1.-DATOS DE LA ASIGNATURA

Nombre de la asignatura:

Carrera: Clave de la asignatura:

SATCA:Robtica

Ingeniera Mecnica

DMF-1304

3-2-5

2.- PRESENTACIN

Caracterizacin de la asignatura.

Esta asignatura aporta al perfil del Ingeniero Mecnico la capacidad para realizarestudios cinemticos y dinmicos de los movimientos de robots y manipuladorespara el diseo, aplicacin y control de sistemas robticos, as como la posibilidadpara seleccionar y programar robots comerciales para un determinado procesoindustrial.

La materia en su constitucin ha tenido especial inters en abordar los diferentescampos de las ingenieras y de la tecnologa que intervienen en la integracin de un robot y da nfasis en la importancia que reviste la robtica actualmente en loscampos diversos en el quehacer profesional.

La asignatura integra a las diversas ingenieras, pues requiere de ellasconocimientos de los diversos subsistemas que contiene un robot, as como suscaractersticas fundamentales de funcionamiento. Temas como la cinemtica,dinmica, control y otros ms son considerados con gran atencin contemplando los enfoques tericos y prcticos en el tratamiento de los conceptos de la robtica.

El profesional en el desempeo cotidiano ser capaz de comprender lascaractersticas, parmetros y conceptos intrnsecos de un sistema robtico alobservar sus diferentes configuraciones, de este modo ser capaz de seleccionar y programar estos sistemas propiciando con ello la modernizacin de los procesos productivos.

Intencin didctica.

El temario contiene cinco unidades, contemplando en su primera unidad laidentificacin de los diversos tipos de robots; as como sus diferentesespecificaciones y aplicaciones.

La unidad dos enuncia y promueve la programacin de robots comerciales utilizando tcnicas por enseanza y textuales, a nivel robot y tarea.

La unidad tres comprende el entendimiento claro de lo que significa la formalizacin matemtica de los movimientos de las articulaciones (traslaciones y rotaciones) en un sistema de referencia espacial dado. Considera la demostracin y utilizacin de la matriz de transformacin homognea 3D como una herramienta matemtica que permite describir el movimiento de una cadena de eslabones que constituyen a un determinado robot, tambin la inversa de esta matriz es definida. Tambin se realiza un estudio de la cinemtica directa e inversa utilizando la metodologa de DenavitHartenberg.

La cuarta unidad realiza la modelacin dinmica del robot utilizando la metodologa de Lagrange-Euler y Newton-Euler con el objetivo de definir la potencia de los motores que impulsan los movimientos del robot, as como para evaluar las inercias y esfuerzos involucrados, esto permite evaluar la resistencia que deberan tener los soportes, engranes, bandas, etc. que requiere el robot.

La quinta unidad contempla el control del movimiento de un robot considerando sus articulaciones desacopladas y acopladas, la obtencin de funciones de transferencia y el diseo de controladores.

La unidad seis contempla el estudio de los algoritmos que realizan la generacin de trayectorias que gobiernan los movimientos del robot, las interpolaciones y lasrestricciones de estas.

Decididamente el nfasis fundamental de la materia es reunir todo el conocimiento necesario en las varias disciplinas que involucran a la robtica y prepararse para materias posteriores como manufactura avanzada donde los sistemas automticos convergen para obtener una produccin con altos estndares.

Todas las unidades estn interrelacionadas y es necesario contar con cierto dominio matemtico. Es necesario conocer los conceptos fundamentales de operaciones matriciales y la transformada de Laplace, destacando que se vuelven unas herramientas fundamentales en el estudio de los modelos matemticos generados.

