Robots Paralelos, Conceptos y Aplicaciones

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Héctor Alonso Moreno Avalos. Conferencia dada en el CONAEE 2012

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Robots Paralelos, Conceptos y Aplicaciones

  1. 1. Centro de Automática y Robótica Paralelos: Robots Paralelos: Aplicaciones.Conceptos básicos y Aplicaciones. Héctor A. Moreno Avalos Universidad Politécnica de Madrid
  2. 2. ÍNDICE1 Introducción2 Conceptos básicos3 Modelado Cinemático4 Modelado Dinámico5 Singularidades6 Espacio de Trabajo7 Aplicaciones8 Conclusiones Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  3. 3. 1: INTRODUCCIÓNRobot Paralelo:Los robots paralelos son cadenascinemáticas cerradas cuyo órgano terminal,o plataforma móvil, esta conectado a la basemediante varias cadenas cinemáticas serialesindependientes.Características Importantes:-Ligereza-Rigidez-Altas AceleracionesAplicaciones:-Simuladores de vuelo-Maquinado de piezas Quattro, Adept.-Transferencia de piezas a alta velocidad Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  4. 4. 1: INTRODUCCIÓNPosiblemente uno de los primerosdesarrollos técnicos fue realizadopor James Gwinnett en 1931.Una década después, un nuevorobot paralelo fue inventado porWilliard Pollard con el objetivo deautomatizar la pintura de spray. spray. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  5. 5. 1: INTRODUCCIÓNEn 1947 Eric Gough estableció los principios básicos de unmecanismo que permite el posicionamiento y la orientaciónde una plataforma móvil.En 1965 Stewart sugirió un mecanismo que podría serutilizado para los simuladores de vuelo. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  6. 6. 1: INTRODUCCIÓNEl interés por el estudio de los robotsparalelos comenzó en la década de los 80’s.En 1983 solo 10 artículos científicos sehabían publicado sobre este tema segúnJean P. Merlet autor del libro ParallelRobots.A la fecha, este interés se mantiene, y losinvestigadores tratan de resolver oencontrar mejores soluciones a losproblemas de planificación de trayectorias, Plataforma Stewart-Gough,determinación evitación de singularidades, Hydra Power Systems.calibración, control, etc. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  7. 7. 2: CONCEPTOS BÁSICOSLos robots paralelos estáncompuestos de dosplataformas,plataformas, una fija y otramóvil.móvil.Estas plataformas están unidasa través de piernas que soncadenas cinemáticasindependientes.En general las piernas de unrobot paralelo son simétricas. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  8. 8. 2: CONCEPTOS BÁSICOSLas piernas están compuestaspor diferentes tipos dearticulaciones:articulaciones:- Rotacionales- Prismáticas- Universales- Esféricas, etc.Generalmente, solo una de las actuada,articulaciones es actuada, y pasivas.las demás son pasivas. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  9. 9. 2: CONCEPTOS BÁSICOSLos robots paralelos se pueden clasificar por el numero de g.d.l.)grados de libertad (g.d.l.) que posee su plataforma móvil.Pueden tener de 2 a 6 g.d.l. g.d.l., Biglide.Robot de 2 g.d.l., Biglide. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  10. 10. 2: CONCEPTOS BÁSICOS g.d.l., 3RRobot de 3 g.d.l., 3RRR. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  11. 11. 2: CONCEPTOS BÁSICOS g.d.l., IRRCyN).Robot de 3 g.d.l., Orthoglide (IRRCyN). Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  12. 12. 2: CONCEPTOS BÁSICOS Stewart-Gough,Robots de 6 g.d.l. Plataforma Stewart-Gough, Systems).(Hydra Power Systems). Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  13. 13. 3: MODELADO CINEMÁTICO El modelado cinemático de robots paralelos, consiste en determinar las relaciones existentes entre las posiciones, velocidades y aceleraciones de las articulaciones actuadas (los motores) y la plataforma móvil (o efector final). Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  14. 14. 3: MODELADO CINEMÁTICOEn el modelado están involucradas dos tipos decoordenadas:Las coordenadas articulares. Estas están asociadasa las articulaciones actuadas. Por ejemplo lalongitud de los actuadores prismáticos.El vector de c. articulares se denota por q..Las coordenadas operaciones. Estas especifican laposición y orientación de la plataforma móvil (oefector final) con respecto al marco inercial.El vector de c. operacionales se denota por x. . Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  15. 15. 3: MODELADO CINEMÁTICOModelado de posición. Directo x = f (q ) Inverso q = f −1 (x)Modelado de velocidad. x & & At = Bq t=  ω A y B son las matrices Jacobianas. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  16. 16. 3: MODELADO CINEMÁTICO Modelado Inverso de Posición. q = f −1 (x) Dada la posición y orientación de la plataforma móvil obtener el valor de las coordenadas articulares. Este problema es generalmente sencillo de resolver. Realizando una suma de vectores (ver figura):A rab (i ) = A p + B R B bi − A ai A li = A rAB (i ) qi = li − Lm Centro de Héctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  17. 17. 3: MODELADO CINEMÁTICOModelado Directo de PosiciónConsiste en determinar la postura del efector finaldados los valores de las coordenadas articulares.En general es un problema muy complicado.Se han propuesto tres formas de resolver elproblema:•Analíticamente Analíticamente•Utilizando sensores extra Utilizando•Mediante métodos numéricos (algoritmo de Newton-Raphson) Mediante Newton-Raphson) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  18. 18. 