El Control de los Robots

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El Control de los Robots en Ingeniería

El problema del control de los robots puede explicarse como un cálculo de las fuerzas o pares que deben ser generados por los actuadores para cumplir con éxito la tarea del robot. Las condiciones de trabajo adecuadas deben garantizarse tanto durante el período transitorio como en el estado estacionario. La tarea del robot puede presentarse como la ejecución de los movimientos en un espacio libre, donde se realiza el control de la posición, o en contacto con el entorno, donde se requiere el control de la fuerza de contacto.Entre las Líneas En primer lugar, estudiaremos el control de posición de un mecanismo de robot que no está en contacto con su entorno. Luego, en el texto siguiente mejoraremos el control de posición con el control de fuerza.

El problema del control del robot no es único. Existen varios métodos que difieren en su complejidad y en la efectividad de las acciones de los robots. La elección del método de control depende de la tarea del robot. Una diferencia importante es, por ejemplo, entre la tarea en la que el efector final del robot debe seguir con precisión la trayectoria prescrita (por ejemplo, la soldadura por láser) y otra tarea en la que sólo se requiere que el efector final del robot alcance la posición final deseada, mientras que los detalles de la trayectoria entre el punto inicial y el final no son importantes (por ejemplo, el paletizado). La estructura mecánica del mecanismo del robot también influye en la selección del método de control apropiado. El control de un robot manipulador cartesiano en general difiere del control de un robot antropomorfo.

El control del robot suele tener lugar en la estructura de coordenadas mundiales, que es definida por el usuario y que también se denomina estructura de coordenadas de la tarea del robot.Entre las Líneas En lugar de la estructura de coordenadas mundiales, a menudo utilizamos una expresión más corta, a saber, coordenadas externas. Nos interesa predominantemente la postura del efector final del robot expresada en las coordenadas externas y raramente en las posiciones conjuntas, que también se denominan coordenadas internas.

Puntualización

Sin embargo, debemos ser conscientes de que en todos los casos controlamos directamente las coordenadas internas (es decir, los ángulos o desplazamientos de las articulaciones). La posición del efector final sólo se controla indirectamente. Está determinada por el modelo cinemático del mecanismo del robot y los valores dados de las coordenadas internas.
La figura 10.1 muestra un sistema de control general del robot. La entrada al sistema de control es la pose deseada del efector final del robot, que se obtiene mediante el uso de métodos de interpolación de trayectorias, introducidos en el capítulo anterior. La variable xr representa el deseado (es decir, la postura de referencia) del efector final del robot. El
vector x, que describe la posición real del efector final del robot, en general comprende seis variables. Tres de ellas definen la posición del efector final del robot, mientras que las otras tres determinan la orientación del efector final del robot.

Control del robot en coordenadas internas

El enfoque más simple de control del robot se basa en controladores donde el bucle de control se cierra por separado para cada grado de libertad particular. Tales controladores son adecuados para el control de sistemas independientes de segundo orden con parámetros de inercia y amortiguación constantes. Este enfoque es menos adecuado para los sistemas robóticos caracterizados por un comportamiento no lineal y variable en el tiempo.

Control de la posición por PD

Primero, se analizará un simple controlador proporcional-derivado (PD). El control se basa en el cálculo del error de posición y la determinación de los parámetros de control, que permiten reducir o suprimir el error. El error de posición se reduce para cada articulación por separado, lo que significa que se deben desarrollar tantos controladores como grados de libertad haya.

Control PD de la posición con compensación de gravedad

Como ocurre en el estudio de la dinámica de los robots, el mecanismo de los robots está bajo la influencia de las fuerzas inerciales, de Coriolis, centrípetas y gravitacionales.Entre las Líneas En general, las fuerzas de fricción que se producen en las articulaciones de los robots, también deben incluirse en el modelo dinámico del robot.Entre las Líneas En un modelo algo simplificado, sólo se tendrá en cuenta la fricción viscosa, que es proporcional a la velocidad de la articulación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). El controlador del robot calcula las fuerzas de accionamiento necesarias únicamente en base a la diferencia entre las posiciones conjuntas deseada y real. Dicho controlador no puede predecir la fuerza necesaria para producir el movimiento deseado del robot. Dado que la fuerza se calcula a partir del error de posición, esto significa que en general el error nunca es igual a cero. Al conocer el modelo de robot dinámico, podemos predecir las fuerzas necesarias para el rendimiento (véase una definición en el diccionario y más detalles, en la plataforma general, sobre rendimientos) de un movimiento de robot concreto. Estas fuerzas son generadas por los motores del robot independientemente de la señal de error de posición.

