/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-