Etapas para Construcción de un mini robot

Transcripción

Etapas para Construcción de
un mini robot
Proyecto Mec-DPI2008-02647
AUTOR:
Carlos Alberto Jara Bravo
Gonzalo Lorenzo Lledó
Francisco Candelas Herías
Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal
Grupo de Automática, Robótica y Visión Artificial
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E tapas para la c onstruc c ión de un mini- robot
1.- Introducción
El presente documento pretende explicar fundamentalmente dos cosas:1) Las fases o pasos
a realizar para el diseño y construcción de un robot articular; 2) Evaluación de las distintas
alternativas para el diseño de la etapa de potencia en un primer prototipo.
Con respecto a la primera parte, se realizará una breve reseña histórica comentando algunas
investigaciones destacas dentro del marco de la construcción de robots articulares. Dado que hay
mucha literatura, se ha centrado únicamente en aquellos proyectos y/o artículos que poseían un
enfoque similar a lo que nosotros queremos realizar: robots de pocos grados de libertad (2-3 gdl),
con una capacidad de carga pequeña y cuya etapa de control ha sido diseñada mediante un control
externo por PC. Además, se incluyen algunas referencias a artículos donde se describen diseños de
robots para montarlo sobre otro. Posteriormente, se realizará una detallada exposición sobre los
distintas etapas o fases a seguir en el diseño de un robot. Aquí se comentarán también las
sugerencias pensadas por el Grupo de Robótica (GR) para cada una de las distintas fases.
En la segunda parte, se comentará brevemente cuáles son los distintos bloques y/o
componentes dentro de la arquitectura de control de un robot (etapa de control, etapa de potencia y
etapa de motor). También se realizará un estudio sobre las distintas alternativas en la etapa de
potencia. Aquí se tendrán en cuenta algunas consideraciones para la etapa de control y de motor, ya
que todas las partes están ligadas dentro de la arquitectura.
Finalmente, en las conclusiones, se realizará un breve resumen de lo expuesto, comentando
cuál sería la mejor alternativa para el caso que se nos presenta en el proyecto.
2.- Diseño de un robot articular.
2.1. Introducción.
La mayoría de las publicaciones que se han encontrado explican el diseño mecánico de
robots de una forma superficial y se centran más en la implementación de su control. Como
artículos más completos sobre el diseño de un robot de articular de pocos grados de libertad pueden
citarse [1][2], donde se detalla, aunque de forma superficial, los pasos seguidos en el diseño y
construcción. Otras investigaciones, se centran tan sólo en el diseño de la parte de control,
normalmente realizada sobre un robot comercial cuyo armario de control no se utiliza [3][4]. Esto
se hace para probar distintas estrategias de control sobre el un robot articular obviando la suya
propia.
Se han encontrado otras publicaciones donde se han diseñado robots articulares para ser
acoplados sobre otros robots, sobre todo móviles [5][6]. En estas investigaciones, se diseñan mini-
1
AUROVA – Grupo de Robótica-Proyecto MEC 2009
robots de bajo peso (light weight) para realizar tareas de manipulación. En muchos de ellos se
incorporan una mano robótica similar a la nuestra.
2.2. Fases de desarrollo en el diseño.
No existen muchas publicaciones que expliquen la metodología a seguir para la
construcción de un robot articular. Más que para un robot, se han encontrado normas generales a
seguir en cualquier diseño mecánico [7][8]. Entre ellas cabe destacar VDI2221 y VDI2206,
realizadas por la asociación alemana de ingenieros.
Para tener una idea, nos podemos basar como referencia en el esquema general de la Figura
1 [9], donde se describe una metodología general de los pasos a seguir. Para realizar una
explicación más detallada, dicho esquema se ha cumplimentado con más información procedente
de publicaciones [10][11], PFCs [12], experiencias de personas y tesis [13]. Además, el GR
incorpora sus propias sugerencias para la realización de cada una de las fases.
Figura 1. Metodología a seguir en un diseño mecánico
2
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A continuación, se detalla la metodología propuesta por el GR para el diseño del minirobot articular. En dicha propuesta, también se ha incluido una fase de identificación de los servoaccionamientos (Fase 7), ya que es necesaria para evaluar el comportamiento del sistema
construido:
•
Fase 1: Definición de los parámetros geométricos del mini-robot.
