Robot Cortador de placas fenólicas

Artículo-Reporte del Proyecto.
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Robotics Article

Video del Prototipo en funcionamiento:

CONTROLADOR PID (Proporcional Integral Derivativo)

Introducción

El controlador PID es la solución más común a los problemas prácticos de control. Aunque 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 autosintonía y diagnostico, que son muy beneficiosas 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.

Control PID

El controlador PID es con diferencia la forma más común de realimentación. Este tipo de controlador 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.

La versión de “libro de texto” del algoritmo PID se puede describir como:

Donde u es la señal de control y e es el error de control (e = y_sp − 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.

Figura. Un controlador PID calcula su acción de control basándose en los errores de control pasados, presentes y futuros.

Un controlador PID en forma de diagrama de bloques  se representa de dos formas:

Como se puede ver, el no interactuante no influye sobre la parte derivativa y el tiempo derivativo no influye sobre la parte integral, a diferencia del interactuante. Generalmente en la práctica se utiliza el no interactuante, pero se dice que el interactuante es más fácil de sintonizar manualmente.

Como ejemplo de la implementación de un sistema PID se presentan los siguientes resultados para el proceso definido como:

 

Figura. Respuestas temporales para el control PID del proceso dado y parámetros k=0.925, k_i=0.9, y  k_d=2.86 (líneas continuas) y k=1.1, k_i=0.36, y k_d=0.9 (líneas a tramos)

Ensayo. Capitulo I. Introducción a la Robótica

ENSAYO CAPTULO I

INTRODUCCIÓN A LA RÓBOTICA.

Los avances tecnológicos que hemos tenido la oportunidad de conocer hasta el día de hoy han originado que las personas se tengan que adaptar a escuchar frecuentemente nuevos términos y conceptos. Uno de estos términos es el de Robot, del cual, su significado es conocido en cierta parte por muchos y desconocido por otros. Como todo, éste tipo de máquinas tienen su historia, y es que desde en la antigüedad se han creado máquinas que imitaban los movimientos de los animales y que fueron bautizados por los griegos con la palabra autómata, que significa “Máquina que imita la forma y movimiento de un ser animado”.

Se diseñaron autómatas a partir de entonces, especialmente por los árabes y europeos para distintas aplicaciones, como anunciar la hora, ofrecer regalos, jugar ajedrez, tocar instrumentos o hacer dibujos.

Como dato curioso se puede encontrar que la palabra Robot fue introducida por Karel Capck, fue utilizada en una obra de teatro en 1921 y a partir de ese momento fue retomada por varios escritores de ciencia ficción. Asi Asimov en una de sus novelas ideo las “Tres leyes de la robótica” que tratan de no perjudicar, obedecer  y proteger al ser humano por encima de su existencia.

El antecedente más próximo a los robots fueron los telemanipuladores que tenían que ser manipulados por operadores a diferencia de los robots, que son programados. La primer patente de robot se hizo en 1954 en Reino Unido y posteriormente se utilizaron en la industria automotriz, especialmente en Japón y Estados Unidos. A partir de ese momento comenzó el desarrollo de robots y no fue sino hasta  1980 que se creó la Federación Internacional de la Robótica con sede en Suecia.

Hoy en día los robots son cada vez más complejos y son empleados para un sinfín de aplicaciones. La mejora continua de éstos ha dado como resultado su total aceptación industrial y poco a poco han entrado en áreas inesperadas como biología, medicina, limpieza, hogares, milicia, agricultura y un largo etcétera, lo cual permite su diversificación.

Existen discrepancias en el concepto de robot industrial en oriente y occidente, pero es notorio que se separan los conceptos de manipulador del de robot, siendo que un manipulador es un mecanismo en forma de brazo que puede ser controlado por un humano o un dispositivo y un robot es un manipulador automático reprogramable y multifuncional controlado por un dispositivo lógico.

