Introduccion a La Robotica - Subir Kumar Saha

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    26-Oct-2015

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  • Introduccin a la

    robtica

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  • Introduccin a la

    robtica

    Subir Kumar SahaIndian Institute of Technology

    Revisin tcnica:

    Jorge Eduardo Aguirre AguilarFrancisco Javier Sandoval Palafox

    Departamento de Ingeniera Mecnica y MecatrnicaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey

    Campus Estado de Mxico

    MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL

    NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TORONTO

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  • Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo Roig Vzquez Coordinadora editorial: Marcela Rocha Martnez Editora de desarrollo: Karen Estrada ArriagaSupervisor de produccin: Zeferino Garca GarcaDiseo de portada: Mara Josefa Vaca Garca

    Traduccin: Dr. Thomas W. Bartenbach

    INTRODUCCIN A LA ROBTICA

    Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.

    DERECHOS RESERVADOS 2010, respecto a la primera edicin en espaol porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

    Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APisos 16 y 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D.F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

    ISBN 13: 978-607-15-0313-8

    Copyright 2008 de la primera edicin en ingls de Introduction to robotics, by Subir Kumar Saha, published by Tata McGraw-Hill Education Private Limited, NOIDA, India.ISBN: 978-0-07-066900-0

    All rights reserved

    1234567890 109876543210

    Impreso en Mxico Printed in Mexico

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  • Dedicado a

    Los estudiantes de la India

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  • Sobre el autor x

    Prefacio xii

    1. Introduccin 1 1.1 Historia 1 1.2 Robots 5 1.3 El uso de robots 8

    Resumen 13Ejercicios 13Ejercicios basados en la web 13

    2. Robots seriales 14 2.1 Subsistemas de robots 14 2.2 Clasifi cacin de robots por aplicacin 24 2.3 Clasifi cacin de robots por sistema de coordenadas 24 2.4 Clasifi cacin de robots por su sistema de potencia 29 2.5 Clasifi cacin de robots por el mtodo de control 29 2.6 Clasifi cacin de robots por mtodo de programacin 30

    Resumen 30Ejercicios 31Ejercicios basados en la web 31

    Contenido

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  • 3. Actuadores 32 3.1 Actuadores neumticos 33 3.2 Actuadores hidrulicos 36 3.3 Actuadores elctricos 38 3.4 Seleccin de motores 49

    Resumen 50Ejercicios 51Ejercicios basados en la web 51

    4. Sensores 52 4.1 Clasifi cacin de sensores 52 4.2 Sensores internos 53 4.3 Sensores externos 62 4.4 Sistema de visin 66 4.5 Seleccin de sensores 72

    Resumen 74Ejercicios 75Ejercicios basados en la web 75

    5. Transformaciones 76 5.1 Arquitectura de robots 76 5.2 Posicin de un cuerpo rgido 83 5.3 Transformacin de coordenadas 92 5.4 Los parmetros de Denavit y Hartenberg (DH) 100

    Resumen 109 Ejercicios 109Ejercicios basados en MATLAB 110

    6. Cinemtica 112 6.1 Anlisis de la posicin directa 113 6.2 Anlisis de la posicin con cinemtica inversa 121 6.3 Anlisis de velocidad: la matriz jacobiana 130 6.4 Velocidades de eslabones 133 6.5 Computacin jacobiana 134 6.6 Jacobiano usando el DeNOC 138 6.7 Singularidad 142 6.8 Anlisis de aceleracin 143

    Resumen 144Ejercicios 145Ejercicios basados en la web 145

    Contenido vii

    00 SAHA Prelim.indd vii00 SAHA Prelim indd vii 17/12/09 12:23:3417/12/09 12:23:34

  • 7. Esttica 146 7.1 Balance de fuerzas y momentos 147 7.2 Clculo recursivo 149 7.3 Pares de torsin equivalentes 151 7.4 El papel del jacobiano en la esttica 157 7.5 Elipsoide de fuerza 161

    Resumen 162Ejercicios 162Ejercicios basados en MATLAB 162

    8. Dinmica 163 8.1 Propiedades de inercia 164 8.2 Formulacin de Euler-Lagrange 172 8.3 La formulacin Newton-Euler 181 8.4 Algoritmo recursivo de Newton-Euler 186 8.5 Algoritmos dinmicos 195

    Resumen 203Ejercicios 203Ejercicios basados en la web 203Ejercicios basados en MATLAB 204

    9. Dinmica recursiva de robots 205 9.1 Modelado dinmico 206 9.2 Expresiones analticas 211 9.3 La dinmica inversa recursiva usando RIDIM 221 9.4 La dinmica directa recursiva y la simulacin 229

    Resumen 236Ejercicios 236Ejercicios basados en RIDIM 236Ejercicios basados en MATLAB 237

    10. Control 239 10.1 Tcnicas de control 240 10.2 Sistemas lineales de segundo orden 242 10.3 Control retroalimentado 246 10.4 El desempeo de sistemas de control retroalimentados 252 10.5 Una articulacin robtica 255 10.6 Controlador de articulaciones 260 10.7 Control de trayectoria no lineal 266 10.8 Representacin de estado-espacio y control 270 10.9 Estabilidad 276 10.10 Controles cartesianos y de fuerza 279

