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Actuadores  Sistemas de Actuación Encargado de efectuar el movimiento de las partes del robot Esquema general (y componentes): Fuente de poder (eléctrico, hidráulico o...

Actuadores  Sistemas de Actuación Encargado de efectuar el movimiento de las partes del robot Esquema general (y componentes): Fuente de poder (eléctrico, hidráulico o neumático) (mecánico) articulación Señal de Amplificador Actuador Transmisión control de potencia (motor) (eléctrico) disipación de disipación de disipación de potencia potencia potencia Robot UR5  Fuente de Poder Abastece de energía al actuador (motor) a través del amplificador Fuente de poder Amplificador de potencia Para actuadores hidráulicos o neumáticos – Fuente: compresor hidráulico (brinda aceite) o neumático (brinda aire) – Internamente usan bombas eléctricas para enviar el fluido Compresor Compresor hidráulico neumático  Fuente de Poder Para motores eléctricos - Robots manipuladores Motores AC: toma de corriente (monofásica o trifásica) directa o mediante un transformador Motores DC: transformador, rectificador (puentes) y filtros - Para robots móviles Baterías NiMH (Níquel-metal hidruro) » Más “antiguas” » Rápida razón de descarga Baterías LiPo (Polímero de iones de litio) » Más ligeras que NiMH » Tienen alta densidad de energía (son pequeñas) » Relación Voltaje/Potencia “consistente” durante la descarga » Voltaje se incrementa en pasos de 3.7 V https://rogershobbycenter.com/lipoguide Otras baterías: NiCD (níquel-cadmio), alcalinas  Amplificador de Potencia Amplifica la potencia de la señal de control usando la fuente de poder – “Alimenta” directamente al actuador (adapta la potencia) Modula la potencia de la fuente de poder usando la señal de control Fuente de poder (alta potencia) Señal de control Amplificador de Actuador (baja potencia) potencia (motor) Para actuadores hidráulicos o neumáticos –Varía el flujo de fluido al actuador (proporcionalmente a la señal de control) Para motores eléctricos –Varía el voltaje o corriente (proporcionalmente a la señal de control) –Usualmente adapta el voltaje de la fuente al voltaje que necesita el motor  Amplificador de Potencia Ejemplos (para motores eléctricos) –Conversores DC-DC (motores DC de imán permanente) –Puentes H VCC Se usa para motores DC PWM Permite controlar la dirección (giro 1) motor de giro del motor La señal de control típicamente es PWM (pulse Width Modulation) L298N PWM (giro 2) PWM al 25% (menos voltaje efectivo) Ejemplo PWM al 50% de PWM PWM al 75% (más voltaje efectivo) –Inversores o conversores DC-AC Señal de control (PWM) Para motores DC brushless Salida Usualmente ESC (Electronic Speed Control) Fuente DC AC de 3 fases ESC  Actuadores Permiten el movimiento (actuación) de las diferentes partes del robot (a través de la transmisión) Amplificador de Actuadores Transmisión Potencia (motores) Según el principio de funcionamiento: – Actuadores eléctricos (motores): energía eléctrica – Actuadores neumáticos: energía neumática (aire) – Actuadores hidráulicos: energía hidráulica (fluido: aceite) – Otros tipos: térmicos, magnéticos (no comunes en robótica) Nota: –“Servo” en general significa un sistema controlado (con controlador) –Ejemplo: servomotor Servomotor = Controlador + Motor  Actuadores Neumáticos Convierten: presión de aire comprimido → energía mecánica Tipos: 1. Actuadores neumáticos lineales - Cilindros de Simple Efecto: una sola entrada de aire Entrada y salida de aire - Cilindros de Doble Efecto: dos entradas de aire Entrada y salida de aire Entrada y salida de aire  Actuadores Neumáticos Tipos: 2. Actuadores neumáticos de giro - Motor de Paletas Entrada de aire Un sentido Doble sentido Entrada Salida de aire de aire Salida de aire - Cilindro Giratorio de Paletas Entrada y salida de aire - Motores Piñón-Cremallera Entrada y Entrada y salida de aire salida de aire  Actuadores Neumáticos Características: –Dificultad de posicionamiento preciso (compresión del aire) –No se usan para seguimiento de trayectoria Principales usos en robótica: –Efector final (abrir, cerrar) http://blog.robotiq.com/bid/65604/How-Pneumatic-End-Effectors-Work –Músculos