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RECOPILACION DE INFORMACION DE LA UNIDAD 1

ALUMNO: CESAR FRANCISCO FRANCISCO

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE CIUDAD HIDALGO

ROBOTICA

PROFESOR: ERIC GONZALEZ VALLEJO

SEPTIEMBRE 2015


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Contenido

1.1. ANTECEDENTES HISTRICOS.......................................................................................... 2

1.1.2.DEFINICIN DE ROBOT INDUSTRIAL.............................................................................................. 5

1.1. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA ROBOT.................................................................. 7

1.1.1. ESTRUCTURA MECNICA DE UN ROBOT................................................................................. 9

1.2.1.1. Sist ema mecni co ............................................................................................................ 9

1.2.1.2. Actu ado res. ...................................................................................................................... 10

1.2.1.3. Senso res y sis temas de c ontro l................................................................................. 10

1.2. TRANSMISIONES Y REDUCTORES................................................................................. 11

1.2.1. TRANSMISIONES................................................................................................................... 11

1.2.2. REDUCTORES....................................................................................................................... 13

1.3. COMPARACIN DE SISTEMAS DE ACCIN(ACTUADORES)................................... 13

1.3.1. Ac tuadores neumticos ............................................................................................ 141.3.2. Ac tuadores hidrulico s............................................................................................. 15

1.3.3. Act uad or es elct ric os ................................................................................................ 16

1.4. SENSORES INTERNOS...................................................................................................... 21

1.4.1. SENSORES DE POSICIN...................................................................................................... 22

1.4.2. SENSORES DE VELOCIDAD................................................................................................... 25

1.4.3. SENSORES DE PRESENCIA................................................................................................... 25

1.5. ELEMENTOS TERMINALES............................................................................................... 26

1.6. TIPOS Y CARACTERSTICAS DE LOS ROBOTS........................................................... 28

1.6.1. MANIPULADORES.................................................................................................................. 28

1.6.2. ROBOTS DE REPETICIN O APRENDIZAJE............................................................................ 28

1.6.3. ROBOTS CON CONTROL POR COMPUTADOR........................................................................ 29

1.6.4. ROBOTS INTELIGENTES........................................................................................................ 29

1.6.5. ROBOTS DE SERVICIO Y TELE-OPERADOS........................................................................... 30

1.7.1.CONFIGURACIONDELASARTICULACIONESDEUNROBOT.................................... 33

1.7.2.CLASIFICACIONDEROBOTS.............................................................................................. 34

1.7.3. CLA SIFICACION DE ROBOTS POR SU GEOMETRIA. .............................................. 34

1.7. ESPACIO (VOLUMEN) DE TRABAJO............................................................................... 37


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1.1. ANTECEDENTES HISTRICOS.

Una fantasa que se encuentra, bajo diversas formas, en todas las pocas,consiste en poseer una mquina capaz de reproducir los movimientos y hasta

cierto punto, el comportamiento, de los seres humanos o de los animales. Sinentrar en su estudio psicolgico, parece correcto pensar que, en el fondo, seesconde una vieja aspiracin del gnero humano: la de verse liberado de tareasno deseadas, por tediosas o peligrosas, mediante el uso de siervos o esclavosprivados de libertad propia. Esta idea de "mquina-siervo" est, precisamente,en consonancia con el nombre que, en la actualidad, reciben: "robot", palabraderivada del checo ( robotn ik : siervo o trabajador forzado), utilizada,inicialmente, por el escritor Karel Capek en 1923, en su comedia R.U.R.("Rossum's Universal Robots"), en la que presenta al obrero moderno como un

esclavo mecnico y que ha estado asociada, durante muchos aos, adeterminados ingenios, casi siempre destructivos, que aparecen en las obras deciencia ficcin. Ms tarde esta visin fue reforzada por Fritz Lang en su pelcula"Metrpolis", de 1926. Y bastante despus, una versin ms humanizada es laque presenta Isaac Asimov en su archiconocida serie de relatos, escritos a partirde 1942 (en los que, por cierto, se introduce por primera vez el trmino Robticacon el sentido de disciplina cientfica encargada de construir y programar robots).Entre los escritores de ciencia ficcin, Isaac Asimov ha contribuido con variasnarraciones relativas a robots. La imagen de un robot que aparece en su obra esel de una maquina bien diseada y con una seguridad garantizada que acta de

acuerdo con tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov lasTres Leyes de la Robtica, y son:

1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inaccin,permitir que un ser humano sufra daos.2. Un robot debe obedecer las rdenes dadas por los seres humano, salvo queestn en conflicto con 1 Primera Ley.3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que est en conflicto conlas dos primeras leyes.

A lo largo de toda la historia, el hombre se ha sentido fascinado por mquinas ydispositivos capaces de imitar las funciones y los movimientos de los seres vivos.Los griegos tenan una palabra especfica para denominar a estas mquinas:automatos. De esta palabra deriva la actual autmata: mquina que imita lafigura y movimientos de un ser animado. Los mecanismos animados de Hernde Alejandra (85 d.C.) se movan a travs de dispositivos hidrulicos, poleas ypalancas y tenan fines eminentemente ldicos.


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La cultura rabe (siglos VIII a xv) hered y difundi los conocimientos griegos,utilizndolos no slo para realizar mecanismos destinados a la diversin, sinoque les dio una aplicacin prctica, introducindolos en la vida cotidiana de larealeza. Ejemplo de estos son diversos sistemas dispensadores automticos deagua para beber o lavarse. Tambin de ese perodo son otros autmatas, de losque hasta la actualidad no han llegado ms que referencias no suficientementedocumentadas, como el Hombre de hierro de Alberto Magno (1204-.1282) o la

Cabeza parlante de Roger Bacon (1214 - 1294). Otro ejemplo relevante deaquella poca fue el Gallo de Estrasburgo (1352). ste, que es el autmata msantiguo que se conserva en la actualidad, formaba parte del reloj de la torre dela catedral de Estrasburgo y al dar las horas mova las alas y el pico.

