ROBOTICA TEMA I: Introducción a la Robótica Jaime Gómez Ramírez

  1 Jaime Gómez Programación de Robots Departamento de Ingeniería Mecánica

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  ROBOTICA TEMA I: Introducción a la Robótica Jaime Gómez Ramírez

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  Indice

  I. Antecedentes históricos

  II. Definición de Robot

  III. Clasificación de Robots

  IV. Algo mas que Robótica Industrial… V. El mercado de Multiporpose I.R.

  VI.Morfología de robots Industriales

  I.Antecedentes históricos

  • Grecia Automatos (autómata)
    • – Herón de Alejandría (85 d. C.) sistema de riego automático

  • Edad media
    • – Roger Bacon cabeza parlante
    • – Hombre de hierro de Alberto Magno (1204- 1282) ancestros

  del robot humanoide

  • – Gallo de Estrasburgo (1352)

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  I.Antecedentes históricos Departamento de Ingeniería Mecánica

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  I.Antecedentes históricos

  • Renacimiento – León Mecánico de Leonardo (1499)
    • – Hombre de Palo de Juanelo Turriano (1525)

  • Siglos XVII- XIX Relojeros crean autómatas de vida limitada (actuador = cuerda,resortes de acero,sistemas de pesas…)
    • – Muñecos (flautista) de Jacques Vaucanson (1738)
    • – Familia de humanoides: Escriba, organista, dibujante Droz(1770)
    • – Muñeca dibujante de Henry Maillardet

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  I.Antecedentes históricos Departamento de Ingeniería Mecánica

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  I.Antecedentes históricos

  • Ya no solo se busca entretenimiento sino productividad:
    • – 1801.Telar de Jacquard (cinta de papel perforada a modo de programa)
    • – (Ámbito industrial)Motor Watt sistema de válvulas controladas automáticamente, hizo del motor de vapor, el primer dispositivo capaz de mantener veloc. giro cte. sin que afectaran los cambios en la carga Nos acercamos a máquinas programables, configurables…

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  I.Antecedentes históricos Siglo XX: Aparición de la palabra ROBOT Karel Capek: Rossum Universal Robot (1921)

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  • 1. Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño
  • 2. Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley
  • 3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda ley

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  I.Antecedentes históricos

  Tres Leyes de la robótica (Isaac Asimov 1945):

  • Fin II GM : Desarrollo mecánica, electrónica, neumática, hidráulica se

    dispara; da origen a primeras máquinas-herramienta de control

    numérico
  • • Control realimentado de actuadores, uso extensivo de sensores,

    transmisión de potencia mediante engranajes
  • Aparición de la computadora, se consigue control mas fiable, preciso y sofisticado

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  I.Antecedentes históricos

  • Telemanipuladores de Goertz (maestro-esclavo)

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  I.Antecedentes históricos

  • 1959 George Devol y Joseph Engelberger crean el primer Robot Industrial comercial “UNIMATE”
  • 1962 UNIMATE se instala en una fábrica de GE
  • La ventaja de estos primeros robots respecto a las máquinas de automatización es poder programarlos para distintas tareas y reconfigurarlos con otras herramientas

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  I.Antecedentes históricos

  • 1967 Engelberger viaja a Japón. Acuerdo con
  • 70’ s Japón toma la delantera(hasta hoy) en la robótica
  • 1973 ASEA fabrica el IR6, primer Robot de accionamiento completamente eléctrico
  • 1974 Kawasaki instala robot soldadura con arco para motocicletas

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  I.Antecedentes históricos

  Kawasaki fabricación de robots UNIMATION

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  I.Antecedentes históricos

I.Antecedentes históricos

  • 1978 Se crea el SCARA

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  (Selective Compliance Asembly Robotic Arm) destinado ensamblado y montaje

I.Antecedentes históricos

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  80´s 90´s Progresos en Robótica Industrial y comienza a fabricarse robots humanoides (caminantes etc) 1996 Honda crea P2, precursor de ASIMO 1997 Mars PathFinder (NASA) recoge y envía muestras en Marte 2001 iRobot crea robot doméstico teleoperado desde el Web 2004 EPSON world’s lightest flying robot 2007 ASIMO cordinated operation of multiples robots

  I.Antecedentes históricos Departamento de Ingeniería Mecánica

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  I.Antecedentes históricos Departamento de Ingeniería Mecánica

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  II.Definición de Robot

  • RAE: 1. m. Máquina o ingenio electrónico programable, capaz

  

de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas

solo a las personas.

