En la presente publicación se muestra el proyecto final de nuestro curso de robotica 2. Dicho proyecto consiste en un manipulador robotico tipo pp muy similar a un pantografo, su tarea es el corte de placas fenolicas con angulos rectos siguiendo trayectorias trazadas en negro por medio de sensores tipo CNY70 acoplados para entregar señales digitales espero les giuste.
Cheka el video
Aqui descarga la documentación.
lunes, 29 de noviembre de 2010
jueves, 11 de noviembre de 2010
Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID)
Introducción
En los sistemas mecánicos, existen infinidad de variables a tomar cuando a diseño refiere, ya que además de lidiar con las características requeridas, es necesario contemplar las variables introducidas por las leyes de la física.
Dicho de otra forma, es necesario dotar al robot de la capacidad para llegar al punto solicitado con una exactitud aceptable y debido a la acción de la inercia esto no es fácil labor, es aquí donde se requiere de un sistema de control.
El controlador PID es la solución más concurrida para los sistemas de control. Los controladores con acción proporcional e integral han sido utilizados desde la época en que los molinos de viento y las maquinas de vapor eran las tecnologías dominantes, la forma actual del controlador PID emergió con los controladores neumáticos en los años 30 del siglo pasado. Una razón fue que las realizaciones con computadores hizo posible añadir características tales como capacidad de auto sintonía y diagnostico, que son de gran utilidad para los usuarios.
Realimentación
La manera común de representar un proceso que se desea controlar es mediante la elaboración de un diagrama de bloques, que muestra las variables que influyen en todo un proceso. El controlador generalmente se sitúa antes de comenzar el mismo.
Cuando se habla de control, generalmente se maneja el término realimentación, el cual se refiere a un “Lazo cerrado” mediante el cual se conoce el resultado de la salda de un proceso para tomarlo en cuanta a la entrada del mismo.
Figura. Diagrama de bloques de un controlador con realimentación simple
Si la realimentación funciona bien el error será pequeño, e idealmente será cero. Cuando el error es pequeño la variable de proceso está también próxima al punto de consigna independientemente de las propiedades del proceso. En la práctica, para conseguir realimentación es necesario tener sensores y actuadores apropiados que efectúen las acciones de control.
Uso de sistemas de control
Usando un ejemplo típico justificare la necesidad de un sistema de control, la mayoría de las veces que se funde un foco es al momento de prenderlo, si haces memoria es muy raro que un foco se funda una vez encendido. ¿Por qué? La respuesta es sencilla, todo sistema al pasar de un estado de reposo (apagado) al estado activo (encendido) pasa por un estado llamado transitorio, en el cual los niveles de energía se disparan sobrepasando en ocasiones la energía necesaria del sistema.
Especificaciones en el dominio del tiempo.
Aun que el estado transitorio, como su nombre lo indica, desaparece en el tiempo, es importante su análisis ya que debe de permanecer siempre dentro de ciertos parámetros.
El desempeño comúnmente empleado para la caracterización de sistemas de control lineal en el dominio del tiempo se define como:
· Sobrepaso máximo (Ymax). Es el valor más alto alcanzado en nuestra grafica descriptiva.
· Tiempo de retardo (Td). Se define como el tiempo requerido para que la respuesta alcance el 50% de su valor final.
· Tiempo de asentamiento (Ts). Se define como el tiempo requerido para que la respuesta disminuya y permanezca dentro de un porcentaje especifico de su valor final.
· Tiempo de levantamiento (Tr). Tiempo que le toma a nuestra respuesta llegar del 10% al 90% de su valor final.
Control Proporcional
El control proporcional es el tipo de control más sencillo que existe, es básicamente un amplificador con ganancia ajustable el cual nos ofrece modulación y amplificación.
Un sistema control de este tipo es suficiente para evitar que nuestro foco se funda.
Control Proporcional Derivativo (PD)
Los sistemas de control Proporcional derivativo proporcionan beneficios extras además de modulación, la aplicación de un sistema PD:
1. Mejora el amortiguamiento y reduce el sobrepaso máximo.
2. Reduce el tiempo de levantamiento y el tiempo de asentamiento.
El control PD no afecta el estado estable.
