Sistemas de locomoción en robótica móvil
Anuncio
Sistemas de Locomoción de robots móviles Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Consideraciones de diseño • • • • • • • • • Maniobrabilidad Controlabilidad Tracción Capacidad de subir pendientes Estabilidad Eficiencia Mantenimiento Impacto ambiental Consideraciones de ‘Navegabilidad’ Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Tipos de Locomoción Con ruedas/cintas de deslizamiento • Diferencial • Síncrona • Triciclo • Ackerman •Omnidireccionales •Otras Con patas Otros Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Algunos conceptos previos Rueda motriz: La que proporciona fuerza de tracción al robot Rueda directriz: Ruedas de direccionamiento de orientación controlable. Ruedas fijas: Sólo giran en torno a su eje sin tracción motriz. Ruedas locas o ruedas de castor. Ruedas orientables no controladas. Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Algunos conceptos previos Rueda Fija Rueda orientable centrada Rueda orientable descentrada (Rueda de Castor) Ruedas Suecas: Ruedas omnidireccionales Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Algunos conceptos previos • Centro instantáneo de Rotación (CIR) o centro instantáneo de curvatura (CIC): El punto de intersección de todos los ejes de las ruedas Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Algunos conceptos previos • Restricciones no holónomas ¿Qué significa? El robot puede moverse instantáneamente adelante o atrás pero no lateralmente por el deslizamiento de las ruedas Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Algunos conceptos previos • Restricciones no holónomas MATEMÁTICAMENTE R. Holónoma no depende de R. No Holónoma depende de y no es integrable NO INTEGRABLE Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Locomoción diferencial ω No hay ruedas directrices. El cambio de dirección se realiza modificando la velocidad relativa de las ruedas a Izquierda y Derecha Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Locomoción diferencial Ventajas: • Sistema Barato • Fácil de implementar • Diseño simple Inconvenientes: • Difícil de controlar • Requiere control de precisión para trayectorias rectas Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Problemas con locomoción diferencial: Deformación de neumáticos El cambio de diámetro de las ruedas distorsiona el control de dirección del vehículo Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Locomoción síncrona (Synchro Drive) Ventajas: • Motores separados para traslación y rotación simplifican el control • El control en línea recta está garantizado mecánicamente • Restricciones holónomas Inconvenientes: • Diseño complejo y difícil implementación Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Triciclo Ventajas: • No hay deslizamiento Inconvenientes: • Se requiere guiado no holonómo Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Locomoción Ackerman Ventajas: • Fácil de implementar • Un sistema simple de 4 barras controla la dirección Desventajas: • Restricciones no holonómas Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Otros sistemas: Omniwheels • Diseños complejos que permiten mayor libertad de movimiento que los sistemas de ruedas clásicos • Ej : Ruedas Suecas Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Omni Wheels Ventajas: • Permiten Movimientos complicados (reducen restricciones cinemáticas) Ruedas Suecas Inconvenientes: • El movimiento en línea recta no está garantizado por restricciones mecánicas: Es necesario control • Implementación Complicada Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Locomoción por cintas de deslizamiento Ventajas: • Sistema simple de controlar Inconvenientes: • Deslizamiento conduce a resultados pobres en odometría • No se dispone de modelo preciso de giro • Consume mucha potencia para girar. Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Robots con patas Ventajas: • Pueden moverse por cualquier terreno que un ser humano pueda (Ej : suben escaleras) Inconvenientes: • Muchos grados de libertadÎDifícil de controlar • Mantener la estabilidad es complicado. • Consumen mucha energía ¿ Son mejores las patas que las ruedas? Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles • La cinemática de un robot móvil describe la evolución de la posición/orientación del mismo en función de las variables de actuación. • Se desarrollará únicamente para robots con ruedas Hipótesis: • • • • • El Robot se mueve sobre una superficie plana Los ejes de guiado son perpendiculares al suelo Rodadura pura (No hay deslizamiento) Robot como sólido rígido (no hay flexión) Las trayectorias se pueden aproximar como arcos de circunferencia entre dos periods de muestre consecutivos Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelo básico del monociclo: Velocidad lineal vehículo Velocidad angular vehículo En coordenadas locales Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelo básico del monociclo: El cambio de posición en coordenadas globales se obtebdrá aplicando una rotación pura Suponiendo O equivalentemente Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelo básico del monociclo: Pasando al límite podemos obtener el modelo cinemático diferencial como Evolución de la posición y orientación del monociclo en función de su velocidad lineal y angular de guiado (variables de actuación) Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelo cinemático Jacobiano En general la cinemática de un robot móvil puede expresarse Coordenadas generalizadas Variables de actuación Matriz Jacobiana Ej: Para el monociclo con Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelo cinemático inverso (Jacobiano) Permite obtener las variables de actuación necesarias para seguir una determinada trayectoria. Si partimos del modelo Jacobiano podemos obtener el modelo inverso como: Ej: Para el monociclo con Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelos cinemáticos de algunas configuraciones a) Locomoción Síncrona Las ruedas se mueven sincrónicamente en velocidad y orientación por lo que el modelo es idéntico al del monociclo Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelos cinemáticos de algunas configuraciones b) Locomoción Diferencial El modelo se reduce al del monociclo con Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelos cinemáticos de algunas configuraciones c) Triciclo/Bicicleta El modelo se reduce al del monociclo con Y el cambio de orientación del vehículo Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial Cinemática de Robots Móviles Modelos cinemáticos de algunas configuraciones d) Ackerman El modelo se reduce al del triciclo con Y para la rueda directriz o Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial
