PROVECTO DE INGENIERIA ELECTRONICA II[ /cóN,, DE UM

/CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA
-
7-
J’
PROVECTO DE INGENIERIA ELECTRONICA II[
/cóN,, DE UM BRAZO ELECTROMECANICO ASISTIM) POR COMPUTADOR.
ALUMNOS
/
GONGORA MIRANDA FERNANDO FRANCISCO.
MENDOZA LOME JAIME.
SANCHEZ TORRES ALFONSO.
PAGiS.
ANTECEDENTES
3
DESARROLLO HISTORIC0
7
CINEMATICA Y DINAMICA DEL BRAZO DEL ROBOT
12
PLANIFICACION DE L A TRAYECTORIA Y
CONTROL DEL MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR
15
SENSORES DEL ROBOT
18
LENGUAJES DE PROGIRAMACION DE ROBOTS
20
INTELIQENCIA DEL ROBOT
22
CINEMATICA DEL BRAZO
23
CARACTERISTICAS DEL BRAZO
25
INTERFACE
27
SOFTWARE
30
OBSERVACIONES Y COMENTARIOS FINALES
32
BIBLIOURAFIA
34
"11566
ANTECEDENTES
La necesidad cada vez más presionante de aumentar la productividad y
conseguir productos acabados de una calidad uniforme, está haciendo que
la
industria
gire
cada
vez
más
hacia
una
automatización
basada
en
computador. En el momento actual, la mayoría de las tareas de fabricación
automatizadas se realiza mediante máquinas de uso especial diseñadas para
realizar funciones predeterminadas en un proceso de manufacturación. La
inflexibilidad y generalmente el alto costo de estas máquinas a menudo
llamadas
sistemas de
creciente en
el uso
automatización
de
robots
duros,
capaces
de
han
llevado
efectuar
un
a
una
interés
variedad
de
funciones de fabricación en un entorno más flexible y a un menor coste d e
producción.
La palabra r o b o t proviene de la palabra checa robota, que significa
trabajo. El diccionario Webster define a un robot. como <<un dispositivo
automático que efectúa funciones ordinariamente
humanos)).
asignadas
a
los seres
Con esta definición, se pueden considerar que las lavadoras
son robots. Una definición utilizada por el Robot Institute of America da
una descripción m á s precisa de los r o b o t s industriales: C C u n robot, es un
manipulador reprogramable multifuncíonal d i s e b d o para mover
materiales,
piezas o dispositivos especiaiizados, a t r a v é s de movimientos programados
variables para la realización de una diversidad de taread).
3
En suma, un
i
II
1
robot es
un manipulador reprogramable de uso general
externos que pueden efectuar diferentes tareas de
con sensores
montaje. Con esta
definición, un robot debe poseer inteligencia que se debe normalmente a
los
aigoritmos
de
computador
asociados
con
su
sistema
de
control
y
sensorial.
Un robot industrial es un manipuiador de uso generai controlado por
computador que consiste en algunos elementos rígidos conectados en serie
mediante
articuiaciones
prismáticas
o
de
revolucibn.
El
final
de
fa
cadena está f i j o a una base soporte, mientras el otro extremo está libre
y equipado con una herramienta para manipular objetos y realizar tareas
de montaje. El movimiento de las articulaciones resulta en, o produce, un
movimienko relativo de los distintos elementos. Mecánicamente, un robot
se compone de
un brazo y una muñeca más una herramienta. Se disefia para
alcanzar una pieza de trabajo localizada dentro de su volumen de trabajo.
El volumen de trabajo es la esfera de influencia de un robot cuyo brazo
puede colocar el submontaje de la muñeca en cuaiquier punto dentro de la
esfera. El brazo generalmente se puede mover con tres grados de libertad.
La combinación de los movimientos posiciona a la muñeca sobre la pieza de
trabajo. La muñeca normalmente consta de tres movimientos orienta a la
pieza
de
acuerdo
a
la
configuración
del
objeto
para
facilitar
su
recogida. Estos tres últimos movimientos se denominan a menudo elevación
(pitch),
,
desviacíón (yaw) y giro Croli).
I
Por tanto, para un robot con seis articulaciones, el brazo es el
4
mecanismo de posicionamiento, mientras que la muíleca es el mecanismo de
orientación.
Estos
se
conceptos
ilustran
para
robot
el
Cincinnati
Milacron T3 y el r o b o t PUMA de Unimation que se muestran en la figura
Muchos
robots
industriales,
que
están
disponibles
comercialmente,
se
utilizan ampliamente en tareas de fabricación y de ensamblaje, bales como
manejo de material, soldaduras por arco y de punto, montajes de piezas,
pintura a l spray, carga y descarga de máquinas controladas numéricamente,
exploraciones espaciales y submarinas,
invesbigación de brazos protésicos
y en el manejo de materiales peligrosos. Estos r o b o t s caen en una de las
I
I
I
i
cuakro categorías que definen movimientos básicos Wig. 2).
t
Coordenadas cartesianas Ctres ejes lineales) Cejemplo: r o b o t E - 1 de
,
IBM y el r o b o t Sigma de Olivetti).
Coordinadas cilíndricas (dos ejes lineales y un eje rokacional)
Cejemplo: r o b o t Versatran 600 de Prab).
Coordinadas esféricas C u n eje lineal y dos ejes rotacionales)
Cejemplo; Unimate 2008 de Unimation Inc.).
Coordenadas de revolución o articuladas Ctres ejes rotacionalesl
Cejemplo: r o b o t T3 de Cincinnati Milacron y el PUMA de Unimation inc.
La
mayoría
controlados
de
por
los
mini
máquínas posicionales.
robots
y
industriales
de
microcomputadores,
hoy
son
día,
aunque
básicamente
están
simples
1
Fwir 1.1
a) Robot
b)
U
Cincinnati Milacron T’.b) Robot de la serie
PUMA 560
I
i
0
De revolución
,.
""-&y.
.
I_..
.__II_
--...-.I
__^._.."_.
.---I_
~
-__._-
--
Ejecutan
una
tarea
mediante
la
grabaciíin
de
secuencias
preregistradas o preprogramadas de movimientos que han sido previamente
guiadas o ensecladas por el usuario con un control de mando portátil.
aún, estos robots
están equipados con pocos o ningún sensor externo para
obtener la información
esto,
los
robots
MAS
se
vital en s u entorno de trabajo. Como resultado de
utilizan
principalmente
en
tareas
relativamente simples. Se está dedicando “gran esfuerzo de
para mejorar el rendimiento global de los
repetitivas
investigación
sistemas manipuladores, y un
camino es a través del estudio de las diversas áreas importantes.
DESARROLLO HISTORIC0
La palabra r o b o t se introdujo en la lengua inglesa en 1921 con el drama
satírico
trabajo,
pero
que
R.U.R.
de
Karel
Capek
Universal
CRossum
Robots>.
En
este
los r o b o t s son máquinas que se asemejan a los seres humanos,
trabajan s i n descanso. Inicialmente,
los r o b o t s se fabricaron
como ayudas para s u s t i t u i r a los operarios humanos, pero posteriormente
los robots se vuelven contra sus creadores, aniquilando a toda la r a z a
humana. La obra de Capek
es
en gran medido responsable de algunas de las
creencias mantenidas popularmente acerca de los mismos en nuestro tiempo,
incluyendo la perfección de los r o b o t s como máquinas humanoides dotadas
con inteligencia y personalidades individuales. Esta imagen se reforzó en
la película alemana de r o b o t s Metrópolis, de 1926, con el r o b o t andador
e l 4 c t r i c o y s u p e r r o (Sparko),
representada en 1939 en la Feria Mundial
de Nueva York, y más recientemente por el r o b o t C3P0, protagonista en la
película
de
industriales
1977,
La
guerra
modernos
parecen
de
las
(;lalaxias. Ciertamente
primitivos
cundo
se
los
comparan
robots
con
las
expectativas creadas por los medios de comunicación durante las pasadas
décadas.
Los primeros t r a b a j o s que condujeron a los r o b o t s industriales de
hoy día se remontan al período que siguío inmediatamente a la Segunda
Guerra Mundial. Durante
los años finales de
la década de los cuarenta,
9
comenzaron programas de i n v e s t i g a c i h e n Oak Ridge y Argonne
7
National
111566
Laboratories
para
desarrollar
mecánicos
manipuladores
controlados
de
forma remota para manejar materiales radiactivos. Estos sistemas eran del
<maestro-esclavo),
tipo
movimientos
de
mano
diseñados
y
brazos
para
realizados
un
por
10s
fielmente
reproducir
operario
humano.
El
manipulador maestro e r a guiado por el usuario a través de una secuencia
de movimientos, mientras que el manipulador esclavo duplicaba a la unidad
maestra t a n indedignamente tal como le era posible. Posteriormente
realimentación
la
aKadi6
fuerza
la
de
mecánicamente
acoplando
se
el
movimiento de hs Unidades maestro y esclavo de forma que el operador
podía
sentir
su
y
esclavo
mecánico
las
fuerzas
A
entorno.
se
sustituyó
se
que
mediados
desarrollaban
de
sistemas
por
los
entre
manipulador
el
cincuenta,
&os
e
eléctricos
el
acoplo
hidráulicos
en
manipuladores tales como el Handyman de General Electric y el Minotaur I
construido
por
maestro-esclavo
capaces
de
cincuenta,
seguir
fué
Oeorge
de
podía
una
Mills.
seguido
operaciones
(dispositivo
operación
Oeneral
C.
rápidamente
repetitivas
Devoi
transferencia
de
sobre
porsistemas
autónomas.
programada
articulaw,
pasos
Cy,
de
por
de
los
&os
él
llamó
unmanipulador
cuya
y
podía
cambiada)
movimientos
sofisticados
que
dispositivo
tanto,
manipuladores
más
Amediados
un
determinados
que
por
las
P o s t e r i o r e s desarrollos de este concepto
instrucciones
e n el programa.
por
Joseph F. Engelberger
Devoi y
trabajo
desarroll6
ser programada
secuencia
El
condujo
ai
primer
robot
industrial,
introducido por Unimation Inc. en 1959. La clave de este dispositivo era
i
el uso de una computadora e n conjunción con un manipuiador para producir
una máquina que podía ser (enseñada) para realizar una variedad de tareas
de forma automática. A l contrario que las máquinas de automatización de
uso dedicado, estos robots se podían reprogramar y cambiar de herramienka
a
un
coste
relativamente
cambiaban los requisitos
de
bajo
para
efectuar
fabricación. Aunque
otros
trabajos
cuando
los robots programados
ofrecían una herramienta de fabricación nueva y potente, se hizo patente
en
los años sesenta
mejorar
sensorial.
que
significativamente
Al
comienzo
de
la
flexibilidad
mediante
esa
el
década,
de
uso
H. A.
estas máquinas se
de
una
Ernst
podía
realimentación
119621
publicó
el
desarrollo de una mano mecánica controlada por computador con sensores
táctiles.
Este
dispositivo,
llamado
el
MH-1,
podía
<sentir> bloques
y
usar esta información para controlar la mano de manera que apilaba los
bloques s i n la ayuda de un operario. Este trabajo es uno de los primeros
ejemplos de un robot capaz de tener una conducta adaptativa en un entorno
razonablemente no
estructurado. El
sistema manipulado
consistía
en
un
manipulador ANL, modelo 8, con 6 grados de libertad, controlado por una
computadora TX-O mediante un dispositivo de interfase. Este programa de
investigación posteriormente evolucionó como parte del proyecto MAC, y se
le madi6 una cámara de televisión para comenzar la investigación sobre
la percepción en la máquina. Durante el mismo período, Tomovic y
Boni
119621 desarrollaron una mano prototipo provista con un sensor de presión
que detectaba el ob&to
y proporcionaba una s e b l de realimentación de
9
I
entrada a un motor para iniciar uno de dos modelos de aprehensión.
Una vez que la mano estaba en contacto con el objeto, se enviaba a
una computadora información proporcional a s u tamaño y peso mediante
estos elementos sensibles a ia presión. En 1963, la American Machine y
Foundry Company C A W ) introdujo el r o b o t comercial VERSATRAN. Comenzando
en este mismo año,
manipuladores,
de
se
desarrollaron
diversos
diseños
de
brazos
para
tales como el brazo Roehampton y el Edinburgh. A finales
los años sesenta,
McCarthy
119681
y
en
sus colegas
el
Scanford
I
Artificial
Intelligence
Laboratory
el
publicaron
desarrollo
de
una
,
I
computadora con manos, ojos y oídos <es decir, manipuladores, cámaras de
TV y micrófonos).
!
Demostraron un sistema que reconocía mensajes hablados,
<veía> bloques distribuidos s o b r e una mesa, y los manipulaba de acuerdo
con
Durante
instrucciones.
problema
cinemático
de
un
este
período,
manipulador
Pieper
controlado
C19681
por
estudió
el
computadora,
i
mientras que Kahn y Roth C19711 analizaban la dinámica y el control de un
brazo
restringido
utilizando
control
Mientras tanto, otros países {en
potencial
de
hang-bang
€casi de
tiempo
mínimo>.
particular Japón> comenzaron a v e r el
los r o b o t s industriales. Ya en 1968, la compaKía japonesa
Kawasaki Heavy Industries negoció una
licencia
robots. Uno de los desarrollos más poco
con
usuales
Unimation para
sus
en r o b o t s sucedió en
1969,cuando se desarrolló un camión experimental por
la aenerai Electric
para La Armada Americana. En el mismo año se desarrolló el brazo Boston y
a l año siguiente ei brazo Stanford, que estaba equipada con una cámara y
10
I
por
controlado
rob6tica
computadora.
comenzaron
cuando
Algunos
estos
de
los
brazos
se
trabajos
más
utilizaron
serios
como
en
robots
manipuladores. Bejczy C19741, en el Jet Propulsion Laboratory, desarro116
una técnica de control de par
basada en computadora sobre s u brazo
Stanford ampliado para proyectos de exploración espacial. Desde entonces
han sido propuestos diversos métodos para manipuladores mecánicos. Hoy
día vemos la robótica como un campo de trabajo mucho más amplio que el
que teníamos simplemente hace unos pocos años, tratando con investigación
y
desarrollo
cinemática,
en
una
dinámica,
serie
de
áreas
pianif ícación
lenguajes de programación
e
de
inteligencia
interdiscipiinarias,
siskemas,
de
máquina.
que
control,
incluyen
sensores,
1
'
CINEMATICA Y DINAMICA DEL BRAZO DEL ROBOT
La cinemática del brazo del r o b o t t r a t a con el estudio analítico de la
geometría del movimiento de un brazo de r o b o t con r e s p e c t o a un sistema
de coordenadas de r e f e r e n c i a f i j o s i n considerar las fuerzas o momentos
que
originan
descripción
Así,
movimiento.
el
analítica
del
la
cinemática
se
interesa
espacial
del
robot
desplazamiento
por
como
la
una
función del tiempo, en particular de las relaciones entre la posición de
I
efector
\
las
variables
de
articulación
y
posición
la
orientación
y
del
final del brazo del robot.
Hay
primer
dos
I
problemas
fundamentales
problema se suele conocer
mientras que el segundo
es el
en
la
cinemática
del
robot.
problema
cinémakico
inverso. Como las
una tarea se suele dar en términos del sistema de coordenadas
se utiliza de
manera
,
como el problema cinemático directo,
variables independientes en un r o b o t son las variables de articulación,
referencia,
El
más
frecuente
el
problema
y
de
cinemático
inverso. Denavit y Hartenberg C19551 propusieron un enfoque sistemático y
generalizado
de
utilizar
álgebra
matricial para describir
y
representar
la geometría espacial de los elementos del brazo del r o b o t con respecto a
un
sistema
de
transformación
dos
eiementms
referencia
homogénea
mecánicos
fijo.
Este
método
utiliza
matriz
una
de
4x4 para describir la relación espacial e n t r e
rígidos
adyacentes
y
reduce
el
problema
cinemático d i r e c t o a encontrar una matriz de transformación homogénea 4x4
12
1
I
que
relaciona el desplazamiento espacial del sistema de coordenadas de
referencia.
Estas
matrices
transformación
de
homogéneas
son
también
útiles en derivar ecuaciones dinámicas de movimiento del brazo del robot.
En general, el problema cinemático inverso
algunas técnicas. L6s métodos utilizados
se
puede
resolver
mediante
mas cornfinmenbe son el algebraico
matricial, iterativo, o geométrico.
La dinámica del robot,
por
otra
las ecuaciones del
matemática de
parte,
trata
movimiento del
con
la
formulación
brazo. L a s ecuaciones
dinámicas de movimiento de un manipulador son un conjunto de ecuaciones
describen la
matemáticas que
conducta
dinámica
manipulador. Tales
del
ecuaciones de movimiento son útiles para simulación en computadora del
movimiento del brazo, el diseKo de ecuaciones de control apropiadas para
el robot y la evaiuaci6n del diseKo y estructura cinemática del robot. El
modelo
dinámico
real
de
un brazo
se
puede
obtener
de
leyes
físicas
conocidas tales como las leyes de Newton y la mecánica Lagrangiana. Esto
conduce
al
desarrollo
de
las ecuaciones
dinámicas
para
las distintas
articulaciones del manipulador en términos de los parámetros geométricos
e
inerciales
aplicar
de
especificados
para
los
distintos
elementos.
sistemáticamente enfoques convencionales como
Lagrange-Euler
y
de Newton-Euler
para desarrollar
las
Se
pueden
formulaciones
las ecuaciones de
movimientos del robot.
111566
A continuacibn se dara una b r e v e descripcibn del brazo realizado :
El brazo consta de 4 motores de
operación
es
de
5
elemento-articulacih
a
?volts
la
base.extensi6n
5.C.
cuyo
accionan
, estos motores
del
rango de v o l t a j e de
brazo,
altura
a
del
4
pares
brazo
y
pinza. En el caso de la base se trata de una articulación de t i p o planar
mientras que e n los tres restanbes pares son de t i p o tornillo.
El brazo cuenta con 4 grados de libertad
esta formado por
.
El sistema de sensores
semores infrarrojos a esepcibn de la pinza la cual
I
consta de un par de switches que controlan sus dos posibles posiciones
Cabierta,cerrada);
todos los motores cuentan con un switch de origen los
que s i r v e n de r e f e r e n c i a de inicio de las posiciones.
I
PLAMFICACION
DE LA TRAYECTORIA Y CONTROL DEL MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR
Con el conocimiento de la cinemática y la dinámica de un manipulador con
elementos
series,
sería
interesante
mover
los
actuadores
de
sus
articulaciones para cumplir una tarea deseada controlando al manipulador
para que siga un camino previsto. Antes de mover el brazo, es de interés
saber si hay un obstáculo presente en la t r a y e c t o r i a que el r o b o t t i e n e
que a t r a v e s a r y si la mano del manipulador necesiba viajar a lo largo de
una t r a y e c t o r i a especificada. El problema de control de un manipulador se
puede
dividir
subproblema
convenientemente
de
pianificación
en
de
dos
subproblemas
movimiento
<o
coherentes:
trayectoria>
y
el
el
subproblema del control del movimiento.
La
curva
espacial
que
mano
la
del
localización inicial Cposición y orientación)
t r a y e c t o r i a o camino. La planificación
de
trayectoria)
clase de
consignas
interpola
funciones
de
y/o
en
sigue
desde
y
la
t r a y e c t o r i a Co planificador
genera
una
secuencia
del
tiempo
para
función
una
hasta una final se llama la
aproxima la t r a y e c t o r i a deseada
polinomiales
control
de
manipulador
de
el
por
puntos
control
UM
de
del
manipulador desde la posición inicial hasta el destino.
En general, el problema de control de movimientos consiste en:
1) Obtener los modelos dinámicos del manipulador.
2)
Utilizar
estos
modelos
para
15
determinar
I
leyes
o
estrategias
de
control para consegir la respuesta y el funcionamiento del sistema
deseado.
Desde el punto de vista de análisis de
control, el movimiento de
brazo de un r o b o t se suele realizar en dos fases de control distintas. La
primera es el control de movimientos de aproximación en el cual el brazo
se
mueve desde una posiciónhrientación inicial hasta la vecindad de la
posicióxdorientación del destino deseado
a
lo largo de una t r a y e c t o r i a
planificada. E l segundo es el control del movimiento fino en el cual e l
efector
final
del
brazo
interacciona
dinámicamente
el
con
objeto
utilizando información obtenidad a t r a v é s de la realimentación sensorial
para completar la tarea.
Los enfoques industriales actuales para controlar el brazo del r o b o t
t r a t a n cada articulación del brazo como un servomecanismo de articulación
simple. Este pianteamiento modela la dinámica de un manipulador de forma
inadecuada
porque
desprecia
el
y
movimiento
la
configuración
del
macanismo del brazo de forma global. Estos cambios en los parámetros del
sistema controlado algunas veces son bastantes significativos para ser
ineficases
las estrategias de
control
por
realimentación
El resultado de ello es una velocidad de respuesta
del
final
servo reducido,
y
presición.
velocidades
haciéndolo
Los
limitando
apropiado
manipuiadores
lentas
así
con
la
precisión
solamente
controlados
vibraciones
16
y
para
de
convencionales.
y un amortiguamiento
velocidad
limitadas
esta
innecesarioas.
forma
del efector
tareas
se
Cualquier
mueven
de
a
ganancia
I
y o t r a s áreas del control del
significativa en e l rendimiento
en é s t a
brazo
consideración
del
robot
requieren
la
de
modelos
dinámicos
más
efecientes, enfoques de control sofisticados y el uso de arquitecturas de
computadoras dedicadas y kécnicas de procesamiento en paralelo.
17
X7--f--.n-r-
*-e
-r>Tlh-
.
.-
- .-
SENSOIitES DEL ROBOT
La
utilización
de
con
interaccionar
mecanismos
su
sensores
entorno
externos
una
de
manera
permite
un
a
esto
flexible,
robot
está
en
contraste con operaciones preprogramadas en las cuales a un robot se le
enseña para efectuar tareas repetitivas mediante un conjunto de funciones
programadas. Aunque esto último es con mucho la forma más predominante de
operación
de
robots
los
industriales
tecnología sensorial para dotar
inteligencia
al
tratar
con
actuales,
utilización
La
de
a las máquinas con un mayor grado de
entorno
su
es
un
realmentie
tema
de
investigación y desarrollo activo en el campo de La robótica.
La
función de
sensores del robot
los
se
pueden
dividir
en
dos
categorias principales: estado interno y estado externo. Los sensores del
estado
interno
tratan
la
con
detección
posición de la articulación del brazo, que se utiliza
robot. Por otra parte,
detección
errores
de
como
la
para controlar
el
variables
de
tales
los sensores de estado externo tratan con la
tales
como
alcance,
proximidad
y
contacto.
Los
sensores externos, se utilizan para guiado de robots, así como para la
identificación
contacto
y
y
manejo
fuerza
funcionamiento
del
de
objetos.
un
juegan
robot,
se
Aunque
papel
reconoce
los
sensores
significativo
que
la
en
sensorial más potente del robot. La visión del robot
como el proceso de extraer,
caracterizar
18
la
es
visión
proximidad
de
mejora
la
del
capacidad
se puede definir
e interpretar
información de
imágenes de
un
mundo tridimensional. Este proceso,
también comifinmente
conocido como visión de máquina o de computadora, se puede subdividir en
seis
áreas
principales:
l>Sensor,
S)Preprocesamiento,
3>Segmentací6n,
4>Descripción, S>Reconocimiento, 6>Interpretación.
Es conveniente agrupar estas diversas áreas de visión de acuerdo con
la sofisticación que ileva a s u desarrollo. Se consfderan tres niveles de
procesamiento:
visión
de
bajo,
medio
y
aito
f r o n t e r a s nítidas e n t r e éstas subdivisiones,
nivel.
Aunque
no
existen
proporcionan un marco ú t i l
para categorizar los d i s t i n t o s procesos que son componentes inherentes de
un sistema de visión por máquina.
,
1
I
I
t
LENWAJES DE FROGIMMACION DE ROBOTS
Un
gran
obstáculo
en
la
utilización
de
los
manipuladores
como
máquinas de uso general es la falta de comunicación eficaz y apropiada
e n t r e el usuario y el sistema robótico, de forma que este pueda dirigir
al
manipuiador
para
cumplir
una
tarea
dada.
Hay
formas
algunas
de
comunicarse con un robot, y los tres grandes enfoques para lograrlo son:
el reconocimiento de palabra discreta, ensefiar y reproducir y lenguajes
de programación de alto nivel.
I
E l estado actual del reconocimiento de la v o z es bastante primitivo
y
generalmente
depende
del
orador.
Pueden
reconocer
un
conjunto
1
de
palabras discretas de un vocabulario limitado y normalmente requiere que
el usuario para e n t r e palabra. Aunque es posible ahora reconocer palabras
en
tiempo
real
debido
a
algoritmos de procesamiento
componentes
de
computador
más
rápidos
e f i c i e n t e s la utilidad del reconocimiento
I
s
B
1
y
de
palabras discretas para describir una tarea es limitada. M á s aún, require
una gran cantidad de memoria para aimacenar ei discurso, y normalmente se
necesita un periodo de entrenamiento para incorporar patrones de voz con
f i n e s de reconocimiento.
E l método de enseñar y reproducir lleva comsigo el instruir al r o b o t
al dirigirlo a t r a v é s de los movimienkos que va a realizar. Esto se suele
efectuar en los pasos siguientes: 1)Dirigir
20
al r o b o t en movimiento lento
'
control manuai
utilizando
a
través de
tarea
la
de
montaje
completa,
siendo grabados los ángulos de las articulaciones del r o b o t en posiciones
apropiadas
con
fin
el
de
el
reproducir
reproducción del movimiento enseñado,
movimiento;
2)Edición
y
el movimiento e n s e b d o es
y 3)Si
correcto, entonces el r o b o t lo ejecuta a una velocidad apropiada de forma
r e p e t i t i v a . Este método se conoce también como guiado y es el enfoque más
comi'inmente utilizado e n los r o b o t s industriales de hoy día.
