tema 2 morfologia est

Robótica Industrial

MORFOLOGIA

La base de estas transparencias han sido preparadas por A. Barrientos como complemento didáctico al libro Fundamentos de Robótica 2ª edición (McGraw-Hill 2007). Algunas diapositivas han sido editadas para el curso de Robótica I de Ingeniería Mecatrónica.

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Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 2

Índice

1. Estructura mecánica. Configuraciones2. Transmisiones y reductores 3. Actuadores 4. Sensores5. Elementos terminales6. Sistema de control

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Partes de un robot industrial

Estructura mecánica

Unidad de control

Efectorfinal

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Estructura mecánica de un robot manipulador (I)

Inser Robótica

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Estructura mecánica de un robot manipulador (II)

• La estructura mecánica de un robot manipulador se constituye por una cadena cinemática ! Robot = elementos o eslabones unidos por articulaciones

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• Articulaciones permiten el movimiento relativo entre 2 elementos en contacto.

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• Grados de libertad de la articulación: cada uno de los movimientos independientes que, en una articulación, puede realizar un elemento con respecto al otro.

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• Grados de libertad de la articulación: cada uno de los movimientos independientes que, en una articulación, puede realizar un elemento con respecto al otro.

• Tipos de movimiento en articulaciones:– Desplazamiento– Giro– Combinación

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Pares Bajos de ReuleauxEn 1876 Franz Reuleaux identifico los posibles movimientos entre dos elementos en contacto

Denomino pares inferiores a aquellos en los que el contacto se realiza entre superficies.

Pares superiores son cuando el contacto es puntual o lineal

De los pares inferiores sólo 3 tienen 1 gdl

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Articulaciones de robots

• En la práctica, en robótica sólo se emplean las articulaciones de solo 1 gdl (rotación y prismática).

• En caso de que un robot tuviera alguna articulación con más de un grado de libertad, se podría asumir que se trata de varias articulaciones diferentes, unidas por eslabones de longitud nula.

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Cadena cinemática abierta y cerradaCuando en una cadena cinemática, se puede llegar desde cualquier eslabón a cualquier otro, mediante al menos 2 caminos, se dice que se trata de una cadena cinemática cerrada. En caso de que solo haya un camino posible se dirá que se trata de una cadena cinemática abierta.

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Grados de libertadE l n ú m e r o d e p a r á m e t r o s independientes necesarios para especificar completamente la localización espacial de su extremo

Nota: De acuerdo a UNE EN ISO 8373:1998:

Grado de libertad: Cada una de las variables (de un máximo de 6) n e c e s a r i a s p a r a d e f i n i r l o s movimientos de un cuerpo en el espacio

EJE: cada uno de los movimientos independientes de la totalidad de las las articulaciones del robot

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Obtención de los GDL de una cadena cinemática

!= GDL del espacio de trabajo

n: Número de barras, incluida la base

j: número de articulaciones (binarias)

fi: Grados de libertad relativos permitidos a la articulación i

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Ejemplos fórmula de Grubler

!: 3

n: 4

j: 4

fi: 1 (para todas)

NGDL=3x(4-4-1)+4x1=1

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Ejemplos fórmula de Grubler

!: 3

n: 5

j: 5

fi: 1 (para todas)

NGDL=5x(5-5-1)+5x1=2

!: 3

n: 4

j: 4

fi: 1 (para todas)

NGDL=3x(4-4-1)+4x1=1

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Robot serie y paralelo

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Robot Cartesiano

• 3 articulaciones prismáticas

• Espacio de trabajo amplio.

• Precisión elevada• Velocidad baja.

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Robot Cartesiano

• 3 articulaciones prismáticas

• Espacio de trabajo amplio.

• Precisión elevada• Velocidad baja.

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Robot Cilíndrico

• Una articulación de Rotación en el eje vertical y dos prismáticas en z y en el radio.