•
Fase 2: Cálculo aproximado de los parámetros dinámicos del robot (masas).
•
Fase 3: Elección de los servo-accionamientos .
•
Fase 4: Diseño CAD. Análisis de la resistencia y flexibilidad.
•
Fase 5: Elección de los dispositivos electrónicos y de control.
•
Fase 6: Construcción del 1er prototipo (parte mecánica-eléctrica).
•
Fase 7: Identificación de los servo-accionamientos (etapa motor+etapa potencia).
FASE 1: DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DEL MINI-ROBOT.
Esta fase involucra la selección del número/tipo de grados de libertad y la longitud de los eslabones
para optimizar el espacio de trabajo del robot en su tarea a realizar. Para ello, esta fase se subdivide
en las siguientes tareas:
1.
Definición de número y tipo de grados de libertad (gdl): se definirá el número y tipo de gdl
dependiendo de la tarea que va a desarrollar el manipulador. También se deberá definir una
longitud aproximada en los eslabones (este parámetros se optimizará más adelante). Dentro
de nuestro proyecto, para la realización de esta tarea se deberá tener en cuenta importantes
consideraciones como: punto de acople del mini-robot al PA-10, posibles colisiones del
mini-robot con el PA-10 y campo de visión, ya que el robot se utilizará para tareas de
control visual.
2. Modelo cinemático del robot: una vez definido el número/tipo de los gdl, y su longitud
aproximada de las articulaciones, se dispone a modelarlo cinemáticamente (parámetros
DH, cinemática directa e inversa). Esto nos permitirá saber cuál es su espacio de trabajo.
3. Optimización del espacio de trabajo: para esta fase se tendrá que variar la longitud de los
eslabones y calcular el espacio de trabajo para dicha longitud. La tarea de optimización es
compleja, ya que el tamaño de los eslabones afecta a muchos parámetros del robot: peso,
inestabilidad, etc. La idea pensada por el GR para solventar este problema, es realizar una
simulación con Easy Java Simualtions (ya que el PA-10 y el entorno de trabajo ya se tiene
modelado), o con otro software (Matlab, Easy-Robot, etc.), donde se acople el mini-robot
al PA-10. En esta simulación, también se incorporará una cámara virtual en el extremo del
mini-robot para ver su campo de visión y se programarán controles para cambiar en tiempo
3
real el valor de los parámetros DH, es decir, la longitud de los eslabones. De esta manera,
se podrá llegar a un valor más o menos óptimo del espacio de trabajo para la tarea
encomendada al mini-robot, llegando a una conclusión “equilibrada” teniendo en cuenta
todas las consideraciones anteriores (peso, campo de visión, etc.).
Finalmente, se muestra un esquema resumiendo esta tarea, donde podemos observar que el cálculo
inicial del número y tipo de gdl puede variarse para optimizar el espacio de trabajo final del minirobot (bucle iterativo).
Figura 2. Cálculo de los parámetros geométricos
FASE 2: CÁLCULO APROXIMADO DE LOS PARÁMETROS DINÁMICOS DEL ROBOT.
El objetivo principal de esta fase es realizar una estimación de los masas de cada uno de los
eslabones del mini-robot. Para ello, se necesitará escoger el tipo de material. Dado que las
características principales del robot son alta estabilidad, gran movilidad y gran ligereza, deberemos
escoger un material de alta resistencia y baja densidad. Como sugerencia del GR, se ha decidido el
Duraluminio LM 27. Este material nos proporciona unas características idóneas de resistencia y
bajo peso. Así también como se aprecia en la Tabla, este material es excelente para mecanizado y
presenta un buen acabado superficial.
Tabla I. Propiedades del Duraluminio LM27
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Una vez decidido el tipo de material se calcularán las masas de cada uno de los eslabones. Estos
valores se tendrán que sobreestimar, ya que en la estructura mecánica no sólo está compuesta por
los eslabones, sino también por los servo-motores (motor+encoder+reductor).
FASE 3: ELECCIÓN DE LOS SERVO-ACCIONAMIENTOS.
