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Arquitectura General de los Robots: Actuadores y Sensores UCR – ECCI CI-2657 Robótica Prof. M.Sc. Kryscia Daviana Ramírez Benavides
Arquitectura General
Un robot está formado por:
Sistema de control (sistema nervioso) Sensores Efectores y actuadores Sistema de locomoción/manipulación
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Sistema de Control
Su función es controlar las acciones que ejecuta el robot de tal forma que pueda cumplir con la tarea que le ha sido asignada y tomando en consideración la información del medio ambiente.
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Sistema de Control (cont.)
Corresponde al sistema nervioso del robot, el cual puede variar en complejidad, de igual forma como varía la complejidad del sistema nervioso de los diferentes animales.
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Sistema de Control (cont.)
Las acciones a desarrollar por un robot son gatilladas por la información que éste capta del medio ambiente, pero considerando el estado interno (mental) del mismo y la tarea a realizar.
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Sistema de Control (cont.)
Las diferentes estrategias de control que pueden ser utilizadas se dividen en:
Control Reactivo (no piense, reaccione) Control Deliberativo (piense intensamente, luego actúe) Control Híbrido (Piense y actúe independientemente, en paralelo) Control basado en la conducta (Piense en la forma en que actúa)
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Sistema de Control (cont.) Control Reactivo
Conjunto de reglas estímulo/respuesta
Sensar → Actuar
Inherentemente concurrente (paralelo) No hay memoria Muy rápido y reactivo Incapaz de planificar y aprender
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Sistema de Control (cont.) Control Deliberativo
Basado en el modelo clásico
Inherentemente secuencial Planificar requiere búsqueda, la cual es lenta
Sensar → Planificar → Actuar
Buscar requiere poseer internamente un modelo del mundo La búsqueda y la planificación requieren mucho tiempo
El modelo del mundo muchas veces queda obsoleto (el mundo cambia)
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Sistema de Control (cont.) Control Híbrido
Combina los dos esquemas anteriores y es llamado frecuentemente sistemas de 3 capas:
Reactivo en su capa inferior Deliberativo en su capa superior Tercer capa que conecta las 2 capas anteriores
Las capas deben operar en forma concurrente Existen diferentes tipos de representaciones y escalas de tiempo en las diferentes capas
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Sistema de Control (cont.) Control Basado en la Conducta
Alternativa a los sistemas híbridos, pero sin capa intermedia También posee la habilidad de actuar en forma reactiva y deliberativa Utiliza una representación y una escala de tiempo única en todo el sistema, esto permite la existencia de conductas concurrentes
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Sistema de Control (cont.)
La forma en que el sistema de control es construido da lugar a dos grandes familias de robots:
Robots clásicos. Están construidos en base a componentes digitales, microprocesadores que procesan información en base a programas, y memorias que almacenan la información y los programas. Similar al sistema nervioso central de los humanos. Robots BEAM (Biology Electronics Aesthetics Mechanics). Están construidos en base a componentes analógicos, los cuales implementan en hardware (su estructura) la funcionalidad que necesitan. Similar al sistema nervioso de los insectos.
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Sensores
Son dispositivos físicos que miden cantidades físicas. El objetivo es permitir que los robots puedan recibir y percibir información desde el mundo que los rodea. Su función es similar a la de nuestros sentidos. El tipo de sensores a utilizar dependerá de la de propiedad física que necesita ser sensada (ver la siguiente tabla).
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Sensores (cont.) Propiedad Física
Tecnología
Contacto
Switch, sensor de contacto
Distancia
Ultrasonido, radar, infrarrojo
Luz
Diodo infrarrojo, fotoresistencia
Nivel de luz / Imagen
Cámaras
Sonido
Micrófono
Olor
Química
Temperatura
Termal, infrarrojo
Inclinación
Inclinómetro, giroscopio
Altitud
Altímetro
…
…
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Sensores (cont.)
El rango de complejidad de los sensores varía dependiendo de la cantidad de información que estos entregan:
Un switch es un sensor simple de tipo on/off Una cámara de video entrega una gran cantidad de información (ej. 512x512 pixeles)
Los sensores no proveen directamente la información que uno necesita (símbolos) sino que señales.
Generalmente estas señales deben ser procesadas (ej. digitalizadas, filtradas) para poder obtener información que el robot pueda entender.
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Sensores (cont.)
Los sensores de los robots pueden ser manejados de forma activa o pasiva.
Un sensor de temperatura es generalmente un sensor de tipo pasivo, es decir, solo capta información del medio ambiente. Una cámara de video puede ser activa si posee la capacidad para moverse y “activamente” buscar objetos en su medio ambiente (por ejemplo: nuestros ojos).