Figura 1.Pelcula "Metrpolis", de 1926

Figura 2. Hombre de hierro de Alberto Magno, Gallo de Estrasburgo


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Durante los siglos xv y XVI alguno de los ms relevantes representantes delrenacimiento se interesan tambin por los ingenios descritos y desarrollados porlos griegos. Es conocido el Len mecnico construido por Leonardo Da Vinci(1452 -1519) para el rey Luis XI1 de Francia, que se abra el pecho con su garray mostraba el escudo de armas del rey. En Espaa es conocido el Hombre de

palo, construido por Juanelo Turriano en siglo XVI para el emperador Carlos V.Este autmata con forma de monje, andaba y mova la cabeza, ojos, boca ybrazos.Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecnicos que tenan algunade las caractersticas de los robots actuales. Estos dispositivos fueron creadosen su mayora por artesanos del gremio de la relojera. Su misin principal era lade entretener a las gente de la corte y servir de atraccin en las ferias. Estosautmatas representaban figuras humanas, animales o pueblos enteros. Sondestacables entre otros el pato de Vaucanson y los muecos de la familia Drozy de Mailladert.

Jacques Vaucanson (1709-1782), autor del primer telar mecnico, construyvarios muecos animados, entre los que destaca un flautista capaz de tocarvarias melodas y un pato (1738) capaz de graznar, beber, comer, digerir yevacuar la comida. El relojero suizo Pierre Jaquet Droz (1721-1790) y sus hijosHenri-Louis y Jaquet construyeron diversos muecos capaces de escribir (1770),dibujar (1772) y tocar diversas melodas en un rgano (1773). Estos an seconservan en el museo de Arte e Historia de Neuchastel, Suiza. Contemporneode los relojeros franceses y suizos fue Henry Maillardet, quien construyo, entreotros, una mueca capaz de dibujar y que an se conserva en Filadelfia.

Figura 3. Escriba de Jacques Droz

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se desarrollaron algunas ingeniosasinvenciones mecnicas, utilizadas fundamentalmente en la industria textil, entrelas que destacan la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecnicade Crompton (1779), el telar mecnico de Cartwright (1785) y el telar de Jacquard

(1801). Este ltimo utilizaba una cinta de papel perforada como un programa


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En segundo lugar, y centrndose en el concepto occidental, aunque existe unaidea comn acerca de lo que es un robot industrial, no es fcil ponerse de

acuerdo a la hora de establecer una definicin formal. Adems, la evolucin dela robtica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definicin (verFigura 1.2.1-2).

La definicin ms comnmente aceptada posiblemente sea la de RoboticsIndustries Association (RIA),Al ser la industria la que adquiri la mayora deellos, y proponer una de las primeras denticiones del trmino robot y vino a decir:

Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable

diseado para desplazar materiales, piezas, herramientas o dispositivosespeciales mediante movimientos programados variables para laejecucin de una diversidad de tareas.

Esta definicin, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la OrganizacinIntern acio nal de Estnd ares (ISO)que define al robot industrial como:

Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad,capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivosespeciales segn trayectorias variables programadas para realizar tareasdiversas.

Se incluye en esta definicin la necesidad de que el robot tenga varios gradosde libertad. Una definicin ms completa es la establecida por la AsociacinFrancesa de No rmal izacin (AFNOR) que define primero el manipulador y,basndose en dicha definicin, el robot:

Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie,articulados entre s, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es

multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operadorhumano o mediante dispositivo 1ogico.

Robot: manipulador automtico servo controlado, reprogramable,polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, tiles o dispositivosespeciales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para laejecucin de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o variosbrazos terminados en una mueca. Su unidad de control incluye undispositivo de memoria y ocasionalmente de percepcin del entorno.


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Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cclica,pudindose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material.

Por parte de Rob ot Inst itu te o f Amric a: Un Robot industrial es: un manipulador multifuncional y reprogramable,

diseado para mover materiales piezas, herramientas o dispositivosespeciales, mediante movimientos programables y variables que permitanllevar a cabo diversas tareas. [2].

Por parte de Oxford Engl ish d ic t ionary: un aparato mecnico que se parece y hace el trabajo de un ser humano.

[4].

Por ltimo, la Federacin Internacional d e Robt ica (IFR) en su informetcnico ISOJTR 83737 (septiembre 1988) distingue entre robot industrial demanipulacin y otros robots:

Por robot industrial de manipulacin se entiende a una mquina demanipulacin automtica, reprogramable y multifuncional con tres o msejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas odispositivos especiales para la ejecucin de trabajos diversos en las

diferentes etapas de la produccin industrial, ya sea en una posicin fijao en movimiento.En esta definicin se debe entender que la reprogramabilidad ymultifuncin se consigue sin modificaciones fsicas del robot. Comn atodas las definiciones anteriores es la aceptacin del robot industrial comoun brazo mecnico con capacidad de manipulacin y que incorpora uncontrol ms o menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es unconcepto ms amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizantareas de forma automtica en sustitucin de un ser humano y que puedenincorporar o no a uno varios robots, siendo esto ltimo lo ms frecuente.

1.1. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA ROBOT.

