Controlador PID de lazo cerrado

Un controlador PID usa las mejores características de los controladores PD y PI, tales como mejorar la estabilidad relativa de un sistema (controlador PI), añadir amortiguamiento a un sistema (controlador PD) y mejora el error en estado estable (controlador PI).
Si combinamos de forma adecuada los efectos de la parte derivativa, integral y proporcional obtendremos las ventajas de estos tres controladores.

Los sistemas de control deben de ser estables, evitar los errores y agentes externos según la respuesta esperada, evitando que esta sea inestable o con cambios demasiado bruscos.

Un sistema de control es indispensable para cualquier proceso pues proporciona un monitoreo constante lo que permite mantener un control sin errores y en dado caso que éstos se presenten minimizarlos de la manera más rápida y conveniente posible.

La retroalimentación en un sistema de control es indispensable pues permite conocer paso a paso la respuesta dada a una acción de modificación previa y conocer la repercusión instantánea de dicha acción de control sobre el proceso o sistema.

Como ejemplo práctico podemos hablar de un sistema lumínico como una perilla para regular la intensidad de luz en un foco, en este caso el sistema de control seriamos nosotros ajustando la perilla hasta lograr el grado de iluminación deseado, reduciendo o aumentando la intensidad dependiendo de nuestras necesidades.

Aquí hay un ejemplo de un sistema de control PID en un brazo robótico, este es un principio de la utilización de este tipo de sistemas de control en industrias y control de producción.
En este ejemplo podemos observar la precisión y rapidez con la que el sistema se estabiliza en la necesidad planteada.

En este ejemplo se muestra y explica como realizar una interfaz software-hardware con el sistema labview, componentes electrónicos teniendo como finalidad controlar la cantidad de aire que mueve el ventilador, estando esta mesurada por un controlador PID retroalimentado.

ACTUADORES

Un actuador es  aquel elemento mecánico que realiza un efecto físico “fuerza, velocidad , movimiento” . Los actuadores son dispositivos capaces de transmitir una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gases.  El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final.

Existen varios tipos de actuadores como son:

§  Electronicos

§  Hidráulicos

§  Neumáticos

§  Eléctricos

  






Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos  posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. mientras que los eléctricos son económicos y son de fácil mantenimiento, los electrónicos presumen de excelente precisión   

PROTOCOLO USB

Bus universal serial es un protocolo de comunicación creado por varias empresas para unificar un tipo de intercomunicación de datos electrónicos entre periféricos y un ordenador.

El USB es un bus punto a punto de partida el PC, el destino es un periférico. No hay más que un único host (PC) en una arquitectura USB.

 Algunos periféricos incluyen un hub integrado, por ejemplo, el teclado USB, al que se le puede conectar un Mouse USB.

Los periféricos comparten la banda de paso del USB. El protocolo se basa en el llamado paso de testigo (token). El ordenador proporciona  al periférico seleccionado y seguidamente, éste le devuelve su respuesta.

Este bus permite la conexión y la des-conexión en cualquier momento sin necesidad de apagar el equipo.

A nivel eléctrico, el cable USB transfiere la señal y la alimentación

sobre 4 hilos.

A nivel de alimentación, el cable proporciona la tensión nominal

de 5 V. Es necesario definir correctamente el diámetro del hilo con

el fin de que no se produzca una caída de tensión demasiado

importante en el cable. Una resistencia de terminación instalada en

la línea de datos permite detectar el puerto y conocer su

configuración (1,5 o 12 Mbits/s).

A nivel de señal, se trata de un par trenzado con una impedancia

característica de 90 Ω La velocidad puede ser tanto de 12 Mbits/s

como de 1,5 Mbits/s. La sensibilidad del receptor puede ser de, al

menos, 200mV y debe poder admitir un buen factor de rechazo de

tensión en modo común. El reloj se transmite en el flow de datos, la

codificación es de tipo NRZI, existiendo un dispositivo que genera

un bit de relleno (bit stuffing) que garantiza que la frecuencia de

reloj permanezca constante. Cada paquete va precedido por un

campo de sincronismo.

Consumo

Cada sección puede proporcionar una determinada potencia máxima

siendo el PC el encargado de suministrar la energía. Además, el

periférico puede estar autoalimentado (self powered).

Control de consumo

El ordenador gestiona el consumo, teniendo capacidad de poner en

reposo (suspend) o en marcha a un periférico USB. En reposo, este

reduce su consumo (si puede),quedándose la parte USB funcional.

Esta gestión está orientada especialmente a los equipos portátiles.

La norma USB define 2 tipos de enlaces virtuales (pipe); stream y

message.

