Unidad 2: Fase 3 - Realizar el modelamiento Cinemático de un sistema robótico.
Trabajo Individual.
Farley Giovanni González L. Código: 98.713.087
Tutora: Sandra Isabel Vargas
Universidad Nacional Abierta Y A Distancia UNAD –
Ingeniería de Sistemas El Bagre (Ant)
2018
4. Determinar y justificar las especificaciones especificac iones de los sensores y actuadores requeridos para cada una de las articulaciones, adjuntar a djuntar las referencias de los mismos, y si es posible una cotización.
Control de posición: se posición: se sugiere el elemento complementario que viene con el actuador eléctrico, el cual puede funcionar con una señal de 4-20mA o de 0-10 voltios, en el cual se sugiere el de 4-20 mA para evitar el problema de línea de cero y poder descartar la opción de daño en la tarjeta cuando este en posición inicial.
En la señal de 0 voltios la tarjeta puede estar averiada y el sistema no se entera sino que cree que está en posición inicial.
El de señal de 4-20 mA nos da la posibilidad de asegurar la posición inicial con 4 mA y poder descartar línea desconectada.
Para el control se sugiere utilizar una señal de 4-20 mA la cual presenta un buen comportamiento en sistemas de control a lazo cerrado y como se mencionó en el apartado anterior presenta una gran ventaja con respecto a la señal de 0-10 voltios por el error de
Para el envió de la señal desde el elemento sensor hasta el controlador se sugiere utilizar cable apantallado para reducir lo más posible los problemas de ruido eléctrico por inducción.
Figura 17. Detalle cable blindado
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO DE LOS SERVOS:
Estos servos tienen un amplificador, servo motor, piñonearía de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto. Esto es un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe ir), con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control.
Para controlar un servo, usted le ordena un cierto ángulo, á ngulo, medido desde 0 grados. Usted le envía una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica in dica el ángulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = máx. grado (cerca de 120) y algún valor entre ellos da un ángulo de salida proporcional. Generalmente se considera que en 1.5ms está el "centro." Entre límites de 1 ~ 2ms son las recomendaciones de los fabricantes, usted normalmente puede usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ángulo mayor e incluso de 2ms para un ángulo de rendimiento de 180 grados o más. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos construidos en el servo. Un sonido de zumbido normalmente indica que usted está forzando por encima al a l servo, entonces debe disminuir un poco.
El tiempo de OFF en el servo no es crítico; puede estar alrededor de los 20ms. Hemos usado entre 10ms y 30 ms. Esto No tiene que ser de ésta manera, puede variar de un pulso a otro. Los pulsos pu lsos que ocurren frecuentemente en el tiempo de OFF pueden interferir con el sincronismo interno del servo y podría escucharse un sonido de zumbido o alguna vibración en el eje. Si el espacio del pulso es mayor de 50ms (depende del fabricante), entonces el servo podría estar en modo SLEEP entre los pulsos. Entraría a funcionar en pasos pequeños y el rendimiento no sería el óptimo.
