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Grado en Ingeniera Electrnica y Automtica Industrial
Tema 2. Morfologa de un Robot
SistemasRobotizados
RafaelBareaNavarro/ElenaLpezGuillnCurso2013/14
ndice
1. Componentes de un robot
2. Estructura mecnica.
3. Transmisiones y reductores
4. Actuadores.
5. Sensores.
6. Elementos terminales.
SistemasRobotizados.Morfologa 2
Componentes de un robot
A
C
T
U
A
D
O
R
E
S
S
E
N
S
O
R
E
S
I
N
T
E
R
N
O
S
SISTEMA DE CONTROL
PERCEPCIN DEL ENTORNO: Visin Tacto Audicin Proximidad Otros
Entorno
Estructura mecnica Actuadores Sensores (Percepcin del entorno) Sistema de control
PARTES PRINCIPALES
ESTRUCTURA MECNICA
SistemasRobotizados.Morfologa 3
Estructura mecnica
Un robot est formado por una serie de segmentos (eslabones) unidosmediante articulaciones que permiten el movimiento entre cada doseslabones consecutivos.
Grado de libertad (GDL): cada uno de los movimientosindependientes que puede realizar cada articulacin con respecto a laanterior
BaseLink0
Joint1
Link2
Link3Joint3End of Arm
Link1
Joint2
Eslabn(link)
Articulacin(joint)
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Estructura mecnica
La constitucin fsica de la mayor parte de los robots industriales guardacierta similitud con la anatoma de las extremidades superiores delcuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a losdistintos elementos que componen el robot, se usan trminos comocintura, hombro, brazo, codo, mueca, etc.
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Estructura mecnica
BrazorobotRX60Staubli
A:BaseB:HombroC:BrazoD:CodoE:AntebrazoF:Mueca
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Estructura mecnica
Wrist Configurations
Wrist assembly is attached to end-of-arm
End effector is attached to wrist assembly
Function of wrist assembly is to orient end effector
Body-and-arm determines global position of end effector
Two or three degrees of freedom:
Roll Pitch Yaw
Notation :RRR
Eje4
Eje5
Eje6
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Rotacional
Angular
Lineal
Estructura mecnica. Movimientos articulaciones
La estructura mecnica de un robot manipulador constituye una cadenacinemtica.
Una cadena cinemtica es una serie de eslabones unidos porarticulaciones (secuencia).
Esta secuencia da origen un conjunto de parmetros que hay queconocer para definir la posicin y orientacin del efector final.
Tipos de movimientos en articulaciones: Desplazamiento (lineal) Giro (rotacional y angular) Rotacional: eje giro coincidente con el eje del eslabn Angular: eje giro perpendicular a los eslabones que une la articulacin.
Combinacin de las anterioresSistemasRobotizados.Morfologa 8
Estructura mecnica.Tipos articulaciones
De este modo son posibles seis tipos diferentes de articulaciones:
1. Rotacin (1 GDL-DoF)2. Prismtica (1 GDL)3. Tornillo (1 GDL)4. Planar (2 GDL)5. Cilndrica (2 GDL)6. Esfrica o Rtula (3 GDL)
En la prctica, en los robots slo se emplean las articulaciones tiporotacin y prismtica.
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Estructura mecnica. Tipos articulaciones
Prismtica[P]1GL
Cilndrica2GL
Planar2GL
Esfrica(rtula)3GL
Rotacional[R]1GL
Tornillo1GL
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Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
Configuracin de un robot forma fsica del brazo del robot. El brazo del manipulador puede presentar cuatro configuraciones
clsicas:
Cartesiana Cilndrica Polar Articular/Angular/antropomrfico
Y configuraciones no clsicas:
SCARA Paralela
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Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
Configuracin Cartesiana
El posicionando se hace en el espacio de trabajo con las articulacionesprismticas (PPP).
Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de libertad, loscuales corresponden a los movimientos localizados en los ejes X, Y y Z.
Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base eninterpolaciones lineales.
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Configuracin Cilndrica
Posee una articulacin rotacional y dos prismticas
El robot tiene un movimiento de rotacin sobre una base,una articulacin prismtica para la altura, y una prismticapara el radio.
Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional,o sea, que presenta tres grados de libertad.
Este robot ajusta bien a los espacios de trabajo circulares.
Este robot est diseado para ejecutar los movimientosconocidos como interpolacin lineal e interpolacin porarticulacin. La interpolacin por articulacin se lleva acabo por medio de la primera articulacin, ya que stapuede realizar un movimiento rotacional.
SEIKORT3300
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
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Configuracin Esfrica / Polar
Posee dos articulaciones de rotacin y unaprismtica.
Los movimientos son: rotacional, angular y lineal.
Permiten al robot apuntar en muchasdirecciones, y extender la mano.
Este robot utiliza la interpolacin por articulacinpara moverse en sus dos primeras articulacionesy la interpolacin lineal para la extensin yretraccin.
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
Rotacional
Angular
Lineal
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Configuracin Articular/Angular/antropomrfica
Estos tipos de robot se parecen al brazo humano, con unacintura, el hombro, el codo, la mueca.
Todas las articulaciones son rotacionales (giros)
Presenta una articulacin con movimiento rotacional y dosangulares.
Aunque el brazo articulado puede realizar el movimientollamado interpolacin lineal (para lo cual requiere moversimultneamente dos o tres de sus articulaciones), elmovimiento natural es el de interpolacin por articulacin,tanto rotacional como angular.