En la figura 1.2 se muestra el esquema bsico de un robad. En ella se identifican un

sistema mecnico, actuadores, sensores y el sistema de control como elementobsico necesario para cerrar la cadena actuacin-medidas-actuacin. En losprrafos siguientes se consideran estos componentes dedicando una atencin

especial al sistema de control.


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En el sistema mecnico puede distinguirse entre el rgano terminal. El brazoarticuladoy un vehculo. En la mayor parte de los robots industriales no existe talvehculo, estando fija la base del brazo.

Figura 1.2. ESQUEMA DE UN ROBOT.

Desde el punto de vista del procesamiento de la informacin, en robtica se invo-lucran funciones de control de movimientos, percepcin y planificacin.En un sentido amplio, el sistema de control involucra tanto bucles de realimen-tacin de la informacin suministrada por los sensores internos, como delentorno.Los sensores internos miden el estado de la estructura mecnica y. en particular,giros o desplazamientos relativos entre articulaciones, velocidades, fuerzas ypares. Estos sensores permiten cerrar bucles de control de las articulaciones dela estructura mecnica.

Los sensores externos permiten dotar de sentidos al robot. La informacin quesuministran es utilizada por el sistema de percepcin para aprehender la realidaddel entorno. Los sistemas de percepcin sensorial hacen posible que un robotpueda adaptar automticamente su comportamiento en funcin de lasvariaciones que se producen en su entorno, haciendo frente a situacionesimprevistas. Para ello el sistema de control del robot incorpora bucles derealimentacin sensorial del entorno, generando automticamente acciones enfuncin de la comparacin de dicha informacin sensorial con patrones dereferencia.


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El desarrollo de sistemas de percepcin en Robtica surge a partir de losprogresos tecnolgicos en sensores tales como los de visin, tacto c. incluso,audicin. Sin embargo. La percepcin involucra no slo la captacin de lainformacin sensorial, sino tambin su tratamiento c interpretacin. Por tanto, esnecesario realizar una abstraccin a partir de un cierto conocimiento previo delentorno. Es claro que la complejidad de la percepcin artificial depende de loestructurado que est dicho entorno.Por ltimo, la planificacin tiene como objetivo encontrar una trayectoria desdeuna posicin inicial a una posicin objetivo, sin colisiones, y minimizando undeterminado ndice. En el caso ms simple, el problema se plantea en un entornoque se supone conocido (existe un mapa previo) y esttico. Se supone ademsque el robot es omnidireccional, que se mueve suficientemente lento y que escapaz de seguir el camino de forma perfecta.

1.1.1. Estructura mecnica de un robot.

La mayor parte de los robots industriales actuales son esencialmente brazosarticulados. De hecho, segn la definicin del "Robot Inslitute of Amrica", unrobot industrial es un manipulador programable multifuncional diseado paramover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediantemovimientos variados, programados para la ejecucin de distintas tareas.En la robtica subraya la idea de sustituir equipos capaces de automatizar opera-ciones concretas por mquinas de uso ms general que puedan realizar distintas

tareas. El concepto "programable" es tambin bsico, la realizacin porprograma de las funciones de control ofrece mucha mayor flexibilidad y laposibilidad de implantar funciones complejas necesarias para controlar elmanipulador.

1.2.1.1. Sis tem a mecnico .

El sistema mecnico est compuesto por diversas articulaciones. Normalmentese distingue entre el brazo y el rgano terminal o efector final que puede ser

intercambiable empleando pinzas o dispositivos especficos para distintastareas.El aumento del nmero de articulaciones aporta mayor maniobrabilidad pero difi-culta el problema del control, obtenindose normalmente menores precisionespor acumulacin de errores. Muchos robots industriales actuales tienen menosde los seis grados de libertad de rotacin o traslacin que se requieren engeneral para posicionar y orientar en el espacio el rgano terminal. Sin embargo,tambin se desarrollan manipuladores altamente redundantes con mltiplesarticulaciones para aplicaciones en reas de trabajo de difcil acceso. Entre estos


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cabe destacar los robots tipo serpiente. Asimismo, se investiga en robotsflexibles que permitan un largo alcance con un peso reducido.En este punto conviene indicar que las ecuaciones que describen el movimientodel brazo articulado son ecuaciones diferenciales no lineales y acopladas, paralas que en un caso general, resulta difcil obtener soluciones analticas.Fsicamente, los trminos de acoplamiento representan: pares gravitacionalesque dependen de la posicin de las articulaciones, pares de reaccin debidos alas aceleraciones de otras articulaciones, y pares debidos a la aceleracin deCoriolis y fuerzas centrfugas. La magnitud de estas interacciones depende delas caractersticas del brazo y de la carga.

1.2.1.2. Actu ado res.

Los actuadores generan las fuerzas o pares necesarios para animar la estructuramecnica. Se utilizan tecnologas hidrulicas, para desarrollar potenciasimportantes, y neumticas, pero en la actualidad se ha extendido el empleo demotores elctricos, y en particular motores de corriente continua servocontrolado. Emplendose en algunos casos motores paso a paso y otrosactuadores electromecnicos sin escobillas. Existen tambin robots industrialesde accionamiento directo que permiten eliminar los problemas mecnicosinherentes al empleo de engranajes y otras transmisiones. Se investiga ennuevos actuadores que disminuyan la inercia, suministren un par elevado, au-menten la precisin, originen menos ruido magntico y sean de bajos peso yconsumo.

Por otra parte, se trata de buscar otras opciones al sistema convencional deaccionamiento de articulaciones, emplendose para ello conceptosbiomecnicos. De esta forma, se investiga en manipuladores con actuadores tipomsculo tanto para el brazo como para la mano del robot.