Stream Pipes: se trata de un flujo sin formato USB definido, esto significa que se puede enviar cualquier tipo de dato. Este tipo de pipe soporta las transferencias bulk, isocronas, y interrupt. Además tanto el host como el dispositivo USB pueden controlar  Message Pipes: este tipo de enlace virtual si tiene un formato USB definido y solo puede soportar la transferencia Control.

Cinematica de un robot

Considerando un manipulador en un espacio 3D conformado por brazos trasladables u orientables en el espacio, sobre una plataforma fija o móvil el mayor problema radica en conocer las posibles combinaciones posición/orientación de los brazos o/y la base del manipulador que se satisfacen las coordenadas del  actuador o  brazo final del sistema.

En la práctica esto es una problema que está determinado por las condiciones o espacios restringidos en el área de trabajo del manipulador, la forma de saber la orientación entre las partes móviles de robot es con sensores pero entre las partes móviles o actuador final y el eje de referencia o punto cero (suelo o plataforma fija) es más complicado.

         La forma en la que matemáticamente se obtienen estas coordenadas y posibles combinaciones tanto transnacionales como rotacionales dependiendo de la estructura del actuador está definida por la teoría Denavit Hartenberg, a continuación se comentara un caso dente esta teoría es usada.

Referencia:

A Robot Cinematic Calibration Technique

V. Niola, C. Rossi, S. Savino

Department of Ingegneria Meccanica per l’Energetica

Università di Napoli - “Federico II”

Via Claudio 21, 80125 Napoli

ITALY

Key words: Robot cinematic calibration, Vision system, Camera calibration

En esta publicación se encuentran las ecuaciones para la calibración del manipulador o brazo robótico y también para la calibración de la cámara por medio de la teoría Denavit Hartenberg y una serie de imágenes de la tele cámara.

En cuanto a la calibración de la toma cinematográfica, si para un brazo de 3 revolutas son necesarias 9 parámetros Denavit Hartenberg, entonces los parámetros desconocidos serán 19 10 para las cámaras y 9 para el brazo robot a fin de tener una ecuación generalizada y como para cada posición del robot se obtienen 4 ecuaciones, para 10 imágenes se obtendrán 40 ecuaciones.

           Se genera un  algoritmo para la calibración cinemática de un brazo robótico. La técnica utiliza las imágenes de una par de tele-cámaras para obtener una visión  múltiple.

         Utilizando las imágenes y las lecturas de los sensores entre los actuadores es posible obtener las ecuaciones completas de posición y orientación . Así mismo como obtener las ecuaciones de calibración del sistema tanto para el brazo como para la cámara.

  

Historia de los robots!

La palabra robot es usada desde 1921 por un escritor checo, esta palabra la uso para describir “trabajo duro” que provenía de robota “esta palabra si existía” y significaba una jornada de trabajo, desde este momento la palabra fue usada con gran imaginación para describir un sinfín de aplicaciones, inventos y algunas veces sueños provenientes del futuro u otros mundos lejanos.

         Lo que en nuestro tiempo más entendemos por un robot seria una androide “más bien… una maquina que se asemeja a la figura de una persona”, en la realidad y para fines tecnológicos y más apegados a lo existente  un robot es un autómata “  una máquina que imita o asemeja tener comportamiento, respuesta o movimiento propio”.

Podemos entender por esto desde un programa de la computadora que interactué con nosotros hasta una maquina que sea capaz de interactuar por si sola con el entorno y realizar acciones especificas para las cuales fue creada.

Hablando de la historia de la robótica o ciencia que se encarga del estudio la construcción y la aplicación de los robots podemos encontrar autómatas desde siglos antes de Cristo con una ave de metal que movía las alas con vapor, en 1206 un inventor  musulmán hizo unos músicos que funcionaban con agua este sería el primer autómata  androide programable pues aparte de tener figura con semejanza humana era reprogramable en ritmos.

 

De modo más formal podemos clasificar a los robots según su cronología.

 

Los manipuladores son sistemas mecánicos que juegan con los grados de libertad para alcanzar posiciones ángulos  en aéreas de trabajo limitadas por su propia estructura fisica, cuentan con un sistema de control previamente programado o manual.

 

Robots de aprendizaje. Este tipo de robots son programados, “aprenden por repetición” pues al un operador realizar una secuencia de movimientos este la memoriza es capaz de repetirla continuamente.

Robots con censores. Este tipo de robots usan censores que van directo a una etapa de control o procesador que atreves de un programa saben cómo reaccionar ante ciertas señales censadas moviendo el manipulador a posiciones o velocidades necesarias.

Robots inteligentes. A diferencia de los anteriores estos tienen retroalimentación de la señal lo que significa que sigue el proceso de respuesta y sabe lo que están haciendo en todo momento y así compensa sus movimientos para tener mejor control de si mismo.

