Este documento describe la morfología de los robots manipuladores. Explica que están formados por una serie de elementos unidos por articulaciones que permiten el movimiento. Los actuadores generan este movimiento y pueden ser eléctricos, hidráulicos o neumáticos. Finalmente, presenta modelos físicos de los motores eléctricos DC que son comúnmente usados para accionar los robots.

1. MORFOLOGÍA DE LOS
ROBOTS MANIPULADORES
Equipo #2
Emanuel De León
Braulio Flores
Ángel Casillas
Mario Silva
Humberto Lerma
Alfredo Zamora
Vicente Ibañes
Ricardo fernandez

2. ÍNDICE: MORFOLOGÍA DEL ROBOT
MANIPULADOR
 Estructura mecánica de un robot
 Elementos y enlaces. Grados de libertad
 Tipos de articulaciones
 Configuraciones básicas
 Elementos finales
 Volumen de trabajo
 Transmisiones y reductoras
 Actuadores:
 Eléctricos
 Hidráulicos
 Neumáticos
 Modelos físicos
Ema

3. ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN
ROBOT
 Un robot manipulador está típicamente formado por una serie de
elementos (segmentos, eslabones o links) unidos mediante
articulaciones (joints) que permiten un movimiento relativo entre
cada dos eslabones consecutivos. Este movimiento es producido por
los actuadores. El último elemento se denomina "elemento terminal”
(pinza, herramienta...)
 El movimiento de la articulación puede ser:
 De desplazamiento
 De giro
 Combinación de ambos
 Grado De Libertad (GDL) “Degree Of Freedom” (DOF):
 Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada
articulación con respecto a la anterior. El número de GDL del robot viene
dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen.
 Los grados de libertad equivalen al número de parámetros
independientes que fijan la situación del elemento terminal.
 Variables de estado:
 Parámetros que definen la configuración (posición, orientación, etc) del
elemento terminal
Ema

4. ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN
ROBOT
Tipos de articulaciones:
Ema

5. ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN
ROBOT
• Empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en
un robot, implica:
– Diferentes configuraciones
– Tener en cuenta las característica específicas del robot a la hora del
diseño y construcción del mismo, y del diseño de las aplicaciones.
Ema

6. ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN
ROBOT
 Elementos terminales
 Son los encargados de interaccionar directamente con el
entorno del robot.
 Pueden ser tanto elementos de aprehensión como
herramientas.
 Normalmente son diseñados específicamente para cada tipo
de trabajo.
 Volumen de trabajo
 Volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot.
 Volumen determinado por:
 el tamaño, forma y tipo de los segmentos que integran el robot.
 Las limitaciones de movimiento impuestas por el sistema de
control
 Nunca deberá utilizarse el elemento terminal para la obtención
del espacio de trabajo. Las razones son:
 El elemento terminal es un añadido al robot
 Si variase se tendría que calcular de nuevo el espacio de trabajo
chente

7. TRANSMISIONES Y REDUCTORAS:
 Transmisiones: elementos encargados de
transmitir el movimiento desde los actuadores
hasta las articulaciones.
 Reductoras o engranajes: elementos encargados
de adaptar el par y la velocidad de la salida del
actuador a los valores adecuados para el
movimiento de los elementos del robot.
Generalmente se reduce la velocidad del
actuador (de ahí el nombre).
chente

8. ACTUADORES
 Los actuadores generan el movimiento de los elementos
del robot
 La mayoría de los actuadores simples controlan
únicamente 1 GDL (izq-der, arriba-abajo)
 Un cuerpo libre en el espacio en general se representa
mediante 6 variables de estado:
 3 de traslación (x,y,z)
 3 de orientación (P.ej. Los ángulos de Euler).
 No siempre Nº GDL = Nº Variables estado.
 Para la representación de la posición de un automóvil se usan
3 variables de estado: 2 de traslación (x,y) y 1 de orientación.
 Sin embargo, sólo tiene 2 GDL: acelerador (adelante y atrás)
y dirección (volante).
 Luego hay movimientos imposibles (movimiento lateral).
 Aunque maniobrando pueda adquirir cualquier
configuración.
casillas

9. HOLONOMÍA Y REDUNDANCIA
 Cuando el número de GDL es igual al número de variables de
estado, el robot es holónomo.
 Si el número es menor, el robot es no-holónomo (ej. Coche).
 Si el número es mayor es redundante. Ejemplo, un brazo
humano
 Tiene 7 GDL: 3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca (no
contamos los dedos)
 Un objeto en el espacio sólo tiene 6 variables de estado.
 Eso hace que haya varias formas de colocar la mano de la misma
forma.
 Aunque la redundancia dé más “riqueza” al movimiento, complica
la manipulación. Actualmente resolver la redundancia está en
plena investigación.
 Un robot no-holónomo posee ligaduras, que típicamente se
deben a un contacto de un elemento con el mundo.
 Normalmente un robot móvil tiene ligaduras: la condición de
rodadura ideal de las ruedas en contacto con el suelo (no
pueden patinar). Ciertos robots móviles son omnidireccionales:
en la práctica son holónomos.
casillas