Un
pianteamiento
comunicación
general
más
hombre-robot
es
la
para
resolver
utilización
de
los
problemas
programación
de
de
alto
nivel, Los robots se utilizan c o m h e n t e en áreas tales como soldadura
por
arco,
soldadura
de
punto
y
pintura
ai
spray.
Estas
tareas
no
requieren interaccibn e n t r e el r o b o t y ei entorno y se pueden programar
fácilmente mediante guiado. Sin embargo, el uso de r o b o t s para efectuar
tareas de montaje reuiere generalmente técnicas de programación de alto
nivel.
Se
necesita
éste
esfuerzo
porque
el
manipulador
se
controla
normalmente por una computadora, y la manera más e f e c t i v a para que los
humanos se comuniquen con las computadoras es a través de un lenguaje de
programación de alto nivel. Más aún al utilizar programas para describir
tareas de
simplemente
montaje,
permite
ejecutando
el
a
un
robot
programa
flexibilidad y versatilidad del robot.
21
efectuar t r a b a j o s d i f e r e n t e s
apropiado.
Esto
aumenta
la
.
INTELIW,NGIA DEL ROBOT
Un problema básico en robbtica es la planificación de movimiento para
resolver alguna tarea preespecificada y luego controlar al robot cuando
ejecuta
las
órdenes
necesarias
para
conseguir
esas
acciones.
La
planificación significa seguir un curso de acción antes de actuar. Esta
parte
de
síntesis de
acción
del
problema
del
robot
se
puede
lograr
mediante un sistema de resolución de problemas que logrará algún objetivo
marcado, dada alguna situación inicial.
La investigación sobre resolución de problemas con robots a conducido
a muchas ideas acerca de los sistemas para la resolución de problemas en
inteligencia
artificial.
En
una
formulacibn
típica
de
un
problema
de
robot tenemos un robot que está equipado con sensores y un conjunto de
acciones primitivas que puede realizar en un mundo fácil de comprender.
L a s acciones del robot cambian un estado o configuración del mundo en
otro. En el mundo de bloques por ejemplo, imaginamos un mundo de algunos
bloques etiquetados colocados en una mesa o uno sobre otro y un robot
consistente en una cámara de televisión y un brazo y mano móvil que es
cap&
de tomar y mover bloques. En algunas situaciones el robot es un
vehículo móvil con una cámara de TV que efectúa tareas tales como empujar
objetos de un sitio a otro en un entorno que contiene otros objetos.
CINEMATICA DEL BRAZO
Un manipulador mecánico se puede modeiar como una cadena articuiada en
lazo abierto con algunos cuerpos rígidos <elementos> conectados en serie
por una articuiación de revolución o prismática movida por actuadores. Un
final de la cadena se une a una base soporte mientras que el otro extremo
está libre y unido con una herramienta Cel efector final) para manipular
objetos o realizar tareas de
montaje. El movimiento relativo en las
articulaciones resulta en el movimiento de los elementos que posicionan
la mano en una orientación deseada
.
En la mayoría de las aplicaciones de
robótica, se esta interesado en la descripción espacial del efector final
del manipulador con respecto ha un sistema de coordenadas de referencia
fija.
La cinemática del brazo del robot trata el estudio anaiítico de la
geometría
movimiento de
del
un
robot
con
respecto
un sistema de
a
coordenadas de referencia f i j o como una función del tiempo sin considerar
las fuerzas-momentos
la
descripción
función
del
que originan dicho movimiento
anaiítica
tiempo,
en
del
desplazamiento
particuiar
espaciales de tipo articulación y
final
del
robot
fundamentales
.
, ambas
En
está
las
.
Así pues trata con
espacial
relaciones
robot
del
entre
las variables
la posición y orientación
seccion
se
plantean
como
dos
del efector
cuestiones
de interés teórico y práctico en la cinemática del
23
robot:
1
Para un manipulador deternúnado, dado el vector de ángulos de las
q<t,>=CqC t >,%Ct >,
articulaciones
i
....,qnC t >>*T
y los parámetros geométricos del elemento, donde n e3 el nfunero de grados
de libertad,
la orientación y
Cuál es
la
posición del efector
final del
manipulador con respecto a un sistema de coordenadas de referencia ?
2
Dada
una
posición
y
orientación
deseada
del
efector
fínal
del
manipulador y los parámetros geométricos de los elementos con respecto a
un sistema de coordenadas de referencia, Puede el manipulador alcanzar la
posición y orientación de la mano que se desea ? y si puede, Cuantas
configuraciones
diferentes
del
manipulador
satisfacerán
la
misma
condición ?.
La primera pregunta se suele conocer como el problema cinemático
directo,
mientras
solución del brazo)
robot
son las
la
.
segunda
es
el
problema
cinemático
inverso
Co
Como las variables independientes en un brazo de
variables de
articulación y
una t a r e a se suele dar
en
terminos de las coordenadas de referencia, el problema cinemático inverso
se utiliza de forma m a s frecuente
.