El control del robot basado en la dinámica inversa

Al estudiar el controlador PD con compensación de gravedad, se investiga el modelo dinámico del robot para mejorar la eficiencia del método de control. Con el método de control basado en la dinámica inversa, este concepto será mejorado aún más. A partir de las ecuaciones que describen el comportamiento dinámico de un robot manipulador de dos segmentos, podemos observar claramente que el modelo de robot es no lineal.

Una Conclusión

Por lo tanto, un controlador lineal, como el controlador PD, no es la mejor opción.

Control del robot en coordenadas externas

Todos los esquemas de control estudiados hasta ahora se basaban en el control de las coordenadas internas (es decir, las posiciones conjuntas). Las posiciones, velocidades y aceleraciones deseadas se determinaban mediante las variables de los conjuntos de robots. Normalmente estamos más interesados en el movimiento del efector final del robot que en los desplazamientos de determinados conjuntos de robots.Entre las Líneas En el extremo del robot, se colocan diferentes herramientas para realizar varias tareas de robot.Entre las Líneas En varios textos, la tendencia es centrarse en el control del robot en las coordenadas externas.

Control de la Fuerza de Contacto

El control de la posición es suficiente cuando un robot manipulador sigue una trayectoria en el espacio libre. Cuando se produce el contacto entre el efector final del robot y el entorno, el control de posición no es un enfoque adecuado. Imaginemos que un manipulador de robot limpia una ventana con una esponja. Como la esponja es muy complaciente, es posible controlar la fuerza entre el robot y la ventana controlando la posición entre la pinza del robot y la ventana. Si la esponja es lo suficientemente complaciente y cuando conocemos la posición de la ventana con suficiente precisión, el robot cumplirá la tarea apropiadamente.

Si la conformidad de la herramienta del robot o su entorno es menor, entonces no es tan sencillo ejecutar las tareas que requieren el contacto entre el robot y su entorno. Imaginemos ahora un robot raspando la pintura de una superficie vidriosa mientras usa una herramienta rígida. Cualquier incertidumbre en la posición de la superficie vidriosa o un mal funcionamiento del sistema de control del robot impedirá la ejecución satisfactoria de la tarea; o bien el vidrio se romperá, o el robot se agitará inútilmente en el aire.

En ambas tareas del robot, es decir, limpiar una ventana o raspar una superficie lisa, es más razonable que en lugar de la posición de la superficie vidriosa determinemos la fuerza que el robot debe ejercer sobre el entorno. La mayoría de los robots industriales modernos realizan tareas relativamente simples, como la soldadura por puntos, la pintura por pulverización y diversas operaciones de punto a punto.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Puntualización

Sin embargo, varias aplicaciones de robots requieren el control de la fuerza de contacto. Un ejemplo característico es el rectificado o una tarea similar de mecanizado de robots. Un área importante de la robótica industrial es también el ensamblaje de robots, en el que se deben ensamblar varias piezas de componentes.Entre las Líneas En esas tareas de los robots, la detección y el control de las fuerzas es de suma importancia.

El funcionamiento preciso de un manipulador de robots en un entorno incierto, no estructurado y cambiante es necesario para el uso eficiente de los robots en una tarea de ensamblaje. Aquí, varias partes componentes deben ser reunidas con alta precisión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La medición y el control de las fuerzas de contacto permiten alcanzar la precisión de posición requerida del manipulador de robot. Dado que las mediciones relativas se utilizan en el control de la fuerza del robot, los errores absolutos de posicionamiento del manipulador o del objeto no son tan críticos como en el control de posición del robot. Cuando se trata de objetos rígidos, los ya pequeños cambios de posición producen grandes fuerzas de contacto. La medición y el control de esas fuerzas pueden llevar a una precisión posicional significativamente mayor del movimiento del robot.

Cuando un robot ejerce una fuerza sobre el entorno, nos enfrentamos a dos tipos de tareas de robot.Entre las Líneas En el primer caso, nos gustaría que el efector final del robot se colocara en la posición deseada mientras el robot está en contacto con el entorno. Este es el caso del montaje del robot. Un ejemplo característico es el de insertar una clavija en un agujero. El movimiento del robot debe ser de tal naturaleza que la fuerza de contacto se reduzca a cero o a un valor mínimo permitido.Entre las Líneas En el segundo tipo de tarea del robot, requerimos que el efector final del robot ejerza una fuerza predeterminada sobre el entorno. Este es el ejemplo del rectificado del robot. Aquí, el movimiento del robot depende de la diferencia entre la fuerza de contacto deseada y la real medida.

Datos verificados por: Marck

Véase También

Ingeniería, Control, Robótica, Mecatrónica

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