Control Proporcional Integral (PI)
Los sistemas de control proporcional derivativo proporcionan los siguientes beneficios:
1. Mejora el amortiguamiento y reduce el sobrepaso máximo.
2. Incrementa el tiempo de levantamiento.
3. Disminuye el ancho de banda.
4. Filtra el ruido en alta frecuencia.
El control PI si afecta el estado estable.
Control PID
El controlador PID ha sido desarrollado a lo largo de un gran periodo de Tiempo y ha sobrevivido a muchos cambios de tecnología, de la mecánica y la neumática a la basada en la electrónica y en los computadores. Se origina a partir de los controladores PD y PI tomando lo mejor de ellos.
Expresado de forma matemática seria:
Donde u es la señal de control y e es el error de control (e = ysp − y). La señal de control es así una suma de tres términos: el termino-P (que es proporcional al error), el termino-I (que es proporcional a la integral del error), y el termino-D(que es proporcional a la derivada del error). Los parámetros del controlador son la ganancia proporcional K, el tiempo integral Ti, y el tiempo derivativo Td.
El controlador PID tiene tres términos. El termino proporcional P corresponde a control proporcional. El termino integral I da una acción de control que es proporcional a la integral del error y el termino derivativo D es proporcional a la derivada del error de control.
Acción proporcional: En donde la acción de control es simplemente proporcional al error de control.
Acción integral: Cuya función es asegurarse de que la salida del proceso coincide con el punto de consigna en estado estacionario. Con control proporcional, hay normalmente un error de control en estado estacionario. Con acción integral, un pequeño error positivo conducirá siempre a una señal de control creciente, y un error negativo dará una señal de control decreciente sin tener en cuenta lo pequeño que sea el error.
Figura. Implementación clásica de una acción integral
Acción derivativa. El objetivo de la acción derivativa es mejorar la estabilidad en lazo cerrado El mecanismo de inestabilidad se puede describir intuitivamente como sigue. A causa de la dinámica del proceso, llevara algún tiempo antes de que un cambio en la variable de control sea detectable en la salida del proceso. Así, el sistema de control tardara en corregir un error. La acción de un controlador con acción proporcional y derivativa se puede interpretar como si el control se hiciese proporcional a la salida predicha del proceso.
Figura. Implementación clásica de una acción derivativa
La acción de control es así una suma de tres términos que representan el pasado por la acción integral del error (el termino-I), el presente (el termino-P) y el futuro por una extrapolación lineal del error (el termino-D).
Hay muchas variaciones del algoritmo PID básico que sustancialmente mejoraran su comportamiento y capacidad de operación.
lunes, 20 de septiembre de 2010
El robot como definición.
Introducción.
La generación del siglo XX es la generación que quizá ha tenido que acoplarse a los mas variados cambios en cuanto a su estilo de vida refiere.
Cambio sobre todo tecnológico se ha visto encabezado por la palabra ordenador o computadora, termino y aparato que hoy en día es conocido y manipulado por un gran sector de la población, otro término que aun que no toda la gente ha tenido contacto con él pero que si es mejor conocido que muchas maquinas industriales es el de robot.
1.1 Antecedentes históricos.
A lo largo de la historia el hombre ha sentido fascinación por los aparatos que imitan las características del ser vivo, entre los ejemplos de esto se encuentran varios modelos autómatas (nombre derivado de la forma de nombrar a aparatos con cierta autonomía por parte de los griegos) de los cuales se conoce muy poco pero se sabe de su existencia como el hombre de hierro de Alberto Magno, el gallo de Estrasburgo, la cabeza parlante de Bacon o el asombroso León del legendario Leonardo Da Vinci en el siglo XVI.
Para el siglo XVIII incursionando en la industria sobre todo textil se crearon maquinas como la hiladora giratoria de Hargreaves y el telar de Jacquard que utilizaba un cinta de papel perforada como la primer forma de programación.
La palabra robot fue utilizada por primera vez en 1921 cuando el escritor checo Karel Capek en una novela les llamo de esta forma a maquinas capaces de realizar las actividades que sus amos les pedían.
1.2 Origen y desarrollo de la robótica.
El precedente directo del robot fue el llamado tele manipulador, maquina creada para manipular elementos radioactivos con un sistema esclavo-maestro.