24
CARACTEHSTICAS DEL BRAZO
Un
manipulador
4
mecánico
liamados elementos,
consite
una
Cada
de
cuerpos
rígidos,
prismáticas o
artículacion-Elemento
par
constituye
de
un
.
con N grados de libertad hay N
D e aquí que p ra un manipulador
pares
secuencia
conectados mediante articulaciones
revolución <Vease figura).
grado de libertad
en
articulación-elemento
con el enlace
O
<No considerado
parte
del
robot) unido a una base s o p o r t e donde se suele establecer un sistema de
coordenadas
inerciai
para
este sistema dinámico,
y
el Utimo
elemento
está unido a la herramienta. Las articulaciones y elementos se enumeran
hacia fuera de la base;
ent,re
la articulación 1 e3 el punto de conexión
así
el elemento 1 y la base soporte. Cada elemento se conecta, a lo mas
a otros 2, así pues no se forman lazos cerrados
En
general
articulación que
mientras
,
dos
tienen
permanecen
diferentes
(Deslizante),
de
conectan
mediante
dos superficies deslizantes,
en
contacto.
Unicamente
son
posibles
De
revoluci6n
<giratoria),
Esférica,
de
tornillo
planar
y
un
tipo
de
una sobre la obra,
:
artículaciones
Cilíndrica,
se
elementos
.
6
tipos
Prismática
<vease figural.
Un eje de articulación se establece <para la la articulación i)
en la
conexion de dos elemntos. Esté eje de articulación tendrá dos normales
conectadas a él, una para cada una de los elementos. La posición r e l a t i v a
25
.
,
- * - . - .-
.
,
, > . . .
*
tie kales elemenkos coneckados Celemento i-1
d
L
y
eiemek~i) viene
dada por
que es la distancia medida a lo largo del eje de la articulación e n t r e
las normales. El ángulo de articulaciones
e.t e n t r e las normales
en plano normal al eje de la articulación
De a@
llamar
la
y
distancia
ángulo
el
los
entre
mide
se
que d.t y ü.t se puedan
elementos
adyacentes,
respectivamente.
..
Un elemento í C í 4
Cpor ejemplo
dos
ejes
significado
, el
6)
se
conecta a io m&s a otros dos elementos
elemento i-1 y el elemento 1
de
articulación
de
los
en
elemetos,
ambos
desde
+
i); Así se esta
extremos
la
de
ecen
conexión
una perspectiva cinemática,
.
es
El
que
mantienen una configuración fija e n t r e sus articulaciónes que se pueden
.
c a r a c t e r i z a r por dos parámetros : a.
1.
m;6s
El parámetro a. es la distancia
I
corta medida a lo largo de la normal común entre los ejes de la
z.
para las articulaciones i e
1.
articulación CEs decir, los ejes z
irespectivamente),
medidos e n
iíamar
ia
UII
y
es
a.
L
el
ángulo
plano perpendicular a
longitud
y
ei
angulo
entre
.
ai
de
ejes
los
Así
a.
t
torción
de
i+l
articulación
y
a. se pueden
del
elernento
1.
i,
respectivamente.
En resumen
, se
asocian 4 parámetros
, ai ai
d.
L
e. , cada elemeto
t
de un manipulador. Si se ha establecido un convenio de signo para cada
uno de estos p a r h e t r o s , entonces constituyen un conjunto suficiente para
determinar
completamente la configuración
del brazo del robot.
26
cinemática de
cada elemento
Rcvolucion
Planar
69
Cilindrica
Prisrnaiica
Esferica
De tomillo
.
.-
..
INTERFACE
La
interface
PC-Brazo
al
igual
que
la
interfaz
utiliza
Brazo-PC
el
kit8031 como medio de comunicación e n t r e la información que el computador
requiere
mandar
al
brazo
y
viceversa,
a
continuación
se
detallan
las
conexiones realizadas desde el computador hacia el kit.
E l computador utilizado para el control del brazo f u e un PC-XT
de
comunicación
usada
fue
su
puerto
paralelo
del
cual
las
,
la via
líneas
de
c o n t r o l de comunicación fueron :
a> A u t o Feed.- Para la transmisión.
b> Busy.- Para la r e c e p c i h .
La línea de A u t o Feed se utilizó como saiida de la PC y s u función e r a
avisar al k i t la llegada de un dato del puerto paralelo hacia el PPI-8255
de este. Esta línea es activo bajo y e s t á conectada a l b i t 1 del puerto 3
del microcontrolador 8031Centrada).
La línea de Busy es utilizada como entrada a la PC esta también es
a c t i v o bajo y s u función es r e c i b i r aviso por p a r t e del k i t cuando este
requiere un nuevo dato, la lfnea es conectada al bit, O del puerto 3 del
8031Csalida).
E l dato que la PC envía es transmitido a través de las linea3 DO a D7 de
s u puerto paralelo, las c a e s son conectadas a l puerto B del PPI-8255
el
cual está programado como entrada obteniendo de esta manera el 8031 el
27
datm solicitado.
UM
vez que el 8031 adquiere el dato, es
procesado
e n un programa
ensamblador del mismo el cual será ampliamente detallado en la p a r t e de
software
del
8031.
La
finalidad
del
procesamiento
realizado
en
este
programa es básicamente decidir el n h e r o de motor que se moverá,
la
dirección e n la que lo hará y la posición a la cual llegará.