  • – Un electrodoméstico (lavadora) es un robot?

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  II.Definición de Robot (Industrial)

  • Definición robot industrial (RIA) :
    • – Manipulador, multifuncional, reprogramable,

      controlado automáticamente, capaz de mover materias, piezas,

      herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas

  • Definición robot industrial (IFR) :
    • – Máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional

      con tres o más ejes, que pueden posicionar y orientar materiales,

      piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento

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  • Manipulador:
    • – Mecanismo compuesto por Articulaciones (joints) y eslabones (links) para mover objetos en varios GDL.

  • Multifuncional:
    • – Adaptable a distintas aplicaciones modificando ya sea la estructura mecánica o el Control

  • Reprogramable:
    • – Los movimientos programados pueden modificarse sin necesidad alterar la estructura mecánica del Robot

  • El manipulador constituye la mas importante forma de

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  II.Definición de Robot

  • Ciencia Multidisciplinar:
    • Mecánica:
    • Matemática:
    • Automática:
    • Ing.Eléctrica:
    • Informática:

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  II.Definición de Robot

  Robot Industrial y la ciencia que los estudia es la

  ROBÓTICA

  • Clasificación General de Robots:
    • –i.Humanoides
    • –ii.Móviles
    • –iii.Industriales
    • –iv.Inteligentes

  Capaces trabajar en entorno no estructurado y con eventos impredecibles. Utiliza sensores para conocer el entorno. Interacciona con usuario ,capacidad de aprendizaje.

  parámetros del sistema de control se modifican según condiciones detectadas en el proceso

  acuerdo a la trayectoria requerida

  III.Clasificación de Robots Industrilaes

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  Trabajan con total o parcial autonomía para desarrollar servicios útiles (excluidos fabricación) Guías,limpieza…

  Manipulador diseñado para mover materiales,herramientas etc. (SCARA,PUMA,STAÜBLI)

  Sobre plataforma móvil

  Con apariencia humana, trata de imitar su comportamiento (ASIMO,AIBO…)

  III.Clasificación de Robots

  • –v.Servicios
    • Clasificación de Robots Industriales (IFR)

  • – i.Según Num_Ejes:
    • 3
    • 4
    • >=5

  • – ii.Según Tipo_de_Control:
    • Secuencia controlada : ejecuta movimientos en un orden determinado.
    • Trayectoria operada/contínua control de 3 o mas ejes en movimiento para que operen de
    • Adaptativo

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  operado remótamente por operador humano

  • Teleoperados
    • – iii.Según Estructura_Mecánica:

  • • Cartesianos, SCARA, Paralelos, Angulares, Esféricos y Cilíndricos

  III.Clasificación de Robots Industriales Departamento de Ingeniería Mecánica

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  III.Clasificación de Robots Industriales Departamento de Ingeniería Mecánica

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  III.Clasificación de Robots Industriales • Tipo A : Manipulador con control manual o telemando.

  • Tipo B : Manipulador automático con ciclos preajustados;

    regulación mediante fines de carrera o topes; control por PLC;

    accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico.
  • • Tipo C : Robot programable con trayectoria continua o punto a

    punto. Carece de conocimientos sobre su entorno.
  • Tipo D : Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de éstos.

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  III.Aplicación de Robots Industriales

  • Transferencia de Material
    • – Carga/Descarga

  • Operaciones de Procesamiento
    • – Soldadura por punto
    • – Soldadura por arco
    • – Recubrimiento spray

  • Montaje e Inspección La IFR habla de : procesamiento especial(corte chorro),de entrenamiento(educación),de medida(inspección),de empaquetado(paletizaje),de estampado,de tratamiento altas temperaturas,de soldadura, de pintura, de carga y descarga,de modelado de plásticos .

  E:\Clases\videos\toma.mpg E:\Clases\videos\toma2.mpg E:\Clases\videos\toma3.mpg Departamento de Ingeniería Mecánica

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  30 Universidad Pontificia Comillas procesos y estructuración del entorno) en:

  • – Acercar los robots a la vida diaria.

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  IV.Algo mas que Robótica Industrial… • Pero hay otra robótica ….

  l Los objetivos del curso están relacionados con la robótica Industrial. l Somos conscientes de que son robots de

  primera- segunda generación.

  l Actualmente a

  nivel experimental se trabaja en

  muchos campos con dos objetivos principales: – Sacar los robots de las fábricas.

  • Necesitamos hacer robots mas inteligentes:
  • • Hasta ahora se sustituye al hombre(gracias a standarización de

    • – Tareas repetitivas y poco edificantes.
    • – Tareas de gran precisión o especialización.
    • – Tareas en entornos peligrosos .

