Lección 1 Estructura Mecánica PDF

Estructura Mecánica Robótica Industrial y Autómatas Grado en Inga . Eléctrica y Electrónica, 7o semestre Módulo de Tecnología Especifica de Electrónica Industrial (TEEI) Iñaki Arocena Elorza José Basilio Galván Herrera Dept. Automática y Computación Universidad Pública de Navarra 1 / 48 Estructu...

Estructura Mecánica Robótica Industrial y Autómatas Grado en Inga . Eléctrica y Electrónica, 7o semestre Módulo de Tecnología Especifica de Electrónica Industrial (TEEI) Iñaki Arocena Elorza José Basilio Galván Herrera Dept. Automática y Computación Universidad Pública de Navarra 1 / 48 Estructura Mecánica Índice 1 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Los eslabones Las articulaciones La cadena cinemática La estructura del brazo Configuraciones típicas Tipologías de brazo Tipologías de muñeca Accesibilidad y maniobrabilidad Articulaciones redundantes Elementos finales El problema de la herramienta Herramientas típicas Características a considerar 2 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Anatomía de un robot manipulador Anatomía de un robot manipulador Descripción de las partes principales de la estructura mecánica de un manipulador. Equivale a la estructura ósea y a sus músculos. Compuesta por elementos rígidos, los eslabones o elementos, y las articulaciones que los unen. Forman la cadena cinemática. Efector final, extremo final de la cadena cinemática. El número y tipo de articulaciones establecen los grados de libertad (g.d.l.) y la tipología del robot. Cada articulación dispone de su actuador, sensor de posición y sistema de transmisión, generalmente con un reductor. 4 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Anatomía de un robot manipulador Estructuras de brazo y muñeca Para n = m = 6 la mayoría de los manipuladores industriales se estructuran en dos partes: El “brazo” con 3 g.d.l.máx. (salvo redundancias) que define principalmente la posición espacial . La “muñeca” también con 3 g.d.l. máx. que define principalmente la orientación espacial. Ambas partes interactúan entre sí y también modifican la posición la orientación. 5 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Anatomía de un robot manipulador El efector final Define un punto de interés de la cadena cinemática. Unido siempre al extremo final del último eslabón de la cadena cinemática. Asociado generalmente a un sistema coordenado. La herramienta se fija sobre la muñeca y tiene el efecto de un eslabón añadido (con sus propios parámetros) Problema: al fijar la herramienta el efector final se tralada a la parte útil de ésta (centro del haz de láser, centro de pinza, . . .). 6 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Los eslabones Eslabones Son elementos rígidos (generalmente de acero) provistos de dos puntos articulares Un robot de n articulaciones posee n + 1 eslabones. El eslabón 0, el primero de la cadena cinemática es la base del robot. Se une a la cadena cinemática mediante una articulación. El eslabón n, el último de la cadena cinemática, tiene asimismo un único punto articular. El resto de los eslabones tienen dos puntos articulares. 7 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Los eslabones Eslabones Independientemente de su forma y material todo eslabón puede caracterizarse mediante dos parámetros La longitud: distancia ai a lo largo de la normal común entre sus dos ejes articulares. La torsión: ángulo αi formado por sus dos ejes articulares medido respecto al plano formado por éstos. Ambos parámetros se obtienen a partir de sus dos ejes articulares. 8 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Los eslabones Eslabón aislado eje articular i+1 eje articular i ón i eslab ai ai oi+1 oi Figura: Parámetros de un eslabón aislado. 9 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Los eslabones Deformación de eslabones En la práctica las limitaciones de masa introducirán elasticidad que producirá deformaciones que afectarán a la precisión final. Dos tipos de deformación: La estática, causado por la masa de la carga y del robot, causa una desviación permanente de la posición del efector final. No corregible. La dinámica, vibraciones mecánicas causadas por las elasticidades. Limitan la precisión y velocidad de las trayectorias y el tiempo de estabilización en del efector final. 10 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Los eslabones Deformación de eslabones vibraciones mecánicas q2 y0 deflexión estática m q1 x0 Figura: Deflexión y vibraciones mecánicas de una estructura. 11 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Las articulaciones Articulaciones Proporcionan movimiento entre eslabones Se clasifican según: El tipo de movimiento: giro (o rotación) y lineales (o prísmáticas). Los grados de libertad (g.d.l.) Tipos de articulación: De giro o lineales de 1 g.d.l. De coordenadas cilíndricas o planares de 2 g.d.l. Rotulianas o de coordenadas esféricas de 3 g.d.l. Los robots comerciales tienen un único g.d.l. por articulación (prismático o de giro). Cada articulación va unida a un actuador mediante una transmisión. 