Como se observa en la figura, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo. El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados. La descripción realizada anteriormente como se a podido observar son de servomotores de corriente continua usados en robótica doméstica y en aeromodelismo fundamentalmente. En caso de decidirnos por utilizar un servomotor sería prudente verificar esta información sobre el control de posición: Control de posición
Figura 18. 18. Control de posición de un servomotor servo motor
Diagrama del circuito de control implementado en un servo. La línea punteada indica un acople mecánico, mientras que las líneas continuas indican conexión eléctrica. El dispositivo utiliza un circuito de control para realizar la ubicación del motor en un punto, consistente en un controlador un controlador proporcional. El punto de referencia o setpoint —que es el valor de posición deseada para el motor— se indica mediante una señal de control cuadrada. El ancho El ancho de pulso de la señal indica el ángulo de posición: una señal con pulsos más anchos (es decir, de mayor duración) ubicará al motor en un ángulo mayor, y viceversa. Inicialmente, un amplificador de error calcula calcula el valor del error de posición, que es la diferencia entre la referencia y la posición en que se encuentra el motor. Un error de posición mayor significa que hay una diferencia mayor entre el valor deseado y el existente, de modo que el motor deberá rotar más rápido para alcanzarlo; uno menor, significa que la posición del motor está cerca de la deseada por el usuario, así que el motor tendrá que rotar más lentamente. Si el servo se encuentra en la posición deseada, el error será cero, y no habrá movimiento .1
Para que el amplificador de error pueda calcular el error de posición, debe restar dos valores de voltaje analógicos. La señal de control PWM control PWM se convierte entonces en un valor analógico de voltaje, mediante un convertidor de ancho de pulso a voltaje. El valor de la posición del motor se obtiene usando un potenciómetro de realimentación acoplado mecánicamente a la caja reductora del eje del motor: cuando el motor rote, el potenciómetro también lo hará, variando el voltaje que se introduce al amplificador de error. error.2 Una vez que se ha obtenido el error erro r de posición, éste se amplifica con una ganancia, y posteriormente se aplica a los terminales del motor Utilización
Figura 19. 19. Control de tiempos de un servomotor
Ejemplos de señales de control utilizadas, y sus respectivos resultados de posición del servo (no están a escala). La posición del servo tiene una proporción lineal con el ancho del pulso utilizado.
Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación alimen tación puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición mediante una señal cuadrada de voltaje: el ángulo el ángulo de ubicación del motor depende de la duración del nivel alto de d e la señal. Cada servo, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación. Por ejemplo, para algunos servos los valores de tiempo de la señal en alto están entre 1 y 2 ms, 2 ms, que posicionan al motor en ambos extremos de giro (0° y 180°, respectivamente). Los valores de tiempo de alto para ubicar ubica r el motor en otras posiciones se hallan mediante una relación completamente lineal: el valor 1,5 ms indica la posición central, y otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición proporcional a dicha duración. duración.3 Es sencillo notar que, para el caso del motor anteriormente mencionado, la duración del pulso alto para conseguir un ángulo de posición θ estará dado por la fórmula
donde está dado en milisegundos y en grados. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que ningún valor —de ángulo o de duración de pulso — puede estar fuera del rango de operación del dispositivo: en efecto, el servo tiene un límite de giro — de modo que no puede girar más de cierto ángulo en un mismo sentido— debido a la limitación física que impone el potenciómetro del control de posición.
Para bloquear el servomotor en una posición, es necesario enviarle continuamente la señal con la posición deseada. De esta forma, el sistema de control seguirá operando, y el servo conservará su posición y se resistirá a fuerzas externas que intenten cambiarlo de posición. Si los pulsos no se envían, el servomotor quedará liberado, y cualquier fuerza externa puede cambiarlo de posición fácilmente.
Sistema de control
El sistema de control está formado por un microcontrolador Arduino Uno (Véase el apartado 2.3. Microcontrolador ). ). Éste, recibe a través del puerto serie el mensaje enviado por el programa de simulación y establece el comportamiento correspondiente de los servomotores.
MICROCONTROLADOR El microcontrolador empleado es el Arduino UNO. Utiliza un microprocesador ATMEGA328 del fabricante Atmel. Se han utilizado las salidas salid as digitales y PWM para el control de los servomotores. A continuación se muestra una u na imagen de dicho microcontrolador.
Figura 20. Tarjeta controladora La alimentación y la transmisión de datos desde el ordenador hacia el microcontrolador se realizan mediante un cable USB. Para el control de los servos el microcontrolador dispone de librerías específicas.
Los servomotores necesitan para su funcionamiento una señal de control de tipo PWM. El microcontrolador dispone de 14 salidas digitales d igitales de las cuales 6 proporcionan dicha señal PWM. No obstante, se podrán generar más salidas de ese tipo mediante el software Interno.