 

Actualmente existen varias competencias a nivel mundial donde se prueban las habilidades de los diseños robóticos en diversas aéreas, tales competencias tratan de poner la interacción del robot con su entorno a prueba pues esta es la característica que hace de un robot una maquina confiable, algunas pruebas comunes son:

§  Rastreo de línea

En esta competencia los robots tienen que seguir una línea en al suelo en el menor tiempo posible sin salirse del recorrido las pistas son de complejidad variable.

§  Laberinto.

Existen distintas variantes de la competición de laberinto. La prueba puede consistir en recorrer un laberinto y encontrar la salida, o puede incluir, además, la prueba adicional de que el robot debe hallar y sacar del laberinto uno o más objetos ubicados en distintos puntos del mismo. El laberinto puede estar hecho con paredes delimitadoras de los caminos posibles, o dibujado en el suelo con una línea.

§  Cowbots

En esta prueba, dos robots se enfrentan en una arena de combate de una medida previamente conocida. Ambos robots tienen un arma a distancia y un arma para combate cuerpo a cuerpo. El arma a distancia consiste en un lanzador de algún tipo de proyectil, por lo general muy liviano, que no cause daños a su objetivo. Los dos robots deben enfrentarse en la zona de combate hasta que uno de los dos es alcanzado por un proyectil del otro, o por su arma de lucha directa.

§  Sumo

En este estilo de competición, dos robots se enfrentan dentro de una zona delimitada; la idea es que ambos intentan sacarse mutuamente de esta zona.

§  Carrera de bípedos

En las competencias mencionadas anteriormente los robots tienen una estructura vehicular, en la carrera de bípedos se enfrentan robots cuyo movimiento utiliza dos extremidades inferiores (como los de una persona).  Los robots compiten en una línea recta, siendo el ganador el robot que atraviese la meta primero.

Los robots fueron avanzando y seguirán haciéndolo según las necesidades y los alcances tecnológicos e intelectuales de la gente, en su principio eran para adorno o como regalo a reyes en la actualidad los robots son usados en un sinfín de aplicaciones que van desde el uso industrial en armadoras en serie, espaciales para la exploración y reconocimiento de lugares inaccesibles para el ser humano, en usos  médicos en procesos donde su precisión y su fatiga no están presentes como en un ser humano y en todo lugar o circunstancia donde  un tarea quiera ser realizada en menor tiempo, menor costo, mayor rapidez, mayor comodidad, menor riesgo al humano etc. extendiendo las capacidades físicas humanas en gran magnitud 

La robótica a pesar de ser una ciencia avanzada y precisa tiene un camino largo por recorrer antes de si quiera estar cerca de la perfección  del cuerpo humano pues años de evolución han hecho del cuerpo humano una maquina precisa  con millones de sensores que a su vez sirven de  soporte y son ellos mismos la esencia de la maquina  creando una interacción perfecta que solo la naturaleza pude crear.

Lo más nuevo.

Fue durante el festival Mutate Britain. El experto en robots  Giles Walker presento su androide Pole Dancer  ”la cual baila”  se cuelgan y mueven de forma sugerente alrededor de una barra vertical, igual que en los espectáculos de striptease.

LA NASA

El robot de la NASA Robonaut 2 ya está listo para 'twittear' desde el espacio.

R-2, que pesa alrededor de 150 kilogramos y tiene cabeza, torso, brazos y piernas, podrá explicar en los 140 caracteres que ofrece Twitter cómo les va con sus compañeros, con los que orbitará a 400 kilómetros de la Tierra. El robot R-2 que la NASA ha sido diseñado para convertirse en el primer androide de la tripulación de la Estación Espacial Internacional (EEI). Robonaut viajará a bordo del Discovery el próximo otoño para quedarse en la Estación Espacial Internacional y dar a la NASA una mayor comprensión de la interacción entre los humanos y el robot, aunque sus operaciones estarán limitadas al laboratorio "Destiny". El robot, que nació el 7 de mayo de 2010, tiene apariencia humana, lleva el escudo de la NASA en su pecho y ahora será el más moderno de su serie conectado a twitter con sus seguidores humanos.  Robonaut 2 fue creado gracias a un proyecto conjunto entre la NASA y General Motors, que comenzó en 2007. R2 originalmente estaba destinado a ser un prototipo en la Tierra, pero los ingenieros querían ver cómo funciona en micro gravedad por lo que será puesto en órbita en la misión S-133 del Discovery.

“Hola, mi nombre es Robonaut 2 - R2, para abreviar",

"¡Sigue mis aventuras aquí mientras me preparo para el espacio!",

escribió el androide en Twitter.