12 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Las articulaciones eslabón-i+1 eslabón-i+1 d qi eslabón-i eslabón-i (a) Giro (b) Lineal de 1 g.d.l de 1 g.d.l. f eslabón-i+1 eslabón-i+1 d qi eslabón-i eslabón-i y q d w eslabón-i eslabón-i+1 (c) (d) Planar de 2 Cilíndrica de 2 g.d.l. g.d.l. q (e) Giro de 3 g.d.l Figura: Tipos de articulación. 13 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador La cadena cinemática Cadena cinemática Los grados de libertad (g.d.l.) definen una de las características fundamentales de los robots Un robot con n articulaciones posee ni=1 ni g.d.l. donde ni : el no de g.d.l. de la i-ésima articulación. P La mayoría de los robots industriales poseen articulaciones de P 1 g.d.l. ni=1 ni = n. n: dimensión del espacio articular, definido por el número de articulaciones independientes. La interconexión de dos eslabones introduce un nuevo parámetro (constante o variable). 14 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador La cadena cinemática Configuración del Espacio Cartesiano Un espacio articular de dimensión n no genera necesariamente un espacio cartesiano o de configuración de igual dimensión. La dimensión del espacio cartesiano, m, alcanzable dependerá de la estructura cinemática pero m ≤ 6 siempre. El espacio cartesiano alcanzable puede ser m < 6, dependiendo de las características de las tareas. Con m=6 g.d.l. se alcanza la totalidad del espacio cartesiano, comprende la descripción total de la posición y de la orientación. Ello requiere al menos 6 g.d.l. articulares o articulaciones de 1 g.d.l no redundantes. 15 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador La cadena cinemática Articulaciones redundantes: n > m Ocurre cuando la dimensión del espacio articular es mayor que la del espacio cartesiano, Redundancia: los g.d.l. articulares que “sobran”. No aumentan la dimensión del espacio cartesiano. A veces es necesaria para evitar obstáculos en la ejecución de una tarea. Por ejemplo dos ejes articulares colineales (lineales o de giro) o más de 2 ejes de giro en paralelo. 16 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador La cadena cinemática Número de articulaciones insuficientes:n < m La dimensión del espacio articular no puede alcanzar la dimensión del espacio cartesiano deseado. El número de g.d.l. articulares es insuficiente para alcanzar la dimensión del espacio cartesiano deseado (posición y orientación). 17 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador Estructuras del brazo Estructuras La cadena cinemática del brazo puede ser abierta o cerrada abierta: cuando los eslabones se enlazan uno tras otro en serie. Solo hay un único camino entre la base y la herramienta. articulación 3 eslab ón 3 yn eslab ón lab ón n 2 xn es y0 articulación 2 esla bón 1 articulación 1 q1 x0 18 / 48 Estructura Mecánica Anatomía de un robot manipulador La estructura del brazo cerrada: cuando un eslabón tiene conexiones con más de dos eslabones. Existen puntos de bifurcación en el camino entre la base y la herramienta. articulación 3 eslab articulación 4 ón 4 ón lab 2 yn es n 3 bó la es y0 articulación 2 xn esla bón 1 q2 q1 articulación 1 x0 Figura: Ejemplo de una cadena cinemática cerrada de 2gdl. 19 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Configuraciones típicas Tipologías de robot Formas y estructuras de brazo más típicas independientemente del tamaño. Las infitas posibles construcciones se reducen en la práctica a cinco tipologías denominadas configuraciones típicas. Cada tipología posee unas ecuaciones cinemáticas, un volumen de trabajo y una accesibilidad propias. Volumen de trabajo: espacio constituido por el conjunto de puntos alcanzables por el efector final, omitiendo la orientación. La accesibilidad total: más restringida. Tiene en cuenta además la orientación y la componen los puntos que permiten cualquier orientación. 21 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Estructura del brazo La estructura del brazo establece fundamentalmente la posición del efector final. Está formado por los tres primeros eslabones, eslabones 0 a 3, con articulaciones (de 1 g.d.l.). A semejanza del brazo humano se les denomina de “tronco”, “hombro” y “codo”. 22 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Tipologías clásicas Las tipologías clásicas ideadas para “simplificar” la cinemática inversa Todas contienen una subestructura de 2 g.d.l. que genera un movimiento planario: Dos articulaciones de giro paralelas. Dos articulaciones lineales adyacentes ortogonales. Una articulación de giro y otra lineal ortogonales. Una tercera articulación, lineal o de giro, en la base o al final que gira o desplaza la subesctructura planaria obteniendo así la 3a dimensión espacial. Los movimientos planarios pueden realizarse asimismo mediante estructuras cinemáticas cerradas para obtener mayor rigidez (robots de gran tamaño). 