Microprocesador
ATMEGA328
Tensión de funcionamiento
5V
Voltaje de entrada
7-12V
(recomendada) Entradas/salidas digitales
14
Memoria Flash
32KB (ATMEGA328)
SRAM
2KB (ATMEGA328)
EPROM
1KB (ATMEGA328)
Velocidad de reloj
16MHz
E. Determinar los elementos que deben incluirse en el controlador del robot, esto se debe hacer a nivel general no se requieren planos electrónicos, mecánicos, neumáticos o hidráulicos, basta con un listado de elementos básico y un diagrama de bloques, lo más importante es justificar de acuerdo a la selección de actuadores. Controlador
Se trata del " cerebro cerebro" del del robot, el órgano de tratamiento de la información. Es el responsable de determinar los movimientos precisos de cada parte del mecanismo para que el elemento terminal pueda ser movido a la posición y orientación requeridas en el espacio. Puede tratarse de un PLC (Programmable Logic Controller )
en los modelos menos avanzados o de un sistema basado en
microprocesadores en los más avanzados. En su memoria contiene un modelo físico del propio robot, un modelo de su entorno y los programas necesarios para desarrollar los algoritmos de control.
Figura 21.- Unidad de control de robots
Existen varios grados de control que son función del tipo de parámetros que se regulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de unidades de control: de posición: el controlador interviene únicamente en el control de la posición del elemento terminal; cinemático: en este caso el control se realiza sobre la posición y la velocidad; dinámico: además de regular la velocidad y la posición, controla las propiedades dinámicas del manipulador y de los elementos asociados a él; adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, además, se ocupa de controlar la variación de las características del manipulador al variar la posición. Otra clasificación de control es la que distingue entre control en bucle cerrado .
control en bucle abierto y
El control en bucle abierto da lugar lu gar a muchos errores, y
aunque es más simple y económico que el control en bucle cerrado, no se admite en aplicaciones industriales en las que la exactitud es una cualidad imprescindible.
La inmensa mayoría de los robots que hoy día se utilizan con fines industriales se controlan mediante un proceso en bucle cerrado, es decir, mediante med iante un bucle de realimentación . Este control se lleva a cabo con el e l uso de un sensor de la posición real del elemento terminal. La información recibida desde el sensor se compara con el valor inicial deseado y se actúa en función del error obtenido, de forma tal que la posición real coincida con la que se había establecido inicialmente.
Figura 22. Sistemas de control.
Existen actualmente tres tipos de controladores de robots:
De secuencia limitada. - Punto a punto. De trayectoria continua. CONTROLADOR DE SECUENCIA LIMITADA:
Este método es empleado en los robots que se usan para realizar transferencia de materiales, que son máquinas muy simples, que realizan pocas tareas, y son actuados normalmente mediante energía neumática CONTROLADOR PUNTO A PUNTO:
El controlador punto a punto consiste en una memoria que contiene una serie de posiciones de un manipulador. Cada posición representa un valor por cada eje y por cada sensor del robot. CONTROLADOR DE TRAYECTORIA CONTINUA
Este controlador debe ser capaz de grabar y reproducir la posición del robot en forma continua, o dicho de forma más práctica, de reproducir la posición muchas veces en cada unidad de tiempo. Ello requiere una importante y compleja cantidad de memoria electrónica, y la utilización utiliza ción de sensores que entreguen continuamente información sobre la trayectoria para poder seguirla en forma constante.
Memoria para el programa de aplicación RAM de gran tamaño para grabar posición y velocidad en forma permanente Grabación de programas de soporte.
Edición del programa de aplicación
SUPERVISOR Control maestro selector de tareas e interprete.
Programas de soporte
Compilador Assembler
Interface al panel de control
Interface al aprendizaje pendiente
Comunicación con otros robots o computadoras
Comandos al manipulador
Información de los sensores de posición. (Continua ) Sesores de seguridad y otros. (Continua )
SENSORES FUTUROS interpretación visual,sistemas de habla, navegación por sistemas táctiles.
Elementos necesarios:
Memoria Panel operador Sector de comunicaciones
Entradas y salidas
Terminal de enseñanza.
