PDF de programación - MATLAB aplicado a Robótica y Mecatrónica

MATLAB

APLICADO A ROBÓTICA

Y MECATRÓNICA

FERNANDO REYES CORTÉS

Editor
Francisco Javier Rodríguez Cruz
[email protected]

Director Editorial
Marcelo Grillo Giannetto
[email protected]

Datos catalográficos

Reyes Cortés, Fernando
MATLAB aplicado a Robótica y Mecatrónica
Primera Edición
Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México

ISBN: 978-607-707-357-4

Formato: 17 x 23 cm

Páginas: 460

MATLAB aplicado a Robótica y Mecatrónica
Fernando Reyes Cortés
Derechos reservados © Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.

Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, enero 2012

© 2012 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.
Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F.

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Registro No. 2317

Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx
E-mail: [email protected]

ISBN: 978-607-707-357-4

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Acerca del autor

Dr. José Fernando Reyes Cortés. Es profesor investigador

titular C de la Facultad de Ciencias de la Electrónica, Universidad

Autónoma de Puebla. En 1984 obtuvo la Licenciatura en Ciencias

de la Electrónica en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de

la Universidad Autónoma de Puebla. En 1990 obtuvo la Maestría en

Ciencias con Especialidad en Electrónica en el Instituto Nacional de
Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Bajo la asesoría del Dr. Rafael Kelly,
en 1997 culminó el Doctorado en Ciencias con Especialidad en Electrónica y
Telecomunicaciones en el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior
de Ensenada (CICESE).

Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 1993 a la fecha.
Actualmente es nivel I. Es autor de más de 150 artículos nacionales e internacionales.
Ha dirigido 30 proyectos científicos. Ha graduado a más de 100 tesistas de los niveles
de ingeniería, maestría y doctorado.

Es autor del libro Robótica. Control de robots manipuladores editado por
Alfaomega donde se presenta la dinámica de robots manipuladores y la técnica
moderna de moldeo de energía para diseñar nuevos algoritmos de control.

Como catedrático ha impartido más de 50 cursos del área de control y robótica a
nivel licenciatura y posgrado. Fundador del Laboratorio de Robótica y Control de
la Facultad de Ciencias de la Electrónica donde ha puesto a punto 30 prototipos de
mecatrónica y robótica. Es Premio Estatal de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería
en noviembre 2000 por el Gobierno del Estado de Puebla. Premio en Ingeniería y
Tecnología de la Ciudad de Puebla en abril 2010.

Ha sido Secretario de Investigación y Estudios de Posgrado de la Facultad de Ciencias
de la Electrónica desde febrero del 2002 a la fecha. Fundador y responsable del
Cuerpo Académico de Robótica y Control en 2001. Fue responsable de la creación
de la Ingeniería Mecatrónica, y de los Posgrado de Ciencias de la Electrónica e
Ingeniería Electrónica e ingreso de ambos posgrados al PNPC de CONACyT.

A la persona que me dio la vida: Alicia Cortés
Castillo; por su apoyo y paciencia a mi esposa
Silvia y mis tesoros Luis Fernando y Leonardo.
Por la formación transmitida de Angela Cas-
tillo Merchant, Luis Manuel Cortés Castillo,
Chela, Lety y Jorge.
Por la ayuda brindada de la maestra Viky.

Mensaje del Editor

Una de las convicciones fundamentales de Alfaomega es que los conocimientos son
esenciales en el desempeño profesional, ya que sin ellos es imposible adquirir las
habilidades para competir laboralmente. El avance de la ciencia y de la técnica
hace necesario actualizar continuamente esos conocimientos, y de acuerdo con esto
Alfaomega publica obras actualizadas, con alto rigor científico y técnico, y escritas
por los especialistas del área respectiva más destacados.

Conciente del alto nivel competitivo que debe de adquirir el estudiante durante su
formación profesional, Alfaomega aporta un fondo editorial que se destaca por sus
lineamientos pedagógicos que coadyuvan a desarrollar las competencias requeridas
en cada profesión específica.

De acuerdo con esta misión, con el fin de facilitar la comprensión y apropiación del
contenido de esta obra, cada capítulo inicia con el planteamiento de los objetivos
del mismo y con una introducción en la que se plantean los antecedentes y una
descripción de la estructura lógica de los temas expuestos, asimismo a lo largo de
la exposición se presentan ejemplos desarrollados con todo detalle y cada capítulo
concluye con un resumen y una serie de ejercicios propuestos.