Se tienen tres generaciones de robots industriales, la primera es la del robot que repite una tarea secuencialmente, la segunda para aquellos que reciben información se su entorno y actúan en base a ella y la tercera generación de robots se programan utilizando el lenguaje natural y tienen capacidad de planificar tareas. Se distinguen cuatro tipos de robots industriales: el secuencial, de trayectoria controlable, adaptativo, telemanipulado.

Existen además los robots de servicio, los cuales tienen varios brazos independientes  y son empleados en cualquier aplicación no industrial, como en aplicaciones medicas, uso en oficinas, exteriores, agricultura, etc. (Por ejemplo: Robot sensorizado estacionario, servocontrolado y de actuación en exteriores).

Por último están los robots teleoperados, son móviles,, tienen brazos y sensores, son operados remotamente a través de una computadora algunos ejemplos de estos son los humanoides, insectoides, funcionoides, submarinos y domésticos.

En otra clasificación los tipos de robots se dividen en cinco:

• ·         Pick and place (Sin movimiento)

• ·         Servocontrolados (Trayectoria continua)
• ·         De ensamblado(Con visión, tacto y precisión)
• ·         Móviles(Con sensores inteligentes)
• ·         Especales(Controlados con técnicas de Inteligencia artificial)

Problemas en la cemática de un robot

La Cinemática es la rama de la mecánica clásica que estudia las leyes del movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta las causas que lo producen, limitándose al estudio de la trayectoria en función del tiempo.

Existen dos problemas fundamentales para resolver la cinemática de un robot, el primero de ellos se conoce como el problema cinematico directo, y consiste en determinar cual es la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot, el segundo denominado problema cinematico inverso resuelve la configuración que debe adoptar el robot para una posición y orientación del extremo conocidas.

Métodos Linealización

 

 Linealidad es la capacidad de un instrumento de medición para proporcionar una indicación que tenga una relación lineal con una magnitud determinada distinta de una magnitud de influencia.

Para representarla, se utilizan las llamadas curvas de ajuste. (Figura de la izquierda)

 

El uso de las curvas de ajuste permite:

• Predecir el valor de un parámetro con respecto al tiempo.
• Predecir fechas de resultados fuera de especificación (límites de error).
• Predecir la estabilidad o constancia (confundida con deriva) de patrones.
• Predecir intervalos de re-calibración.
• Determinar relaciones (correlaciones) de respuesta contra estímulo.
• Optimizar modelos de corrección.
• Comprobación de modelos teóricos.
• Calcular coeficientes de corrección.
• Calcular magnitudes de entrada.
• Estimar la linealidad o no-linealidad de sensores, instrumentos o sistemas de medición.
• Linealización de sensores de medida.
• Mejorar las especificaciones de desempeño de un instrumento aplicando correcciones.
• Interpolación entre valores de referencia.
• Extrapolación de modelos de medición teóricos.

El error de linealidad generalmente es la mayor desviación de la mejor línea recta que puede dibujarse a lo largo de los puntos de calibración medidos. Para corregirlo existen varios métodos:

• Pendiente teórica o modelo teórico, el cual supone que el error de ajuste o la correcciónde un instrumente ideal es cero a lo largo de todo el intervalo nominal de indicación. 
• Basada en los extremos ó límites (“terminal”) entre los puntos inferior y superiordel intervalo nominal.
• Puntos finales (“end-point”) entre los puntos mínimo y máximo observados experimentalmente en la calibración.Independiente o mejor línea recta con lo cual la desviación máxima es simétrica por arriba y debajo de la línea recta.
• Mínimos cuadrados, con la cual la suma de los cuadrados de las desviaciones se minimiza, y la cual es la más utilizada hoy en día, gracias a la facilidad de cálculo con la computadora.
• Basada en cero o de cruce por cero, igual a la linealidad independiente de mejor línea recta (incluso similar al método de mínimos cuadrados) pero forzando el cruce por cero (a0 = 0).