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
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Configuracin SCARA
Selective Compliance Assembly Robot Arm
Similar al de configuracin cilndrica, pero elradio y la rotacin se obtiene por uno o doseslabones.
Este brazo puede realizar movimientoshorizontales de mayor alcance debido a sus dosarticulaciones rotacionales.
El robot de configuracin SCARA tambinpuede hacer un movimiento lineal (mediante sutercera articulacin)..
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
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Configuracin Paralela
El elemento terminal se encuentra conectado a labase por al menos dos cadenas cinemticasindependientes
La carga se reparte entre los eslabones
La rigidez de los eslabones asegura mayorprecisin en el posicionamiento
Bajo coste y montaje preciso
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
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Cartesiana [PPP] Polar [RRP]
Cilndrica [RPP] Angular/Articulada [RRR]
SCARA [RRP]
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
Paralela
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Configuraciones bsicas ms frecuentes
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
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La mayor parte de manipuladores actuales responden a una estructuraangular o articular (45%) seguidos de los de estructura Cartesiana ySCARA.
Los robots de estructura esfrica y cilndrica estn en deshuso.
Estructura mecnica. Configuraciones Bsicas
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Estructura mecnica. Grados de libertad
GDL: cada uno de los movimientos independientes que puede realizarcada articulacin con respecto a la anterior.
Los robots manipuladores pueden considerarse (en la mayor parte delos casos) cadenas cinemticas abiertas con articulaciones de tiporotacin o prismtica (con un solo GDL cada una).
En este caso, el nmero de grados de libertad del robot coincide con elnmero de articulaciones del robot
NGDL = Nmero de articulaciones del robot
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Para posicionar y orientar un objeto en el espacio son necesarios 6parmetros (3 posicin, 3 orientacin) Son necesarios 6 GDL
En la prctica muchos robots industriales disponen slo de 4 o 5 GDL,suficientes para realizar las tareas que realizan (coger y dejar piezas,paletizado, etc)
Otras veces es necesario dotar al robot con ms GDL (8 o 9)
Carril o track Mesa
Estructura mecnica. Grados de libertad
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Estructura mecnica. Ejemplo Dimensiones y GDL
Articulacin Jt1 Jt2 Jt3 Jt4 Jt7 Jt6
Amplitud [] 320 255 269 540 230 540
Distribucin del rangode trabajo []
A B C D E F
+/- 160 +/- 127.5 +/- 134.5 +/- 270 +120.5 / -109.5 +/- 270
Velocidad Nominal [/s] 287 287 319 410 320 700
Resolucin angular[10-3] 0.724 0.724 0.806 1.177 0.879 2.747
Brazo robot RX60-Staubli
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Estructura mecnica.Espacio de trabajo
El espacio de trabajo de un robot est definido por las dimensiones delos elementos del manipulador junto con los grados de libertad y loslimites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.
Se construye trazando los lmites de cada elemento (eslabn) y cadaarticulacin
Adems, hay que tener en cuenta las dimensiones del elementoterminal.
Las configuraciones cartesiana y cilndrica presentan un espacio detrabajo regular, mientras que las configuraciones Esfrica, Angular ySCARA lo presentan irregular
CartesianaPPP CilndricaRPP EsfricaRRP
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Cartesiano Cilndrico Polar o esfrico
Articular SCARA Paralelo
25SistemasRobotizados.Morfologa
Estructura mecnica.Espacio de trabajo
Estructura mecnica.Espacio de trabajo
Zona de Trabajo RX60
RMmax alcanza el centro de la mueca entre las articulaciones 2 y 5
600 mm
RMmin alcanza el centro de la mueca entre las articulaciones 2 y 5
233 mm
Brazo robot RX60 -Staubli
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Brazo robot kuka KR 60
Estructura mecnica.Espacio de trabajo
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Transmisiones
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir elmovimiento desde los actuadores hasta las articulaciones.
Justificacin
El extremo del robot se mueve con aceleraciones elevadas reduccin delmomento de inercia
Pares estticos distancia al actuador acercamiento de los actuadores (pesados)a la base del robot uso de transmisiones para trasladar el movimiento a lasarticulaciones
Conversin movimiento lineal-circular y viceversa Caractersticas necesarias (Altas prestaciones)
Tamao y peso reducido Mnimos juegos u holguras Gran rendimiento No debe afectar al movimiento Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado
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Transmisiones
Sistemas de transmisin para robots
Las transmisiones ms habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tantoen la entrada como a la salida. Incluidas es stas se hallan los engranajes, las correasdentadas y las cadenas.
Tipo movimiento Entrada-Salida
Denominacin Ventajas Inconvenientes
Circular-Circular EngranajeCorrea dentada
CadenaParalelogramo
Cable
Pares altosDistancia grandeDistancia grande
--
Holguras-
RuidoGiro limitado
Deformabilidad
Circular-Lineal Tornillo sin finCremallera
Poca holguraHolgura media
RozamientoRozamiento
Lineal-Circular Paral. ArticuladoCremallera
-Holgura media
Control difcilRozamiento
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Transmisiones
ConjuntopincremalleraConversindemovimientocircularalineal
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Transmisiones
transmisindemovimientocorrespondientealamuecadeunrobot:
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Transmisiones
Mecanismos de Transmisin Circular-Circular
RuedadeFriccin
RuedasdentadasTornillosinfin corona
movimientocircularentreejesperpendiculares.