Fue George Devol quien estableció las características del robot industrial moderno, a esta escena se une Engelberger quien posteriormente firmara acuerdos con Kawasaki para la creación de robots.
La configuración de los primeros robots correspondía a la llamada configuración esférica y antropomórfica cuyo uso principal es la manipulación.
Desde sus inicios la robótica ha crecido vertiginosamente, en 30 años el robot ha logrado en prácticamente todos los ámbitos laborales, sustituyendo al hombre en tareas repetitivas y hostiles.
1.3 Definición y clasificación del robot.
Actualmente el robot esta presenciando una notoria ampliación en su campo de aplicación saturando talleres y líneas de fabricación.
1.3.1 Definición de robot industrial.
“Un robot es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas”. La ISO agrega a esta definición la frase “con varios grados de libertad”.
La AFNOR define manipulador y en base al manipulador define el robot, el manipulador lo define como un mecanismo de agarre y movimiento de elementos que puede ser manipulado por el hombre o por algún dispositivo lógico.
Clasificación de robots según la AFRI.
· Tipo A Robot tele comandado.
· Tipo B Manipulador programado cíclico.
· Tipo C Manipulador con trayectoria o punto a punto.
· Tipo D Obtiene conocimientos de su entorno.
También se clasifican generacionalmente
1° generación.
· Repite tarea programada secuencialmente
· No contempla alteraciones de su entorno.
2°generación.
· Adquiere limitada información del entorno y actúa en consecuencia
· Tiene ciertos atributos de visión.
3° generación.
· Posee capacidad para la planificación automática de tareas.
Además existe una clasificación para los robots industriales.
· Robot secuencial.
· Robot de trayectoria controlable.
· Robot adaptativo.
· Robot tele manipulado.
Con acciones hoy, convertirse en el mañana.
sábado, 4 de septiembre de 2010
Problemas en la cinematica de un robot.
"La cinemática del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sistema de referencia"
En el campo de la robotica se conocen fundamentalmente 2 problemas para la solucion de la cinematica, solucion directa de la cinematica del robot y solucion inversa de la cinematica de un robot.
Este tipo de analisis son analisis mecanicos-matematicos, para el analisis directo, teniendo la posicion en el espacio de cada uno de los eslabones de nuestro manipulador obtendremos el punto en el cual esta situado el extremo activo de nuestro manipulador, mientras que en el analisis inverso, sabiendo la pocision final de nuestro manipulador, debemos encontrar la pocision en que se deben colocar cada uno de los eslabones del manipulador. En este último tipo de análisis se obtiene 2 soluciones para cada uno de los eslabones, la solucion directa y la cruzada debido a que, teniendo un robot de 2 eslabones, podemos llegar al mismo punto de dos distintas formas, tal como se muestra en la figura 1.
En el campo de la robotica se conocen fundamentalmente 2 problemas para la solucion de la cinematica, solucion directa de la cinematica del robot y solucion inversa de la cinematica de un robot.
Este tipo de analisis son analisis mecanicos-matematicos, para el analisis directo, teniendo la posicion en el espacio de cada uno de los eslabones de nuestro manipulador obtendremos el punto en el cual esta situado el extremo activo de nuestro manipulador, mientras que en el analisis inverso, sabiendo la pocision final de nuestro manipulador, debemos encontrar la pocision en que se deben colocar cada uno de los eslabones del manipulador. En este último tipo de análisis se obtiene 2 soluciones para cada uno de los eslabones, la solucion directa y la cruzada debido a que, teniendo un robot de 2 eslabones, podemos llegar al mismo punto de dos distintas formas, tal como se muestra en la figura 1.
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| Fig. 1. La solución cruzada se muestra en color naranja. |
Linealización de un Robot.
El reemplazar un sistema no lineal por su aproximación lineal se denomina linealización. El interes hacia la linealizació es que el comportamiento dinámico de muchos sistemas no lineales dentro de un rango
de variables puede ser aproximado a modelos de sistemas lineales.