El robot se controla con un ordenador (computadora), algunos sistemas poseen un teclado y una pantalla opcional o un panel operador opcional que
proporciona al usuario un interface remoto con el controlador, el controlador tiene la capacidad de comunicarse con diversos dispositivos. EL sistema de entrada y salida proporciona una interface entre el software y los dispositivos externos, a través de las I/Os I /Os y los puertos de comunicación serie. Los interface remotos permiten al controlador enviar señales a un dispositivo remoto por medio de un simple cable.
Figura 23. Sistema lazo Cerrado
F. Determinar la forma en que el controlador del robot se comunicará con el software de control instalado en un PC (el PC PC estará a 10 metros del robot, considere un ambiente contaminado de ruido electromagnético debido a la presencia de motores de alta potencia en el área de trabajo). Especificar y justificar la selección. Este punto requiere investigar otras fuentes bibliográficas además de lo presentado en este curso. Cableado Apantallado y Blindado - Inmunidad al Ruido, Conexión a Tierra y el Mito de la Antena
Introducción e Historia del Blindaje En la década de 1980 surgió el cableado de red de área local (LAN) para dar soporte a las primeras redes de computadoras que comenzaban a aparecer en el espacio de los edificios comerciales. Generalmente estas primeras redes tenían como soporte la transmisión Token Ring de IBM, estandarizada estandariz ada en 1985 como IEEE 802.5. El cableado para la red Token Ring consistía en un cable cab le Tipo 1 de IBM acoplado a conectores hermafroditas exclusivos. El cable Tipo 1 de IBM se compone de 2 pares de 150 ohms holgadamente trenzados y blindados con cinta metálica, rodeados por un conductor de malla externo como se muestra en la figura 1. Por varias razones, este medio representaba una elección óptima para el soporte de topologías LAN de primera generación. Su diseño se beneficiaba con la capacidad del protocolo de transmisión de par trenzado de maximizar las distancias (Token Ring cubría distancias de hasta 100 metros) y las velocidades de transmisión de datos con la utilización de d e transceptores económicos. Además, las cintas metálicas y el conductor de malla ma lla mejoraban el desempeño relativo a la compatibilidad electromagnética (EMC) y la diafonía hasta niveles que no podían hacerse realidad en ese momento con la capacidad de diseño y fabricación de pares trenzados de las primeras generaciones. No nos debe sorprender entonces que algunos edificios todavía utilicen este tipo de cableado robusto como soporte.
Figura 24. Cable Tipo 1 De Ibm En 1990, los especialistas en LAN de la industria empezaban a reconocer que la red conmutada Ethernet ofrecía un desempeño y confiabilidad mayores que Token Ring. En forma concurrente, las capacidades de diseño y fabricación de par trenzado habían progresado hasta el punto de no necesitar más las pantallas metálicas individuales para proporcionar un aislamiento contra la diafonía interna ni los blindajes totales para proporcionar inmunidad contra las fuentes externas de ruido en las bandas de operación 10BASE-T 1 0BASE-T y 100BASE-T. Tanto la publicación de la aplicación 10BASE-T en 1990 como la primera edición de la norma de cableado genérico ANSI/EIA/TIA-568 en 1991, junto a los costos más bajos asociados al cableado de par trenzado no blindado (UTP), ( UTP), establecieron firmemente al cableado UTP como el medio elegido para los nuevos diseños de red LAN de ese entonces. Quince años más tarde, al tiempo que la l a tecnología de la aplicación Ethernet evolucionó hasta velocidades de transmisión de 10 Gb/s, se produjo un marcado
resurgimiento en la especificación de sistemas de cableado cab leado de par trenzado apantallado y completamente blindado. Esta guía trata sobre los beneficios prácticos de las pantallas y blindajes, y de cómo éstos pueden mejorar el desempeño de los diseños tradicionales de cableado UTP destinados de stinados al soporte de la transmisión de ancho de banda elevado. También disipa algunos mitos y conceptos erróneos comunes respecto al comportamiento de pantallas y blindajes. Transmisión Simétrica La ventaja de especificar un cableado simétrico de par trenzado para la transmisión de datos queda claramente demostrada al examinar exa minar los tipos de señales presentes en los entornos de los edificios. Las señales eléctricas