Poleasycorreas/cadenas
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Transmisiones
Tornillotuerca(tornillosinfin)
Pincremallera Levas Excntrica
Mecanismos de Transmisin Circular-Lineal
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Transmisiones
Actuador de desplazamiento linealParalelogramosarticulados
conversin de movimiento lineal en circular
Mecanismos de Transmisin Circular-Lineal
Bielamanivela Cigeal
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Reductores
Los reductores se encargan de adaptar el par y velocidad de la salida delactuador a los valores adecuados para el movimiento de los eslabones delrobot.
Especficos para robots altas prestaciones que se le piden al robot en cuantoa precisin y velocidad de posicionamiento.
Caractersticas:
Bajo peso, tamao y rozamiento Capacidad de reduccin elevada en un solo paso Mnimo momento de inercia Mnimo juego o Backslash (se define como el ngulo que gira el eje de salida cuando
cambia el sentido de giro sin que llegue a girar el eje de entrada)
Alta rigidez torsional
2
112 * =
T2: par de salidaT1: par de entrada: rendimiento1= velocidad de entrada2 = velocidad de salida
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Reductores
Valores tpicos de los reductores utilizados en robtica
Los reductores ms utilizados en robots son los de las empresasHarmonic Drive y Cyclo-Getriebebau
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Reductores
Diferencia entre dientes: Z= Nc - NfReduccin: Z/Nf
www.harmonic-drive.comReductor Harmonic Drive
Caractersticas: ElCircularSpline esrgidoyestafijo. ElFlexspline esflexibleyseunealejedesalida ElWaveGenerator eselpticoysefijaalejedeentrada. LosdientesinterioresdelCircularSpline engrananconlos
exterioresdelFlexspline. Ladiferenciadedientesesde1o2. Larelacindereduccineslarelacinentredichadiferenciay
losdientesdelFlexspline.
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Reductores
Caractersticas: Movimiento cicloidal de un disco de curvas movido por excntrica. El disco de curvas rueda sobre los rodillos exteriores. Relacin de reduccin igual a la diferencia entre rodillos exteriores y huecos
del disco de curvas.
Reductor CYCLO
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Robots de accionamiento directo (Direct Drive DD)
Robots de accionamiento elctrico sin reductores El eje del actuadorse conecta directamente a la carga o articulacin, sin la utilizacin de unreductor intermedio
Este tipo de accionamiento aparece debido la necesidad de utilizarrobots en aplicaciones que exigen combinar gran precisin con altavelocidad. Los reductores introducen una serie de efectos negativos,como son el juego angular, rozamiento o disminucin de la rigidez delaccionador, que pueden impedir alcanzar los valores de precisin yvelocidad requeridos.
Ventajas:
Posicionamiento rpido y preciso se evitan los rozamientos y juegos delas transmisiones y reductores
Mayor controlabilidad (aunque ms compleja) Simplificacin del sistema mecnico (se elimina el reductor)
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Robots de accionamiento directo (Direct Drive DD)
Desventajas:
Necesidad de motores especiales (par elevado a bajas revoluciones conalta rigidez) sncronos, brushless se encarece el sist. Acondicionam.
Aumenta la inercia al poner motores pesados junto a las articulaciones. Reduccin de la resolucin del codificador de posicin El sensor de
posicin va directamente acoplado al eje: necesita ser mucho ms preciso.
Utilizan codificadores de posicin de muy alta resolucin Control. Al no tener reductores, la ley de control no se simplifica. El control
debe ser mucho ms sofisticado.
Tpicos en robots SCARA
Altas prestaciones en velocidad y posicionamiento
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Actuadores
Los actuadores tienen por misin generar el movimiento de loselementos del robot segn las rdenes dadas por la unidad de control.
Tipos empleados en robtica:
Neumticos (cilindros y motores) Hidrulicos (cilindros y motores) Elctricos (DC , AC y Motores paso a paso)
Las caractersticas a considerar son:
Potencia Controlabilidad Peso y volumen Precisin Velocidad Mantenimiento Coste
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Actuadores. Caractersticas
Neumtico Hidrulico Elctrico
Energa Aire a presin(5-10 bar)
Aceite mineral(50-100 bar)
Corriente elctrica
Opciones CilindrosMotor de paletasMotor de pistn
CilindrosMotor de paletasMotor de pistones axiales
Corriente continuaCorriente alternaMotor paso a paso
Ventajas BaratosRpidosSencillosRobustos
RpidosAlta relacin potencia-pesoAutolubricantesAlta capacidad de cargaEstabilidad frente a cargas estticas
PrecisosFiablesFcil controlSencilla instalacinSilenciosos
Desventajas Dificultad de control continuoInstalacin especial (compresor, filtros)Ruidoso
Difcil mantenimientoInstalacin especial (filtros, eliminacin de aire)Frecuentes fugasCaros
Potencia limitada
Caractersticas
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Actuadores neumticos (I)
Fuente de energa: Aire comprimido. Generalmente aire a presin entre 5 y 10 bar.
Dos tipos Cilindros neumticos Motores neumticos
Caractersticas generales: Difciles de controlar: Aire es demasiado compresible. Presin del compresor inexacta.