artificiales: actuadores McKibben (PAM: Pneumatic artificial muscles) Kurumaya et al. (2017). Design of thin McKibben muscle and multifilament structure  Actuadores Neumáticos Ejemplos de aplicaciones  Actuadores Neumáticos Ejemplos de aplicaciones  Actuadores Neumáticos Convierten: presión de fluido (aceite mineral) → energía mecánica Funcionamiento similar a motores neumáticos Ventajas: - Precisión (fluido poco compresible) - Elevada fuerza y torque - Estabilidad frente a cargas estáticas - Inherentemente seguro (sin “chispas”) - Auto lubricación Desventajas: - Necesita estación de potencia hidráulica - Alto costo y dificultad de miniaturización - Posible contaminación del ambiente de trabajo  Actuadores Hidraúlicos Ejemplos de aplicaciones  Actuadores Eléctricos Convierten: Energía eléctrica → Energía mecánica Usualmente llamados “motores” Principales tipos en robótica: – Motores AC (usualmente en robots industriales) – Motores DC de imán permanente Motor DC (imán permanente) con encoder – Motores DC brushless (sin escobillas) Motor brushless [DJI] Usualmente para robots aéreos (quadcopters, etc.) y submarinos (propulsores) En robots pequeños: – Motores paso a paso (stepper) – “Servomotores” Motor paso a paso “servomotor” Motor Dynamixel  Actuadores Eléctricos Son los actuadores más usados en robótica Ventajas – Abundancia de fuentes de alimentación (toma de corriente, baterías) – Bajo costo – Gran variedad de productos (son los más usados) – Alta eficiencia en conversión de potencia – No contamina los ambientes de trabajo Motor Sanyo Denki (robots industriales) Desventajas – Sobrecalentamiento en condiciones estáticas (al mantener una carga) → Alternativa de solución: uso de frenos – Necesita protección especial en ambientes inflamables  Transmisión Transmite la potencia del motor al eje de la articulación Eje de la articulación Motor Transmisión disipación de potencia ¿Por qué se utiliza? - Problema Motores: brindan altas velocidades y bajos torques Articulaciones: requieren bajas velocidades y altos torques (en manipuladores) - Solución La transmisión reduce la velocidad e incrementa el torque del motor (optimiza la transferencia de torque: de motor a eslabones)  Transmisión Transforma torque (τ) y velocidad (𝜃) Conservación motor θa eje de articulación θm de potencia Pm   m m Pa   a a Pm  Pa alta velocidad angular (𝜃𝑚 ) baja velocidad angular (𝜃𝑎 ) bajo torque (𝜏𝑚 ) alto torque (𝜏𝑎 ) Transforma el movimiento –Forma 1: movimiento rotacional → movimiento lineal –Forma 2: eje de rotación → otro eje de rotación Mejora características estáticas y dinámicas –Reduce el peso de la estructura del robot (motor cerca a la base)  Transmisión Relación de transmisión o reducción (n) –Es la relación de la velocidad angular de entrada (motor) con respecto a la velocidad angular de salida (carga o eje de la articulación) carga (eje de la articulación) motor  m rm   a ra rm ra  m ra  m , m  a , a  n  a rm Relación de transmisión Velocidades lineales iguales: vm  va (gear ratio): n > 1  a m  m m   a a n  A veces como “n:1”  m a –Si no hay disipación de potencia (Pm = Pa), n es la relación del torque de salida (carga o articulación) con respecto al torque de entrada (del motor)  Transmisión Engranajes Rectos (ruedas dentadas) –Dientes rectos –Efectos: Trasladan el punto de aplicación del eje Modifican la dirección del eje –Problemas: deformaciones, backlash Husillo y engranajes helicoidales: –Dientes helicoidales –Efectos: Cambio de dirección del eje Movimiento rotacional → movimiento translacional –Problemas: fricción, elasticidad, backlash Backlash: los dientes pueden tener movimiento relativo, disipando potencia  Transmisión Fajas dentadas y cadenas – Desplazan el motor con respecto al eje de la articulación – Problemas: Elasticidad (en fajas) Vibraciones por grandes masas a velocidades altas (en cadenas) Accionamiento directo (direct drive) – Motor dentro de los eslabones – El eje del motor coincide con el eje de la articulación Harmonic drives – Ventajas: eficiente en potencia, cero backlash, in-line, alta relación de reducción (150~200:1) – Problema: elasticidad Transmisión Ejemplo: Robot KUKA  Transmisión Harmonic