Estos o b j e t i v o s se logran con la ayuda de dos tarjetas, la primera de
ellas consta
de
multiplexorC4052>
cuatro
etapas,
analógico
el
cada
una
de
recibe
cual
estas
como
determinarán la dirección en la que se moverá
compuestas
entrada
2
de
bits
1
que
un motor en particular
Cizquíerda,derecha,paro>, la información que alimenta cada entrada de los
multiplexores
salídas
de
proviene
los
de
las
multiplexores
líneas
que
del
puerto
conmutan
entre
A
un
del
PPI-8255, las
volbaje
positivo
<+7V>,uno negativo C-?V>y la r e f e r e n c i a COY> son enviadas a una etapa de
potencia compuesta por amplificadores clase AB Cmanejo de los cuadrantes
positivo y negativo de v o l t a j e de la señal ha amplificar> cuyas salidas
son conectadas a cada uno de los motores Cd.c>.
La segunda tarjeta se compone de cuairo circuitos monoestables
cuyo
o b j e t i v o es sensar los pulsos enviados por los sensores infrarrojos del
brazo,
por cada sensada es enviado a la tarjeta
variable
que es convertido e n un pulso de
un pulso de duraci6n
duración constante
por
los
circuitos monoestables para que de e s t a forma el 8031 realize el sensado
adecuadamente.
28
,
De esba forma el programa del kit verifica mediante un conteo de pulsos
que la posici6n deseada se alcance,
una vez que esto se logra el 8031
cierra el ciclo informando a la PC que espera nuevo dako.
29
I
................
I
I
I
Y
,..._...._..........-...-..........-...--...-....-.........-....
1........ ................................................
I;
b
SOFTWARE
Software
kit
En el k i t se encuentra un programa que lleva a cabo la tarea de mover y
sensar las diferentes posiciones de cada uno de los motores en base a la
información que este recibe de la PC
.
Estro lo realiza de la siguiente
manera:
Primeramente
realiza
una
rutina
de
inícaiizacibn
consitrentre e n monitorear los switch’s de origen
de
de
el k i t solicita
el número de mot,or,
motores
cada motor
puerto 1 de 8031 al cual se conectan los swit
continuación
los
vía
el
.. P1.4> a
es CP1.l
posiciones relativas
que se movera un motor y la direccíón en que este lo hará. Posteriormente
entra en una etapa donde selecciona el motor que moverá
, una vez
esto comienza a mover dicho motor y ha actualizar s u posición
.
hecho
Cuando
esta es alcanzada el k i t avisa a PC colocando en cero el P3.0 (Auto feed
de la PC> indicando con esto que esta listo para recibir nuevo dato.
Las rutinas utilizadas
se presentan
en el siguiente listado.
Software FC
E l programa de alto nivel que maneja el control del brazo desde la PC
esta
impiementado
en
Turbo
PASCAL
5.0
.
Y
tiene
como
funciones
principales llevar la relación de las posiciones absolutas de cada motor
en consecuencia este sera el encargado de la validación de los datos de
entrada
apoyándose
en
la
presentación
de
rutinas
gráficas
que
muestran a l usuario dos vistas esquemáticas del brazo (vista superior y
lateral) que le ayudan ha t e n e r idea de la posición destino del brazo una
v e z que se han introducido las nuevas posiciones.
Dentro de su funcionamiento se t r a b a j a con una serie de resoluciones
específicas para cada motor sin embargo estas pueden ser aumentadas o
disminuidas fácilmente, de acuerdo a las nececidades dei usuario.
Para mayor detalle acerca de las rutinas y funcionamiento del programa
consultar el listado adjunto.
111566
31
OBSERYACIOWS Y CQMEWARIOS FINALES
+La elección de motores de D.C. y no de pasos para el posicionamiento del
brazo se debi6 principahnente al hecho de que un desarrollo con motores
de
pasos
se podría llevar
dificiimente
a
industriales
escalas
mientras
que el uso de niveles de D.C. presentan características mas similares a
las presentadas en situaciones reales en las cuales podrfa incluso ser
f a c t i b l e contar con motores de D.C. de potencias mayores o si los motores
fueran
A.C.
de
aplicaciones
de
circuitería
la
motores
los
no
de
variaría
pasos
mucho
son
mas
mientras
limitadas
que
a
las
nivel
industrial.
+La razón dei uso del kit 8031 para el control del brazo f u é porque
consideramos que de esta forma se aumenta la flexibilidad y versatilidad
del
control
a
debido
que
PC
la
se
encarga
exclusivamente
del
procesamiento de datos delegando las tareas de control al 8031 quien por
sus c a r a c t e r í s t i c a s de microcontrolador facilita aie;unas tareas además de
s u velocidad para realizar operaciones en ensamtilador
+La
utiiización
de
un programa de alto
nivei
.
para
controlar el
brazo
proporciona un planteamiento mas general para resolver los problemas de
comunicación
, debido
a que hay tareas que no requieren ínteraccíón e n t r e
un actuador y su entorno y pueden ser programados facílmente mediante
rutinas ensambldas de forma f i j a
efectuar
tareas
de
montaje
.
Sin embargo e¡ uso de los brazospara
requieren
32
generalmente
técnicas
de
programacríbn de aitco nivel
+Finalmente
.
consideramos
que
el
desarrollo
de
proyectos
como
el
presentado nos da una visión de ia amplitud del campo de ia robótica y La
complejidad
que
esta
presenta
ya
diversas discipiínas.
33
que
requiere
del
conocimiento
de
BIBLIOCRAFIA
Manual Técnico PC-XT
Manual Turbo Pascal 5.0
Manual Intel C8031)
Fundamentos de RoMtica
Snyder, W .E.
-Editorial Prentice Hal¡
34
4-