CARACTERISTICAS FIFO y LIFO

 MEMORIAS FIFO

Son memorias serie en las que la primera información que entra es la primera que sale (First Input First Output), pueden implementarse con registros de desplazamiento estáticos y una unidad de
control. Esta última debe tener en cuenta las siguientes características de este tipo de memoria.

- La lectura es destructiva, es decir que al leer, el dato leído ya no está más en la memoria.
- Cada operación de lectura o escritura debe producir un desplazamiento del resto de la memoria.
- Cuando la memoria está llena no podrá escribirse, por lo tanto la Unidad de Control deberá ser
capaz de generar una señal de Memoria llena.
- Generar las señales de control necesarias para que el primer dato escrito esté disponible para la
primera lectura.
- Deberá aceptar al menos tres entradas exteriores: señal de lectura/escritura, señal de inicio de ciclo
y señal de sincronismo.

 

MEMORIAS FILO (LIFO)

En estas memorias al última información que entra es la primera que sale (Last Input First Output). Puede implementarse con un registro de desplazamiento reversible,.Un registro de desplazamiento reversible está formado por biestables síncronos y multiplexores. La salida de la memoria es la salida del primer biestable y la entrada es el segundo canal del primer multiplexor.

 

 

Mas información en http://www.frm.utn.edu.ar/arquitectura/unidad3.pdf

Historia de la Robótica

Ver documento

Prototipo Robot PPR

Bueno pues para una de las clases de robótica se nos pidió llevar material para realizar el prototipo de un Robot que previamente habíamos diseñado, nosotros escogimos realzar el robot PPR, la razón... la verdad no la recuerdo! pero teníamos una razon. El punto es que teniamos que hacer el robot con lo que teníamos... Tijeras, Exactos, Silicón, tachuelas, palillos de madera, papel cascarón.

Comenzamos con la elaboración del prototipo y como en todo trabajo en equipo tuvimos que ponernos de acuerdo, como hacerlo, quien hacía que y como lograríamos que no fuera un prototipo fijo, sino que fuera movil. Luego de aprox. 40 minutos obtuvimos el siguiente resultado:

Y se preguntarán... Y luego? eso para qué? Bueno pues fue un ejercicio para observar nuestro coportamiento en grupo, quienes trabajaban, coordinaban, ideaban, etc. No se necesita mucho dinero para hacer un prototipo manual...

E

Robots Neumáticos, Hidráulicos y Eléctricos

Puerto Serial vs USB

Para los que no sabemos a ciencia cierta que es el Puerto serial y el USB, aqui les dejo estos links para que tengan una idea más clara.

Ver PDF Protocolo USB
Ver PDF Puerto Serial

Pero si la sensación de ver mucha informacion los invade e incomoda(por falta de tiempo, claro), aquí están mis conclusiones a grandes rasgos:

• El puerto serial ó COM mas común es el RS232
• Usb está reemplazando el uso del puerto serial debido a que tiene mayor velocidad tanto de entrada como de salida de datos.
• Por lo mismo, Usb es utilizado actualmente para la mayoria de las aplicaciones en donde se utilizaba el RS232.

¿Qué es el Jerk?

A continuación pongo su definición:

"La sobreaceleración o jerk (conocida también como tirón o sacudida) es la variación de la aceleración de un móvil con respecto del tiempo. Es decir, es la primera derivada de la aceleración. Dado que la aceleración es una magnitud vectorial, la sobreaceleración también lo es."

Y entonces que es? Es un cambio brusco en la aceleración que la mayoria hemos experimentado, cuando chocamos (este... hehe), cuando subimos a un avión(en el despegue y en el aterrizaje) o cuando vamos a Six Flags y nos subimos al Superman...

Y que tiene que ver con la robótica? El jerk de un robot debe ser calculado para evitar que se produzcan movimientos bruscos de sus extremidades que puedan llegar a dañar servos, deteriorar mecanismos, generar choques, etc.

Primer Post...

Pues se supone que este es mi Blog... hahaha Nos iremos haciendo cada vez mas pros... espero :P
Gracias Adrian! hahaha No estamos tan Noobs!