pueden propagarse tanto en modo común como en modo diferencial (es decir "simétrico"). La expresión "modo común" describe un esquema de señal entre dos conductores en el que la tensión se propaga en fase y con referencia a tierra. Algunos ejemplos de transmisión de modo común son los circuitos de CC, la energía de edificios, TV por cable, circuitos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y dispositivos de seguridad. También se propaga en modo común el ruido electromagnético causado por fuentes de perturbación tales como motores, transformadores, luces fluorescentes y fuentes de radiofrecuencia (RF). Prácticamente todos los tipos de señal y de perturbación presentes en el entorno de los edificios se propagan en modo común, c omún, con una notable excepción: el cableado de par trenzado está optimizado para el modo de transmisión diferencial o simétrico. El modo de transmisión diferencial hace referencia a dos señales con
magnitudes iguales pero desfasadas 180º, que se propagan a través de los dos conductores de un par trenzado. En un circuito simétrico existen dos señales referidas entre sí, en vez de una señal con referencia a tierra. Un circuito simétrico simétric o no tiene conexión a tierra, lo que da como resultado que este tipo de circuito sea intrínsecamente inmune a la interferencia proveniente de la mayoría de los perturbadores de ruido de modo común. Teóricamente, el ruido de modo común se acopla por igual a cada conductor de un par trenzado perfectamente simétrico. Los transceptores de modo diferencial detectan la diferencia entre las magnitudes pico a pico de ambas señales de un par trenzado mediante una operación de sustracción. En un sistema de cableado perfectamente simétrico, la señal de modo común inducida aparecería como dos tensiones iguales que el transceptor simplemente anula en el proceso de sustracción, dando como resultado, por lo tanto, una inmunidad perfecta al ruido. En el mundo real, sin embargo, los cables de par trenzado no son perfectamente simétricos, y tanto los desarrolladores de aplicaciones como los especificadores de sistemas deben comprender sus limitaciones. Los comités de la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones (TIA) y de la Organización Internacional para la Normalización (ISO/IEC), en sus normas para cableado estructurado de grados más altos (por ejemplo, Categoría 6 y superiores), toman con extremo cuidado la especificación de parámetros de simetría tales ta les como TCL (pérdida de conversión transversal), TCTL (pérdida de transferencia de conversión transversal) y ELTCTL (pérdida de transferencia de conversión transversal de igual
nivel). Al examinar los límites de desempeño para estos parámetros, y al advertir el punto a partir del cual empiezan a acercarse a la tolerancia de aislamiento de ruido requerida por diversas aplicaciones de Ethernet, se hace evidente que el ancho de banda de funcionamiento práctico definido por niveles aceptables de inmunidad al ruido de modo común debido a la simetría es aproximadamente 30 MHz. Si bien esto proporciona una inmunidad al ruido rui do más que suficiente para aplicaciones tales como 100BASE-T y 1000BASE-T, 100 0BASE-T, el modelado de capacidad de Shannon demuestra que este nivel no proporciona margen de desempeño para los requisitos mínimos de inmunidad al ruido de 10GBASE-T. Afortunadamente, el uso del blindaje mejora considerablemente la inmunidad al ruido, duplica la capacidad de Shannon disponible y aumenta sustancialmente los anchos anc hos de banda de funcionamiento práctico para aplicaciones futuras. Un efecto producido por la degradación de la simetría de señal en un par trenzado por encima de 30 MHz es la conversión modal, que sucede cuando las señales de modo diferencial se convierten en señales de modo común y viceversa. La conversión puede influir de manera desfavorable en la inmunidad al ruido proveniente del ambiente, a la vez que puede contribuir a producir diafonía entre pares y cables simétricos, lo cual debe minimizarse siempre que sea posible. El blindaje puede disminuir el potencial para la conversión modal al limitar el ruido acoplado al par trenzado desde el ambiente.
BIBLIOGRAFÍA
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Santiago López María Carolina Lurduy (24 (2 4 Septiembre) Portafolio http://www.portafolio.co/tendencias/industria-alimentos-bebidassector-responsable-57148