3: MODELADO CINEMÁTICO Modelado Cinemático de Velocidad & At = Bq  s1T (b1 × s1 )T   T  s (b 2 × s 2 )T A= 2 B = I6 x6  M M   T T  s 6  (b 6 × s6 )    q1  &  Ap & q  & t=  q= &  2 ωB  M   &  q6  Centro de Héctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  19. 19. 4: MODELADO DINÁMICOEl Modelado Dinámico consiste en determinar larelación que existe entre el movimiento de laplataforma móvil y la fuerza requerida en losactuadores. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  20. 20. 5: SINGULARIDADESSingularidadesLas configuraciones singulares de un manipulador paraleloocurren cuando al menos una de las dos matricesJacobianas es singular. Se tienen los siguientes casos:Si A es singular, se dice que el manipulador está bajo unaconfiguración singular paralela. Gana g.d.l.Si B es singular, se dice que el manipulador está bajo unaconfiguración singular serial. Pierde g.d.l.Si A y B son singulares. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  21. 21. 5: SINGULARIDADES Configuraciones singulares del manipulador 2PRR Configuración Singulares Configuraciones Singular paralelas serial Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  22. 22. 5: SINGULARIDADES Configuraciones singulares del manipulador 3RRR Configuraciones Singulares Configuración Singular Paralelas Serial Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  23. 23. 6: ESPACIO DE TRABAJOEl espacio de trabajo de un robot es la zona del espaciofísico que puede ser alcanzada por un punto de suórgano terminal. Lo anterior incluye el espacio cartesiano terminal.y las diferentes formas de expresar la orientación (i.e.ángulos de Euler, cuaterniones, etc.). Euler, cuaterniones, etc.Para determinar el espacio de trabajo se debenconsiderar las dimensiones de los eslabones, los limitesen las articulaciones, y los diferentes tipos de singulares.configuraciones singulares. Además, se deben considerar manipulador.las colisiones entre los eslabones del mismo manipulador. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  24. 24. 6: ESPACIO DE TRABAJOCalculo del Espacio deTrabajoEl método geométricoconsiste en analizarla geometría de loseslabones y elmovimiento relativoque las articulacionespermiten realizar. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  25. 25. 6: ESPACIO DE TRABAJOCalculo del Espacio de TrabajoLa discretizacion del espacio detrabajo consiste en definir una malla denodos para ser explorada. Mediante unproceso iterativo se explora cada nodopara determinar si pertenece al espaciode trabajo o no.A través de este método se puedenconsiderara todas las restriccionesposibles, como lo son los límitesarticulares, la colisión entre eslabones,y los diferentes tipos de singularidades. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  26. 26. 6: ESPACIO DE TRABAJOEspacio de trabajo máximo (o alcanzable). Está compuesto por todos lospuntos en el espacio cartesiano que el efector final puede alcanzar con almenos una orientación.Espacio de trabajo de traslación. Está compuesto por todos los posiblespuntos en el espacio cartesiano que el efector final puede alcanzar en unaorientación dada.Espacio de trabajo de orientación. Se compone de todos las posiblesorientaciones que se pueden alcanzar para una posición fija del efector final.Espacio de trabajo diestro. Está compuesto por todos los puntos en el espaciocartesiano que pueden ser alcanzados y en los cuales se puede alcanzartodas las orientaciones.Espacio de trabajo diestro y controlable. Es un subconjunto del espacio detrabajo diestro que no contiene configuraciones singulares. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  27. 27. 7: APLICACIONESSimuladores de vuelo (CAE) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  28. 28. 7: APLICACIONES Ingersoll)Maquinado de piezas (Ingersoll) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  29. 29. 7: APLICACIONES (Fanuc Fanuc)Trasporte de objetos (Fanuc) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  30. 30. 7: APLICACIONESPosicionamiento de precisión (PI) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  31. 31. 7: APLICACIONES Tokyo)Medicina (UPM, U. de Tokyo) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  32. 32. 7: APLICACIONESDispositivos hapticos(Falcon y Dispositivo de la Universidad MiguelHernández) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  33. 33. 7: APLICACIONES (IRRCyN IRRCyN).Vertebras de un robot anguila (IRRCyN). Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  34. 34. 7: APLICACIONESRemo I es un robotsubmarino con unaestructura paralela quepermite controlar laposición y orientación delimpulsor con respecto con cabina.respecto a la cabina. Remo I, UPM. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  35. 35. 8: CONCLUSIONESVentajas:-Ligereza-Rigidez-Altas AceleracionesDesventajas:-Espacio de trabajo pequeño-Mayor número de eslabones y articulaciones-Singularidades (dos tipos) Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica
  36. 36. 8: CONCLUSIONES•En las ultimas décadas se han utilizado robots Enparalelos para muy variadas aplicaciones.•En esta presentación revisamos algunos de los Enconceptos mas importantes sobre el estudio de estetipo de robots.•Actualmente los investigadores tratan de resolver Actualmenteo encontrar mejores soluciones a los problemas deplanificación de trayectorias, determinación evitaciónde singularidades, calibración, cinemática directa,control, etc. Centro deHéctor A. Moreno Avalos Automática y Robótica

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