Dentro del curso se contempla la posibilidad del desarrollo de actividades prcticas que promuevan, de los temas bsicos a los avanzados, el desarrollo de habilidades para la experimentacin, tales como: identificacin, manejo y control de las articulaciones del robot, que pueden ser de naturaleza elctrica, neumtica o hidrulica, considerando siempre sus datos relevantes; el planteamiento dehiptesis; trabajo en equipo; asimismo, propicien procesos intelectuales comoinduccin-deduccin y anlisis-sntesis con la intencin de generar una actividadintelectual compleja; por esta razn varias de las actividades prcticas se handescrito como actividades previas al tratamiento terico de los temas, de maneraque no sean una mera corroboracin de lo visto previamente en clase, sino unaoportunidad para conceptualizar a partir de lo observado, as, por ejemplo, larobtica es posible observarla en aplicaciones prcticas que brinden una mejorcomprensin de sus caractersticas. En las actividades prcticas sugeridas, esconveniente que el profesor busque slo guiar a sus alumnos para que ellos hagan la eleccin de las variables a controlar y registrar. Para que aprendan a planificar, que no planifique el profesor todo por ellos, sino involucrarlos en el proceso de planeacin.

Se sugiere una actividad integradora (proyecto final) que permita aplicar losconceptos de robtica estudiados durante el curso. Esto permite dar un cierre a lamateria mostrndola como til por s misma en el desempeo profesional,independientemente de la utilidad que representa en el tratamiento de temas enmaterias posteriores.

La lista de actividades de aprendizaje no es exhaustiva, se sugieren sobre todo las necesarias para hacer ms significativo y efectivo el aprendizaje. Algunas de las actividades sugeridas pueden hacerse como actividad extra clase y comenzar el tratamiento en clase a partir de la discusin de los resultados de las observaciones.

Se busca partir de experiencias concretas, cotidianas, para que el estudiante seacostumbre a reconocer los fenmenos fsicos en su alrededor y no slo se hable de ellos en el aula. Es importante ofrecer escenarios distintos, ya sean construidos, artificiales, virtuales o naturales.

Perfectamente cabe la posibilidad de utilizar herramientas de apoyo, materiales

diversos que en la actualidad son ms disponibles para la comprensin de los

diversos temas. Una herramienta sugerida para la evaluacin de sistemas reales es RAPL y Matlab, los cuales se encuentran como una opcin de programacin ysimulacin de sistemas robticos de diferentes configuraciones.

En las actividades de aprendizaje sugeridas, generalmente se propone laformalizacin de los conceptos a partir de experiencias concretas; se busca que el alumno tenga el primer contacto con el concepto en forma concreta y sea a travs de la observacin, la reflexin y la discusin que se d la formalizacin; la resolucin de problemas se har despus de este proceso. Esta resolucin de problemas no se especifica en la descripcin de actividades, por ser ms familiar en el desarrollo de cualquier curso. Pero se sugiere que se diseen problemas con datos faltantes o sobrantes de manera que el alumno se ejercite en la identificacin de datos relevantes y elaboracin de supuestos.

Se pretende que durante el curso de manera integral se conforme una visin delfuturo profesionista y se pueda crear la confianza en l que permita interpretar elmundo que le rodea, sea este dentro de su desempeo laboral o no, dondefundamentalmente el enfoque sistemtico ser una herramienta de desempeo de la profesin, as mismo del desarrollo humano.

En el transcurso de las actividades programadas es muy importante que elestudiante aprenda a valorar las actividades que lleva a cabo y entienda que estconstruyendo su futuro y en consecuencia acte de una manera profesional; deigual manera, aprecie la importancia del conocimiento y los hbitos de trabajo;desarrolle la precisin y la curiosidad, la puntualidad, el entusiasmo y el inters, latenacidad, la flexibilidad y la autonoma.

Es necesario que el profesor ponga atencin y cuidado en estos aspectos en eldesarrollo de las actividades de aprendizaje de esta asignatura.

3.-COMPETENCIAS A DESARROLLAR

Competencias especficas:

Tener un mejor conocimiento de loscomponentes principales de un sistemarobtico.

Comprender los aspectos principalesde operacin, manipulacin,configuracin y programacin de unrobot industrial.