1.2.1.3. Senso res y sis temas d e con trol .

Los sistemas de control de robots pueden considerarse funcionalmente descom-puestos segn una estructura jerrquica. En el nivel inferior se realizan las tarcasde servo control y supervisin de las articulaciones. La mayor parte de los robotsindustriales actuales emplean servomecanismos convencionales con re-alimentaciones de posicin y velocidad para generar seales de control sobrelos actuadores de las articulaciones. Tpicamente, los parmetros del controladorson fijos aunque varen significativamente las condiciones de trabajo con la cargao con el propio movimiento. Ntese que las cargas inerciales, acoplamientosentre articulaciones, y efectos de gravedad son todos dependientes de laposicin. El problema se ampla al aumentar la velocidad. Como resultado, en la


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mayor parte de los robots industriales actuales, la velocidad de operacin debeser pequea.Para mejorar las prestaciones se investiga en tcnicas para identificar modelossuficientemente fiables de la dinmica del robot y en mtodos de control dearticulaciones que permitan compensar las no-linealidades y acoplamientos, yoptimizar el comportamiento dinmico. Asimismo, se trabaja en nuevos mtodosde control adaptativo, que permitan tener en cuenta los cambios en lascondiciones de trabajo, y en mtodos de control con aprendizaje para mejorarprogresivamente la respuesta en operaciones repetitivas, tpicas en robotsindustriales.El segundo nivel de control se ocupa de la generacin de trayectorias,entendiendo por tal la evolucin del rgano terminal cuando se desplaza de unaposicin a otra. El generador de trayectorias debe suministrar a losservomecanismos las referencias apropiadas para conseguir la evolucin

deseada del rgano terminal a partir de la especificacin del movimiento deseadoen el espacio de la tarea. Para obtener las referencias que corresponden a lasarticulaciones en un determinado punto del espacio de trabajo, es necesarioresolver el modelo geomtrico inverso que es no lineal.Los niveles superiores se ocupan de la comunicacin con el usuario,interpretacin de los programas, percepcin sensorial y planificacin.Los primeros robots industriales eran programados exclusivamente por guiadomanual, almacenando la secuencia de posiciones en memoria digital. Lainteraccin con la tarea se limitaba a la apertura o cierre de una pinza u otro

rgano terminal, indicndolo a un equipo externo, o esperando una seal desincronizacin. Las aplicaciones tpicas eran de pick and place, tales como la

carga y descarga de mquinas, realizando tarcas con movimientosabsolutamente definidos y fijos, Es decir, se primaba la repetitividad sobre laadaptacin. En cualquier caso, los robots podan ser reprogramados para larealizacin de otras tarcas.

1.2. TRANSMISIONES Y REDUCTORES.

Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimientodesde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluirn junto con lastransmisiones a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad dela salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de loselementos del robot.

1.2.1. Transmisiones.

Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones elevadas, es de gran

importancia reducir al mximo su momento de inercia. Del mismo modo, los


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pares estticos que deben vencer los actuadores dependen directamente de ladistancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que losactuadores, por lo general pesados, estn lo ms cerca posible de la base delrobot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmisin que trasladenel movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en elextremo del robot. Asimismo, las transmisiones pueden ser utilizadas paraconvertir movimiento circular en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puedeser necesarioTabla 2. Sistema de transmisin para robot.

Existen actualmente en el mercado robots industriales con acoplamiento directoentre accionamiento y articulacin, ventajosos, tal y como se detalla msadelante, en numerosas ocasiones. Se trata, sin embargo, de casos particularesdentro de la generalidad que en los robots industriales actuales supone laexistencia de sistemas de transmisin junto con reductores para el acoplamientoentre actuadores y articulaciones.Es de esperar que un buen sistema de transmisin cumpla una serie decaractersticas bsicas: debe tener un tamao y peso reducido, se ha de evitar

que presente juegos u holguras considerables y se deben buscar transmisionescon gran rendimiento.Aunque no existe un sistema de transmisin especfico para robots, s existenalgunos usados con mayor frecuencia y que se recogen clasificados en la Tabla2. La clasificacin se ha realizado en base al tipo de movimiento posible en laentrada y la salida: lineal o circular. En la citada tabla tambin quedan reflejadasalgunas ventajas e inconvenientes propios de algunos sistemas de transmisin.Entre ellas cabe destacar la holgura o juego. Es muy importante que el sistemade transmisin a utilizar no afecte al movimiento que transmite, ya sea por el

rozamiento inherente a su funcionamiento o por las holguras que su desgaste


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pueda introducir. Tambin hay que tener en cuenta que el sistema de transmisinsea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado, y a serposible entre grandes distancias.Las transmisiones ms habituales son aquellas que cuentan con movimientocircular tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en stas se hallan losengranajes, las correas dentadas y las cadenas.

1.2.2. Reductores.

En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, s que existendeterminados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales.Esto se debe a que a los reductores utilizados en robtica se les exige unascondiciones de funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estascaractersticas viene motivada por las altas prestaciones que se le piden al robot

en cuanto a precisin y velocidad de posicionamiento.Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamao, bajo rozamiento y que almismo tiempo sean capaces de realizar una reduccin elevada de velocidad enun nico paso. Se tiende tambin a minimizar su momento de inercia, denegativa influencia en el funcionamiento del motor, especialmente crtico en elcaso de motores de baja inercia.Los reductores, por motivos de diseo, tienen una velocidad mxima de entradaadmisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaodel motor.Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos que implican continuos arranques

y paradas, es de gran importancia que el reductor sea capaz de soportar pareselevados puntuales. Tambin se busca que el juego angular o backlashsea lomenor posible. ste se define como el ngulo que gira el eje de salida cuandose cambia su sentido de giro sin que llegue a girar el eje de entrada. Por ltimo,es importante que los reductores para robtica posean una alta rigidez torsional,definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que,manteniendo bloqueado el de entrada, aqul gire un ngulo unitario.