• Se adapta bien a espacios de trabajo en círculo (robot en el centro de la célula)

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Robot Cilíndrico

• Una articulación de Rotación en el eje vertical y dos prismáticas en z y en el radio.


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Robot Esférico

• Dos articulaciones rotativas y una prismática


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Robot Esférico

• Dos articulaciones rotativas y una prismática


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Robot Scara• Scara (Selective

Compliance Assembly Robotic Arm)

• Dos articulaciones rotativas en el mismo plano y una prismática en el eje vertical.

• Especialmente diseñado para tareas en la dirección del eje vertical (p.e: ensamblado, pick&place)

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Robot Scara

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Robot Articular

• Tres articulaciones rotativas

• Trabaja bien en Areas esféricas pero se adpata en general a cualquier área.

• Es el más versatil

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Robot Articular

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Robot Paralelo

• Reparte por igual las cargas entre todos los actuadores

• Compensa los errores en transmisiones y actuadores.

• Volumen de trabajo reducido

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Robot Paralelo

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Configuraciones más frecuentes

•La mayor parte de los robots instalados son de configuración articular

•Las configuraciones cilíndrica y esférica están en desuso

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Redundancia

Permite mejorar la accesibilidad-maniobrabilidadNúmero de ejes > Número de GDL

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Redundancia

y aumentar el campo de trabajo

Número de ejes > Número de GDL

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Transmisiones y reductores

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• Justificación– Reducción del momento de inercia (acercamiento de los

actuadores a la base)– Adaptar velocidades y pares de los actuadores– Conversión lineal-circular y viceversa

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• Justificación– Reducción del momento de inercia (acercamiento de los

actuadores a la base)– Adaptar velocidades y pares de los actuadores– Conversión lineal-circular y viceversa

• Características necesarias– Tamaño y peso reducido– Mínimos juegos u holguras– Gran rendimiento– Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par

elevado

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Sistemas de transmisión para robots

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Reductores

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Reductores

• Adaptación de velocidades– Relación de reducción elevada (100)– Par de salida nominal alto (punta muy alto)– Compactos (vajo volumen)– Ligeros– Bajo momento de inercia– Alto rendimiento (>80%)– Velocidad de entrada alta ( > 3000 rpm)

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Reductores

• Adaptación de velocidades– Relación de reducción elevada (100)– Par de salida nominal alto (punta muy alto)– Compactos (vajo volumen)– Ligeros– Bajo momento de inercia– Alto rendimiento (>80%)– Velocidad de entrada alta ( > 3000 rpm)

• Precisión– Bajo juego angular (backslash)– Alta rigidez torsional

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Reductores específicos

• Tendencia a ejes coaxiales frente a los paralelos o perpendiculares– Menor espacio– Mejor rendimiento

• Harmonic Driver (http://www.harmonicdrive.net/)

• Cyclo

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Reductor Harmonic Drive• Concebido en 1955 por C.

Walton Musser– Patent Number 2,906,143

• 1962: Se usa en equipos espaciales

• 1971: Se usa para el Rover lunar (cada rueda estaba equipada con un motor DC de 186 w - 10,000 rpm y un harmonic drive 80:1)

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Reductor Harmonic Drive

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Reductor CYCLO

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Reductor CYCLO

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Reductor CYCLO

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Robots de accionamiento directo (DD)

Robots de accionamiento eléctrico sin reductores

• Ventajas:– Disminuye fricción, elasticidad, histéresis – Posicionamiento rápido y preciso – Mayor controlabilidad (aunque más

compleja)– Simplificación del sistema mecánico

• Desventajas:– Necesidad de motores especiales (par

elevado a bajas revoluciones con alta rigidez)

– Reducción de la resolución del codificador de posición

– Las perturbaciones inciden directamente sobre el par del motor (sin verse divididas por el cuadrado de la reducción)

• Típicos en robots SCARA

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Actuadores

• Tipos empleados en robótica:– Neumáticos (cilindros y motores)– Hidráulicos (cilindros y motores)– Eléctricos (DC , AC y Motores paso a paso)