Caracterizar y seleccionar loselementos bsicos que constituyen unambiente de manufactura flexiblebasado en el uso de robots y sistemasautomticos.

Dominar algunas tcnicas deprogramacin de robots industriales.

Manipular y reconocer los diferentestipos de robots industriales tanto fijoscomo mviles.

Obtencin de la funcin detransferencia de un manipulador de unoy dos grados de libertad con susarticulaciones desacopladas yacopladas. Proponer una trayectoria para elmovimiento de un robot.

Competencias genricas:

Competencias instrumentales

Capacidad de anlisis y sntesis.

Capacidad de organizar y planificar.

Conocimientos bsicos de la carrera.

Comunicacin oral y escrita.

Conocimiento de las propiedadesmatriciales y la transformada deLaplace.

Habilidades bsicas en el modelado de sistemas mediante la utilizacin de la Transformada de Laplace.

Habilidades bsicas de manejo de la computadora.

Habilidad de manejo de software de ingeniera.

Habilidad para simular mediantemodelaje matemtico los sistemasfsicos.

Conocimiento de electrnica analgica y digital.

Habilidad para buscar y analizarinformacin proveniente de fuentesdiversas.

Solucin de problemas.

Toma de decisiones.Competencias interpersonales

Capacidad crtica y autocrtica.

Trabajo en equipo.

Habilidades interpersonales.

Creatividad.

Habilidad de modelar.

Competencias sistmicas

Capacidad de aplicar losconocimientos en la prctica.

Habilidades de investigacin.

Capacidad de aprender.

Capacidad de generar nuevas ideas(creatividad).

Habilidad para trabajar en forma autnoma.

Bsqueda del logro.

4.- HISTORIA DEL PROGRAMA

Lugar y fecha de elaboracin o revisinParticipantesObservaciones (cambios y justificacin)

Instituto Tecnolgico de Tlalnepantla.

Departamento de Metalmecnica.

Del 11 al 15 de Junio del 2013. Ing. Gabriel Torres Santiago.

Ing. Martha Ofelia Nieto Lpez.

Elaboracindel programade estudio de la especialidad de la carrera de Ingeniera Mecnica.

5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO

Adquirir los conocimientos necesarios para proponer soluciones en la automatizacin de procesos de manufactura industriales mediante la seleccin y aplicacin de manipuladores robticos, para asegurar la calidad eficiencia y rentabilidad de dichos procesos.6.- COMPETENCIAS PREVIAS

Realizar operaciones con matrices.

Generar diagramas de cuerpo libre.

Automatizar, controlar y programar maquinas.

Diagnosticar y analizar fallas en maquinas.

Analizar, disear y aplicar controladores electrnicos para sistemas mecatrnicos.

Seleccionar y aplicar sensores y transductores a sistemas y procesos industriales.

Seleccionar, aplicar y disear elementos y dispositivos mecnicos en sistemas dinmicos.

Interpretar y aplicar tolerancias dimensionales y geomtricas.

Seleccionar materiales para construccin de robots y manipuladores.

Aplicar el anlisis de vibraciones, control e instrumentacin para medicin.

Realizar y/o seleccionar interfaces electrnicas para el control de elementos mecnicos.

Calcular momentos torsionales y flexionantes en los eslabones dearticulaciones.

7.- TEMARIO

UNIDADTEMASSUBTEMAS

1Morfologa del robot.1.1 Historia de los robots.

1.2 Estructura mecnica de un robot.

1.3 Transmisiones y reductores.

Transmisiones.

Reductores.

Accionamiento directo.

1.4 Comparacin de sistemas de accin.

Actuadores neumticos.

Actuadores hidrulicos

Actuadores elctricos.

1.5 Sensores internos.

Sensores de posicin.

Sensores de velocidad.

Sensores de presencia.