En el campo de la robotica, se manejan 6 grados de libertad para un manipulador, al pretender realizar un movimiento de un punto al otro nos podemos encontrar con ecuaciones de movimiento no lineales, mismas que son indeseables ya que:
1.- Es muy difícil encontrar soluciones cerradas a las ecuaciones diferenciales no-lineales
2.- Los métodos de estabilidad convencionales no aplican (Polos en el semiplano izquierdo)
3.- El diseño de controladores se vuelve complicado.
Existen muchos enfoques a la solución de problemas no-lineales todos con ventajas y desventajas sobre otros, tres de los enfoques mas conocidos son los siguientes:
*Spong, M. Vidyagascar, . Robot Dynamics and Control
de variables puede ser aproximado a modelos de sistemas lineales.
En el campo de la robotica, se manejan 6 grados de libertad para un manipulador, al pretender realizar un movimiento de un punto al otro nos podemos encontrar con ecuaciones de movimiento no lineales, mismas que son indeseables ya que:
1.- Es muy difícil encontrar soluciones cerradas a las ecuaciones diferenciales no-lineales
2.- Los métodos de estabilidad convencionales no aplican (Polos en el semiplano izquierdo)
3.- El diseño de controladores se vuelve complicado.
Existen muchos enfoques a la solución de problemas no-lineales todos con ventajas y desventajas sobre otros, tres de los enfoques mas conocidos son los siguientes:
- Linealizacion por regiones o aproximada
- Linealización extendida
- Linealización por realimentación o exacta.
*Spong, M. Vidyagascar, . Robot Dynamics and Control
Filtros FIFO
Primero... en el area electronica...¿Que es un filtro?
Un filtro es una circuito o comnponente electronico capaz de atenuar ciertas gama o gamas de frecuencia de una señal, la señal que pasa intacta es llamada banda pasante.
En la práctica, es imposible por razones físicas, por lo cual se emplean una serie de aproximaciones matemáticas que cumplen con las características deseadas, para asi, lograr la minima alteracion de nuestra banda pasante.
Tipos de filtros.
Existen 3 principales tipos de filtros, filtro pasa bajas, filtros pasa altas y filtros pasa banda, estos son los 3 principales, sin embargo, existen tambien los conocidos filtros FIFO, que se componen de los FILO y LIFO.
Filtros FIFO.
Los FIFO (first in first out; primero en entrar, primero en salir) se usan comúnmente en circuitos de electrónica para almacenaje y hacer control de flujo. Hablando de hardware un FIFO consiste básicamente en un conjunto de punteros de lectura/escritura, almacenamiento y lógica de control. El almacenamiento puede ser SRAM, flip-flops, latches o cualquier otra forma adecuada de almacenamiento. Para FIFOs de un tamaño importante se usa usualmente una SRAM de doble puerto, donde uno de los puertos se usa para la escritura y el otro para la lectura.
Un FIFO sincrónico maneja el mismo reloj tanto para las lecturas como para las escrituras. Un FIFO asicrónico es aquel que utiliza diferentes relojes uno para lectura y otro para la escritura. Cuando se habla de FIFOs asincrónicos se introduce el tema de la meta-estabilidad. Una implementación común de un FIFO asincrónico usa un Código Gray para los punteros de lectura y escritura de modo de asegurarse una generación de banderas seguras. Otra nota adicional respecto de la generación de banderas es que uno debe necesariamente usar punteros aritméticos para generar banderas para implementaciones asincrónicas de FIFO. Por otro lado, uno puede usar tanto un acercamiento "leaky bucket" o punteros aritméticos para generar banderas en una implementación FIFO sincrónica.
Como se menciono anteriormente los FIFO se dividen en 2:
FILO First In / Last Out. Primero en entrar- ultimo en salir.
LIFO Last In/ Fisrt Out. Primero en salir - ultimo en entrar.
Un filtro es una circuito o comnponente electronico capaz de atenuar ciertas gama o gamas de frecuencia de una señal, la señal que pasa intacta es llamada banda pasante.
En la práctica, es imposible por razones físicas, por lo cual se emplean una serie de aproximaciones matemáticas que cumplen con las características deseadas, para asi, lograr la minima alteracion de nuestra banda pasante.
Tipos de filtros.