Poca precisin de posicionamiento Poca exactitud en la posicin final. Manipuladores sencillos uso para sistemas con un posicionamiento en
dos estados (todo o nada) Ejemplo: Pinza de slo dos posiciones: abierta/cerrada.
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Actuadores neumticos (II)
Cilindros neumticos
Desplazamiento de un mbolo encerrado en un cilindro, como consecuenciade la diferencia de presin a ambos lados del mbolo.
Los cilindros neumticos pueden ser de simple o doble efecto. Posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento
continuo. Repetitividad inferior a otros tipos de actuadores,
Cilindro neumtico de simple efecto doble efecto
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Actuadores neumticos (III)
Motores neumticos Movimiento de rotacin de un eje mediante aire a presin. Los dos tipos ms usados son los motores de aletas
rotativas y los motores de pistones axiales. En los motores de aletas rotativas, sobre el rotor excntrico
estn dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar airea presin en uno de los compartimentos formados por dosaletas y la carcasa, stas tienden a girar hacia una situacinen la que el compartimento tenga mayor volumen.
Los motores de pistones axiales tienen un eje de girosolidario a un tambor que se ve obligado a girar por lasfuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre unplano inclinado.
Motordepaletasdossentidosdegiro
Motordepistonesaxiales
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Otro mtodo comn ms sencillo de obtener movimientos de rotacin a partirde actuadores neumticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo mbolo seencuentra acoplado a un sistema de pin-cremallera.
El empleo de un robot con accionamientos neumticos hace necesariodisponer de una instalacin de aire comprimido (compresor, sistemadistribucin, etc)
Actuadores neumticos (IV)
Actuadorrotativopioncremallera
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Actuadores hidrulicos (I)
Se utilizan aceites minerales a una presin comprendida normalmenteentre los 50 y 100 bar.
Funcionamiento similar a los neumticos. Dos tipos: Cilindros y Motores Caractersticas generales: El grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente
inferior a la del aire, por lo que la precisin obtenida en este caso esmayor.
Por motivos similares, es ms fcil en ellos realizar un control continuo connotable precisin.
Elevadas fuerzas y pares. Inconvenientes: Fugas de aceite. Inflamables. Instalacin ms complicada (equipos de filtrado de partculas, eliminacin de aire,
sistemas de refrigeracin y unidades de control de distribucin).
En la actualidad, las cargas manejadas por los robots elctricos sonequiparables a los hidrulicos y por lo tanto, stos estn siendorelegados a un segundo plano
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Actuadores elctricos (I)
Son los ms utilizados en los robots industriales actuales
Caractersticas:
Fciles de controlar Sencillos Precisin Alta repetitividad Ms pesados que los neumticos e hidrulicos a igualdad de potencia
Tipos diferentes:
Motores de corriente continua (DC): Controlados por inducido Controlados por excitacin
Motores de corriente alterna (AC): Sncronos Asncronos
Motores paso a pasoSistemasRobotizados.Morfologa 48
Motores de corriente continua (DC)
Son los ms usados en la actualidad debido a su facilidad de control. Los motores DC estn constituidos por dos devanados internos, inductor e
inducido, que se alimentan con corriente continua: El inductor, tambin denominado devanado de excitacin, est situado en el
estator y crea un campo magntico de direccin fija, denominado excitacin. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de
Lorentz que aparece como combinacin de la corriente circulante por l y delcampo magntico de excitacin. Recibe la corriente del exterior a travs delcolector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.
Actuadores elctricos (II)
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Motores de corriente continua (DC)
El devanado inductor suele ser sustituido por imanes que generan de maneraequivalente un campo magntico constante.
Las velocidades de rotacin que se consiguen con estos motores son del ordende 1000 a 3000 r.p.m., con un comportamiento muy lineal y bajas constantesde tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10 kW.
Actuadores elctricos (III)
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Control Motores DC
Dos tipos: por inducido y por inductor
En el control por inducido, la tensin del inducido se utiliza para controlar lavelocidad de giro.
Los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de lavelocidad de giro originado por la realimentacin intrnseca que posee a travsde la fuerza contraelectromotriz.
El control por inducido es el que se usa en el accionamiento de robots.
Problema: mantenimiento de las escobillas
Actuadores elctricos (IV)
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Motores de corriente continua (DC)
Problemas:
Mantenimiento de las escobillas Generacin de chispas elctricas (en las escobillas) Peligro incendio Mala capacidad de disipacin del calor. No es posible mantener el par con el rotor parado ms de unos segundos,
debido a los calentamientos que se producen en el colector.
No es posible proporcionar pares elevados, asociados al mantenimientoprolongado de intensidades elevadas (como las que se producen ante unaelevada aceleracin)
Solucin: Motores DC brushless (sin escobillas)
Actuadores elctricos (IV)
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Motores DC brushless (sin escobillas)
Los imanes de excitacin se sitan en el rotor y el devanado delinducido en el estator, con lo que es posible convertir la corrientemediante interruptores estticos, que reciben la seal de conmutacin atravs de un detector de posicin del rotor.
