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Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial
SistemasSistemas de de LocomociónLocomoción de de robots robots móvilesmóviles
Automatización y Robótica Industrial 5 Ing Industrial
Consideraciones de diseño
• Maniobrabilidad• Controlabilidad• Tracción• Capacidad de subir pendientes• Estabilidad• Eficiencia• Mantenimiento• Impacto ambiental• Consideraciones de ‘Navegabilidad’
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Tipos de Locomoción
Con ruedas/cintas de deslizamiento• Diferencial• Síncrona• Triciclo• Ackerman•Omnidireccionales•Otras
Con patasOtros
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Algunos conceptos previosRueda motriz: La que proporciona fuerza de
tracción al robotRueda directriz: Ruedas de direccionamiento
de orientación controlable.Ruedas fijas: Sólo giran en torno a su eje sin
tracción motriz. Ruedas locas o ruedas de castor. Ruedas
orientables no controladas.
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Algunos conceptos previosRueda Fija Rueda orientable centrada
Rueda orientable descentrada(Rueda de Castor)
Ruedas Suecas: Ruedasomnidireccionales
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Algunos conceptos previos• Centro instantáneo de Rotación (CIR) o
centro instantáneo de curvatura (CIC): El punto de intersección de todos losejes de las ruedas
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Algunos conceptos previos• Restricciones no holónomas
¿Qué significa?
El robot El robot puedepuedemoversemoverseinstantáneamenteinstantáneamenteadelanteadelante o o atrásatrásperopero no no lateralmentelateralmenteporpor el el deslizamientodeslizamientode de laslas ruedasruedas
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Algunos conceptos previos• Restricciones no holónomas
R. R. HolónomaHolónoma no no dependedepende de de
MATEMÁTICAMENTE
R. No R. No HolónomaHolónoma dependedepende de de y no y no eses integrableintegrable
NO INTEGRABLENO INTEGRABLE
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Locomoción diferencial
No hay ruedas directrices. El cambio de dirección se realizamodificando la velocidad relativa de las ruedas a Izquierday Derecha
ω
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Locomoción diferencial
Ventajas:• Sistema Barato• Fácil de
implementar• Diseño simple
Inconvenientes:• Difícil de controlar• Requiere control de
precisión para trayectoriasrectas
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Problemas con locomocióndiferencial:
Deformación de neumáticos
El cambio de diámetro de las ruedas distorsiona el control de dirección del vehículo
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Locomociónsíncrona
(Synchro Drive)
Ventajas:• Motores separados para traslación y
rotación simplifican el control• El control en línea recta está garantizado
mecánicamente• Restricciones holónomas
Inconvenientes:• Diseño complejo y difícil implementación
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Triciclo
Ventajas:• No hay deslizamiento
Inconvenientes:• Se requiere guiado no holonómo
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Locomoción Ackerman
Ventajas:• Fácil de implementar• Un sistema simple de 4 barras controla la dirección
Desventajas:• Restricciones no holonómas
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Otros sistemas: Omniwheels
• Diseños complejos que permiten mayor libertad de movimiento que los sistemas de ruedas clásicos
• Ej : Ruedas Suecas
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Omni Wheels
Ventajas:• Permiten Movimientos complicados (reducenrestricciones cinemáticas)
Inconvenientes:• El movimiento en línea recta no está garantizado porrestricciones mecánicas: Es necesario control• Implementación Complicada
Ruedas Suecas
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Locomoción por cintas de deslizamiento
Ventajas:• Sistema simple de controlar
Inconvenientes:• Deslizamiento conduce a resultados
pobres en odometría• No se dispone de modelo preciso de
giro• Consume mucha potencia para girar.
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Robots con patasVentajas:• Pueden moverse por cualquier terreno
que un ser humano pueda (Ej : subenescaleras)
Inconvenientes:• Muchos grados de libertad Difícil de
controlar• Mantener la estabilidad es complicado.• Consumen mucha energía
¿ Son mejores las patas que las ruedas?
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Cinemática de Robots Móviles• La cinemática de un robot móvil describe la evolución de la
posición/orientación del mismo en función de las variables de actuación.
• Se desarrollará únicamente para robots con ruedas
Hipótesis:
• El Robot se mueve sobre una superficie plana• Los ejes de guiado son perpendiculares al suelo• Rodadura pura (No hay deslizamiento)• Robot como sólido rígido (no hay flexión)• Las trayectorias se pueden aproximar como arcos de
circunferencia entre dos periods de muestre consecutivos
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Cinemática de Robots MóvilesModelo básico del monociclo:
Velocidad lineal vehículo Velocidad angular vehículo
En coordenadas locales
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Cinemática de Robots MóvilesModelo básico del monociclo:
Suponiendo
O equivalentemente
El cambio de posición en coordenadas globales se obtebdrá aplicandouna rotación pura
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Cinemática de Robots MóvilesModelo básico del monociclo:
Evolución de la posición y orientación del monociclo en función de su velocidad lineal y angular de guiado (variables de actuación)
Pasando al límite podemos obtener el modelo cinemático diferencialcomo
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Cinemática de Robots MóvilesModelo cinemático Jacobiano
Coordenadas generalizadasVariables de actuaciónMatriz Jacobiana
En general la cinemática de un robot móvil puede expresarse
Ej: Para el monociclo
con
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Cinemática de Robots MóvilesModelo cinemático inverso (Jacobiano)
Permite obtener las variables de actuación necesarias para seguir unadeterminada trayectoria.
Si partimos del modelo Jacobiano podemos obtener el modelo inversocomo:
Ej: Para el monociclo
con
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Cinemática de Robots MóvilesModelos cinemáticos de algunas configuraciones
a) Locomoción Síncrona
Las ruedas se mueven sincrónicamenteen velocidad y orientación por lo que el modelo es idéntico al del monociclo
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Cinemática de Robots MóvilesModelos cinemáticos de algunas configuraciones
b) Locomoción Diferencial
El modelo se reduce al del monociclocon
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Cinemática de Robots MóvilesModelos cinemáticos de algunas configuraciones
c) Triciclo/BicicletaEl modelo se reduce al del monociclocon
Y el cambio de orientación del vehículo
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Cinemática de Robots MóvilesModelos cinemáticos de algunas configuraciones
d) AckermanEl modelo se reduce al del triciclo con
Y para la rueda directriz
o
