02 Semana 2

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CURSO: ROBÓTICA
CICLO: IX
SEMESTRE: 2021-2
DOCENTE: ING. ANGEL MARTHANS RUIZ, MG.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA AMAZONÍA PERUANA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA
Semana 2: 
Componentes de los sistemas 
robóticos
Introducción
1. Componentes de un robot
2. Estructura mecánica
3. Sistemas de actuación
Componentes de un robot
Componentes de un robot
1. Sistema mecánico (estructura mecánica)
• Eslabones (cuerpos rígidos) conectados a través de articulaciones (ejes de movimiento)
• Partes: base, estructura de soporte, efector final (garra, mano…), chasis, ruedas, …
Componentes de un robot
2. Sistema de actuación
• Motores (eléctrico, hidráulico, neumático)
• Algoritmos para control de motores
• Transmisiones
3. Sistema de sensado
a. Sensores Propioceptivos
 Estado interno del robot
 Ejemplo: posición, velocidad, aceleración, torque (en las articulaciones), orientación (del robot)
b. Sensores Exteroceptivos
 Entorno externo
 Ejemplo: fuerza/torque, proximidad, visión (cámaras)
Componentes de un robot
4. Sistema de control
• Cerebro del robot
• 2 niveles:
• Bajo nivel: control del motor (actuación)
• Alto nivel: planeamiento, control de tarea, aprendizaje
Estructura mecánica
Es el soporte mecánico de un robot.
Estructura mecánica
A nivel mecánico, un robot se representa (modela) como:
“Una cadena cinemática de cuerpos rígidos (eslabones) conectados mediante articulaciones”
Estructura mecánica
Articulaciones: representan las conexiones entre 2 eslabones (cuerpos 
rígidos).
Función: 
•Restringen el movimiento de un eslabón con respecto a otro, reduciendo 
el número de grados de libertad del cuerpo rígido.
•Proveen libertad para el movimiento de un eslabón con respecto a otro.
Grado de libertad de un eslabón:
•Número de movimientos independientes que permite una articulación 
(de un eslabón con respecto a otro)
Estructura mecánica
Articulaciones más usadas en robótica
a. Articulación prismática (P): permite la traslación de un eslabón en un eje fijo
• Provee 1 gdl para el movimiento
• Provee 5 restricciones al movimiento espacial
b. Articulación de revolución (R): permite la rotación de un eslabón alrededor de un eje fijo
• Provee 1 gdl para el movimiento
• Provee 5 restricciones al movimiento espacial
Estructura mecánica
Otras articulaciones en robótica
a. Articulación helicoidal (H) – “screw”: permite el 
movimiento simultaneo pero dependiente de 
rotación y traslación alrededor de un eje fijo
• Provee 1 gdl para el movimiento espacial (provee 5 
restricciones)
b. Articulación cilíndrica(C): permite la rotación y 
traslación independiente alrededor de un eje fijo
• Provee 2 gdl para el movimiento espacial (provee 4 
restricciones)
Estructura mecánica
Otras articulaciones en robótica
c. Articulación universal (U): consiste en 2 
articulaciones de revolución tales que sus ejes son 
ortogonales
• Provee 2 gdl para el movimiento espacial (provee 4 
restricciones)
d. Articulación esférica(S): es como una bola y un 
socket
• Provee 3 gdl para el movimiento espacial (provee 3 
restricciones)
Ortogonal: que forma un ángulo recto
Estructura mecánica
Algunos robots según sus articulaciones
Estructura mecánica
Algunos robots según sus articulaciones
Estructura mecánica
Elementos terminales
•Se ubican al final de la cadena cinemática (junto a la muñeca).
•Se denominan también: efectores finales u órganos terminales.
•Ejemplos:
• Ventosas (de vacío)
• Funcionamiento: succionan objetos
• Materiales de fabricación: silicón, poliuretano, hule, etc…
Estructura mecánica
•Ejemplos:
• Garras mecánicas de 2 dedos
• También llamadas pinzas (grippers)
• Según su fuente de energía: neumáticas, hidráulicas o 
servo-eléctricas.