    Resumen 281Ejercicios 282Ejercicios basados en MATLAB 282

    viii Contenido

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  • 11. Planeacin de movimientos 283 11.1 Planeacin de espacios articulares 284 11.2 Planeacin del espacio cartesiano 290 11.3 Trayectorias de posicin y orientacin 295 11.4 Planeacin de punto a punto 300 11.5 Generacin de ruta continua 306

    Resumen 314Ejercicios 314Ejercicios basados en MATLAB 315

    12. Computadoras para robots 316 12.1 Velocidad de computacin 316 12.2 Requerimientos de hardware 320 12.3 Consideraciones de control 322 12.4 Programacin de robots 325 12.5 La arquitectura de hardware 334

    Resumen 337Ejercicios 337Ejercicios basados en la web 337

    Apndice A: Principios bsicos matemticos 338Apndice B: El uso de MATLAB y RIDIM 346Apndice C: Proyectos de estudiantes: Estudios de caso 357Referencias 365ndice analtico 369

    Contenido ix

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  • x Apndice A Principios bsicos matemticos

    Nacido en Maldaha, Bengala Occidental (India), el profesor Subir Kumar Saha realiz la mayor parte de sus estudios escolares en Vidyasagar Vidyapith, Midnapore (tambin en Bengala Occidental). En 1983, complet su BE (Mech.) en el RE College (hoy NIT), en Durgapur, seguido por la maestra del IIT en Kahargpur en 1985. Obtuvo su doctorado por la McGill University de Canad en 1991 y se afi li inmediatamente despus al centro de investigacin y desarrollo de la Toshiba Corporation de Japn. En 1995 regres al ITT Ma-dras como docente invitado, y luego se incorpor como profesor asistente en el ITT Delhi. El profesor Saha es receptor de la beca Humboldt y pas nueve meses en la University of Stuttgart, Alemania, durante 1999-2000. Tambin ha sido profesor invitado de varias uni-versidades en el extranjero, entre otras: McGill University en Canad, Monash University en Australia y la University of Verona en Italia.

    l est activamente involucrado en la docencia, investigacin y desarrollo de tecnologas y estableci la seccin de Delhi del SAE-IIT en 1997, as como el Laboratorio de Mecatr-nica del IIT Delhi en julio de 2001. Sus actividades de investigacin, consultora y capaci-tacin incluyen muchas empresas privadas como Asahi India, Sona Steering, Minda-Huf, SAMTEL, Colour Rubes; as como del sector pblico entre las que se encuentran BHEL, CEPC; adems de agencias gubernamentales como DST, MIT, CWDB; todas estas empresas son una clara indicacin de la confi anza que tiene la industria en el compromiso del profesor Saha. A su favor tiene ms de 125 publicaciones de investigacin en revistas que gozan de reputacin y en memorias de congresos.

    Dos de sus intereses ms recientes son los siguientes: 1) popularizar el concepto de la formacin en ingeniera por medio de la participacin en concursos de robtica. Por ejem-plo, desde 2003, ha dirigido los equipos de estudiantes del IIT Delhi en su participacin

    Sobre el autor

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  • en los concursos Doordarshan-Robocon. El equipo liderado por l fue campen en 2007 y represent a la India en el concurso internacional celebrado en Hanoi, Vietnam. A fi n de fortalecer ese concepto, el profesor Saha ha emprendido una serie de conferencias llamadas Robotics [AT]? durante su estancia en el IIT Madras entre diciembre de 2006 y diciembre de 2007. Hasta la fecha, ha pronunciado ocho conferencias en diferentes universidades e institutos. 2) A fi n de popularizar los problemas de ingeniera que enfrentan las industrias rurales de la India, por ejemplo, la industria alfombrera, el profesor Saha ha formulado, entre los estudiantes de los IIT y de otras escuelas de ingeniera, los problemas tcnicos rurales como problemas de investigacin a fi n de resolverlos mediante herramientas modernas, ya sea de software o tericas. Este concepto ha conducido a varias publicaciones en revistas nacionales e internacionales, as como a una tesis de doctorado cuya publicacin como libro especial se espera en 2009 por parte de una editorial internacional de renombre.

    Sobre el autor xi

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  • La robtica es un tema que atrae a muchas mentes jvenes, lo cual se debe principalmente a la abundante representacin de robots en muchas historias de ciencia fi ccin y en pelculas populares. A partir de los aos sesenta, los robots se han usado sobre todo en aplicaciones industriales, particularmente en la industria automotriz para la soldadura de carroceras. In-cluso, hoy da, los usuarios ms importantes de robots son los gigantes automovilsticos. Los robots tambin encuentran aplicaciones cada vez mayores en la ciruga mdica, la industria minera y la exploracin del espacio, y aun en instituciones que se preocupan del cuidado de personas de la tercera edad.