• Características:– Potencia– Controlabilidad y buena respuesta dinámica– Peso y volumen (baja relación peso-potencia)– Precisión– Velocidad– Mantenimiento– Coste

• En la actualidad los robots comercializados usan mayoritariamente el accionamiento eléctrico

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Comparación de actuadores

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Problemas de los accionamientos por CC• Corriente por el rotor ! Dificultad de disipación

térmica ! limitación de potencia• Chispas "! Riesgo de explosión • Calentamientos a bajas velocidades con par alto • Desgaste escobillas (mantenimiento)• Dificultades de fabricación (bobinados…)

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Ventajas de los Motores sin escobillas• Menor mantenimiento• Menor momento de inercia• Alto par a velocidad nula• Mejor rendimiento (No hay pérdidas en rotor)• Mejor disipación térmica (devanado en contacto

con carcasa)• Mejor relación potencia – peso o volumen• No riesgo de explosión• Menor ruido

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Motores paso a paso imanes permanentes

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Sensores internos

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Encoder incremental• Disco rotativo con 2 series de bandas concéntricas (A-B) translúcida/opaca

que interceptan el paso de la luz en parejas fotodiodo-fotoreceptor.• Dan un número de impulsos proporcional al ángulo girado.• Precisan de un contador de impulsos y de una posición de puesta a cero

(Banda C).• La resolución depende del número de franjas de las bandas (100.000 pulso/

vuelta)• Utilizando los flancos de subida y bajada de los 2 canales se multiplica por 4

la resolución.

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Encoder. Detección del sentido de giroBiestable D: Copia la entrada (A) en la salida (Q), cuando el reloj (B) tiene flanco positivo

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Encoder absoluto• Disco rotativo con n series de bandas concéntricas

translúcida/opaca que interceptan el paso de la luz en parejas fotodiodo-fotoreceptor.

• Dan un valor binario asociado a la posición (código binario o Gray)

• La resolución depende del número de bandas n (12 a 16 bits -> 65536 =0.00054º)

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Resolver

• Bobinados móviles (con el ángulo a medir) situados en planos perpendiculares se excitan con corriente senoidal (400 Hz)

• Dos bobinados estáticos situados en planos perpendiculares, y concéntricos al rotor, recogen corrientes inducidas, actuando como el secundario de un transformador.

• Al excitar las bobinas del rotor con V sen wten el estator se induce: E1= V sen wt cos θ E2= V sen wt sen θ

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Sensores externos

Otros sensores internos de robots

• Velocidad: Tacogeneratriz

• Fuerza:Galgas o piezoelectricos

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Elementos terminales

Los elementos terminales, también llamados efectores finales (end effector) son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas.

Son independientes del robot

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Elementos de sujección

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Pinzas neumáticas

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Pinzas neumáticas

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Ventosa de vacío

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Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores

Ventosa de vacío

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Otros Elementos de Sujeción

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Herramientas terminales

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Robot con Pinza soldadura puntos

IRB 6600ID (ABB)

• Cableado interno

• Alcance 2.75 m

• Carga 170 Kg

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Robot con Pinza soldadura puntos

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Antorcha de soldadura al arco

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Robot de soldadura al arco

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Pistolas de pintura

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Pistolas de pintura

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Corte por chorro de agua

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Corte por Plasma

5555


Corte por laser

5656


Soldadura por laser

5757


Maquinado

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Pulido

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Toma de Medidas

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Suministro de Material Adhesivo

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Robot Atornillador

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Desbarbado

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Pinza Universal

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Controlador

• Multiprocesador• Bus PCI• Memoria masiva por

HD o Flash• 2040 I/O 24vt o relé• 2x0-10v, 3x ±10v

1x4-20 mA• 3xRS232 ó RS422• Ethernet,Devicenet,

Interbus, Profibus DP

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Armario de control

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tema 2 morfologia est

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