• Garras mecánicas de 3 dedos
• También llamadas manos robóticas
Estructura mecánica
•Ejemplos:
• Herramientas específicas
• Usualmente en aplicaciones industriales
• Pinzas de soldadura, pistola de soldadura, herramientas de corte (láser, mecánico), atornillador, lijadoras, fresadora, etc.
Estructura mecánica
•Ejemplos:
• Garras blandas
• Garra universal (basada en presión)
Estructura mecánica
•Ejemplos:
• Elementos para cirugías
Estructura mecánica
Chasis de robots móviles
•Sirven de soporte a los otros componentes
Estructura mecánica
Ruedas de robots terrestres
Estructura mecánica
Diseño mecánico: típicamente con algún software especializado (SolidWorks, Autodesk Inventor, 
Blender)
Estructura mecánica
Diseño mecánico
URDF (Unified Robot Description
Format)
Usado para describir el modelo de 
un robot, principalmente en ROS, 
puede contener el modelo CAD en 
diferentes formatos.
Robot Operating System (ROS) es una colección de frameworks para el desarrollo de software de robots
RPA: Robot Process Automation
Automatizacion de procesos robóticos
Sistemas de actuación
Encargado de efectuar el movimiento de las partes del robot.
Esquema general y componentes:
Sistemas de actuación
Fuente de poder: abastece energía al actuador (motor) a través del amplificador.
Para actuadores hidráulicos o neumáticos
◦ Fuente: compresor hidráulico (aceite) o neumático (aire)
◦ Internamente usan bombas eléctricas para enviar el fluido
Sistemas de actuación
Para motores eléctricos
◦ Robots manipuladores
◦ Motores AC: toma de corriente monofásica o trifásica directa o de un trasformador
◦ Motores DC: transformador, rectificador y filtros
◦ Robots móviles
◦ Baterías NiMH (Níquel – Metal hidruro): rápida razón de descarga – más antiguo
◦ Baterías LiPo (Polímero de iones de litio): más ligeras – alta densidad de energía - relación voltaje/potencia consistente durante la 
descarga – Voltaje se incrementa en pasos de 3.7V
◦ Otras baterías NiCD (Níquel – Cadmio): alcalinas
AC: Corriente alterna
DC: Corriente continua
Sistemas de actuación
Amplificador de potencia: amplifica la potencia de la señal de control usando la fuente de 
poder.
◦ Alimenta directamente al actuador.
Modula la potencia de la fuente de poder usando la señal de control
Para actuadores hidráulicos o neumáticos: varía el flujo de fluido al actuador proporcionalmente 
a la señal de control.
Para motores eléctricos: varía el voltaje proporcionalmente a la señal de control, usualmente 
adapta el voltaje de la fuente al voltaje que necesita el motor.
Sistemas de actuación
Amplificador de potencia
Ejemplos para motores eléctricos:
◦ Conversores DC-DC
◦ Puentes H: se usa para motores DC, permite 
controlar dirección de giro del motor, la señal 
de control típicamente PWM (Pulse Width
Modulation)
◦ Inversores o Conversores DC-AC: Usualmente 
ESC (Electronic Speed Control)
Sistemas de actuación: Actuadores
Permiten el movimiento (actuación) de las diferentes partes del robot a través de la transmisión
Según el principio de funcionamiento:
◦ Actuadores eléctricos (motores): energía eléctrica.
◦ Actuadores neumáticos: energía neumática (aire)
◦ Actuadores hidráulicos: energía hidráulica (fluido: aceite)
◦ Otros tipos: térmicos, magnéticos (no comunes en robótica)
Nota: Servo en general significa sistema controlado (servomotor = controlador + motor)
Sistemas de actuación: Actuadores
Actuadores neumáticos: convierten presión de aire comprimido en energía mecánica.
Tipos: 
AN Lineales
◦ Cilindros de Simple Efecto: una sola entrada de aire
◦ Cilindros de Doble Efecto: dos entradas de aire
AN de Giro
◦ Motor de paletas
◦ Cilindro giratorio de paletas
◦ Motores Piñón-Cremallera
Sistemas de actuación: Actuadores
Características: 
◦ Dificultad de posicionamiento preciso (compresión del aire)
◦ No se usan para seguimiento de trayectoria
Principales usos en robótica:
◦ Efector final (abrir, cerrar)
◦ Músculos artificiales
Sistemas de actuación: Actuadores
Actuadores hidráulicos: convierten presión de fluido (aceite mineral) en energía mecánica, 
funcionamiento similar a motores neumáticos.
