Cs-95-035. Robótica de Manipuladores.

OBJETIVO GENERAL DE LA MATERIA.

Proporcionar al alumno la manera de analizar y diseñar robots manipuladores con la consigna de sintetizar las funciones humanas usando mecanismos, sensores, actuadores y computadoras, ya que la robótica requiere de múltiples ideas de varios campos de estudio como mecánica, teoría del control y ciencias de la computación.

TEMAS Y SUBTEMAS DEL CURSO.

1. INTRODUCCIÓN AL CAMPO DE LA ROBÓTICA.

1.1 La mecánica y el control de los robots manipuladores.

1.2 Componentes y tipos de estructuras de los robots manipuladores.

3. Estructuras cinemáticas y configuraciones comunes de los robots manipuladores.

2. DESCRIPCIÓN ESPACIAL Y TRANSFORMACIONES.

1. Descripción: Posición, Orientación y localización de sistemas de referencias.
2. Mapeos: Cambio de descripción de un sistema de referencias a otro.
3. Transformaciones homogéneas.

3. CINEMÁTICA DE MANIPULADORES.

3.1 Tipos de cadenas cinemáticas.

3.2 Representación de los parámetros de Denavitt-Hartenberg.

3.3 Espacio de actuador, espacio de articulación y espacio cartesiano.

4. CINEMÁTICA INVERSA.
1. Cinemática inversa de los robots manipuladores.
2. Método algebraico vs. Método geométrico.
3. Exactitud y Repetibilidad.




5. JACOBIANOS: VELOCIDADES Y FUERZAS ESTÁTICAS.
1. Obtención del Jacobiano.
2. Singularidades.
3. Transformación cartesiana de velocidades y fuerzas estáticas.




6. DINÁMICA DE MANIPULADORES.

1. Formulación iterativa de Newton-Euler para la obtención de la dinámica de robots manipuladores.
2. Estructura general de la ecuación dinámica de los robots manipuladores.
3. El problema de control para los robots manipuladores desde el punto de vista dinámico.




7. GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS

1. Consideraciones para el seguimiento y la generación de trayectorias.
2. Planeación de trayectorias usando el modelo cinemático.
3. Planeación de trayectorias en el alto nivel de control.
4. Optimización de trayectorias minimizando (maximizando) diferentes criterios.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE APRENDIZAJE POR TEMA.

1. INTRODUCCIÓN AL CAMPO DE LA ROBÓTICA.

1. Comprender la importancia de la mecánica y el control en los robots manipuladores.
2. Conocer las componentes y los tipos de estructuras de los robots manipuladores.
3. Conocer los tipos de configuraciones y estructuras más comunes en los robots manipuladores.




2. DESCRIPCIÓN ESPACIAL Y TRANSFORMACIONES.

1. Conocer la importancia de la completa localización de un cuerpo en un sistema de referencias o coordenadas.
2. Analizar y comprender la descripción completa de un cuerpo entre sistemas de referencias.
3. Obtener las matrices de transformación homogénea y su comprender el significado de cada una de las partes que componen dicha transformación.




3. CINEMÁTICA DE MANIPULADORES.

1. Conocer los tipos de cadenas cinemáticas abiertas y cerradas.
2. Comprender la importancia de los parámetros de Denavitt-Hartenberg así como su representación utilizando las matrices de transformación homogéneas.
3. Analizar y obtener los espacios de trabajo algunos robots manipuladores tomando en cuenta ciertas restricciones.




4. CINEMÁTICA INVERSA.

1. Conocer y analizar la importancia del problema cinemático inverso de los robots manipuladores.
2. Comprender las ventajas y desventajas de los métodos: algebraico y geométrico.
3. Conocer y comprender la importancia en la exactitud y repetibilidad cuando un robot desarrolla una tarea específica.







5. JACOBIANOS: VELOCIDADES Y FUERZAS ESTÁTICAS.

1. Obtener el Jacobiano de velocidades y comprender su importancia como operador lineal.
2. Conocer la importancia de las singularidades en el espacio de trabajo de los robots manipuladores.
3. Obtener la transformación cartesiana de velocidades y fuerzas estáticas.




6. DINÁMICA DE MANIPULADORES.

1. Obtener la dinámica de algunos robots manipuladores utilizando el método iterativo de Newton-Euler.
2. Obtener la representación en espacio de estados de la dinámica de algunos robots manipuladores.
3. Conocer la importancia del control de robots utilizando su dinámica.




7. GENERACION DE TRAYECTORIAS.

1. Conocer las condiciones para el seguimiento y generación de trayectorias (point to point, puntos vía, continuos path).
2. Analizar y comprender la planeación de trayectorias desde el punto de vista cinemático.
3. Comprender la importancia de la planeación de trayectorias en el alto nivel de control.
4. Aprender a optimizar diferentes criterios (evitar obstáculos, evitar singularidades, minimizar velocidades, minimizar torca), según variadas trayectorias que deben describir los robots manipuladores.

METODOLOGÍA SUGERIDA Y ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.

Exposición de los temas por parte del maestro.

Resolución de problemas en clase.

Resolución de problemas de tarea.

Investigación de temas específicos.

Desarrollo de simulaciones fuera de línea y su posible implementación en línea.

TIEMPO ESTIMADO POR TEMA.

1. 3 h.
2. 6 h.
3. 6 h.
4. 6 h.
5. 6 h.
6. 9 h.
7. 9 h.

Exámenes 3 horas.

TOTAL 48 h.

3 Exámenes parciales 30%

Participaciones^* 20%

Prácticas^** 20%

Examen final 30%

Basadas en las preguntas que se le hagan al alumno durante el semestre relacionadas con la solución de la s tareas encargadas para ese día en particular. Además, la participación se verá afectada por las intervenciones que realice el alumno durante la sesión de clase.

1. Prácticas con el robot de arquitectura SCARA del Laboratorio CIM que se encuentra en campus al terminar el tema 3.
2. Planeación de trayectorias para robots manipuladores al cubrir el tema 7.
3. Optimización de diferentes criterios durante la realización de diversas trayectorias al cubrir el tema 7.

LIBROS DE CONSULTA DURANTE EL CURSO.

1. INTRODUCTION TO ROBOTICS, MECHANICS AND CONTROL. John J. Craig. Stanford University. Addison Wesley. Publishing Company.
2. ROBOT DYNAMICS AND CONTROL. Mark W. Spong and M. Vidyasagar. John Wiley and Sons Inc.
3. ADVANCED ROBOTICS REDUNDANCY AND OPTIMATION. Yoshihiko Nakamura. University of California. Addison Wesley. Publishing Company.

SOFTWARE DE APOYO.

Cualquier paquete de programación para las simulaciones fuera de línea de algunos tipos de robots manipuladores. Ejemplos: Mathematica, Matlab, Borland C++, Maple V, etc.)