  • Perfecta implantación en la industria de gran escala : – Más barato a la larga.
    • – No se cansa (turnos de 24 horas).
    • – No se queja.
    • – No falla.

  • Es muy difícil el salto hacia la media escala: – Entornos semi-estructurados.
    • – Rediseño y reprogramación compleja y cara.
    • – Tareas muy diversas.

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  IV.Algo mas que Robótica Industrial…

  IV.Algo mas que Robótica Industrial…

  • Robotica Aplicada:
    • – Medicina – Espacio – Construcción
    • – Submarinos – Defensa – Vigilancia

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  IV.Algo mas que Robótica Industrial…

  • Robotica Entretenimiento:
    • – Concursos – Juguetes

  • Investigación básica:
    • – Humanoides – Modulares – Imitando la naturaleza

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  • Pico en 1990 80.000 unidades
  • Recesión in 1991-1993 caída de 53.000
  • El mercado se recupera 1999 ventas 80.000
  • Crecimiento en los 4 últimos años al 20%

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  Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ICAI Universidad Pontificia Comillas V.El mercado de Multiporpose I.R.

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  37 Jaime Gómez Programación de Robots Departamento de Ingeniería Mecánica

  Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ICAI Universidad Pontificia Comillas V.El mercado de Multiporpose I.R.

VI.Morfología de Robot Industrial

  • • Sistema mecánico compuesto de: Actuadores, Sensores y

    Sistema de Control • En un sistema mecánico distinguiremos:
    • – Órgano Terminal (End-Effector, pinza, garra…)
    • – Brazo articulado (eslabones + articulaciones)
    • – Vehículo (En R.Móvil, escasos en RI)

  • Sensores :
    • – S.Internos: mide estado de estructura mecánica, giros y desplazamientos,v,a y par. Nos permite cerrar el bucle de control de la estructura mecánica (sensores velocidad,sist.navegación…)
    • – S.Externos: dan info. q sirve al Sist. Percepción para

      aprehender la realidad del entorno (visión,tacto,audición…)

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  • • Internal sensors are used to control position (encoders)

    and velocity of various joints (tachometers)
  • • External sensors are used for workcell control. They are

    used to coordinate the operation of the robots with other equipment in the cell and/or react intelligently to changes in its surrounding environment (e.g obstacles, part
    • – Tactile sensors (contact - touch, force)
    • – Proximity sensors (noncontact – range sensor measure
    • – Others?

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  VI.Sensores en Robótica Industrial

  presence, etc)

  distance)

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  VI.Sensores Internos

  • Proprioceptive sensors: these provide information on the robot’s internal state, e.g. the position of its joints.

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  VI.Sensores Internos

  Shaft decoders count revolutions, allowing for configuration data and odometry

  • Odometry is the estimation of distance and direction from a previously visited location using the number of revolutions made by the wheels of a vehicle.
  • Odometry can be considered a form of “Dead
    • – A disadvantage of dead reckoning is that since new positions

      are calculated solely from previous positions, the errors of the process are cumulative, so the error in the position fix grows with time.

  • Odometry is good for short term, relative position estimation

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  VI.Sensores Internos

  Reckoning” a more general position estimation based on time, speed, and heading from a known position.

  VI.Sensores Internos Hist. Note: Prior to the development of celestial navigation (XV), sailors navigated by "deduced" (or "dead") reckoning DR. Columbus used DR.

  In DR, the navigator finds his position by measuring the course and distance he has sailed from some known point. Starting from a known point, such as a port, the navigator measures out his course and distance from that point on a chart, pricking the chart with a pin to mark the new position. Each day's ending position would be the starting point for the next day's course-and-distance measurement.

  Course was measured by a magnetic compass, Distance was determined by a time and speed calculation: the navigator multiplied the speed of the vessel (in miles per hour) by the time traveled to get the distance(ship's speed was measured by throwing a piece of flotsam over the side of the ship. There were two marks on the ship's rail a measured distance apart.).

  http://www.columbusnavigation.com/index.shtml

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  VI.Sensores Internos

  • However, uncertainty grows, shown by error ellipses, without bound.
  • This is due to systematic and non-systematic errors.

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  VI.Sensores Internos

  • NON SYSTEMATIC:
    • – These errors can rarely be measured and incorporated into the model
    • – Error causes include uneven friction, wheel slippage, bumps,

      and uneven floors.