1.3. Comparacin de sistemas de accin(Ac tuado res).Los actuadores tienen por misin generar el movimiento del robot segn lasrdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizado en robticapueden emplearse energa neumtica, hidrulica o elctrica. Cada uno de estossistemas presenta caractersticas diferentes, siendo preciso evaluarlas a la horade seleccionar el tipo de actuador ms conveniente. Las caractersticas aconsiderar son entre otras:

1. Potencia.

2. Controlabilidad.


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3. Peso y volumen.4. Precisin.5. Velocidad.6. Mantenimiento.7. Coste.

1.3.1. Ac tuadores neumtico s.

En ellos la fuente de energa es aire a presin entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos deactuadores neumticos:

1. Cilindros neumticos.2. Motores neumticos (de aletas rotativas o de pistones axiales).

En los primeros se consigue el desplazamiento de un mbolo encerrado en un cilindro,como consecuencia de la diferencia de presin a ambos lados (Figura 1.3.3.1). Loscilindros neumticos pueden ser de simple o doble efecto. En los primeros, el mbolose desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presin,mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle(que recupera al mbolo a su posicin de reposo). En los cilindros de doble efecto elaire a presin es el encargado de empujar al mbolo en las dos direcciones, al poderser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos cmaras.

Figura 1.3.3.1. Esquema de cilindro neumtico de doble efecto.

Normalmente, con los cilindros neumticos slo se persigue un posicionamientoen los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. Esto ltimo sepuede conseguir con una vlvula de distribucin (generalmente deaccionamiento elctrico) que canaliza el aire a presin hacia una de las dos carasdel mbolo alternativamente. Existen no obstante sistemas de posicionamientocontinuo de accionamiento neumtico, aunque debido a su coste y calidadtodava no resultan competitivos.


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En los motores neumticos se consigue el movimiento de rotacin de un ejemediante aire a presin. Los dos tipos ms usados son los motores de aletasrotativas y los motores de pistones axiales. En los primeros (Figura 1.3.3.1), sobreel rotor excntrico estn dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar airea presin en uno de los compartimentos formados por dos aletas y la carcasa,stas tienden a girar hacia una situacin en la que el compartimento tenga mayorvolumen.

Figura 1.3.3.1. Motor de paleta.

1.3.2. Ac tuadores hid rulic os .

Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente en mucho de losneumticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una presincomprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegndose en ocasiones asuperar los 300 bar. Existen, como en el caso de los neumticos, actuadores deltipo cilindro y del tipo motores de aletas y pistones.Sin embargo, las caractersticas del fluido utilizado en los actuadores hidrulicosmarcan ciertas diferencias con los neumticos. En primer lugar, el grado decompresibilidad de los aceites usados es considerablemente inferior al del aire,por lo que la precisin obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares,es ms fcil en ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje entodo un rango de valores (haciendo uso de servo control) con notable precisin.Adems, las elevadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los

actuadores neumticos, permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargasestticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el pesoo una presin ejercida sobre una superficie, sin aporte de energa (para moverel mbolo de un cilindro sera preciso vaciar ste de aceite). Tambin esdestacable su elevada capacidad de carga y relacin potencia-peso, as comosus caractersticas de auto lubricacin y robustez.Frente a estas ventajas existen tambin ciertos inconvenientes. Por ejemplo, laselevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite

a lo largo de la instalacin. Asimismo, esta instalacin es ms complicada que la


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necesaria para los actuadores neumticos y mucho ms que para los elctricos,necesitando de equipos de filtrado de partculas, eliminacin de aire, sistemasde refrigeracin y unidades de control de distribucin.Los accionamientos hidrulicos se usan con frecuencia en aquellos robots quedeben manejar grandes cargas.

1.3.3. Act uador es elct ri co s .

Las caractersticas de control, sencillez y precisin de los accionamientoselctricos, ha hecho que sean los ms usados en los robots industriales actuales.Dentro de los actuadores elctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes.

1. Motores de corriente continua (DC):

Controlados por inducido. Controlados por excitacin.

2. Motores de corriente alterna (AC): Sncronos.

Asncronos.3. Motores pas a paso.

Motores de corriente continua (DC).

Son los ms usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En la FIGURA1.4.3-1 se muestra un esquema de un motor DC seccionado, en el que se puedenapreciar sus distintos elementos. En este caso, el propio motor incluye uncodificador de posicin (encoder) para poder realizar su control.Los motores DC estn constituidos por dos devanados internos, inductor einducido, que se alimentan con corriente continua:

El inductor, tambin denominado devanado de excitacin, est situado enel estator y crea un campo magntico de direccin fija, denominado deexcitacin.

El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza deLorentz que aparece como combinacin de la corriente circulante por l ydel campo magntico de excitacin. Recibe la corriente del exterior atravs del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas degrafito.


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FIGURA 1.4.3-1. Esquema del motor DC.