Además de la estructura pedagógica con que están diseñados nuestros libros,
Alfaomega hace uso de los medios impresos tradicionales en combinación con
las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) para facilitar el
aprendizaje. Correspondiente a este concepto de edición, todas nuestras obras de
la Serie Profesional a la que pertenece este título tienen su complemento en una
página Web en donde el alumno y el profesor encontrarán lecturas complementarias,
código fuente de los programas desarrollados así como la solución y la respuesta de
los problemas propuestos.

Los libros de Alfaomega están diseñados para ser utilizados en los procesos de
enseñanza-aprendizaje, y pueden ser usados como textos en diversos cursos o como
apoyo para reforzar el desarrollo profesional, de esta forma Alfaomega espera
contribuir así a la formación y al desarrollo de profesionales exitosos para beneficio
de la sociedad y del mundo del conocimiento.

Contenido

Plataforma de contenidos interactivos

Simbología e iconografía utilizada

Prólogo

Parte I Programación

Capítulo 1
Conceptos básicos

1.1 Introducción

1.2 Componentes

1.2.1 Herramientas de escritorio y ambiente de desarrollo

1.2.2 Librerías

1.2.3 Lenguaje

1.2.4 Gráficos

1.2.5 Interfaces externas/API

1.3 Inicio

1.4 Lenguaje

1.4.1 Variables

1.4.2 Números

XV

XVI

XVIII

1

3

5

7

9

9

10

10

10

11

15

15

17

viii

1.4.3 Formato numérico

1.4.4 Operadores

1.5 Matrices y arreglos

1.5.1 Arreglos

1.6 Gráficas

1.7 Funciones

1.7.1 Funciones archivo

1.8 Programación

1.8.1 if

1.8.2 if, else, elseif

1.8.3 for

1.8.4 while

1.8.5 switch, case

1.8.6 break

1.8.7 return

1.8.8 continue

1.9 Formato para datos experimentales

1.10 Resumen

Capítulo 2
Métodos numéricos

2.1 Consideraciones computacionales

2.2 Sistemas de ecuaciones lineales

2.2.1 Regla de Cramer

18

21

26

41

43

49

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59

60

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73

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76

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83

84

91

Alfaomega

Matlab Aplicado a Robótica y Mecatrónica • Fernando Reyes Cortés.

Contenido

2.3 Diferenciación numérica

2.3.1 Función diff

2.4 Integración numérica

2.4.1 Regla trapezoidal

2.4.2 Regla de Simpson

2.4.3 Funciones de cuadratura

2.4.4 Método de Euler

2.5 Sistemas dinámicos de primer orden

2.5.1 Método de Runge-Kutta

2.5.2 Simulación de sistemas dinámicos ˙x = f (x)

2.6 Resumen

Parte I Referencias selectas

Parte I Problemas propuestos

Parte II Cinemática

Capítulo 3
Preliminares matemáticos

3.1 Introducción

3.2 Producto interno

3.3 Matrices de rotación

3.3.1 Matriz de rotación alrededor del eje z0
3.3.2 Matriz de rotación alrededor del eje x0
3.3.3 Matriz de rotación alrededor del eje y0

ix

92

97

99

102

108

113

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151

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163

Matlab Aplicado a Robótica y Mecatrónica • Fernando Reyes Cortés

Alfaomega

x

3.4 Reglas de rotación

3.5 Transformaciones de traslación

3.6 Transformaciones homogéneas

3.7 Librerías para matrices homogéneas

3.7.1 Matriz de transformación homogénea HRx(θ)

3.7.2 Matriz de transformación homogénea HRy(θ)

3.7.3 Matriz de transformación homogénea HRz(θ)

3.7.4 Matriz de transformación homogénea HTx(d)

3.7.5 Matriz de transformación homogénea HTy(d)

3.7.6 Matriz de transformación homogénea HTz(d)

3.7.7 Matriz de transformación DH

3.8 Resumen

Capítulo 4
Cinemática directa

4.1 Introducción

4.2 Cinemática inversa

4.3 Cinemática diferencial

4.4 Clasificación de robots industriales

4.5 Convención Denavit-Hartenberg

4.5.1 Algoritmo Denavit-Hartenberg

4.6 Resumen

164

171

17