23 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Tipologías clásicas La mayoría de los manipuladores comerciales están basados en las cinco tipologías clásicas Configuración cartesiana: tres ejes lineales ortogonales entre sí, a semejanza de un sistema de coordenadas cartesianas. Configuración cilíndrica: coordenadas cilíndricas. Tronco giratorio, hombro y codo lineales Configuración esférica: coordenadas esféricas. Tronco y hombro giratorio y codo lineal. Configuración SCARA:(Selective Compliant Articulated Robot for Assembly) hombro y codo giratorios y un eje final lineal Configuración antropomórfica: el más parecido al brazo humano, con los 3 ejes giratorios. 24 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Robot Cartesiano Volumen de trabajo d2 (y) área xy d1 (x) l0 área yz d3 (z) d2 (y) (a) Planta: Plano XY (base (b) Alzado: Plano YZ (plano robot) vertical) 25 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Robot Cilíndrico Volumen de trabajo d3 q1+ d3 área yz área xy d2 (z) q1 l0 q1- (a) Plano XY (base robot) (b) Plano YZ (plano vertical) 26 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Robot Polar Volumen de trabajo q1+ q2+ d3 d3 área xy q1 área yz l0 q2 q1- q2- (a) Plano XY (base (b) Plano YZ (plano robot) vertical) 27 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Robot SCARA Volumen de trabajo y esquema l1 área xy l2 q1 d3 (z) área yz q1+ l0 l1 +l2 q1- (a) Plano XY (base robot) (b) Plano YZ (plano vertical) 28 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Tipologías de brazo Robot antropomórfico Volumen de trabajo q1+ q3 q1 q2 2º eje l1 l2 3º eje área xy área yz l0 q1- (a) Plano XY (base (b) Plano YZ (plano robot) vertical) 29 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Muñecas Muñecas Se acoplan al extremo final de la cadena cinemática y soportan el útil o herramienta. f Todas sus articulaciones son de giro Suelen ser rotulianas o esféricas. Poseen un centro de la muñeca desacoplado. eslabón-i+1 y w eslabón-i q Figura: Muñeca esférica y su centro de muñeca (w). 30 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Muñeca rotuliana Muñeca rotuliana de robot industrial Pueden ser de uno, dos o tres grados de libertad. pitch q2 eslabón n a longitud herramient roll q1 ye z3 q3 z2 q2 w q1 ze oe q3 xe z1 yaw Figura: Muñeca esférica con herramienta. Figura: Muñeca de 3 gdl. de un robot ABB. 31 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Muñeca rotuliana Muñecas rotulianas o esféricas Poseen un punto de desacoplo entre posición y orientación que permite simplificar el problema cinemático. El centro de la muñeca, punto w, es el punto de intersección de sus tres ejes articulares. Es un punto único. Está desacoplado: no hay interacción entre su posición y la orientación de sus ejes. Su posición depende únicamente de las variables de la estructura del brazo. El origen del sistema coordenado de la herramienta, sin embargo, posee dicha propiedad de desacoplo. 32 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Accesibilidad y maniobrabilidad Accesibilidad Un robot tiene accesibilidad a un punto siempre que pueda alcanzarlo independientemente de su orientación 33 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Accesibilidad y maniobrabilidad Accesibilidad Total Se dice que un robot tiene accesibilidad total en un punto si además puede adoptar en éste cualquier orientación. Mecánicamente las articulaciones tienen un rango de movimiento limitado. Exceptuando el tercer giro de la muñeca, ninguna de las demás suele recorrer los 360o Dependiendo de las dimensiones de los eslabones, de la herramienta y de la pieza (generalmente cambiante) el útil puede “colisionar” contra su propia estructura. 34 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Accesibilidad y movilidad Maniobrabilidad Cuando además de la accesibilidad total existen distintas configuraciones posibles para acceder a un mismo punto (múltiples soluciones para una misma posición y orientación) Se puede mejorar la accesibilidad aumentando los g.d.l. Inconveniente: redundancia articular, difícil de resolver. Infinitas configuraciones para una misma posición y orientación. Se utiliza también para evitar obstáculos 35 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Accesibilidad y movilidad Movilidad Cuando por medio de mecanismos de movimiento externos al propio robot se amplia el volúmen de trabajo. Un caso típico es el robot montado sobre un eje lineal. El g.d.l. añadido no está integrado dentro del modelo cinemático del robot (no lo controla el robot) Con objetos móviles, por ejemplo una cadena de montaje sin paradas, es necesario sincronizarlo con del eje de desplazamiento. 36 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Accesibilidad y movilidad Ejemplo de un robot sobre carril lineal Figura: Robot sobre un eje lineal. 