Fundamentos de Cinemática Robótica: Posición, Orientación y Grados de Libertad
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Grados de Libertad (GDL)
El Grado de Libertad (GDL) se define como el número de coordenadas independientes o mínimas necesarias para describir la posición o configuración de un sistema.
Representación Espacial
Representación de la Posición
La posición de un objeto puede ser descrita mediante diversos sistemas de referencia:
- Sistema Cartesiano de Referencia
- Coordenadas Cartesianas
- Coordenadas Polares y Cilíndricas
- Coordenadas Esféricas
Herramientas Matemáticas para Localización Espacial
Estas herramientas permiten especificar la posición y orientación en el espacio de piezas, herramientas y, en general, de cualquier objeto.
Representación de la Orientación
La orientación se puede describir utilizando:
- Matrices de Rotación (también conocidas como matrices de cosenos directores)
- Ángulos de Euler
Clasificación y Componentes de la Robótica
Tipos de Robótica
- Robótica de Manipulación: Ha trascendido al campo industrial.
- Robótica Móvil: Incluye robots quirúrgicos, robots humanoides y mascotas robóticas.
Representación de Orientación en Aeronáutica (Roll, Pitch, Yaw)
Los términos Roll (*alabeo*), Pitch (*cabeceo*) y Yaw (*guiñada*) constituyen la representación más habitual utilizada en aeronáutica, aplicándose a los giros sobre los ejes del sistema fijo.
Elementos Constituyentes del Robot
- Estructura Mecánica
- Sistema de Actuación
- Sistema Sensorial
- Microcontrolador
- Software
Modelos Cinemáticos y Dinámicos
Modelo Cinemático
La Cinemática de un robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sistema de referencia, sin considerar las fuerzas que lo causan.
Problemas Fundamentales de la Cinemática Robótica
Problema Cinemático Directo
Consiste en determinar la posición y la orientación del extremo final del robot con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conociendo los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot.
Problema Cinemático Inverso
Resuelve la configuración que debe adoptar el robot (valores de las articulaciones) para una posición y orientación del extremo final previamente conocidas.
Cinemática Directa
Consiste en obtener un modelo geométrico de la estructura que permita relacionar los grados de libertad (GDL) con las coordenadas cartesianas de todos y cada uno de los puntos que constituyen un robot.
Limitaciones del Planteamiento Cinemático
El planteamiento cinemático no es válido cuando se pretende manipular objetos en movimiento. En estos casos, es necesario plantear modelos dinámicos donde intervenga el tiempo. Se prefiere la formulación de Newton-Euler antes que otras más elegantes como la lagrangiana.