Existen 3 principales tipos de filtros, filtro pasa bajas, filtros pasa altas y filtros pasa banda, estos son los 3 principales, sin embargo, existen tambien los conocidos filtros FIFO, que se componen de los FILO y LIFO.
Filtros FIFO.
Los FIFO (first in first out; primero en entrar, primero en salir) se usan comúnmente en circuitos de electrónica para almacenaje y hacer control de flujo. Hablando de hardware un FIFO consiste básicamente en un conjunto de punteros de lectura/escritura, almacenamiento y lógica de control. El almacenamiento puede ser SRAM, flip-flops, latches o cualquier otra forma adecuada de almacenamiento. Para FIFOs de un tamaño importante se usa usualmente una SRAM de doble puerto, donde uno de los puertos se usa para la escritura y el otro para la lectura.
Un FIFO sincrónico maneja el mismo reloj tanto para las lecturas como para las escrituras. Un FIFO asicrónico es aquel que utiliza diferentes relojes uno para lectura y otro para la escritura. Cuando se habla de FIFOs asincrónicos se introduce el tema de la meta-estabilidad. Una implementación común de un FIFO asincrónico usa un Código Gray para los punteros de lectura y escritura de modo de asegurarse una generación de banderas seguras. Otra nota adicional respecto de la generación de banderas es que uno debe necesariamente usar punteros aritméticos para generar banderas para implementaciones asincrónicas de FIFO. Por otro lado, uno puede usar tanto un acercamiento "leaky bucket" o punteros aritméticos para generar banderas en una implementación FIFO sincrónica.
Como se menciono anteriormente los FIFO se dividen en 2:
FILO First In / Last Out. Primero en entrar- ultimo en salir.
LIFO Last In/ Fisrt Out. Primero en salir - ultimo en entrar.
martes, 24 de agosto de 2010
Protocolo de Comunicación USB
Como proyecto para la materia de Robotica II se ha de entragar un robot, en el caso de mi equipo se ra un cortador de placas fenolicas.
Debido a que en la actualidad toda computadora cuenta con puerto USB, se ha decidido llevar a cabo la comunicacion y programacion de la tarjeta de control de nuestro robot por medio de este puerto.
Alta velocidad - USB 2.0 - Lanzado en 2000 mejoro notablemente con una tasa de 480 Mb/s.
Debido a que en la actualidad toda computadora cuenta con puerto USB, se ha decidido llevar a cabo la comunicacion y programacion de la tarjeta de control de nuestro robot por medio de este puerto.
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| Simbolo USB |
Ideado cerca de 1995 por Ajay Bhatt[1] e Intel el puerto USB ha corrido una carrera de 25 años enlos cuales su principal cambio ha sido en cuanto a velocidad refiere.
En base a la tasa de transferencia el USB se clasifica de la siguiente manera:Baja velocidad - USB 1.0 - Lanzado en 1996 contaba con una tasa de transferencia de 1,5 Mb/s.
Velocidad completa - USB 1.1 - Lanzado en 1998 manejo una tasa de transferencia de 12 Mb/s.Alta velocidad - USB 2.0 - Lanzado en 2000 mejoro notablemente con una tasa de 480 Mb/s.
Super alta velocidad - USB 3.0 - Lanzado en 2009 supera 10 veces a su antecesor sin embargo aun no es usado de manera comercial.
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| Figura 2 |
Desde sus inicios el conector USB ha usado 4 hilos, 2 destinados para alimentacion y 2 para datos en la Figura 2 se muestra el protocolo de cableado USB.
Los datos del USB se transmiten en un cable de par trenzado con impedancia característica de 90 Ω ± 15%, cuyos hilos se denominan D+ y D-. Los niveles de transmisión de la señal varían de 0 a 0'3 V para bajos ó 0 logico y de 2'8 a 3'6 V para altos ó 1 logico en las versiones 1.0 y 1.1, y en ±400 mV en alta velocidad 2.0.
Existe una pagina patrocinada por el USB Implementers Forum en la cual se muestra toda informacion referente asi como el protocolo completo para cada uno de los tipos de USB, la pagina es http://www.usb.org/
Para acceder diractamente a los documentos protocolarios pulsa aqui www.usb.org/developers/docs/
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