1.6 Elementos terminales.

1.7 Tipos y caractersticas de robots.

1.8 Grados de libertad y espacio de trabajo.

1.9 Aplicaciones.

2Programacin de robots.2.1 Programacin no textual.

por hardware:

programa cableado. programa definido mecnicamente.- por enseanza:

en lnea. modo pasivo. modo activo. fuera de lnea.2.2 Programacin textual.

- Explcita:

nivel robot. nivel objeto.- Implcita:

nivel objeto. nivel tarea.-nivel objetivo.

3Cinemtica.3.1 Sistemas de coordenadas.

- Representacin de un punto en elsistema de coordenadas.

- Descripciones espaciales:

posicin. orientacin. ejes de referencia.3.2 Movimiento rgido y transformaciones homogneas.

Rotaciones.

Composicin de rotaciones.

Propiedades de las rotaciones.

Matrices antisimtricas.

Matrices y Transformaciones homogneas.

3.3 Representacin de Denavit-Hartenberg.

Cadenas cinemticas.

Representacin Denavit-Hartenberg.

Cinemtica directa.

Ejemplos.

3.4 Cinemtica inversa.

Introduccin.

Desacoplo cinemtico.

Posicin inversa.

- Orientacin inversa.

4Dinmica.4.1 Introduccin.

Importancia de la dinmica del manipulador.

Aplicaciones.

4.2 Ecuaciones de Euler-Lagrange.

Velocidades de las articulaciones de un robot.

Energa cintica.

Energa potencial.

Ecuaciones de movimiento.

4.3 Formulacin de Newton-Euler.

Sistema de coordenadas rotantes.

Sistema de coordenadas en movimiento.

Cinemtica de los elementos.

Ecuaciones de movimiento recursivas.

4.4 Ecuaciones de movimiento generalizadas de DAlambert. Modelo dinmico simplificado.

Ejemplos.

5Control.5.1 Introduccin.

5.2 Control de posicin.

5.3 Control de velocidad.

5.4 Control de fuerza.

6Planificacin de

Trayectorias.6.1 Trayectorias paramtricas.

6.2 Perfil trapezoidal.

6.3 Restricciones de trayectorias.

8.- SUGERENCIAS DIDCTICAS

El profesor debe:

Ser conocedor de la disciplina de robtica, la cual est bajo su responsabilidad,conocer su origen y desarrollo histrico para considerar este conocimiento al abordar los temas. Desarrollar la capacidad para coordinar y trabajar en equipo; orientar el trabajo del estudiante y potenciar en l la autonoma, el trabajo cooperativo y la toma de decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y propiciar la interaccin entre los estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de los estudiantes como punto de partida y como obstculo para la construccin de nuevos conocimientos.

Propiciar actividades de metacognicin. Ante la ejecucin de una actividad,sealar o identificar el tipo de proceso intelectual que se realiz: unaidentificacin de patrones, un anlisis, una sntesis, la creacin de unheurstico, etc. Al principio lo har el profesor, luego ser el alumno quien loidentifique. Ejemplos: reconocer los grados de libertad de un robot dada laconfiguracin del mismo: reconocimiento de patrones; elaboracin de unprincipio a partir de una serie de observaciones producto de un experimento:sntesis.

Propiciar actividades de bsqueda, seleccin y anlisis de informacin endistintas fuentes. Ejemplo: buscar y contrastar comportamientos comoaquellos de los movimientos de traslacin y rotacin, identificando puntos decoincidencia y diferencia entre ellos en cada situacin concreta (matriz detransformacin homognea).

Fomentar actividades grupales que propicien la comunicacin, el intercambioargumentado de ideas, la reflexin, la integracin y la colaboracin de y entrelos estudiantes. Ejemplo: al socializar los resultados de las investigacioneshechas a partir de software de programacin y simulacin (RAPL, Matlab) ylas experiencias prcticas solicitadas como trabajo extra clase.

Observar y analizar fenmenos y problemticas propias del campoocupacional. Ejemplos: el proyecto final se realizar tomando en cuenta elcontenido de todas las unidades.