Drives Partes FlexSpline Circular spline Wave generator Conectado a la carga Conectado al motor Relación de reducción Idea de funcionamiento - Dientes en Circular Spline: nC = m - Dientes en FlexSpline: nF = m - 2 - Relación de reducción (n): nC m m n   nC  nF m  (m  2) 2 [Harmonic Drive Reducer Catalog: https://www.harmonicdrive.net/downloads/catalogs] https://youtu.be/02jxx2sjaXs  Transmisión Ejemplo: Robot DLR Light Weight III Vista de una articulación: [Albu-Schaeffer et al. The DLR lightweight robot: design and control concepts for robots in human environments] Sensores  Los tres elementos de un robot Sensores – Utilizados para saber del mundo o de sus estados internos Efectores y actuadores – Usados para movimiento y manipulación Controladores – Coordina la información de los actuadores y sensores 2  Propiedades de un sistema de Medición Exactitud Concordancia de valores medidos con una referencia (valores reales/ideales) Precisión (repetibilidad) Medidas similares en diferentes mediciones de lo mismo mediciones valor real Baja exactitud Baja exactitud Alta exactitud Baja repetibilidad Alta repetibilidad Alta repetibilidad Estabilidad Mantener las mismas mediciones en el tiempo (o en variaciones de temperatura)  Propiedades de un sistema de Medición Exactitud en Robótica –Cuán cerca llega el robot a un punto deseado –Depende de: Imprecisiones mecánicas (construcción/ensamblaje del robot, flexibilidad de los eslabones/transmisiones, backlash, etc.) Cambios en la carga Errores numéricos en el control (redondeos) –Se puede mejorar con calibración cinemática Repetibilidad en Robótica –Cuán cerca el robot puede retornar a un mismo punto (en varios intentos) –Depende de: Ruido en sensores y actuadores Resolución de sensores, actuadores y control –Suele ser dado por el fabricante del robot industrial  Propiedades de un sistema de Medición Error lineal Desviación máxima con respecto a la línea que mejor se ajusta a los datos Error de offset Medida cuando la entrada (estímulo físico) es 0 Error de resolución Variación máxima de la entrada que no varía la medición (salida) salida y ym x resolución y y error lineal ym offset y0 Rango de entrada: xm x Rango de salida: ym xm entrada  Propiedades de un sistema de Medición Asimetría Bias Zona muerta salida salida salida y=x y=x y=x entrada entrada entrada No linealidad Factor de escala Cuantización salida salida salida y=x y=x y=x entrada entrada entrada Sentidos en un ser humano Sensores en un ser humano ¿Qué sensores debería tener este robot?  Sensores para un robot móvil Sensores de Contacto: Bumpers Sensores Internos – Acelerómetros – Brújulas – Giróscopo Sensores de proximidad – Sonar – Radares – Láser – Infrarojos Sensores visuales: Cámaras, Kinect Sensores de posición: GPS ¿Qué sensores debería tener este robot?  Clasificación de los sensores en Robótica ¿Qué miden? 1. Propioceptivos - Estado interno del robot - Ejemplo: posición, velocidad, torque de articulaciones, aceleración de eslabones, orientación del robot, temperatura del robot, etc. 2. Exteroceptivos - Entorno del robot (mejoran la autonomía) - Ejemplo: fuerza/torque, distancia a objetos, intensidad de luz, etc. ¿Cómo lo miden? 1. Pasivos - Usan la energía del ambiente - Ejemplo: cámara 2. Activos - Emiten energía y miden la reacción - Ejemplo: sensor de ultrasonido  Principales sensores en robótica Posición: encoders, GPS Velocidad: tacómetros, efecto Doppler Aceleración: acelerómetros Fuerza: galgas extensiométricas Orientación e inclinación: – Giroscopios, brújulas, unidad de medida inercial (IMU) Distancia (profundidad) – Basados en triangulación: triangulación óptica, luz estructurada – Basados en tiempo de vuelo (ToF): ultrasonido, láser, cámaras de ToF Imágenes: Cámaras RGB Otros sensores: de toque, de temperatura, de luz, etc.  