Ya estimado el valor de las masas, podemos calcular el tipo de motor. Para esta tarea, en primer
lugar debemos modelar la cinemática del mini-robot con los valores geométricos definitivos
(número/tipo de articulaciones y longitud de los eslabones). Posteriormente, debemos calcular el
modelo dinámico inverso del robot (algoritmo numérico Newton-Euler), que nos servirá para
conocer el par ejercido en cada una de las articulaciones a partir de las velocidades y aceleraciones
del robot. Se debe modelar un planificador de trayectorias y ver los pares ejercidos a velocidades y
aceleraciones altas, además de en las posiciones más desfavorables del robot (posición horizontal).
Una vez sabemos el par máximo estimado por cada articulación, podemos seleccionar de catálogos
comerciales los motores y las transmisiones adecuadas para el prototipo inicial.
En un brazo robot como el que vamos a diseñar, los conjuntos motor/transmisión se encargan de
entregar el par necesario para lograr los movimientos de las articulaciones a las velocidades
requeridas. Dado que se utilizan motores de alta velocidad y bajo par, se necesitan transmisiones
con elevadas relaciones de reducción en el mínimo espacio y con el menor peso posible. El GR
propone utilizar motores de corriente directa DC, que lleven incluidos su propio reductor y encoder
en el mismo conjunto.
A la hora de la elección del motor, es necesario fijarse en la curva Par-Velocidad. El uso de estas
curvas es importante para el dimensionado de los motores. Se necesita escoger un motor para que
trabaje generalmente en la zona de par nominal (zona roja).
Figura 3. Curva par-velocidad de un motor DC
5
FASE 4: DISEÑO CAD. ANÁLISIS DE LA RESISTENCIA Y FLEXIBILIDAD.
Es vital que el mini-robot cuente con la rigidez adecuada para realizar los trabajos con precisión.
Para ello, una vez determinado el tipo de material, longitud de los eslabones y las masas, se debe
verificar que las fuerzas a las que están sometidas las piezas no produzcan deformaciones ni
esfuerzos que comprometan la precisión ni integridad del mini-robot. Realizando un modelo CAD
con un software de análisis por elementos finitos (Virtual Lab, Ansys, Adams, etc.) podemos
comprobar que nuestro diseño cumple perfectamente con los requisitos para los que fue diseñado.
Además, muchos de estos software permiten importar modelos de motores y así ensamblar casi
todos los componentes del mini-robot y tener un modelo bastante aproximado. Podemos simular
velocidades/aceleraciones y ver las deformaciones resultantes. Esta fase nos servirá para tomar una
decisión final sobre el tipo de material. Este tipo de software permite escoger entre distintos tipos
de materiales, distintas características metálicas, etc. Por lo tanto, entramos en otro bucle iterativo
con las fases 2 y 3, partiendo desde el material inicialmente escogido hasta el diseño CAD, que
refinará nuestra elección final.
Figura 4. Cálculo de los parámetros dinámicos
FASE 5: ELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Y DE CONTROL.
Como veremos en el apartado 3 de este informe, el esquema general de la arquitectura de control
para el diseño de un robot se basa en tres partes: la etapa de control, la etapa de potencia o
amplificación y la etapa de motor. Hasta esta fase se ha diseñado la etapa de motor (estructura
mecánica del robot y servo-accionamientos). A continuación, debemos tomar una decisión sobre el
tipo de control y amplificación que se va utilizar en los servo-motores. Estas dos partes están
íntimamente relacionadas, por lo que se tendrán que escoger conjuntamente. Se comentará más en
detalle sobre esta elección en el Punto 3 de este informe.
FASE 6: CONSTRUCCIÓN DEL PRIMER PROTOTIPO.
Una vez seleccionado todo el material instrumental para la construcción del mini-robot, se debe
comenzar con el montaje de un primer prototipo. Llegada esta fase y antes de comenzar con la
6
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construcción, se debe tener claro todos los aspectos comentados en cada una de las fases
anteriormente vistas: grados de libertad, longitud de los eslabones, configuración, tipo de material,
tipo de servo-accionamiento (motor+reductor+encoder), tarjeta controladora (etapa de control) y
drivers (etapa de amplificación).
