots aéreos, robots acuáticos y robots terrestres

En la asignatura de Mecatrónica nos centraremos en los robots terrestres. Según los efectores empleados para conseguir esta locomoción, se establece la clasificación robots con ruedas, con orugas, con patas y otros

  • Ruedas: Las ruedas son los efectores más eficientes
  • Orugas: Permiten moverse por terrenos más abruptos
  • Patas: Mayor versatilidad

TODO:

  • Clasificaciń: Locomoción estáticament estable - dinámicamente estable
  • Clasificación: Bioinspirados (Dentro de patas y otros)

Resumen

Terminología

  • Entorno: Lugar que rodea al robot, y donde desarrolla sus actividades
  • Sensores: Elementos que captan los estímulos del entorno y los entregan al procesador
  • Actuadores: Elementos que generan una acción sobre el entorno, lo que provoca la respuesta del robot
  • Procesador: Circuito de procesamiento de la información. Genera como salidas señales para el control de los actuadores, a partir de la información recibida por sus entradas, provenientes de los sensores
  • Manipulación: Capacidad para actúar sobre los objetos del entorno, bien trasladándolos, o bien modificándolos
  • Locomoción: Capacidad para desplazarse de un lugar a otro (de manera controlada y voluntariamente)
  • Localizar: Establecer la posición y orientación de un objeto
  • Espacio de trabajo: El conjunto de puntos del entorno donde llega el efector final de un robot manipulador. Es el volúmen donde el robot puede realizar su trabajo
  • Elemento terminal (o efector final): Es la parte del robot manipulador que realiza la interacción con el objeto (cogerlo, pintarlo, taladrarlo...)
  • Eslabones: Elementos rígidos unidos mediante articulaciones. Son los elementos fundamentales de las estructuras de los robots manipuladores
  • Articulaciones: Elementos de unión entre los eslabones, que permiten su movimiento relativo
    • Prismáticas (o lineales): (1 GDL) Desplazamiento lineal entre los eslabones
    • Rotacionales (1 GDL): Rotación relativa entre dos eslabones
    • Tornillo (1 GDL): Articulación lineal con mecanismo de tornillo
  • Grados de libertad: GDL: En general, son las variables independientes necesarias para la localización
  • GDL de un sólido rígido: Número mínimo de coordenadas independientes que se necesitan para su localización en ese espacio
  • GDL del espacio de trabajo: Si está en un plano son 3. Si está en el espacio son 6
  • GDL de una articulación: Número de movimiento independientes que tiene la articulación
  • Cadena cinemática: Serie de eslabones unidos mediante articulaciones. La estructura de los brazos robóticos son cadenas cinemáticas
    • Abiertas: Sólo se llega de un eslabón a otro por un único camino
    • Cerradas: Hay al menos dos caminos por lo que se puede llegar de un eslabón a otro
  • Configuraciones: Maneras de unir los eslabones entre sí usando tipos concretos de articulaciones para formar cadenas cinemáticas
    • Robot Angular (o antropomórfico)
    • Robot SCARA
    • Robot Cartesiano
  • Robots móviles: Robots dotados de capacidad locomotiva
  • Robótica móvil: Campo de la robótica que estudia el diseño de robots capaces de desenvolverse por sí mismos en entornos desconocidos
  • Efectores: Elementos del robot móvil con el que realiza la locomoción (ruedas, orugas, patas...)

Tiempo para el proyecto

En las sesiones de Teoría se dejará tiempo al final para que sigáis avanzando con el proyecto, de forma tutorizada

Algunas de las actividades a realizar:

  • Enviadme vuestro usuario de Github
  • Completad los grupos de trabajo
  • Id pensando sobre el proyecto

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