The four poles on the stator of atwophase BLDC motor. This ispart of a computer cooling fan;the rotor has been removed
Motorfroma3.5"floppydiskdrive.Thecoilsarecopperwirecoatedwithgreenfilminsulation.Therotor(upperright)hasbeenremovedandturnedupsidedown.Thegreyringjustinsideitscupisapermanentmagnet
Actuadores elctricos (V)
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Motores DC brushless (sin escobillas)
Ventajas
Menor mantenimiento Bajo momento de inercia Alto par a velocidad nula Mejor rendimiento (no hay prdidas en el rotor) Mejor disipacin trmica (devanado en contacto con la carcasa) Mejor relacin potencia-peso o volumen
Actuadores elctricos (V)
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Motores paso-a-paso
No han sido considerados dentro de los accionamientos industriales. Pares muy pequeos. Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos.
Existen 3 tipos de motores paso-a-paso De imanes permanentes. El rotor posee una polarizacin magntica constante y gira para orientar sus polos
de acuerdo al campo magntico creado por el estator.
De reluctancia variable. El rotor est formado por un material ferromagntico que tiene a orientarse de
modo que facilite el camino de las lneas de fuerza del campo magntico generadopor el estator.
Hbridos. Combinan los dos modos de funcionamiento anteriores
Actuadores elctricos (VI)
SistemasRobotizados.Morfologa 55
Motores paso-a-paso. Funcionamiento.
En los motores paso a paso la seal de control son trenes de pulso quevan actuando rotativamente sobre una serie de electroimanesdispuestos en el estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor giraun determinado nmero discreto de grados.
Actuadores elctricos (VII)
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Motores paso-a-paso
Ventajas
Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Elcontrol se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores derealimentacin.
Pueden girar de forma continua, con velocidad variable. Motores muy ligeros, fiables y fciles de controlar.
Desventajas
Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por lospasos).
Existe el riesgo de prdida de alguna posicin por trabajar en bucle abierto Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas Poca precisin: Presentan un lmite en el tamao que pueden alcanzar.
Actuadores elctricos (VIII)
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Motores de corriente alterna (AC)
No han tenido aplicacin en el campo de la robtica hasta hace unosaos, debido fundamentalmente a la dificultad de su control.
Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las mquinassncronas hacen que se presenten como un claro competidor de losmotores de corriente continua.
Esto se debe principalmente a tres factores:
La construccin de rotores sncronos sin escobillas Uso de convertidores estticos que permiten variar la frecuencia (y as la
velocidad de giro) con facilidad y precisin
Empleo de la microelectrnica que permite una gran capacidad de control
Actuadores elctricos (IX)
SistemasRobotizados.Morfologa 58
Motores de corriente alterna (AC)
El inductor se sita en el rotor y est constituido por imanespermanentes, mientras que el inducido, situado en el estator, estformado por tres devanados iguales decalados 120 elctricos y sealimenta con un sistema trifsico de tensiones.
Similitud con el motor DC sin escobillas (brushless).
Actuadores elctricos (X)
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Motores de corriente alterna (AC). Funcionamiento
ClockwiseACmotoroperation. ThreephaseACmotor:Aphasesequenceof123spinsthemagnetclockwise
Actuadores elctricos (XI)
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Motores de corriente alterna (AC)
En los motores sncronos la velocidad de giro depende nicamente de lafrecuencia de la tensin que alimenta el inducido.
Para poder variar la velocidad con precisin, el control de velocidad serealiza mediante un convertidor de frecuencia.
Para evitar el riesgo de prdida de sincronismo se utiliza un sensor deposicin continuo que detecta la posicin del rotor y permite manteneren todo momento el ngulo que forman los campos del estator y delrotor.
Este mtodo de control se conoce como autosncrono o autopilotado.
El motor AC permite desarrollar, a igualdad de peso, una potenciamayor que el motor de corriente continua.
En la actualidad diversos robots industriales emplean este tipo deaccionamientos con notables ventajas frente a los motores de corrientecontinua.
Actuadores elctricos (XII)
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Sensores
Los sensores son los dispositivos que permiten a un robot percibir su entorno.
Un sensor es un transductor que convierte algn fenmeno fsico en sealeselctricas que el controlador del robot puede leer e interpretar.
Clasificacin (Segn el origen de la informacin):
Propioceptivos (Sensores internos): Informan sobre el estado delpropio robot. Presencia Posicin y orientacin Velocidad y Aceleracin Fuerza
Extereoceptivos (Sensores externos): Informan sobre el entorno delrobot. Presencia Distancia Tacto Fuerza Visin
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
Indican en que posicin se encuentra un elemento del robot.
Posicin Analgicos
Digitales
PotencimetrosResolverSincroInductosynLVDT
Encoders absolutosEncoders incrementalesRegla ptima
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
Potencimetros
Un contacto que se mueve sobre una espiral. Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisin, desgaste, velocidad
limitada, etc.)
No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejesde poca importancia)
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
Encoders pticos (Codificadores angulares de posicin)
Diodo LED (emisor) ms fototransistor (receptor) Miden el nmero de grados que gira algo (motor). Tipos: incremental y absoluto Incremental: agujeros a un disco
9 Se miden posiciones relativas.9 Deteccin sentido giro 2 canales9 Resolucin: nmero de agujeros
Absoluto: Se pintan sectores blancos y negros y medir reflexin9 Se obtiene una onda que puede procesarse
Problema: Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)
SistemasRobotizados.Morfologa 65
Sensores internos - Propioceptivos
Encoder incremental
Encoder absoluto
Posicin y orientacin Encoders
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
Resolvers y sincros
Transductores de posicin angular de tipo electromagntico Resolver: Bobina solidaria al eje excitada por una portadora (400Hz) y dos
bobinas fijas situadas a su alrededor. Los valores V1 y V2 dependen delseno del ngulo de giro.
