Robótica: Cinemática y Dinámica del Robot

En este segundo post de Robótica expondré dos conceptos fundamentales que deberemos tener en cuenta en la construcción de nuestro brazo robótico. Estos concentos son la cinemática y la dinámica.

Este es un post divulgativo y por tanto no me centraré en aspectos formales y en fórmulas matemáticas, quizás en un futuro cercano entraremos a detallar estos temas con un mayor nivel de complejidad.

Estructura de un robot

Pero antes de empezar a definir el movimiento de un brazo robótico, deberemos ver cómo está estructurado el robot.

Podemos definir un brazo robótico como una cadena de elementos denominados eslabones que se unen mediante articulaciones.

Estas articulaciones darán movimiento a nuestro brazo y se dividen en:

• Movimientos prismáticos: Son movimientos de desplazamiento y típicamente en una única dimensión (hacia delante o atrás, arriba o abajo, izquierda o derecha).
• Movimientos rotacionales: Son movimientos de giro en una de las dimensiones (eje x, y o z).

Además de estos movimientos básicos podemos encontrar movimientos más complejos como los movimientos en esfera o “rótula” los cuales permiten una rotación en las tres dimensiones, movimientos planares que permiten el movimiento en dos dimensiones a la vez o movimientos cilíndricos que permiten un movimiento rotacional y prismático a la vez.

Independientemente del tipo de articulación que utilicemos, lo habitual nombrar a cada movimiento en una única dimensión mediante el término “Grado de Libertad” (GDL). Con esto podemos definir nuestro robot en base al número de grados de libertad y que para la imagen del ejemplo tendríamos un robot con 3 grados de libertad. En el caso de una articulación de rótula tendríamos también 3 grados de libertad (Una rotación en el eje X, otra en el eje Y, y una última en el eje Z).

Para aclarar un poco más el asunto, existen varias formas de definir un robot, siendo el número de grados de libertad uno de ellos, pero también podríamos por su configuración o por su generación. Por otro lado, tenemos que tener claro que cada articulación será movida por un actuador, que para resumir será un motor.

Para aclarar un poco más el asunto, existen varias formas de definir un robot, siendo el número de grados de libertad uno de ellos, pero también podríamos por su configuración o por su generación. Por otro lado, tenemos que tener claro que cada articulación será movida por un actuador, que para resumir será un motor.

Cinemática del robot

La cinemática del robot se centra en el estudio del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas que intervienen en dicho movimiento.

Bajo esta definición se dividen dos tipos de problemas, la Cinemática Directa (DK) y la Cinemática Inversa (IK).

El primero de los problemas consiste en calcular que posición, en las dimensiones en las que nos movamos, se encontrará el extremo de nuestro robot para cada movimiento de nuestras articulaciones. Con los correspondientes cálculos, podremos conocer en todo momento donde se encuentra cada una de nuestros eslabones.

Como os podréis imaginar, y poniendo como ejemplo un simple brazo robótico que coge tiene que coger una pieza, es fundamental conocer en qué posición nos encontramos. Si no fuese así, no sabríamos si nuestra pinza deberá sujetar la pieza.

El otro problema es el de la cinemática inversa, y que consiste en averiguar cómo colocar nuestros eslabones y articulaciones para que el extremo llegue a una posición concreta. Si lo pensamos un poco, este es un problema muy complejo de resolver ya que, dependiendo del número de grados de libertad, el número de posiciones llegará a ser elevado y por tanto muy difícil de calcular.

Para brazos con un par de grados de libertad, la resolución se puede realizar mediante trigonometría y el teorema de los triángulos semejantes, pero para un mayor número de articulaciones deberemos utilizar otras técnicas más complejas como las matrices de transformación homogéneas.

¿Necesito saber matemáticas para mover mi brazo robótico?

Pues, sería muy recomendable si queremos dotarlo de algo parecido a inteligencia, sin embargo, es posible realizar los movimientos mediante aprendizaje o repetición.

La programación por guiado o aprendizaje consiste en realizar la tarea o movimiento mediante el uso de una maqueta del robot o un mando para ser registrado cada posición. Una vez generado el movimiento, este se repite para hacer el trabajo deseado.

Dinámica del robot

La dinámica se centra en la fuerza necesaria para realizar el movimiento. Para ello se han de tener en cuenta detalles tan importantes como la fricción, la potencia de los motores, la gravedad, la masa del propio brazo robótico o el objeto que deseemos mover.

Para realizar el movimiento con la suficiente suavidad, se suelen utilizar controladores PID. Estos controladores disponen de 3 tipos de parámetros:

• Proporcional (P)
• Integral (I)
• Derivado (D)

Hasta aquí una breve y rápida explicación de algunos conceptos que manejaremos en la construcción de nuestro brazo robótico. En el próximo post de Robótica veremos una breve lista de simuladores.

Deja tu comentario pos si te interesa que amplíe algo en concreto o si por el contrario no estas interesado y lo tuyo es otra rama:

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