FASE 7: IDENTIFICACIÓN DE LOS SERVO-ACCIONAMIENTOS.
La identificación se emplea para obtener unos modelos lineales que se utilizan como punto de
inicio para realizar cualquier tipo de control. En general, un brazo robot es un sistema no lineal, ya
que el movimiento de una articulación depende del movimiento del resto. Por lo tanto, la obtención
de un modelo para cada una de las articulaciones por separado no proporciona un buen
conocimiento del sistema. Sin embargo, es importante tener un conocimiento a priori del sistema
que se debe controlar. Mediante esta identificación, se comprueba el funcionamiento de toda la
arquitectura diseñada y construida (motor, drivers, tarjeta de control, etc.). Por esta razón, se ha
incluido esta parte de modelado dentro del diseño del robot.
3.- Arquitectura de control
3.1. Conceptos previos.
Servomotor (analógico-digital)
Los servomotores analógicos de pequeño tamaño normalmente se componen de un motor de
corriente continua, un juego de engranajes para la reducción de velocidad, un potenciómetro
ubicado sobre el eje de salida (que se usa para conocer la posición) y una plaqueta de circuito para
el control.
Figura 5. Despiece de un sencillo servo-motor
Los servos digitales contienen, al igual que los analógicos, un motor de corriente continua, un
juego de engranajes reductores, un potenciómetro para la realimentación de posición y una
7
electrónica de control embebida dentro del servo. La diferencia está en la placa de control, en la
que han agregado un microprocesador que se hace cargo de analizar la señal, procesarla y controlar
el motor.
Con respecto al rendimiento, la diferencia más grande está en la velocidad a la que reacciona el
servo a un cambio en la señal. El servo digital puede recibir cinco o seis veces más pulsos de
control que un analógico. Como resultado la respuesta del servo a un cambio en la orden de
posición es mucho más veloz. Este ritmo mayor de pulsos también produce mejoras en el
rendimiento electromecánico del motor (mayor velocidad y más fuerza). Esto se debe a que en
cualquier servo (de ambos tipos) el motor recibe, para su control, una alimentación conmutada. En
los servos analógicos, la señal está conmutada a un ritmo de entre 10 y 22 ms. Si el ajuste que se
requiere es muy pequeño (un ángulo pequeño de giro), los pulsos son muy delgados y están muy
separados (10 a 22 ms). La integración de estos pulsos es la que da la alimentación de potencia al
motor, y en consecuencia la que lo hace mover. Una integración de pulsos delgados y muy
separados puede dar resultados erráticos. Suele ocurrir que cuando llega el otro pulso, el motor se
ha pasado de la posición y deba reajustarse, algo que ocurre constantemente. En los servos digitales
la señal llega mucho más seguida. Por esto la integración es más estable y la variación de corriente
de control es más firme.
Por lo tanto, para el diseño de nuestro mini-robot, el GR piensa que sería más adecuado escoger
servos digitales en vez de analógicos.
Drivers o amplificadores
La función del driver es aplicar un sistema de tensiones al devanado del motor. Además, el driver
debe poder variar la frecuencia y la amplitud del sistema de tensiones que se aplica al devanado. De
esta manera, se puede controlar la velocidad y el par del motor. Por otra parte, para realizar la
función anterior, los amplificadores deben conocer la posición del rotor en todo momento, para lo
cual hacen uso de encoders del servo-motor. Generalmente, los drivers modernos usan técnicas
PWM (Pulse Width Modulation o modulación por ancho de pulso) para generar el voltaje aplicado
a los devanados de los motores.
3.2. Esquema general del sistema de control.
Vistos los conceptos básicos anteriores, el esquema general de un control por PC de un robot
articulares se muestra en el esquema de la Figura 4.
8
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Figura 6. Esquema de control de un robot
Dentro de él podemos distinguir tres partes: etapa de control, etapa de potencia y etapa de motor o
el robot en sí.
•
Etapa de control: esta parte del esquema se compone de una tarjeta controladora donde se
puede cargar el controlador diseñado en código C o Matlab/Simulink usando como interfaz
el PC. La tarjeta también suele poseer entradas/salidas digitales así como analógicas para
los valores provenientes de los encoders.