Relacionar los contenidos de esta asignatura con las dems del plan deestudios a las que sta da soporte para desarrollar una visin interdisciplinariaen el estudiante. Ejemplos: sealar que el control continuo y discreto sonnecesarios para controlar los movimientos de los robots estudiados en estaclase, los cuales son necesarios para implementar manufactura integrada porcomputadora, etc.

Propiciar el desarrollo de capacidades intelectuales relacionadas con lalectura, la escritura y la expresin oral. Ejemplos: trabajar las actividadesprcticas a travs de guas escritas, redactar reportes e informes de lasactividades de experimentacin, exponer al grupo las conclusiones obtenidasdurante las observaciones.

Facilitar el contacto directo con materiales e instrumentos, al llevar a caboactividades prcticas, para contribuir a la formacin de las competencias parael trabajo experimental como: identificacin manejo y control de variables ydatos relevantes, planteamiento de hiptesis, trabajo en equipo.

Propiciar el desarrollo de actividades intelectuales de induccin-deduccin yanlisis-sntesis, que encaminen hacia la investigacin.

Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicacin de losconceptos, modelos y metodologas que se van aprendiendo en el desarrollode la asignatura.

Proponer problemas que permitan al estudiante la integracin de contenidosde la asignatura y entre distintas asignaturas, para su anlisis y solucin.

Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medioambiente.

Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejorcomprensin del estudiante.

Propiciar el uso de las nuevas tecnologas en el desarrollo de la asignatura(RAPL, LabView, Matlab, Mathematica, Simmon, CircuitMaker, Internet, etc.).9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIN

La evaluacin debe ser continua y formativa por lo que se debe considerar eldesempeo en cada una de las actividades de aprendizaje, haciendo especialnfasis en:

Ejercicios y problemas en clase.

Exposicin de temas por parte de los alumnos con apoyo y asesora delprofesor.

Evaluacin trabajos de investigacin entregados en forma escrita.

Evaluacin por unidad para comprobar el manejo de aspectos tericos ydeclarativos.

Evaluacin de las prcticas por unidad, considerando los temas que stacontiene.

Evaluacin de las aplicaciones del contenido de la materia.

Considerar reporte de un proyecto final que describa las actividadesrealizadas y las conclusiones del mismo.10.- UNIDADES DE APRENDIZAJEUnidad 1:Morfologa del Robot

Competencia especfica a desarrollarActividades de aprendizaje

Comprender la importancia de larobtica, as como las disciplinasque intervienen en el anlisis ydiseo de manipuladores.Investigar en diferentes fuentes de los

alumnos en forma individual o grupalsobre el tema de las aplicaciones de losrobots.

Consultar diversas fuentes para conocer publicaciones cientficas y tecnolgicas de la robtica.

Describir los componentes de un robotindustrial, las caractersticas de robots ylas definiciones bsicas de la robtica.

Identificar y determinar los grados delibertad y el espacio de trabajo de unsistema mecnico articulado.

Comparar los diferentes sistemas deaccin destacando sus ventajas ydesventajas.

Unidad 2: Programacin de RobotsCompetencia especfica a desarrollarActividades de aprendizaje

Aplicar las diferentes tcnicas deprogramacin de robots, as como las ventajas y desventajas de cada una de ellas.Exponer en clase las formasconvencionales de programacin de losrobots industriales.

Realizar prcticas sobre Programacin de robots en donde el alumno aplique las interfaces de control del robot.

Realizar prcticas sobre Programacin de robots en donde el alumno programe de forma textual los movimientos de un robot.

Unidad 3: CinemticaCompetencia especfica a desarrollarActividades de aprendizaje

Comprender los conceptos sobre el modelado cinemtico de un manipulador, su importancia y limitaciones.Mostrar en clase la forma de modelar lacinemtica de los robots manipuladores. Obtener la matriz de traslacin, rotacin y transformacin homognea para algn movimiento determinado de un robot, dada su configuracin particular.

Realizar la cadena cinemtica de loseslabones de un robot utilizando lametodologa DenavitHartenberg.