  • SYSTEMATIC
    • – Errors arising from general differences in model and robot

      behavior that can be measured and accounted for in the

      model, a process known as calibration.
    • – Two primary sources:

  • • Unequal wheel diameters – lead to curved trajectory

  • Uncertainty about wheel base – lead to errors in turn angle

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  VI.Sensores Internos

  • What is calibration?
    • – Es el proceso para comprobar si la respuesta de sensor ante

      determinados estímulos es la esperada. Consiste en una

      secuencia de tests para la electrónica, mecánica, compresor de aire etc.
    • – Mediante la calibración se puede determinar las respuestas a

      esperar de los sensores.

  • With calibration, model behavior becomes more similar to observed behavior. However, estimation uncertainty still grows without bound.

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  VI.Sensores Internos

  • Posición y orientación – Indican en que posición se encuentra un elemento del robot.
    • – Potenciómetro: es un resistor al que se le puede hacer el valor de su R, para de esta

      manera medir la intensidad de corriente.

  • • Es parecido a un reostato (Potenciómetro se conecta en paralelo y el reostato en serie,

    Potenciómetro no disipa potencia, reostato sí)
  • 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)
    • Encoders (Codificadores angulares de posición)

  • • A partir de un desplazamiento angular o lineal proporcionan una señal digital, que sirve para

    obtener una medida absoluta incremental del desplazamiento
  • • Formado por fuente de luz, un diodo fotorreceptor y un disco óptico con marcas que al rotar,

    generan pulsos de uz detectados por el fotoreceptor • Miden el número de grados que gira algo (motor).
  • Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco)

  Resolución: número de agujeros

  • – encoder potenciómetro

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  VI.Sensores Internos

  • – GPS (Global Positioning System)
    • The Global Positioning System (GPS) is a U.S. space-based radionavigation system

  that provides reliable positioning, navigation, and timing services to civilian users on a continuous worldwide basis -- freely available to all.

  • This system consists of three segments: the space segment, the control segment, and the user segment. The U.S. Air Force develops, maintains, and operates the space and control segments.

  The space segment consists of a nominal constellation of 24 operating satellites that transmit one-way signals that give the current GPS satellite position and time.

  The control segment consists of worldwide monitor and control stations that maintain the satellites in their proper orbits through occasional command maneuvers,

and adjust the satellite clocks. It tracks the GPS satellites, uploads updated

navigational data, and maintains health and status of the satellite constellation.

  The user segment consists of the GPS receiver equipment, which receives the signals from the GPS satellites and uses the transmitted information to calculate the user’s three-dimensional position and time.

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  • Sensores de velocidad
    • – Miden la velocidad (generalmente angular)
    • – Una forma sencilla: utilizar un sensor de posición y medir la variación de posición por u. de t.
    • – Eléctricos:

  • Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magnético)
  • Se genera tensión proporcional a la velocidad de giro
  • Varios nombres: tacogenerador, tacómetro, tacodinamo, etc
    • – Ópticos:

  • • Encoder: disco óptico con celdas detectoras de luz y una fuente de luz puntual

    incidente .
  • Las celdas se activa no si el rayo incide o no.
  • • Añadiendo detectores que detecten giro completo podremos saber el número de

    vueltas por u- de t.

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  VI.Sensores Internos

  • Vision: to identify edges and shapes of objects from digital camera images.
  • Force and Touch: to control grasping force and align mating parts during assembly and to distinguish textures of surfaces.
  • Proximity: to avoid obstacles and track paths.
  • Voice recognition: to respond to direct commands from an operator or a disabled person.

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  VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

  

  • Robot Advantages : Human advantages:
    • Strength
    • Intelligence>– Accuracy
    • Flexibility>– Speed
    • Adaptability>– Does not tire
    • Skill>– Does repetitive tasks
    • Can Learn
    • Can Measure
    • Can Estimate

  Industrial Robot vs Human

  Robot needs vision

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VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

  • Proximidad – Son usados para determinar la presencia de objetos cercanos.

  Existen muchos tipos:

  • Ultrasonidos • Magnéticos
  • Inductivos • Micro-ondas
  • Ópticos
  • Capacitivos

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  • Ultrasonidos • Uno de los sensores más utilizados en robots móviles.
    • Sensor activo de reflexión (el emisor y el receptor se colocan juntos y detectan la reflexión de los objetos)
    • Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un micrófono el reflejo. La diferencia entre ambas señales indica la distancia al objeto.
    • Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm/ms.
    • Propiedades estándar:

  • – Rango de 10 m (aprox.)
  • – 30 grados de amplitud
  • – Devuelven distancia al objeto más próximo
  • – Combinables en arrays con desfases entre ellos (más precisos)

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  VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

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  VI.Sensores Externos :: Ultrasonic

  • Desventajas:
    • – La posición real del objeto es desconocida (cualquier posición del cono a distancia d).
    • – Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran longitud.
    • – Cuanto mayor es el ángulo, más probabilidad de que se detecte un objeto no deseado.
    • – Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes).
    • – En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser muy erróneas.
    • – Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede “no verla”.

