Tres de la ley Rob'otica

M´ODULO DE ROB´OTICA

Por

Freddy F. Valderrama Guti´errez

Primera versi´on creada por

ING. LUIS ENRIQUE CAMARGO

en la

ESCUELA DE CIENCIAS B´ASICAS TECNOLOG´ IA E INGENIER´ IA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

CEAD DUITAMA

Julio, 2008

Aprobado por:

Pedro Torres Silva Fecha

C.C

Gustavo Vel´asquez, Fecha

C.C

TABLA DE CONTENIDO

P´agina

LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi

1 PROTOCOLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Justificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Intencionalidades formativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Prop´ositos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.3 Metas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.4 Competencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Unidades did´acticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 Mapa Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Unidad I Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1 Antecedentes hist´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1 Breve Historia de la rob´otica . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.2 Automatizaci´on y rob´otica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.3 Clasificaci´on de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2 Transferencia de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.3 Carga y descarga de m´aquinas . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.4 Operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.5 Otras operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.6 Procesos de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.7 Manipuladores cinem´aticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.8 Agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.9 Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.10 Vehiculos submarinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.11 Educaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3 El mercado de la rob´otica y las perspectivas futuras . . . . . . . . 31

2.4 Subsistemas del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 Robot Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.5.1 Definici´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.5.2 Clasificaci´on de robots industriales . . . . . . . . . . . . . . 37

ii

2.6 Morfolog´ıa del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.6.1 Grados de Libertad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador . . . . . . 41

2.6.3 Capacidad de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.6.4 Problemas a enfrentar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.6.5 Exactitud y Repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.6.6 Resoluci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.6.7 Precisi´on en la repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.8 La resoluci´on del mando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.9 Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.10 Coordenadas de los movimientos . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6.11 Brazos del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.6.12 Programabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6.13 Estructura mec´anica de un robot . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6.14 Transmisiones y reductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.6.15 Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.6.16 Neum´aticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6.17 Hidr´aulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.6.18 El´ectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.6.19 Sensores internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.6.20 Sensores externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3 UNIDAD II. Cinem´atica y din´amica del robot . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1 Conceptos b´asicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.1.1 Posici´on y orientaci´on en el plano . . . . . . . . . . . . . . 72

3.1.2 Posici´on y orientaci´on en el espacio . . . . . . . . . . . . . 79

3.1.3 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2 Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H) . . . . . . . . . . . 87

3.3 El problema cinem´atico directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.3.1 Ejemplo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.3.2 Ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.4 El problema cinem´atico inverso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.4.1 Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.5 Velocidades y jacobiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4 UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROB´OTICA . . . . . . . . . . . . . . 100

4.1 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.1.1 Sistema de medici´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.1.2 La exploraci´on de im´agenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.1.3 La Retroalimentaci´on visual para el funcionamiento del

Telerobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.1.4 La retroalimentaci´on visual y de fuerza para ayudar al neurocirujano

durante una telecirug´ıa . . . . . . . . . . . . . 105

4.1.5 La cirug´ıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

iii

4.2 Procesamiento de im´agenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.2.1 Estructura y jerarqu´ıa en el proceso de im´agenes . . . . . . 109

4.2.2 El video Estereosc´opico y la Realidad Virtual . . . . . . . . 110

4.3 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.3.1 Clasificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.3.2 Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

4.3.3 Nuevos Sectores de Aplicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . 128

APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

iv

LISTA DE TABLAS

Tabla P´agina

v

LISTA DE FIGURAS

Figura P´agina

1–1 Protocolo del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1–2 Unidad 1 y Unidad 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1–3 Unidad 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1–4 Mapa conceptual del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2–1 Robot dise˜nado por Ralph Mosher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2–2 Mu˜neca dibujante dise˜nada por Henri Maillardert. . . . . . . . . . . . 15

2–3 Cyril Walter Kenward y George C. Devol. . . . . . . . . . . . . . . . 19

2–4 Robot tranasportador de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2–5 Robot usado en laboratorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2–6 Robot usado para explorar tuberias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2–7 Robot usado para esquilar ovejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2–8 Robot usado para exploraciones espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . 30

2–9 Robot manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2–10 Diagrama de bloque de un robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2–11 Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. . . . . . . . 41

2–12 Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 43

2–13 Esquema para definir la resoluci´on de un robot industrial. . . . . . . . 44

2–14 Esquema para visualizar el error de posici´on. . . . . . . . . . . . . . . 44

2–15 Configuraciones b´asicas y coordenadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2–16 Tipos de junturas usadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2–17 Analogia entre un brazo humano y uno rob´otico. . . . . . . . . . . . . 49

2–18 Punto de centro de la herramienta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2–19 Espacio de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

vi

2–20 Tipos de transmisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2–21 Engranajes Circular-Circular.

...