Para que se pueda realizar la conversin de energa elctrica en energamecnica de forma continua es necesario que los campos magnticos del estatory del rotor permanezcan estticos entre s. Esta transformacin es mximacuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de delgas esun conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga elngulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes retricas.De esta forma se consigue transformar automticamente, en funcin de lavelocidad de la mquina, la corriente continua que alimenta al motor en corrientealterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se

conoce con el nombre de auto pilotado.Al aumentar la tensin del inducido aumenta la velocidad de la mquina. Si elmotor est alimentado a tensin constante, se puede aumentar la velocidaddisminuyendo el flujo de excitacin. Pero cuanto ms dbil sea el flujo, menorser el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducidoconstante. En el caso de control por inducido, la intensidad del inductor semantiene constante, mientras que la tensin del inducido se utiliza para controlarla velocidad de giro. En los controlados por excitacin se acta al contrario.Del estudio de ambos tipos de motores, y realizndose las simplificaciones

correspondientes, se obtiene que la relacin entre tensin de control y velocidadde giro (funcin de transferencia), responde a un sistema de primer orden en loscontrolados por inducido, mientras que en el caso de los motores controladospor excitacin, esta relacin es la de un segundo orden (FIGURA 1.4.3-2). Adems,en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de lavelocidad de giro originado por la realimentacin intrnseca que posee a travsde la fuerza contra electro motriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motoresDC es el controlado por inducido el que se usa en el accionamiento de robots.


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FIGURA 1.4.3-2. Motor dc y funcin de transferencia.

Motores paso a paso.

Los motores paso a paso generalmente no han sido considerados dentro de losaccionamientos industriales, debido principalmente a que los pares para los queestaban disponibles eran muy pequeos y los pasos entre posicionesconsecutivas eran grandes. Esto limitaba su aplicacin a controles de posicinsimples. En los ltimos aos se han mejorado notablemente sus caractersticastcnicas, especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar

motores paso a paso capaces de desarrollar pares suficientes en pequeospasos para su uso como accionamientos industriales.El motor de corriente continua presenta el inconveniente del obligadomantenimiento de las escobillas. Por otra parte, no es posible mantener el parcon el rotor parado ms de unos segundos, debido a los calentamientos que seproducen en el colector.

Existen tres tipos de motores paso a paso:

De imanes permanentes.

De reluctancia variable.

Hbridos.

En los primeros, de imanes permanentes (Figura 2.18), el rotor, que posee unapolarizacin magntica constante, gira para orientar sus polos de acuerdo alcampo magntico creado por las fases del estator. En los motores de reluctanciavariable, el rotor est formado por un material ferromagntico que tiende aorientarse de modo que facilite el camino de las lneas de fuerza del campomagntico generado por la bobinas de estator. Los motores hbridos combinanel modo de funcionamiento de los dos tipos anteriores.


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En los motores paso a paso la seal de control son trenes de pulsos que vanactuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en elestator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado nmerodiscreto de grados.Para conseguir el giro del rotor en un determinado nmero de grados, las bobinasdel estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determinala velocidad de giro. Las inercias propias del arranque y parada (aumentadas porlas fuerzas magnticas en equilibrio que se dan cuando est parado) impidenque el rotor alcance la velocidad nominal instantneamente, por lo que sta, ypor tanto la frecuencia de los pulsos que la fija, debe ser aumentadaprogresivamente.Para simplificar el control de estos motores existen circuitos especializados quea partir de tres seales (tren de pulsos, sentido de giro e inhibicin) generan, atravs de una etapa lgica, las secuencias de pulsos que un circuito de

conmutacin distribuye a cada fase.

FIGURA 1.4.3-3. Esquema de motor a pasos de imanes permanentes con cuatro fases.

Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es sucapacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden giraradems de forma continua, con velocidad variable, como motores sncronos, sersincronizados entre s, obedecer a secuencias complejas de funcionamiento, etc.Se trata al mismo tiempo de motores muy ligeros, fiables y fciles de controlar,pues al ser cada estado de excitacin del estator estable, el control se realiza en

bucle abierto, sin la necesidad de sensores de realimentacin.Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajasvelocidades no es suave, y que existe el peligro de prdida de una posicin portrabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidadeselevadas y presentan un lmite en el tamao que pueden alcanzar.Su potencia nominal es baja y su precisin (mnimo ngulo girado) llegatpicamente hasta 1,8. Se emplean para el posicionado de ejes que no precisangrandes potencias (giro de pinza) o para robots pequeos (educacionales);tambin son muy utilizados en dispositivos perifricos del robot, como mesas decoordenadas.


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Motores de corriente alterna (AC).

Este tipo de motores no ha tenido aplicacin en el campo de la robtica hastahace unos aos, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sinembargo, las mejoras que se han introducido en las mquinas sncronas hacen

que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua.Esto se debe principalmente a tres factores.

La construccin de rotores sncronos sin escobillas. Uso de convertidores estticos que permiten variar la frecuencia (y as la

velocidad de giro) con facilidad y precisin.

Empleo de la microelectrnica que permite una gran capacidad de control.

El inductor se sita en el rotor y est constituido por imanes permanentes,mientras que el inducido, situado en el estator, est formado por tres devanados

iguales decalados 120 elctricos y se alimenta con un sistema trifsico detensiones.En los motores sncronos la velocidad de giro depende nicamente de lafrecuencia de la tensin que alimenta el inducido. Para poder variar sta conprecisin, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor defrecuencia. Para evitar el riesgo de prdida de sincronismo se utiliza un sensorde posicin continuo que detecta la posicin del rotor y permite mantener en todomomento el ngulo que forman los campos del estator y del rotor. Este mtodode control se conoce como auto-sncrono o auto-pilotado.

El motor sncrono auto-pilotado excitado con imn permanente, tambin llamadomotor sinodal, no presenta problemas de mantenimiento debido a que no poseeescobillas y tiene una gran capacidad de evacuacin de calor, ya que losdevanados estn en contacto directo con la carcasa. El control de posicin sepuede realizar sin la utilizacin de un sensor externo adicional, aprovechando eldetector de posicin del rotor que posee el propio motor. Adems permitedesarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que el motor de corrientecontinua. En la actualidad diversos robots industriales emplean este tipo deaccionamientos con notables ventajas frente a los motores de corriente continua.