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VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

  • Ópticos
    • – Se emite luz y se captan los rebotes mediante fotodiodos o fototransistores

      (las fotoresistencias son más lentas)
    • – Se utilizan para:

  • Detectar la presencia de objetos
  • Medir la distancia a los objetos • Detección de características: encontrar una marca, seguir una línea, etc.
  • Lectura de códigos de barras
    • – Existen distintos tipos de sensores, en función del tipo de luz con la que trabaja:

    >Luz en el espectro visible
  • Infrarrojos • Láser

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VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

VI.Sensores Externos: Luz espectro visible

  • – Luz en el espectro visible • La reflexión depende del color y de las características del material.
    • En principio, los colores claros reflejan más que los más oscuros: – Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros.

  • – Los objetos claros “parecen” estar más cerca y los oscuros más lejos de lo que realmente

    están.
    • La luz ambiente es una fuente de ruido: – Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo).

  • – La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto tiempo

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VI.Sensores Externos : Ifrarrojos

  • – Infrarrojos
    • Quizás son los sensores de no-contacto más extendidos
    • Utiliza la parte del espectro del infrarrojo
    • • Para distinguir la reflexión del infrarrojo ambiente se suele modular (100 Hz

      usualmente)
    • Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son fácilmente modulables y no son visibles.
    • Problema: objetos que no reflejan el IR, tiene un rango máximo entre 50 y 75 cm.
    • La distancia aproximada se calcula por el ángulo de la luz reflejada

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  VI.Sensores Externos : Ifrarrojos Departamento de Ingeniería Mecánica

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  VI.Sensores Externos : Ifrarrojos Departamento de Ingeniería Mecánica

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  VI.Sensores Externos: Luz espectro visible

  • – Láser
    • • Para medir grandes distancias, se utiliza el mismo principio que los anteriores sensores

      cuando trabaja en modo TOF (Time of Flight).
    • • Para medir distancias menores, trabajan estudiando el desplazamiento de fase (luz

      modulada).
    • Son de una gran precisión.
    • • Normalmente, estos sensores funcionan mediante un barrido del emisor. El receptor

      recoge los ecos de las distintas posiciones del barrido, obteniendo el contorno de la

      escena.
    • Gran inconveniente: precio.

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VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

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VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

  • 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 alrgamiento (Galgas extensiométricas)
    • – Sensores piezoelectrico hechos con materiales cerámicos que generan energía eléctrica cuando son deformados
    • – Titanio de Bario: cuando se le aplica una fueza, las cargas

      negativas del material se concentran en un lado, y las

      positivas en el lado opuesto-> generándose un voltaje que está relacionado matemáticamente con la fuerza aplicada

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  • Visión artificial
    • – Uso de cámaras como sensores – Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados).
    • – Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través de una lente

      (iris) en un “plano de imagen” (retina) formando una imagen que puede ser procesada.
    • – Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente.

    • – Campo tan complejo que tradicionalmente se ha considerado como

      un campo de la informática (como la IA).

  65 Jaime Gómez Programación de Robots Departamento de Ingeniería Mecánica

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  VI.Sensores Externos en Robótica Industrial

  

Aunque hoy día es abordable con los nuevos microprocesadores.

  • Actuador :Dispositivo que transforma la señal de control de v. y pos. en un mvto. de c/u de articulaciones del Robot. Los actuadores se encargan del movimiento del Robot • Actuador Robótico mas complejo que máquina industrial:
    • – Se busca maximice: Potencia/tamaño, Pot/peso
    • – Ideal: disminuya inercias, aumente el par, mejore precisión, bajo peso y consumo …

  66 Jaime Gómez Departamento de Ingeniería Mecánica

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  VI.Actuadores eléctricos

  VI.Actuadores eléctricos

  • Un motor eléctrico puede ser:
    • – Corriente Alterna (poco empleado en Robótica)
    • – C. Continua

  • Con escobillas
  • Sin escobillas
    • – Paso a Paso

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  VI.Actuadores eléctricos Departamento de Ingeniería Mecánica

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