Sincros: Las bobinas fijas forman un sistema trifsico en estrella
( ) sinsin1 tVV =
resolver
( ) cossin2 tVV =
SistemasRobotizados.Morfologa 67
Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
LVDT e Inductosyn. Sensores lineales de posicin
LVDT: Transformador diferencial de variacin lineal
Inductosyn
( )21 MMEo
= pxkVVs 2cos
Eoesproporcionalaladiferenciadeinductanciasmtuasyporlotantodependelinealmentedeldesplazamientodevstagosolidarioalncleo
El ncleo se mueve linealmente entre un devanadoprimario y dos secundarios, variando la inductanciaentre ellos
SistemasRobotizados.Morfologa 68
Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
Brjula/Compass: proporcionan informacin absoluta sobre la orientacin
Utilizan el campo magntico de la Tierra para obtener una medida absoluta deorientacin
Existen diversos tipos de brjulas9 Magnticas9 Electrnicas (dispositivos de estado slido)
Principales inconvenientes de las brjulas:9 Debilidad del campo magntico de la tierra9 Perturbaciones causadas por otros objetos o fuentes magnticas9 No son tiles en entornos interiores
HMC6343isasolidstatecompassmoduleDigitalCompassinRobotNavigation(ZCC211S232GMD)
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin
Inclinmetros y gonimetros: Sensores de inclinacin/ngulo
Tipos:
Burbuja
Electrnicos: Capacitivos: la variacin de inclinacin se traduce en una variacin de la capacidad
entre las placas del sensor, que actuando como un condensador, vara la seal desalida.
Conductancia: miden el nivel de conductividad que hay entre dos electrodos, detal forma que al inclinarse uno de los dos electrodos tiene ms conductividad.
pticos: Desplazamiento que sufre un haz de lser despus de reflejarse en la superficie
del lquido.
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin y orientacin Girscopos: Determinan la velocidad de rotacin y la distancia rotada. Son sensores de orientacin que mantienen un sistema de coordenadas
fijo. Proporcionan una medida absoluta de orientacin del robot. Dos tipos:
mecnicos (standard, rated-velocidad) pticos (rated-velocidad)
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Sensores internos - Propioceptivos
Posicin
GPS (Global Positioning System) Sistema de orientacin/navegacin desarrollado y administrado por el US DOD
(Departament of Defense).
La informacin enviada por al menos 4 satlites (seales codificadas), sonprocesadas por un receptor GPS para calcular su posicin (3D), velocidad y tiempo.
Principales usos: navegacin area y martima, seguridad vehculos terrestres.
La medida de la distancia d1 al satlite1 y la distancia d2 al satlite2proporciona la interseccin de las dos esferas (una circunferencia)
Con la medida de la distancia d4 al satlite4 se obtiene un nico punto de corte que corresponder con la posicin estimada del robot
La medida de la distancia d3 al satlite3 puede proporcionar hasta 2 puntos de corte con la circunferencia obtenida anteriormente
Principiodetrilateracin
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Sensores internos - Propioceptivos
Velocidad Miden la velocidad (generalmente angular) Elctricos: Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magntico) Se genera tensin proporcional a la velocidad de giro Varios nombres: tacogenerador, tacmetro, tacodinamo, etc
pticos: Usan los sensores de posicin, derivando para calcular la velocidad
Aceleracin Acelermetros. Miden aceleraciones en 3 ejes Tipos: mecnicos, piezoelctricos, efecto hall, condensador Actualidad: chip de silicio (tecnologa MEMS)
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Sensores internos - Propioceptivos
Presencia Mecnicos: Fines de carrera / Bumpers Utilizan la deformacin mecnica que sufren determinados dispositivos para
cerrar o abrir un circuito e indicar que se ha producido un impacto
Problemas de mantenimiento: mecnico y desgaste de contactos.
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Sensores internos - Propioceptivos
Presencia pticos Emisor y receptor en un nico encapsulado. Emisor y receptor independientes: barreras fotoelctricas.
Inductivos Deteccin de variacin de consumos debidos a corrientes de Focault. Slo sirve para materiales metlicos.
Capacitivos Medida de variacin de capacidad. Materiales metlicos y no metlicos.
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Sensores internos - Propioceptivos
Fuerza y par
Galgas extensiomtricas: se relacionan las deformacionesproducidas por la aplicacin de fuerzas con las variaciones deresistencia elctrica.
FlexiforceSensor
SENSORDEFUERZARESISTIVOS320255Sensordefuerzadetiporesisitivoquepuedeutilizarseparaproporcionarunasalidade05Venfuncindelafuerzaaplicada.Estesensortieneunaresistenciatpicadeuno100Kohmiosenreposoylaresistenciabajahastalos10Kohmioscuandosehacepresinsobreelsensor.Elsensoresmuytilparadetectarpresinendeterminadospuntoscomoporejemplolaparadeunrobot,lapresindecierredeunapinzaderobot,etc.
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Sensores internos - Propioceptivos
Fuerza y par
The BH8series BarrettHand is a multifingered programmable grasper with thedexterity to secure target objects ofdifferent sizes, shapes, and orientations.