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Tabla 3. Comparacin de los actuadores.

En el caso de los motores asncronos, no se ha conseguido resolversatisfactoriamente los problemas de control que presentan. Esto ha hecho quehasta el momento no tengan aplicacin en robtica.Como resumen de los tipos de actuadores empleados en robtica, en la Tabla 3se presenta un cuadro comparativo de stos.

1.4. SENSORES INTERNOS.

Para conseguir que un robot realice su tarea con la adecuada precisin,velocidad e inteligencia, ser preciso que tenga conocimiento tanto de su propioestado como del estado de su entorno. La informacin relacionada con su estado(fundamentalmente la posicin de sus articulaciones) la consigue con losdenominados sensores internos, mientras que la que se refiere al estado de su

entorno, se adquiere con los sensores extremos.La informacin que la unidad de control del robot puede obtener sobre el estadode su estructura mecnica es fundamentalmente la relativa a su posicin yvelocidad. En la Tabla 2.4 se resumen los sensores ms comnmenteempleados para obtener informacin de presencia, posicin y velocidad enrobots industriales, explicados con ms detalle en [Pallas-89] y [Nachtigal-90],Se comentan a continuacin los ms significativos.


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Tabla 4. Tipos de sensores internos del robot.

1.4.1. Sensores de posicin.

Para el control de posicin angular se emplean fundamentalmente losdenominados encoders y resolvers. Los potencimetros dan bajasprestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robotseducacionales, ejes de poca importancia).

Codificadores angulares de posicin (encoders)

Los codificadores pticos o encoders incremntales constan, en su forma mssimple, de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadasradialmente y equidistantes entre s; de un sistema de iluminacin en el que laluz es colimada de forma correcta, y de un elemento fotorreceptor (FIGURA 1.5.1-1). El eje cuya posicin se quiere medir va acoplado al disco trasparente. Conesta disposicin, a medida que el eje gire se irn generando pulsos en el receptorcada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos

es posible conocer la posicin del eje.


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Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un momento dado se estrealizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que supone no estarcontando adecuadamente. Una solucin a este problema consiste en disponerde otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el tren depulsos que con ella se genere est desplazado 90 elctricos con respecto algenerado por la primera franja. De esta manera, con un circuito relativamentesencillo es posible obtener una seal adicional que indique cul es el sentido degiro, y que acte sobre el contador correspondiente indicando que incremente odecremental cuenta que se est realizando.

FIGURA 1.5.1-1. Dispositivo de un decodificador ptico (encoder) incremental.

Es necesario adems disponer de una marca de referencia sobre el disco queindique que se ha dado una vuelta completa y que, por tanto, se ha de empezarla cuenta de nuevo. Esta marca sirve tambin para poder comenzar a contar trasrecuperarse de una cada de tensin.La resolucin de este tipo de sensores depende directamente del nmero demarcas que se pueden poner fsicamente en el disco. Un mtodo relativamente

sencillo para aumentar esta resolucin es, no solamente contabilizar los flancosde subida de los trenes de pulsos, sino contabilizar tambin los de bajada,incrementando as por cuatro la resolucin de captador, pudindose llegar, conayuda de circuitos adicionales, hasta 100.000 pulsos por vuelta.Normalmente los sensores de posicin se acoplan al eje del motor.Considerando que en la mayor parte de los casos entre el eje del motor y el dela articulacin se sita un reductor de relacin N, cada movimiento de laarticulacin se ver multiplicado por N al ser medido por el sensor. steaumentar as su resolucin multiplicndola por N.


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Tabla 5. Comparacin de distintos sensores de posicin angular.

Sensores lineales de posicin (LVDT e Inductosyn).

Entre los sensores de posicin lineales destaca el transformador diferencial de

variacin lineal (LVDT) debido a su casi infinita resolucin, poco rozamiento yalta repetitividad. Su funcionamiento se basa en la utilizacin de un ncleo dematerial ferromagntico unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Estencleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios,haciendo con su movimiento que vare la inductancia entre ellos. La FIGURA 1.5.1-2presenta un breve esquema de su funcionamiento.Los dos devanados secundarios conectados en oposicin serie ven cmo lainduccin de la tensin alterna del primario, al variar la posicin del ncleo, hacecrecer la tensin en un devanado y disminuirla en el otro. Del estudio de la

tensin Eo, se deduce que sta es proporcional a la diferencia de inductanciasmutuas entre el devanado primario con cada uno de los secundarios, y que portanto depende linealmente del desplazamiento del vstago solidario al ncleo.Adems de las ventajas sealadas, el LVDT presenta una alta linealidad, gransensibilidad y una respuesta dinmica elevada. Su uso est ampliamenteextendido, a pesar del inconveniente de poder ser aplicado nicamente en lamedicin de pequeos desplazamientos.


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FIGURA 1.5.1-2. Esquema del funcionamiento de un LVDT.

1.4.2. Sensores de velocidad.

La captacin de la velocidad se hace necesaria para mejorar el comportamientodinmico de los actuadores del robot. La informacin de la velocidad demovimiento de cada actuador (que tras el reductor es la de giro de la articulacin)se realimenta normalmente a un bucle de control analgico implementado en elpropio accionador del elemento motor. No obstante, en ocasiones en las que elsistema de control del robot lo exija, la velocidad de giro de cada actuador esllevada hasta la unidad de control del robot.Normalmente, y puesto que el bucle de control de velocidad es analgico, elcaptador usado es una tacogeneratriz que proporciona una tensin proporcional

a la velocidad de giro de su eje (valores tpicos pueden ser 10 mili-voltios porrpm).Otra posibilidad, usada para el caso de que la unidad de control del robot precisevalorar la velocidad de giro de las articulaciones, consiste en derivar lainformacin de posicin que sta posee.