    Introduccin a la robtica tiene por objetivo la comprensin de los conceptos subya-centes en el diseo y construccin de un robot, y en su funcionamiento. En el mercado existe un nmero de libros que normalmente tienen en cuenta a investigadores que trabajan fundamentalmente en los aspectos de anlisis de robots, por ejemplo, cinemtica, dinmica, control, etc., o a ingenieros en activo interesados en el estudio de viabilidad del uso de robots para aplicaciones particulares, su adquisicin, programacin, economa, etc. En un plan de estudios de licenciatura, es importante que los estudiantes conozcan tanto los aspectos de anlisis como las aplicaciones. Por lo tanto, se percibi la necesidad de un libro que cubriera ambos aspectos de manera lcida.

    La inspiracin para escribir este tipo de libro, sin embargo, lleg hace casi una dcada (abril de 1999), cuando el profesor Gayatri Kansal, de la Indira Gandhi National Open Uni-versity (IGNOU), en Nueva Delhi, me pidi algunos materiales de instruccin sobre robtica para sus estudiantes. Al mismo tiempo, no encontr ningn libro de texto sobre robtica dis-ponible en la India a un precio accesible. Por lo tanto, sent el impulso de escribir uno que de-ba tener calidad internacional, pero con precio indio. Esto no slo ayudara a los estudiantes

    Prefacio

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  • de la India a poseer un libro de robtica, sino tambin a los de otros de pases de condiciones econmicas parecidas.

    A pesar de que el libro se dirige bsicamente a estudiantes universitarios de las ingenie-ras mecnica y elctrica y a alumnos de ciencias de la computacin que se inscriben en un curso de robtica, tambin puede servir a las necesidades de un curso de robtica de nivel avanzado dirigido a estudiantes de maestra o doctorado que se enfoquen, por ejemplo, en cinemtica, dinmica y control de robots. El material que ofrece este libro tambin pueden utilizarlo ingenieros activos con o sin previa experiencia en el tema de la robtica, con el propsito de adoptar, mantener o incluso disear un robot. De hecho, debido a los mltiples ejemplos y ejercicios que ofrece el libro, cualquiera podr prepararse para un examen com-petitivo sobre robtica.

    La intencin de este libro es la de servir tanto a los estudiantes de licenciatura como a los de posgrado en sus cursos de robtica. La siguiente es una gua para los maestros que atienden los siguientes niveles:

    Para cursos de licenciaturaEn el nivel introductorio (de preferencia estudiantes del 2o. y 3er. ao)

    Para la disciplina mecnica, utilice los captulos 1 a 6.Para los estudiantes de electricidad y ciencias computacionales, utilice los captulos 1 a

    5 y 12.

    En el nivel superior (de preferencia estudiantes del 3er. y 4o. ao)Para la disciplina mecnica, utilice los captulos 2, 6 a 8 y 11.Para los estudiantes de electricidad y ciencias computacionales, utilice los captulos 2,

    5, 6, 8, 10 y 11.

    Para cursos del nivel de posgrado (estudiantes de maestra y doctorado)Sin antecedentes de un curso de robtica

    Para la disciplina mecnica, utilice los captulos 1 a 8.Para la disciplina elctrica, utilice los captulos 1 a 5, 10 y 12.

    Con antecedentes de cursos del nivel licenciatura sobre robticaPara la disciplina mecnica, utilice los captulos 5 a 11.Para los estudiantes de electricidad y ciencias computacionales, utilice los captulos 5 a

    8, 10 y 11.Adems, el libro es adecuado para cursos sobre mecatrnica y dinmica multicuerpo. Por

    ejemplo, los captulos 3 a 6, 8 y 10 cubren aproximadamente de 75 a 80% de un curso sobre mecatrnica, mientras que los captulos 5, 6, 8 y 9 pueden cubrir hasta 80% de un curso so-bre dinmica de multicuerpos que slo trate de los cuerpos rgidos, y aproximadamente 60% de un curso sobre dinmica de multicuerpos que trate de los cuerpos deformables.

    En este libro se introducen varias caractersticas especiales que lo distinguen de cualquier otro texto contemporneo sobre robtica:

    Prefacio xiii

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  • Flujo natural del contenido, es decir, los temas estn organizados de tal modo que el estudiante pueda comprender el tema de manera lgica. Por ejemplo, cada vez que escuchamos sobre alguna cosa nueva, tenemos curiosidad acerca de cmo se ve o cmo funciona. Por ende, los aspectos de los diferentes robots y su clasifi cacin se cubren en los captulos 1 y 2. Entonces despertar el inters de conocer los compo-nentes de un robot. Por lo tanto, se explican los actuadores y sensores en los captulos 3 y 4. Despus de conocer la estructura del robot y sus componentes, es natural sentir curiosidad sobre cmo se mueve un robot y cules son las fuerzas causantes. Aqu se presenta la necesidad de transformacin, cinemtica, esttica y dinmica. Esto se cubre en los captulos 5 a 9, respectivamente. A esto le siguen las leyes de control en el captulo 10. Entonces el robot est listo para el uso prctico, y el usuario tiene que decidir cmo moverlo para una tarea particular. La planeacin de movi...

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