Tctil
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Sensores externos - Extereoceptivos
Proximidad/Distancia
Son usados para determinar la presencia/distancia de objetos cercanos.Existen muchos tipos:
Ultrasonidos Magnticos Inductivos Micro-ondas pticos (infrarrojos, lser) Capacitivos
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Sensores externos - Extereoceptivos
Ultrasonidos
Uno de los sensores ms utilizados en robots mviles. Sensor activo de reflexin (el emisor y el receptor se colocan juntos y
detectan la reflexin de los objetos)
Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un micrfono el eco. Ladiferencia entre ambas seales indica la distancia al objeto.
Propiedades estndar: Rango de 1-10 m (aprox.) 30 grados de amplitud Devuelven distancia al objeto ms prximo
SRF02
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Sensores externos - Extereoceptivos
UltrasonidosLa distancia d al objeto que devuelve el eco se puede calcular en base a la velocidad de propagacin del sonido c y el tiempo de vuelo t
2tcd =
Ultrasonido transmitido
Seal de eco analgicoUmbral
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Sensores externos - Extereoceptivos
Desventajas Ultrasonidos:
La posicin real del objeto es desconocida (cualquier posicin del cono a distancia d). Cuanto menor sea el ngulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas
medidas de gran longitud.
Cuanto mayor es el ngulo, ms probabilidad de que se detecte un objeto nodeseado.
Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que lleganantes).
En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser muy errneas. Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ngulo puede no verla. Qu ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?.
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Sensores externos - Extereoceptivos
pticos Muy utilizados en aplicaciones industriales Sensor activo de reflexin (existen tambien de barrera, pero estos no
pueden ser considerados de proximidad) Se emite luz y se captan los rebotes mediante fotodiodos o fototransistores
(las fotoresistencias son ms lentas) Se utilizan para: Detectar la presencia de objetos Medir la distancia a los objetos Deteccin de caractersticas: encontrar una marca, seguir una lnea, etc. Lectura de cdigos de barras
Existen distintos tipos de sensores, en funcin del tipo de luz con la quetrabaja: Luz en el espectro visible Infrarrojos Lser
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Sensores externos - Extereoceptivos
Infrarrojos Quiz son los sensores de no-contacto ms extendidos Utiliza la parte del espectro del infrarrojo Para distinguir la reflexin del infrarrojo ambiente se suele modular (100
Hz usualmente)
Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son fcilmentemodulables y no son visibles.
Problema: objetos que no reflejan el IR La distancia aproximada se calcula por el ngulo de la luz reflejada
SENSORINFRARROJOSSHARPGP2Y0A02YK
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Sensores externos - Extereoceptivos
Lser Para medir grandes distancias, se utiliza el mismo principio que los
anteriores sensores cuando trabaja en modo TOF (Time of Flight).
Para medir distancias menores, trabajan estudiando el desplazamiento defase (luz modulada).
Son de una gran precisin. Normalmente, estos sensores funcionan mediante un barrido del emisor.
El receptor recoge los ecos de las distintas posiciones del barrido,obteniendo el contorno de la escena.
Gran inconveniente: precio.
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Sensores externos - Extereoceptivos
PhaseMeasurement
Target
D
L
Transmitter
Transmitted BeamReflected Beam
P
Medida de la distancia con Lser: Lser pulsado, medir el tiempo de vuelo directamente (resultados en picosegundos) Medir la interferencia entre la frecuencia continua modulada de la onda y la seal
reflejada (interferometra) Medir la diferencia de fase para estimar la distancia. Triangulacin en base a relaciones geomtricas conocidas
La tcnica ms fcil de implementar es la ltima: medida de diferencia de fase
dondec: es la velocidad de la luz; f la frecuencia de modulacin; D la distancia recorrida en ida-vuelta y : diferencia de fase entre la transmitida y la reflejada
para f = 5 MHz (sensor A.T&T.), = 60 metros
2
2 +=+= LDLD = c/f
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Sensores externos - Extereoceptivos
REFLEXINDIRECTASOBREOBJETO(PROXIMIDAD)
APLICACIONESDEDETECTORESPTICOS
BarrerafotoelctricarflexSICKG6SensordedistancialsersickDS40
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Sensores externos - Extereoceptivos
REFLEXIN SOBRE ESPEJO REFLECTOR
BARRERA PTICA
APLICACIONESDEDETECTORESPTICOS
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Aplicaciones Lser Robtica mvil: Percepcin de entorno 2D y 3D
2D SickLMS200
3D LidarHDL64E
MuCAR3:MunichCognitiveAutonomousRobotCar
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Generacindemapas
Localizacinynavegacin
Aplicaciones Lser Robtica mvil
Sensores externos - Extereoceptivos
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Visin artificial
Uso de cmaras como sensores Procesamiento de imgenes para obtener informacin de la escena Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente. Aunque
hoy da es abordable con los nuevos equipos.
Sensores externos - Extereoceptivos
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Visin artificial - Aplicaciones
Control de calidad Posicionado de piezas, Reconocimiento, inspeccin y deteccin de fallos Metrologa industrial sin contacto Guiado de robots.
Sensores externos - Extereoceptivos
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Elementos terminales
Los elementos terminales son los encargados de interaccionardirectamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos deaprehensin como herramientas.
Se puede establecer una clasificacin de los elementos terminales:sujecin, operacin, manipulacin, montaje, especiales.