Sensores de posición Provee: señal eléctrica proporcional al desplazamiento (lineal o angular) Desplazamiento lineal: – Potenciómetros, LVDT (linear variable differential transformers) Desplazamiento angular: – Analógicos: potenciómetros, resolvers, synchros – Digitales: encoders En robótica, los más usados (actualmente) son los encoders – Encoders absolutos – Encoders incrementales Nota: en robótica, los desplazamientos lineales se obtienen generalmente mediante transmisión (usando motores angulares)  Encoders Disco giratorio con sectores transparentes y opacos alternados, en múltiples pistas Principio: Fotoemisor (leds de luz infrarroja) → fotoreceptor genera señales: códigos digitales Posición absoluta codificada digitalmente (usualmente usando código Gray) Fotoreceptores Nt número de pistas (= N bits) 360 Resolución = 2 Nt En robótica usualmente Nt > 12  Encoders Fotoemisor Disco giratorio con sectores transparentes y opacos Disco óptico alternados y con 2 o 3 pistas – Pista A y B en cuadratura (90° desfase) → detectar dirección de rotación – Pista Z define la referencia 0 (reset del contador) B Z Fotoreceptor A 90° 6 pulsos/ A vuelta B Z Mide desplazamientos angulares incrementales contando trenes de pulsos  Encoders Al prender están listos para ser utilizados: – No necesitan un “homing” Problemas cuando hay múltiples vueltas Al iniciar, ¿cómo saber en qué vuelta está? Encoder con eje hueco a) Al apagar: almacenar la posición (memoria flash) y activar frenos (del motor). b) Usar una batería siempre activa (incluso cuando el sistema está apagado) Características usuales: – Posibilidad de interface a buses de campo (CANopen, PROFIBUS, etc.) Encoder con eje saliente – Alimentación: 5/28V (con ~1.2 W)  Odometría Odometría: integración del movimiento de la rueda para estimar la posición del robot. Se conoce: - Cuánto gira la rueda - Radio de la rueda xf = ? x x0 Posición final o Problemas: - Suelo irregular - Deslizamiento (patinaje) de la rueda - Modelo inexacto o Estimación de la posición: válida solo para movimientos cortos Sistemas de posicionamiento Global GPS Cada satélite emite su Velocidad de la señal: ~300 000 km/h posición y tiempo Receptor GPS: - Recibe la señal - Estima distancia al satélite (tiempo de llegada) - Geometría para determinar su posición exacta (3D)  Sistemas de posicionamiento Global GPS Algunas características – 24+ satélites orbitando la tierra cada 12 horas a 20 190 km. – Al menos 4 satélites cubren cada zona – La localización se determina mediante el tiempo de vuelo Retos técnicos: - Sincronización de tiempo entre cada satélite y el receptor GPS. - Medida precisa del tiempo de vuelo (0.3m por ns) - Interferencia con otras señales  Sistemas de posicionamiento Global GPS Problema: - Precisión (~3m) - No pueden ser usados en interiores  Balizas Son guías (objetos) con una posición conocida – Los humanos los usan (al estar en un lugar nuevo) Desventajas en interiores: – Requieren cambios en el ambiente (caro) – Limitan la flexibilidad y adaptabilidad a ambientes cambiantes. Sensores de Velocidad: Efecto Doppler ¿Qué es el efecto Doppler? f2 f1 Medición de la velocidad: v vo ( ft − f r ) v= 2 ft cos  v0: velocidad de la onda ft: frecuencia transmitida fr: frecuencia recibida Sensores de Velocidad: Efecto Doppler Ejemplo: - DVL = Doppler velocity logger - Usados en robots submarinos  Sensores de Orientación Determinan la orientación e inclinación del robot Pueden ser: – Propioceptivos Giroscopio Acelerómetro – Exteroceptivo Brújula Inclinómetro  Inclinómetro Es un interruptor con líquido conductor Al inclinarse, el líquido hace que haya conducción  Giroscopio Sensor de orientación Mantiene la orientación con respecto a un sistema de referencia → orientación absoluta Tipos: – Giroscopios mecánicos Giroscopio estándar Giroscopio de velocidad – Giroscopios ópticos Giroscopio de velocidad (Rated gyro) – Giroscopios piezoeléctricos  Giroscopio Giroscopio mecánico El momento angular de la rueda giratoria (rotor) mantiene el eje del giroscopio estable  Giroscopio Giroscopio óptico Giroscopios ópticos de estado sólido se basan en el mismo principio usando tecnología de microfabricación. Giroscopio óptico Giroscopio óptico de estado sólido  Acelerómetro Mide la aceleración basado en fuerzas inerciales Principios de conversión: movimiento mecánico → señal eléctrica 1. Piezoeléctrico: - Principio: presión → carga eléctrica - No mide en condiciones estáticas (si no hay presión) - Usa piezocerámica o cristales (no requiere potencia externa) 2. Piezoresistivo: - Principio: presión → cambio en resistencia eléctrica - Para altos impactos - Mide en condiciones estáticas (ejemplo: gravedad) 3. Capacitivo: - Basados en Silicio (elementos microfabricados) - Usados en acelerómetros MEMS  Acelerómetro Mide la aceleración basado en fuerzas inerciales Funcionamiento genérico: – Similar a un sistema: masa-resorte-amortiguador Eje de sensibilidad – Para obtener la aceleración (debida al movimiento): restar la gravedad.  