El tipo de percepción que tiene un robot puede ser dividida en:
Propio-percepción: Sensa estados internos (por ejemplo: tensión de los músculos, posición de un motor) Extero-percepción: Sensa estados externos (por ejemplo: visión, audición)
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Efectores y Actuadores
Un efector corresponde a cualquier dispositivo que afecte o modifique al medio ambiente.
Ejemplos: piernas, ruedas, brazos, dedos y pinzas. Un efector robótico está siempre bajo el control del robot.
Un actuador corresponde a cualquier mecanismo que permita al efector ejecutar una acción.
Ejemplos: motores eléctricos (servomotores, de paso, de corriente continua, etc.), cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos.
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Tabla. Características de Actuadores UCR-ECCI CI-2657 Robótica Arquitectura General de los Robots
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Sistema de Locomoción/Manipulación
Los robots pueden tener un sistema de locomoción y/o de manipulación.
El sistema de locomoción permite que el robot se mueva. El sistema de manipulación permite que el robot pueda mover o alcanzar objetos que estén cerca de él.
En base a estas características los robots se dividen en robots móviles y manipuladores robóticos.
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Sistema de Locomoción/Manipulación (cont.) Robots móviles
Manipuladores robóticos
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción
Los tipos de efectores que pueden ser utilizados son:
Piernas/patas (para caminar, gatear, trepar, saltar, rebotar) Ruedas (para rodar) Brazos (para trepar, gatear, colgar) Aletas (para nadar)
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
La locomoción en base a piernas es mucho más complicada que la en base a ruedas. Esto principalmente debido a problemas de estabilidad. Existen dos tipos de estabilidad:
Estática Dinámica
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
La estabilidad estática implica que el robot puede estar parado sin caerse. La estabilidad dinámica implica que el robot puede desplazarse sin caerse.
Poseer estabilidad dinámica no quiere decir que se posea estabilidad estática (por ejemplo: saltar en un pie, equilibrar una escoba invertida en la palma de la mano).
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
A modo de ejemplo los seres humanos no poseemos estabilidad estática. Nosotros podemos estar de pie porque poseemos un control activo de nuestro balance, logrado por la acción de músculos, nervios y tendones. Este control es aprendido y es la razón de que los bebés no puedan estar de pie.
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
Para que un robot posea estabilidad estática su centro de gravedad debe estar dentro de su polígono de soporte. El polígono de soporte es la proyección de sus puntos de soporte en la superficie sobre la que se encuentra.
En un robot de 2 piernas el polígono de soporte es una línea y por lo tanto no estable. En un robot de 3 piernas, con las piernas organizadas en forma de trípode y con el cuerpo sobre las mismas, el polígono de soporte es estable.
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
Normalmente mientras más piernas posea un robot más estable será. La mayor parte de los robots posee 6 piernas (hexápodos) tal como los insectos. El controlar la caminata de un robot es una tarea complicada, dado que se deben enviar las órdenes a los actuadores que controlan el movimiento de éstas.
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
Desde el punto de vista de gasto de energía es más eficiente el utilizar ruedas para desplazarse.
Al utilizar piernas siempre se debe levantar parte del cuerpo del robot para mover una pierna.
Por otra parte, al utilizar piernas se posee la capacidad de caminar por diferentes tipos de terrenos (este es el motivo por el cual los animales poseen piernas y no ruedas).
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Sistema de Locomoción/Manipulación Locomoción (cont.)
En este ámbito las posibles tareas a realizar son:
Llegar a una posición determinada Seguir una trayectoria determinada (más complicado)
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Sistema de Locomoción/Manipulación Manipulación
El objetivo de un manipulador robótico es mover parte de su cuerpo de tal forma que uno de sus efectores (mano, dedo, pinza) alcance una posición y una orientación dada en el espacio.
Con el objetivo de tomar o tocar algún objeto.
Los manipuladores robóticos más comunes son los brazos robóticos.
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Sistema de Locomoción/Manipulación Manipulación
Las uniones permiten conectar partes de los manipuladores.
A modo de ejemplo en el caso humano tenemos la muñeca, el codo, la rodilla, etc.
Los tipos de uniones más comunes son:
Rotacional (rotación alrededor de un eje fijo) Prismática (movimiento lineal)
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Sistema de Locomoción/Manipulación Manipulación (cont.)
La manipulación robótica es una tarea bastante complicada. Al alcanzar un objeto dado en el espacio, el robot debe poseer mecanismos de control en las uniones que permiten mover la parte del manipulador que alcanzará dicho objeto, respetando las leyes físicas de la cinemática y la dinámica.
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Sistema de Locomoción/Manipulación Manipulación (cont.)