•
Etapa de potencia: esta fase se encarga de amplificar la señal de control proveniente de la
tarjeta controladora. Normalmente esta fase de control se compone de drivers que
amplifican la señal TTL o PWM. Esta última será cuando se realice un control PWM de los
servos de la etapa de motor (que es uno de los más usados).
•
Etapa de motor o robot: aquí se encuentran los servomotores junto con la estructura
mecánica del robot. Dichos servos suelen tener encoders que realimentan la posición del
motor.
3.3. Etapa de potencia.
La técnica PWM se suele emplear para el control de muchos dispositivos. Normalmente, los
dispositivos de potencia que emplean esta técnica son:
•
Conversores DC-DC.
•
Inversores DC-AC de onda cuadrada.
•
Inversores DC-AC PWM.
1. Conversores DC-DC. En un conversor DC-DC se busca normalmente poder variar la magnitud
de un voltaje continuo a la salida (V0), partiendo de un voltaje continuo fijo (Vd) a la entrada. Para
realizar esto se suele tener una configuración como la mostrada en la Figura 7a), donde el
interruptor estará implementado por un dispositivo de estado sólido (un MOSFET, por ejemplo).
Este dispositivo se abre y se cierra con un periodo Ts, normalmente fijo. El tiempo que el
dispositivo está abierto o cerrado (ton y toff) es variable. La Figura 7b) muestra la señal cuadrada
resultante de abrir y cerrar el interruptor. Esta señal una vez filtrada, dará un voltaje V0 a la salida,
9
que corresponderá al valor medio de la señal cuadrada de la Figura 7b). Este tipo de conversores
DC-DC se utiliza en los drivers o amplificadores para alimentar motores de corriente continua.
Figura 7.a) Esquema básico de un DC-DC
b) Onda generada por um DC-DC.
2. Inversores DC-AC de onda cuadrada. En estos inversores, el voltaje continuo de entrada es
controlable por separado. Por tanto, el inversor debe controlar únicamente la frecuencia del voltaje
alterno de salida. En este tipo de inversores, el voltaje de salida tiene una forma de onda similar a
una onda cuadrada.
3. Inversores PWM. El propósito de un inversor es obtener un voltaje de salida alterno con unas
determinadas características. En este tipo de inversores, el voltaje de entrada es básicamente
constante en magnitud y proviene, normalmente, de la red eléctrica de baja tensión.
Por lo tanto, vistos los dispositivos que emplean PWM, el GR piensa que una buena elección para
realizar el control de los servomotores son los Conversores DC-DC, que normalmente son
empleados para el control de servo-motores de corriente continua.
4.- Conclusiones.
Tal y como se ha expuesto en este documento, la construcción de un robot no es una tarea
fácil, ya que implica la realización de muchas y distintas fases, cada una de ellas relacionada con
las anteriores. Durante todo el texto, se ha expuesto la mejor alternativa desde la opinión del GR,
exponiendo todos los detalles del porqué de las soluciones dadas.
REFERENCIAS
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10
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[3] Rubio, J. “Design of the electronic control system of an articulated robot arm”. Proceedings of
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[4] Chun H. et al. “Modeling Motion Control System for Motorized Robot Arm using MATLAB”.
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[6] Edwards, K. “Design, Construction and Testing of a Wheelchair-Mounted Robotic Arm”.
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[8] Página web: “How to build a robot”. http://www.societyofrobots.com/robot_arm_tutorial.shtml.
[9] Lengerke, O. et al. “Sistema de control de posición para una manipulador Puma”. VII Congreso
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[10] González, J.L. et al. “Desarrollo de un controlador abierto para un robot industrial tipo Scara”.
Revista iberoamericana de Automática e Informática Industrial (RIAI), Vol. 1, p. 44-49, 2004.
[11] Romero, R. et al. “Plataforma de experimentación de controladores para robots industriales”.
XXIX Jornadas de Automática, Almería, 2008.
[12] Gil, A. “Diseño de una arquitectura abierta de control para un sistema de 3gdl accionado
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[13] Silva, L. “Control visual de robots paralelos. Análisis, desarrollo y aplicación a la plataforma
Robotenis”. Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid (UPM), 2005.
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Etapas para Construcción de un mini robot

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