Acelerómetro: MEMS (micro) Resorte conectado a una (micro) masa que vibra Movimiento → varía la distancia x1, x2 → varía la capacitancia Resorte x1 x2 −V0 Masa movible V0 Divisor capacitivo resorte Resorte Vx MEMS: Micro electro-mechanical system  Acelerómetro: MEMS Esquema de medición: Divisor capacitivo resorte Puede medir hasta 50g (g ≈ 9.81 m/s2) Usos en robótica: – Medir vibraciones cuando hay contactos – Como inclinómetro – Estimación de aceleración en articulaciones (para el modelo dinámico)  Unidad de medida inercial IMU Usa: – Acelerómetros → aceleración lineal – Giroscopios → velocidad angular Se puede estimar (por integración): – Velocidad lineal – Posición relativa – Orientación Problema: – Luego de periodos largos de funcionamiento ocurren errores – Necesita referencia externa para corregir.  Sensores de Fuerza Basados en galgas extensiométricas: – Mide deformación como consecuencía de fuerza o torque. – Resistencia (R) eléctrica varía con la deformación Cuando la longitud varía Cuando el área varía Medición de R: puente de Wheatstone R1 R ↑R  R2 R3  Vin Vout Vout =  −  Vin  1 R + R2 R3 + R  R2 R3 ↓R - Se obtiene R midiendo Vout - Usualmente R1=R2=R3=Ra, y R=Ra sin presión  Sensores de Fuerza Usos: – Sensor de torque en las articulaciones (ejes) Se colocan entre el motor y la articulación (eje hueco) – Sensor de fuerza/torque (6D) en el efector final: ↑R Como discos con galgas extensiométricas ↓R Ej: seguimiento con fuerza constante  Sensores de Fuerza Sensores de F/T (6D) en efectores finales: En los pies de robots humanoides Ejemplo: HRP-2 Sensores Robotiq  Sensores RCC RCC: Remote Center of Compliance – Se colocan en el efector final – Introducen complianza pasiva del efector final fuerza RCC Usados para insertar objetos  Sensores de proximidad Sensores de infrarrojo Transmisor LED IR Receptor (fotodiodo o fototransistor) Sensores de ultrasonido Utiliza el tiempo de vuelo Ángulo de emisión ~ 30°  Sensores de proximidad Sensores láser – Llamados: LIDAR (Light Detection and Ranging) LADAR (análogo a radar) Laser Rangefinder – Utiliza el tiempo de vuelo Velodyne  Sensores de proximidad Ejemplo: Velodyne – Vueltas 15 veces por segundo (15Hz) – Campo visual: 360° y 26.8° de elevación – > 1.3 millones de puntos por segundo – Distancia: 2cm, profundidad: 50m  Sensores de proximidad Luz estructurada – Proyector láser + cámara receptora Envía patrones conocidos – Ejemplo: Kinect v1  Sensores de proximidad Cámaras de tiempo de vuelo – Toda la escena se captura al mismo tiempo Photonic Mixer Device Photonic Mixer Device – Ejemplo: Kinect v2 Cámara Cámara Proyector de de color infrarroja infrarrojo  Sistemas de Visión: Cámaras Arreglos de elementos fotoresistivos (pixel) que convierten Energía luminosa → Energía eléctrica Tecnologías existentes: – CCD: Charge Coupled Device – CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor Tipos de procesamiento: – Bajo nivel (nivel de píxels) → procesamiento de imágenes – Alto nivel (detección de características) → visión computacional  Otros Sensores Piel artificial – Basado en sensores de presión Hex-o-SKIN (TUM) – Ejemplo: i-Cub  Otros Sensores Sensores de toque – Basado en el cambio de capacitancia o resistencia eléctrica 3 sensores capacitivos 2 bumpers  Robot BibaBot Cámara omnidireccional Cámara movible IMU (Unidad de Medida Inercial) Sensores de ultrasonido Sensor láser de distancia Encoders en las ruedas Bumper 1 eslabón (cuerpo) 0 articulaciones  ASIMO - 72 eslabones (incluyendo dedos) - 26 articulaciones (motores eléctricos) - 1 Parlante - Cámaras estéreo - Encoders en las articulaciones - Unidad de medida inercial (IMU) - Sensores de presión en los pies - Sensores de fuerza/torque en las manos