En el contexto de la robótica se entiende por cinemática a la correspondencia que debe existir entre el movimiento del actuador y el movimiento resultante del efector. Para controlar un manipulador debemos conocer su cinemática (que está conectado con qué, cuántas uniones existen, los DOF de cada unión, etc.). Este conocimiento se formaliza utilizando ecuaciones, que generalmente relacionan ángulos de una unión con movimientos traslacionales (x,y,z) del efector.
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Sistema de Locomoción/Manipulación Manipulación (cont.)
La dinámica tiene que ver con la leyes que rigen los movimiento del manipulador (la velocidad y la aceleración de algún efector). Generalmente en las tareas de manipulación no solamente se necesita alcanzar un objeto, sino que también tomarlo. La tarea de tomar un objeto introduce una dificultad adicional dado que se debe controlar la fuerza que se aplica al tomar el objeto, de tal forma de no romperlo.
A modo de ejemplo el tomar un huevo o una ampolleta sin romperlos es una tarea difícil para un robot.
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Cinemática, Cinética y Dinámica
La cinemática (kinematics) estudia los movimientos aislados desde las fuerzas y toques asociados con el movimiento linear y angular respectivamente.
Además de las derivadas del movimiento con respecto al tiempo, es decir, velocidad y aceleración, incluso derivadas de orden superior están todas combinadas en la cinemática.
En pocas palabras la cinemática en robótica puede ser interpretada como los objetos de movimiento mecánico de todo tipo.
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Cinemática, Cinética y Dinámica (cont.)
La cinética (kinetic) involucra fuerzas, torques, energía, momentos de inercia, masa, equilibrio, estabilidad, etc. La cinemática y la cinética están juntas combinadas dentro de la dinámica (dynamic).
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Grados de Libertad (DOF) y Grado de Movilidad (DOM)
Un concepto clave en robótica es el de grado de libertad (DOF – degree of freedom). Grado de libertad significa la capacidad de moverse a lo largo de un eje o de rotar a lo largo de un eje. En general un cuerpo libre en el espacio tiene 6 DOF, tres de traslación (x,y,z) y tres de orientación/rotación (roll, pitch and yaw).
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Grados de Libertad (DOF) y Grado de Movilidad (DOM) (cont.)
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Grados de Libertad (DOF) y Grado de Movilidad (DOM) (cont.)
Un automóvil posee 3 DOF, 2 de posición (x,y) y uno de orientación (theta).
De estos 3 DOF solamente los de posición pueden ser controlados (por este motivo estacionarse es complicado).
El brazo humano posee 7 DOF (3 en la espalda, 1 en el codo y 3 en la muñeca), todos los cuales pueden ser controlados. A esto se debe sumar los DOF de la mano.
Dado que para tomar alcanzar cualquier objeto en el espacio se necesitan solo 6 DOF.
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Grados de Libertad (DOF) y Grado de Movilidad (DOM) (cont.)
La complejidad de las acciones que pueda realizar un robot dependerá de los DOF que posea.
Mientras más DOF posea un robot, más complejas serán las tareas que pueda realizar. Lamentablemente más complejo será también el control de estas acciones.
No todos los DOF que posea un robot pueden ser controlados (recordemos ejemplo automóvil). Por cada DOF que pueda ser controlado deberá existir al menos un actuador.
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Volumen de Trabajo (Work Space)
Corresponde al espacio en el cual el robot puede manipular su muñeca, esta es la convención que se adopta para evitar complicaciones de tamaños diferentes de los efectores que pueden ser colocados en la muñeca del robot, ya que el efector es un adicional al robot básico. Se determina por las siguientes características físicas del robot:
Configuración física del robot Tamaño de las componentes del cuerpo, brazo y muñeca. Limites de las articulaciones del robot.
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Precisión y Repetibilidad
Precisión (acurracy) es la capacidad del robot para moverse a una posición comandada a una velocidad especificada en su área de trabajo establecida.
La precisión corresponde a una medida de error, es decir, que está definida como la diferencia entre el valor medido y el valor comandado.
Repetibilidad (repeatability) es una medida de la velocidad de posición en una serie de intentos para posicionar el manipulador en una posición fija.
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Precisión y Repetibilidad (cont.)
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Fuente de Alimentación
Depende de la aplicación que se les dé a los robots.
Así si el robot se tiene que desplazar autónomamente, se alimentará seguramente con baterías eléctricas recargables, mientras que si no requiere desplazarse o sólo lo debe hacer mínimamente, se puede alimentar mediante corriente alterna a través de un convertidor.
En los robots de juguete o didácticos se pueden emplear baterías comunes o pilas, y en los de muy bajo consumo celdas solares.
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Referencias Bibliográficas
La información fue tomada de:
Ruíz del Solar, J. y Salazar, R. “Introducción a la Robótica”. Universidad de Chile.
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