Robótica: Control de Robots Manipuladores

Fernando Reyes Cortés

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Es un libro de texto para los cursos de robótica que se imparten en las carreras de ingeniería en mecatrónica, electrónica, sistemas e industrial. Presenta los fundamentos de la... Leer descripción completa

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Es un libro de texto para los cursos de robótica que se imparten en las carreras de ingeniería en mecatrónica, electrónica, sistemas e industrial. Presenta los fundamentos de la robótica, modelado y control de robots manipuladores, y los tópicos selectos control de fuerza/impedancia, robótica móvil, visual servoing, robótica industrial e inteligencia artificial. Incluye: Videos experimentales que muestran aspectos cualitativos de algoritmos de control. Simuladores cuyo propósito general es servir para el estudio y análisis de esquemas de control. Código fuente (tool-box) de más de 30 programas para MatLab relacionados con sistemas dinámicos lineales y no lineales, robots manipuladores, algoritmos de control y trazo de trayectoria

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Índice

1.1 Introducci¢n 3 Cirug¡a robotizada 7 1.2 Tipos de robots 9 1.2.1 Robots m¢viles 9 Robots m¢viles 9 1.2.2 Robots humanoides 10 Robots humanoides 11 1.2.3 Robots industriales 12 Componentes de un robot 16 1.3 Control de robots manipuladores 17 1.4 Tecnolog¡a de robots 19 Sistema de engranes 20 Servomotores de transmisi¢n directa 21 1.5 Estad¡sticas de rob¢tica 23 1.6 Historia de la rob¢tica 26 Contribuciones de Leonardo 28 1.7 Sociedades cient¡ficas de rob¢tica 33 1.8 Resumen 37 1.9 Referencias selectas 38 1.10 Problemas propuestos 42 Cap¡tulo 2 Servomotores y sensores 45 2.1 Introducci¢n 47 2.2 Servomotores 49 2.2.1 Principios b sicos de motores elctricos 53 Sistemas de engranaje 56 2.2.2 Servomotores de transmisi¢n directa 58 Tecnolog¡a de transmisi¢n directa 58 Programaci¢n de robots manipuladores 62 2.3 Sensores 69 2.3.1 Resolvers 70 2.3.2 Potenci¢metros 71 2.3.3 Tac¢metro 72 2.4 Encoders 73 2.4.1 Encoder incremental 77 2.4.2 Encoder Absoluto 80 2.4.3 Encoder magntico 83 2.4.4 Aspectos importantes de los encoders 85 2.4.5 Construcci¢n de un encoder incremental 87 Encoder incremental 88 2.4.6 Glosario para encoders 89 2.5 Resumen 90 2.6 Referencias selectas 92 2.7 Problemas propuestos 94 Cap¡tulo 3 Preliminares matem ticos 97 3.1 Introducci¢n 99 3.2 Vectores 100 3.2.1 Operaciones entre vectores 102 3.2.2 Norma euclidiana 105 3.3 Matrices 106 3.3.1 Matrices especiales 108 3.3.2 Operaciones de matrices 109 Operaciones con matrices 109 Producto de matrices 112 3.3.3 Norma espectral 126 3.4 Funciones definidas positivas 128 3.4.1 Derivadas parciales de funciones de energ¡a 137 3.5 Sistemas din micos 144 3.5.1 Puntos de equilibrio 148 3.6 Teor¡a de estabilidad de Lyapunov 150 3.6.1 Estabilidad en el sentido de Lyapunov 152 3.6.2 Funci¢n candidata de Lyapunov 157 3.6.3 Mtodo directo de Lyapunov 158 Simulaci¢n de sistemas din micos 166 Sistema din mico no lineal 174 Pndulo 182 3.6.4 Principio de invariancia de Lasalle 183 3.7 Norma L 186 3.7.1 Relaci¢n entre L y estabilidad de Lyapunov 189 3.8 Resumen 192 3.9 Referencias selectas 194 3.10 Problemas propuestos 197 Cap¡tulo 4 Cinem tica de robots manipuladores 201 4.1 Introducci¢n 203 4.2 Morfolog¡a del robot 203 4.3 Transformaciones homogneas 208 Transformaciones homogneas 209 4.4 Cinem tica 210 4.4.1 Convenci¢n Denavit-Hartenberg 212 4.4.2 Selecci¢n de sistemas de referencia 214 4.4.3 Algoritmo Denavit-Hartenberg 217 4.4.4 Cinem tica diferencial 218 4.5 Tipos de robots industriales 221 4.5.1 Robot antropom¢rfico (RRR) 231 4.5.2 Configuraci¢n SCARA (RRP) 236 4.5.3 Configuraci¢n esfrica (RRP) 238 4.5.4 Configuraci¢n cil¡ndrica (RPP) 241 4.5.5 Configuraci¢n cartesiana (RRR) 243 4.6 Resumen 245 4.7 Referencias selectas 246 4.8 Problemas propuestos 248 