10. EJEMPLOS
casillas

11. ACTUADORES ELÉCTRICOS
 Interacción entre dos campos magnéticos (uno de ellos al menos, generado
eléctricamente) provoca movimiento.
 Los motores de corriente continua (DC) son los más utilizados en la actualidad
debido a su facilidad de control, mayor potencia/peso, rendimiento, precio,
etc.
 Controlados por inducido (usado en robótica)
 Controlados por excitación
 La velocidad de giro es (en iguales condiciones de carga) proporcional al
voltaje.
 Eficientes para girar con poco par y gran velocidad: añadiendo una
reductora se consigue más par aunque menos velocidad.
Mario

12. ACTUADORES ELÉCTRICOS
 Motores paso-a-paso
 Normalmente, no han sido considerados dentro de los accionamientos
industriales.
 Pares muy pequeños.
 Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes.
 Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos.
 Existen 3 tipos de motores paso-a-paso
 De imanes permanentes.
 De reluctancia variable.
 Híbridos.
 Ventajas
 Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. El control se
realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación.
 Pueden girar de forma continua, con velocidad variable.
 Motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar.
 Desventajas
 Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (sincretizado por los pasos).
 Existe el riesgo de pérdida de alguna posición por trabajar en bucle abierto
 Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas
 Presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.
Mario

13. ACTUADORES ELÉCTRICOS
Mario

14. ACTUADORES HIDRÁULICOS
 Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa
hidráulica de Pascal.
 Fluido que circula por tuberías a presión.
 Útil para levantar grandes cargas.
 Se controlan con servoválvulas que controlan el flujo
que circula.
 Servoválvula: Motor eléctrico de baja velocidad y
alto torque.
 El flujo mueve un pistón (lineal).
 El movimiento lineal puede pasarse a rotacional con
una biela.
 Problemas: Complejos, peligrosos (inflamables), difícil
mantenimiento (fugas).
Zamora

15. ACTUADORES HIDRÁULICOS
Zamora

16. ACTUADORES NEUMÁTICOS
 Fluido compresible: generalmente aire.
 Suelen mover pistones lineales.
 Se controlan con válvulas neumáticas.
 Son muy seguros y robustos.
 Poca exactitud en la posición final: típicamente para
todo/nada.
 Pinza de sólo dos posiciones: abierta/cerrada.
 Difíciles de controlar:
 Aire es demasiado compresible.
 Presión del compresor inexacta.
ricky

17. ACTUADORES NEUMÁTICOS (II)
ricky

18. TABLA RESUMEN
Neumático Hidráulico Eléctrico
Energía • Aire a presión (5-10
bar)
•Aceite mineral (50-100 bar) •Corriente eléctrica
Opciones •Cilindros
•Motor de paletas
•Motor de pistón
•Cilindros
•Motor de paletas
•Motor de pistones axiales
•Corriente continua
•Corriente alterna
•Motor paso a paso
Ventajas •Baratos
•Rápidos
•Sencillos
•Robustos
•Rápidos
•Alta relación potencia-peso
•Autolubricantes
•Alta capacidad de carga
•Estabilidad frente a cargas
estáticas
•Precisos
•Fiables
•Fácil control
•Sencilla instalación
•Silenciosos
Desventajas •Dificultad de control
continuo
•Instalación espacial
(compresor, filtros)
•Ruidosos
•Difícil mantenimiento
•Instalación especial (filtros,
eliminación aire)
•Frecuentes fugas
•Caros
•Potencia limitada
Braulio

19. MODELO ELÉCTRICO: MOTOR DC
 Esquema de funcionamiento de un motor DC controlado por
inducido:
 La intensidad del inductor es constante.
 Tensión del inducido utilizada para controlar la velocidad
 En los controlados por excitación se actúa al contrario
Braulio

20. CONTROL DE MOTORES DC
• A más intensidad más par. Típicamente: T = Kp * I
• Sistemas digitales lo modulan con PWM (Modulación de la
anchura del pulso, “Pulse Width Modulation”):
• Voltaje proporcional a la componente de continua (el
motor actúa de filtro paso de baja; sólo “ve” la continua) y
ésta proporcional al “duty cycle” porcentaje de actividad
• Periodo no importa: se escoge una frecuencia alta para
evitar sonidos audibles.
Braulio

21. MODELO DINÁMICO DE UN MOTOR
DC CONTROLADO POR INDUCIDO
• Para el control del motor se incluyen las etapas de
potencia y control, utilizándose realimentación de
intensidad y velocidad.
Lerma

22. MODELO FÍSICO: MOTOR DC

bb ke 
abeiRLs e)( 
ik p
BJs
p





11 k
bs
as
kG 



22 kG 
0L
:,BJ Inercia y rozamiento viscoso equivalentes
vistos a la salida del eje del rotor
–Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace).
Lerma