37 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Precisión y repetilidad Precisión Es una característica del error de posicionamiento respecto de un punto espacial deseado. La precisión de posición absoluta: es la capacidad del robot para situar el efector final en un punto programado con un error mínimo. Es una característica estática, se realiza cuando el robot se ha parado por completo, sin importar la trayectoria realizada. Es absoluto por ser medido respecto a un sistema de referencia único (base o estación). Geométricamente, es la distancia entre el punto deseado y el centroide de posición (posición media de todos puntos en x , y y z). 38 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Precisión y repetibilidad Repetibilidad Es una característica del error del posicionamiento espacial medio tras repetidas aproximaciones. La repetibilidad es el error medio producido al regresar a un punto programado en las mismas condiciones las veces que sean necesarias. Geométricamente se define como el radio de la esfera más pequeña que contiene todos los puntos alcanzados para un mismo punto deseado. Suele ser generalmente más pequeña que la precisión. Los criterios de análisis de prestaciones y métodos de ensayo relacionados con los robots manipuladores industriales están definidos por la norma UNE-EN ISO 9283. 39 / 48 Estructura Mecánica Configuraciones típicas Precisión y repetibilidad precisión punto deseado radio de la esfera de puntos (a) Repet. y (b) Mala precisión malas repet. y buena precisión (c) Buena (d) Repet. y repet. y mala precisión precisión buenas centroide repetibilidad Figura: Descripción geométrica de la precisión y repetibilidad. Figura: Ejemplos de precisión y repetibilidad. 40 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales El problema de la herramienta Acoplamiento Desplazan el efector final del centro de la muñeca. Existirá acoplo entre posición y orientación del efector final, aún con muñecas rotulianas. Las muñecas rotulianas, sin embargo, facilitarán el problema cinemático. 42 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales El problema de la herramienta Herramientas universales No existen, de momento, herramientas universales comerciales con la maniobrabilidad, habilidad y capacidad sensorial (temperatura, tacto y fuerza) de la mano humana. La mano humana tiene 20 g.d.l. Mano mecánica: implica resolver el problema mecánico de las transmisiones, colocación de sensores y motores, consiguiendo a la vez un diseño compacto y ligero. 43 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales El problema de la herramienta Herramientas universales El problema cinematico de una mano es de enorme complejidad dada la redundacia articular. Un mismo objeto podría asirse de infinitas formas, manteniendo la misma posición y orientación. El algoritmo del control cinemático debe decidir una solución 44 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales El problema de la herramienta Cambios morfológicos de las piezas Muchos procesos implican el manejo de objetos de distintos tamaños y formas que requieren distintos útiles para su manejo. Ciertos procesos, como la mecanización, suelen producir cambios morfológicos en las piezas que dificultan su manipulación de las piezas con una misma herramienta. Es estos casos puede ser necesario un mecanismo de enganche rápido, que incluye conexiones eléctricas y neumáticas, y un almacén de herramientas. El cambio de herramienta afecta también al volumen de trabajo y a la accesibilidad (puede chocar contra la propia estructura del robot). Se deberán actualizar parámetros de la herramienta del algoritmo cinemático. 45 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales El problema de la herramienta Incertidumbre en la posición de los objetos Es difícil conocer la posición y orientación exacta de los objetos y puntos de interés del volúmen de trabajo Para evitar este problema se mueve el robot mediante un lenguaje gestual y se memorizan los puntos de interes: carga, descarga, inserción, etc. Estos puntos se utilizan posteriormente en el programa de aplicación. 46 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales Herramientas típicas Incertidumbre en la posición de los objetos Existen algunas herramientas comerciales, por ejemplo pinzas, pero dada la infinidad de procesos posibles, muchas aplicaciones requerirán herramientas diseñadas especificamente. Las pinzas a presión. Las sujeciones por enganche. Las sujeciones por contacto (succión por ventosas). Las pinza de soldadura por puntos, soldadura por arco, autógena, oxicorte. 47 / 48 Estructura Mecánica Elementos finales Características a considerar Incertidumbre en la posición de los objetos A la hora del diseño o elección de una herramienta es necesario tener en cuenta sus características Capacidad de carga que debe soportar. Fuerza de aprehensión. Geometría y dimensiones de los objetos que puede manipular. Tolerancias máximas admisibles en su estructura geométrica. Tipo de actuación (neumático, eléctrico, hidráulico). Tiempo de actuación del mecanismo de aprehensión. Características de la superficie de contacto y limitaciones ambientales. 48 / 48