Cap¡tulo 5 Din mica de robots manipuladores 251 5.1 Introducci¢n 253 5.2 Ecuaciones de Euler-Lagrange 255 5.3 Modelo din mico 257 5.3.1 Propiedades del modelo din mico 259 5.3.2 Efecto inercial 259 5.3.3 Fuerzas centr¡petas y de Coriolis 261 5.3.4 Par gravitaciona 262 5.3.5 Fen¢meno de fricci¢n 263 5.3.6 Linealidad en los par metros 264 5.3.7 Modelo de energ¡a 266 5.3.8 Modelo de potencia 267 5.3.9 Ejemplos de modelado din mico 267 Pndulo robot 275 Robot de 2 gdl 286 5.4 Modelo din mico cartesiano 287 5.4.1 Propiedades del modelo din mico cartesiano 290 5.5 Identificaci¢n paramtrica 291 5.5.1 M¡nimos cuadrados 293 5.5.2 Algoritmo recursivo de m¡nimos cuadrados 295 M¡nimos cuadrados 301 5.5.3 Modelo de regresi¢n din mico filtrado 302 5.5.4 Regresi¢n lineal del modelo de energ¡a 304 5.5.5 Modelo de regresi¢n de la potencia filtrada 307 5.6 Robot experimental de 3 gdl 315 5.7 Resumen 322 5.8 Referencias selectas 323 5.9 Problemas propuestos 327 Cap¡tulo 6 Control de posici¢n de robots manipuladores 331 6.1 Introducci¢n 333 6.2 Regulaci¢n 334 6.2.1 Control PD 336 6.2.2 An lisis cualitativo del control PD 342 Control PD pndulo 343 Videos del pndulo 346 Simulador pndulo 352 Robot 2 gdl PD 355 Videos experimentales. Control PD de un pndulo 356 6.2.3 Control proporcional integral derivativo 357 PID 358 6.3 Moldeo de energ¡a 359 6.3.1 Control con acciones no acotadas 365 6.3.2 Control con acciones acotadas 376 6.3.3 Ejemplos de algoritmos de control de posici¢n 390 6.4 ï Indice de desempe~no 394 6.5 Aplicaciones de control de posici¢n 404 6.5.1 Control cartesiano 404 6.5.2 Visual servoing 411 Visual servoing 411 6.5.3 Control punto a punto 413 6.5.4 Programaci¢n de instrucciones robot 415 Inteligencia artificial 415 6.5.5 Rob¢tica industrial 419 Programaci¢n FANUC 421 6.6 Resumen 423 6.7 Referencias selectas 424 6.8 Problemas propuestos 431 Cap¡tulo 7 Control de trayectoria de robots manipuladores 437 7.1 Introducci¢n 439 7.2 Control PD + 443 7.2.1 An lisis de estabilidad asint¢tica PD+ 446 7.3. Moldeo de energ¡a PD+ 451 7.3.1 Ejemplos de control de trayectoria tipo PD+ 456 7.4 Control par calculado 459 7.4.1 Moldeo de energ¡a par calculado 460 7.5 Aspectos pr cticos 464 Esquemas de control de trayectoria 464 Videos de robots manipuladores 465 7.6 Resumen 465 7.7 Referencias selectas 466 7.8 Problemas propuestos 469 Cap¡tulo 8 Control de fuerza/impedancia 471 8.1 Introducci¢n 473 8.2 Sensores de fuerza/par 475 8.2.1 Transductor Nano17 476 8.2.2 Transductor Gamma 477 8.2.3 Transductor Omega250 477 8.3 Sistemas h pticos 479 8.4 Modelado del entorno 481 8.5 Control de fuerza 481 8.5.1 Control de fuerza con lazo interno de posici¢n 482 8.5.2 Control de fuerza: lazo interno de velocidad 483 Sistema rob¢tico controlado por fuerza 484 8.6 Control h¡brido de fuerza/posici¢n 485 Robot manipulador SCARA 487 8.7 Control de impedancia 488 8.7.1 Control de impedancia con base en par 490 Robot cartesiano de 1 gdl 491 8.7.2 Control de impedancia con base en posici¢n 491 8.7.3 Enfoque alternativo al control de impedancia 493 Robot manipulador de 2 gdl 495 8.8 Aplicaciones 498 8.9 Resumen 503 8.10 Referencias selectas 504 8.11 Problemas propuestos 507 Cap¡tulo 9 Rob¢tica m¢vil 509 9.1 Introducci¢n 511 9.2 Robots m¢viles 513 9.2.1 Descripci¢n de un robot m¢vil con ruedas 513 9.2.2 Tipos de ruedas 515 9.3 Configuraci¢n de robots m¢viles 520 9.3.1 Configuraci¢n Ackerman 520 9.3.2 Configuraci¢n triciclo cl sico 521 9.3.3 Direccionamiento diferencial 521 9.3.4 Configuraci¢n s¡ncrona 522 9.3.5 Movilidad y direccionabilidad 523 9.4 Cinem tica de robots m¢viles 526 9.5 Din mica de robots m¢viles 529 9.6 Control de robots m¢viles 530 Robot m¢vil tipo uniciclo 533 9.6.1 Control por retroalimentaci¢n no lineal 536 Robot m¢vil tipo (2,0) 539 9.7 Resumen 541 9.8 Referencias selectas 542 9.9 Problemas propuestos 544 ¡ndice anal¡tico 547

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