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Sistemas de sujecin para robots
Tipos de sujecin Accionamiento UsoPinza de presin(desplazamiento angular olineal)
Neumtico / elctrico Transporte y manipulacin depiezas sobre las que no importepresionar
Pinza de enganche Neumtico / elctrico Piezas de grandes dimensiones osobre las que no se puede ejercerpresin
Ventosas de vaco Neumtico Cuerpos con superficie lisa pocoporosa (cristal, plstico, etc.)
Electroimn Elctrico Piezas ferromagnticas.
Elementos terminales
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Sistemas de sujecin. Pinzas - grippers
Elementos terminales
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Sistemas de sujecin. Pinzas - grippers
Elementos terminales
Grapuenteautomticaparalalogsticadebiomasa
Pinzas de enganche
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Sistemas de sujecin. Manos robticas
BarrettHand
HandC5
Elementos terminales
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Sistemas de sujecin. Ventosas de vaco Efecto succin
Elementos terminales
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Sistemas de sujecin. Electroimn
Elementos terminales
Electroimanescircularesparalamanipulacindechatarra
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Herramientas
Tipo de herramienta ComentariosPinza soldadura por puntos
Soplete soldadura al arco
Cucharn para colada
Atornillador
Fresa- lija
Pistola de pintura
Can lser
Can de agua a presin
Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldarAportan el flujo de electrodo que se funde
Para trabajos de fundicin
Suelen incluir la alimentacin de tornillos
Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc
Para pulverizacin de la pintura
Para corte de materiales, soldadura o inspeccin.Para corte de materiales.
Elementos terminales
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Herramientas. Soldadura
Robot ABB - IRB 1600ID
Soldadura al arco
Soldadura por puntos
Elementos terminales
Antorcha
Pinza
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Herramientas. Soldadura
ArcWeldingSolutionArmdeFANUCRobotics
RobotsoldadorpanasonicVR006
Elementos terminales
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Herramientas. Pintura
IRB52ABBRoboticsrobotcompactodepintura
IRB5400ABBRobotics
Elementos terminales
Pistolaneumticadepintura
SistemasRobotizados.Morfologa 102
Herramientas. Vdeos
Elementos terminales
ABBRobotics 10mostpopularapplicationsforrobotshttps://www.youtube.com/watch?v=fH4VwTgfyrQ
ABBRobotics PickingPackingPalletizing10popularapplicationshttps://www.youtube.com/watch?v=bYdFUS2dzyI
Soldaduraalarco http://www.youtube.com/watch?v=HUU3HdxOqZsSoldaduraporpuntos http://www.youtube.com/watch?v=5jWy8oM7UwUPintura http://www.youtube.com/watch?v=oCyPT4pEeBgPainting &coatinghttp://www.youtube.com/watch?v=xLyfegzK6AU&list=PLE3DAD8C9AEF81839&index=2Sellado http://www.youtube.com/watch?v=CjUTnCowzNQ&list=PLE3DAD8C9AEF81839Pickupventosa http://www.youtube.com/watch?v=wg8YYuLLoM0
SistemasRobotizados.Morfologa 103
Bibliografa
General
Barrientos, A., Pen, L. F., Balaguer, C., Aracil, R. Fundamentos de Robtica.McGraw-Hill. 1997.
Tema 2: Morfologia del robot. Robtica y Visin por Computador. UniversidadMiguel Hernndez
Transmisiones
http://www-pagines.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-04/rob_ia2/elem3.htm
http://cursos.itchihuahua.edu.mx/file.php/65/Transmision_del_movimiento.pdf
http://www.tecnojulio.com/1eso/2012/02/03/mecanismos-de-transformacion-del-movimiento/
http://www.aprendetecnologia.es/index.php?option=com_content&task=view&id=46&Itemid=71
Reductores
http://www-pagines.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-04/rob_ia2/elem3.htm
104SistemasRobotizados.Morfologa
Bibliografa
Robots de accionamiento directo (Direct Drive DD)
http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2004/Rob%C3%B3tica/seminario%202004%20robotica/Seminario_Robotica/Documentos/MORFOLOG%C3%8DA%20DEL%20ROBOT.htm
Actuadores
http://www-pagines.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-04/rob_ia2/elem4.htm
http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_neumatica/neumatica_indice.htm
http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica22.htm
Sensores y Actuadores Industriales. Universidad de Vigo. ISAD_Tema7_2.pdf
https://sites.google.com/site/tecnorlopez33/tema4-maquinas-electricas
http://www.ece.umn.edu/users/riaz/animations/listanimations.html
105SistemasRobotizados.Morfologa
Bibliografa
Sensores
Robtica Industrial. Temas1_2_y_3. Universidad de Sevilla
http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2004/Rob%C3%B3tica/seminario%202004%20robotica/Seminario_Robotica/Documentos/MORFOLOG%C3%8DA%20DEL%20ROBOT.htm
http://www-pagines.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-04/rob_ia2/elem4.htm
Sensores, actuadores y efectores. Universidad de Chile. Capitulo2.pdf
Elementos terminales
Robtica Industrial. Temas1_2_y_3. Universidad de Sevilla
http://www.industriaynegocios.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2004/Rob%C3%B3tica/seminario%202004%20robotica/Seminario_Robotica/Documentos/MORFOLOG%C3%8DA%20DEL%20ROBOT.htm
http://www-pagines.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-04/rob_ia2/elem4.htm
106SistemasRobotizados.Morfologa