Ventajas:
◦ Precisión (fluido poco compresible)
◦ Elevada fuerza y torque
◦ Estabilidad frente a cargas estáticas
◦ Inherentementeseguro (sin chispas)
◦ Auto lubricación
Desventajas
◦ Necesita estación de potencia hidráulica
◦ Alto costo y dificultad de miniaturización
◦ Posible contaminación del ambiente de trabajo
Sistemas de actuación: Actuadores
Actuadores hidráulicos: Ejemplos de aplicaciones
Sistemas de actuación: Actuadores
Actuadores eléctricos: convierten energía eléctrica en energía mecánica, usualmente llamados 
motores.
Principales usos en robótica:
◦ Motores AC (robots industriales)
◦ Motores DC de imán permanente
◦ Motores DC brushless (sin escobillas, usualmente para robots aéreos)
En robots pequeños
◦ Motores de paso (stepper)
◦ Servomotores
Sistemas de actuación: Actuadores
Actuadores eléctricos:
Son los actuadores más usados en robótica
Ventajas
◦ Abundancia de fuentes de alimentación (toma de corriente, baterias)
◦ Bajo costo
◦ Gran variedad de productos
◦ Alta eficiencia en conversión de potencia
◦ No contamina los ambientes de trabajo.
Desventajas
◦ Sobrecalentamiento en condiciones estáticas (al mantener una carga
◦ Necesita protección especial en ambientes inflamables
Sistemas de actuación: Transmisión
Transmite la potencia del motor al eje de la articulación
Por qué se utiliza?
◦ Problema:
◦ Motores: brindan altas velocidades y bajos torques
◦ Articulaciones: requieren bajas velocidades y altos torques (en manipuladores)
◦ Solución:
◦ La transmisión reduce la velocidad e incrementa el torque del motor, optimiza la transferencia de torque de motor a eslabones
Sistemas de actuación: Transmisión
Funciones de la transmisión
◦ Transforma torque y velocidad
◦ Transforma el movimiento
◦ Forma 1: rotacional a lineal
◦ Forma 2: eje de rotación a otro eje de rotación
◦ Mejora características estáticas y dinámicas
◦ Reduce el peso de la estructura del robot
Sistemas de actuación: Transmisión
Tipos de transmisión robótica:
Engranajes rectos (ruedas dentadas)
◦ Dientes rectos
◦ Efectos: Trasladan el punto de aplicación al eje, Modifican la dirección del eje
◦ Problemas: Deformaciones, backlash
Engranajes helicoidales
◦ Dientes helicoidales
◦ Efectos: Cambio de dirección del eje, Movimiento rotacional -> movimiento traslacional
◦ Problemas: fricción, elasticidad, backlash
Sistemas de actuación: Transmisión
Tipos de transmisión robótica:
Fajas dentadas y cadenas
◦ Desplazan el motor con respecto al eje de la articulación
◦ Problemas: Elasticidad en fajas, vibraciones por grandes masas a velocidades altas (en cadenas)
Accionamiento directo (direct drive)
◦ Motor dentro de los eslabones
◦ EL eje del motor coincide con el eje de la articulación
Harmonic drives
◦ Ventajas: eficiente en potencia, cero backlash, in-line, alta relación de reducción
◦ Problema: elasticidad
Sistemas de actuación: Transmisión
Sistemas de actuación: Transmisión
Ejemplo: Harmonic drives
Sistemas de actuación: Transmisión
Ejemplo: Robot DLR
	Semana 2: �Componentes de los sistemas robóticos
	Introducción
	Componentes de un robot
	Componentes de un robot
	Componentes de un robot
	Componentes de un robot
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Estructura mecánica
	Sistemas de actuación
	Sistemas de actuación
	Sistemas de actuación
	Sistemas de actuación
	Sistemas de actuación
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Actuadores
	Sistemas de actuación: Transmisión
	Sistemas de actuación: Transmisión
	Sistemas de actuación: Transmisión
	Sistemas de actuación: Transmisión
	Sistemas de actuación: Transmisión
	Sistemas de actuación: Transmisión
	Sistemas de actuación: Transmisión