Control de movimiento:donde las matemáticas y la física previenen las colisiones

Al incorporar ingeniería eléctrica y mecánica, diseño de software y hardware, y aprovechar los conocimientos obtenidos de campos tan diversos como la biología, la ética y la psicología, la robótica es un dominio verdaderamente multidisciplinario.

Las matemáticas y la física son fundamentales y, por supuesto, están entrelazadas. Y ambos se utilizan para producir una automatización que no provoque colisiones.

En esta publicación, analizaremos los conceptos básicos del control de movimiento, la cinemática y la cinética. En todo momento, compartiremos vínculos a recursos útiles para obtener más información sobre el control de movimiento y conceptos relacionados, desde los Archivos A3 y más.

¿Qué es el control de movimiento?

Como su nombre lo indica, "control de movimiento" se refiere al subcampo de automatización que se ocupa de lograr el movimiento controlado de todas las partes individuales de un sistema automatizado. Controlar el movimiento de los motores internos, las puntas de las pinzas, los pórticos y todos los demás componentes de la compleja automatización actual requiere una comprensión de los conceptos físicos clave como fuerza, movimiento y par y la capacidad de aplicar algoritmos de control complejos al hardware del mundo real.

Implementado con éxito, el control de movimiento asegura que cada parte del sistema esté donde debería en un momento dado, lo que asegura la confiabilidad y repetibilidad generales.

'Control de movimiento' a veces se usa en el sentido estricto de controlar el movimiento de los motores únicamente, pero en su sentido más amplio, el término abarca todas las partes de un sistema automatizado, como pinzas y pórticos. En este sentido más amplio, el control de movimiento incorpora planificación de ruta, cinética y cinemática.

Un sistema de control de movimiento típico consta de tres componentes:un controlador de movimiento, un amplificador y uno o más motores.

Los controladores de movimiento son el cerebro de la operación, responsables de garantizar que el motor funcione de acuerdo con los requisitos del usuario final, incluida la trayectoria del motor. Los controladores de movimiento se han reducido de tamaño y se han vuelto más inteligentes en los últimos años, lo que permite a los fabricantes incorporar inteligencia de control de movimiento en sus diseños de formas innovadoras y cada vez más útiles.

La serie de e-Learning de Yaskawa America en YouTube incluye esta útil descripción general de los conceptos básicos del control de movimiento:

https://www.youtube.com/watch?v=-ZWUSbMKAfg

Cinemática

En física, la cinemática es un subcampo que describe el movimiento de puntos, cuerpos y sistemas de cuerpos entre sí a través de la geometría.

Dentro de la robótica, la cinemática se refiere a la geometría del movimiento de un robot e incorpora ecuaciones cinemáticas que permiten calcular la posición de diferentes puntos dentro de un sistema de automatización. Fundamentalmente, la cinemática no tiene en cuenta las fuerzas que causan el movimiento, solo considera si el movimiento es posible.

La cinemática directa implica calcular la posición de un efector final a partir de los valores especificados para los parámetros conjuntos. La cinemática inversa calcula los ángulos articulares asociados según la ubicación del efector final.

La serie de videos "Introducción a la robótica" de la Universidad de Stanford incluye esta útil lección sobre conceptos de cinemática:

https://www.youtube.com/watch?v=QKyDrUonp98

Cinética

En física, la cinética se refiere al estudio de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos o partículas que son responsables de provocar su movimiento. En robótica, esto implica calcular y evaluar los pares y las fuerzas, incluida la corriente eléctrica, presentes en el sistema. Las ecuaciones de Newton-Euler y Lagrange se utilizan aquí para proporcionar un modelo dinámico de un sistema de automatización o para determinar las fuerzas y momentos que actúan sobre los enlaces rígidos de un manipulador robótico.

Más lecturas de los Archivos A3:

¿Qué es el control de movimiento?

Llevando la funcionalidad de circuito cerrado a los motores paso a paso

Y más allá:

El Centro de Robótica y Biosistemas de la Universidad Northwestern de EE. UU. ha producido una serie de videos como complemento de "Robótica moderna:mecánica, planificación y control" (Lynch y Park, Cambridge University Press, 2017), todos los cuales están disponibles en YouTube, incluidos:

https://www.youtube.com/watch?v=QFCbTVJqm8I

Guía de cinemática directa e inversa del profesor Michael Milford de la Universidad de Queensland:

https://www.youtube.com/watch?v=VjsuBT4Npvk

Cinemática y cinética de los robots:una breve encuesta, ScienceDirect