Efectuar una bsqueda en internet sobre simuladores de uso gratuito.

Realizar ejemplos de modelacin que el profesor exponga en clase.

Realizar una prctica en donde seprograme en computadora y se simule el modelo de la cinemtica de un robot.

Unidad 4: DinmicaCompetencia especfica a desarrollarActividades de aprendizaje

Comprender los conceptos sobre el modelado dinmico de un manipulador, su importancia y limitaciones.Mostrar en clase la forma de modelar ladinmica de los robots manipuladores.

Realizar el modelado dinmico de loseslabones de un robot utilizando Lagrange-Euler y Newton-Euler.

Realizar un proyecto el modelo dinmico de un manipulador.

Realizar prcticas en donde seimplemente un programa en computadora que simule el modelo de la dinmica de un robot y que analizar los resultados de las simulaciones.

Unidad 5: ControlCompetencia especfica a desarrollarActividades de aprendizaje

Reconocer los diferentes esquemas de control y su aplicacin para los requerimientos de movimiento de un manipulador.Exponer en clase las formasconvencionales de controlar la posicin,velocidad y fuerza en robots industriales.

Realizar prcticas orientadas a simular modelos de control de uno o varios grados de libertad de un robot. Utilizar lenguajes de programacin virtual para control y monitoreo de procesos de manufactura robotizados.

Unidad 6: Planificacin de TrayectoriasCompetencia especfica a desarrollarActividades de aprendizaje

Aplicar las principales tcnicas para la definicin de trayectorias de un robot.Mostrar la forma de modelar laplanificacin de trayectorias de los robots manipuladores.

Realizar prcticas en donde se programe en computadora y se simule la trayectoria deseada que efecte un robot y se analicen los diferentes resultados obtenidos.

11.- FUENTES DE INFORMACIN

1. Fu, K. S., Gonzlez, R. C., y Lee, C. S. G., Robtica: Control, Deteccin,

Visin e Inteligencia, McGraw Hill, 1987.

2. Barrientos, et. al., Fundamentos de robtica, McGraw Hill, 1997.

3. Spong, M.W., Vidyasagar, M., Robot Dynamics and control, John Wiley &

Sons, 1989.

4. Craig, J., Introduction to Robotics: Mechanics and Control, Addison-Wesley,

Reading, MA. 1986.

5. Shahinpoor, M., A robot Engineering Textbook, Harper & Row, N.Y., 1987.

6. www.kuka.com:(ArcWelding_engl.,Food_Suppy_Chain_engl.

Kuka_CAMROB_de., Kuka_Jet_en., Kuka_Reinraum_en.).

7. Standler, W., Analytical Robotics and mechatronics, McGraw Hill International

Ed., 1995.

8. Koren, Y., ROBOTICS for engineers, McGraw Hill International Ed., 1987.

9. www.unimation.com: catalog.

10. www.abbrobots.com: catalog.

11. Safford, E.L., Handbook of Advanced Robotics, TAB BOOKS inc., 1982.

12.- PRCTICAS PROPUESTAS

1. Establecer un robot experimental esquematizado que satisfaga a una necesidad real.

2. Establecer los parmetros que definen dimensionalmente al robot propuesto.

3. Realizar una prctica sobre Programacin de Robots en donde el alumno

aplique la interface de control del robot Teach-Pendant.

4. Realizar una prctica sobre Programacin de Robots en donde el alumnoprograme de forma textual los movimientos de un robot.

5. Desarrollar el anlisis cinemtico directo e inverso del robot propuesto.

6. Aplicar el modelo dinmico al robot propuesto mediante el mtodo de

Lagrange Euler.

7. Aplicar el modelo dinmico establecido por NewtonEuler al robotpropuesto.

8. Realizar un programa en computadora que simule el modelo de lacinemticay dinmica de un robot.

9. Disear y detallar el controlador dinmico articular para un sistema robticopropuesto.