1.4.3. Sensores de presencia.

Este tipo de sensor es capaz de detectar la presencia de un objeto dentro de unradio de accin determinado. Esta deteccin puede hacerse con o sin contacto

con el objeto. En el segundo caso se utilizan diferentes principios fsicos para


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detectar la presencia, dando lugar a los diferentes tipos de captadores. En elcaso de deteccin con contacto, se trata siempre de un interruptor, normalmenteabierto o normalmente cerrado segn interese, actuado mecnicamente a travsde un vstago u otro dispositivo. Los detectores de presencia se utilizan enrobtica principalmente como auxiliares de los detectores de posicin, paraindicar los lmites de movimiento de las articulaciones y permitir localizar laposicin de referencia de cero de stos en el caso de que sean incremntales.Adems de esta aplicacin, los sensores de presencia se usan como sensoresextremos, siendo muy sencillos de incorporar al robot por su carcter binario ysu costo reducido. Los detectores inductivos permiten detectar la presencia ocontar el nmero de objetos metlicos sin necesidad de contacto. Presentan elinconveniente de distinto comportamiento segn del tipo de metal del que setrate. El mismo tipo de aplicacin tiene los detectores capacitivos, msvoluminosos, aunque en este caso los objetos a detectar no precisan ser

metlicos. En cambio presentan problemas de trabajo en condiciones hmedasy con puestas a tierra defectuosas.Los sensores basados en el efecto Hall detectan la presencia de objetosferromagnticos por la deformacin que estos provocan sobre un campomagntico. Los captadores pticos, sin embargo, pueden detectar la reflexindel rayo de luz procedente del emisor sobre el objeto.

1.5. ELEMENTOS TERMINALES.

Los elementos terminales, tambin llamados efectores finales (end ejfector)sonlos encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Puedenser tanto elementos de aprehensin como herramientas.Si bien un mismo robot industrial es, dentro de los lmites lgicos, verstiles y re-adaptable a una gran variedad de aplicaciones, no ocurre as con los elementosterminales, que son en muchos casos especficamente diseados para cada tipode trabajo.

Se puede establecer una clasificacin de los elementos terminales atendiendo asi se trata de un elemento de sujecin o de una herramienta. Los primeros sepueden clasificar segn el sistema de sujecin empleado. En la Tabla 6. Serepresentan estas opciones, as como los usos ms frecuentes.Los elementos de sujecin se utilizan para agarrar y sostener los objetos y sesuelen denominar pinzas. Se distingue entre las que utilizan dispositivos deagarre mecnico, y las que utilizan algn otro tipo de dispositivo (ventosas,pinzas magnticas, adhesivas, ganchos, etc.).En la eleccin o diseo de una pinza se han de tener en cuenta diversos factores.Entre los que afectan al tipo de objeto y de manipulacin a realizar destacan el


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peso, la forma, el tamao del objeto y la fuerza que es necesario ejercer ymantener para sujetarlo. Entre los parmetros de la pinza cabe destacar su peso(que afecta a las inercias del robot), el equipo de accionamiento y la capacidadde control.El accionamiento neumtico es el ms utilizado por ofrecer mayores ventajas ensimplicidad, precio y fiabilidad, aunque presenta dificultades de control deposiciones intermedias. En ocasiones se utilizan accionamientos de tipoelctrico.En la pinza se suelen situar sensores para detectar el estado de la misma(abierto o cerrado). Se pueden incorporar a la pinza otro tipo de sensores paracontrolar el estado de la pieza, sistemas de visin que proporcionen datosgeomtricos de los objetos, detectores de proximidad, sensores fuerza- par, etc.

Tabla 6. Herramientas terminales para robots.

Como se ha indicado, el elemento terminal de aprehensin debe ser diseadocon frecuencia a medida para la aplicacin. Existen ciertos elementoscomerciales que sirven de base para la pinza, siendo posible a partir de ellosdisear efectores vlidos para cada aplicacin concreta. Sin embargo, en otrasocasiones el efector deber ser desarrollado ntegramente, constituyendo sucoste un porcentaje importante dentro del total de la aplicacin.En muchas aplicaciones el robot ha de realizar operaciones que no consisten en

manipular objetos, sino que implican el uso de una herramienta. El tipo deherramientas con que puede dotarse a un robot es muy amplio. Normalmente, laherramienta est fijada rgidamente al extremo del robot aunque en ocasionesse dota a ste de un dispositivo de cambio automtico, que permita al robot usardiferentes herramientas durante su tarea. La Tabla 6 enumera algunas de lasherramientas ms frecuentes.Aparte de estos elementos de sujecin y herramientas ms o menosconvencionales, existen interesantes desarrollos e investigaciones, muchos deellos orientados a la manipulacin de objetos complicados y delicados. Porejemplo, existen diversas realizaciones de pinzas dotadas de tacto o de dedos

con falanges.


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1.6. TIPOS Y CARACTERSTICAS DE LOS ROBOTS.

Las diferentes asociaciones de robtica han definido la clasificacin de los robotsbasado en criterios como: etapas de desarrollo, generaciones y propiedades que

han caracterizado a los robots a travs de su evolucin histrica, existen diversasclases de robots, tanto por sus aplicaciones como por su forma de trabajo.

Clasificacin del robot industrial

Manipuladores

Robots de repeticin y aprendizaje

Robots con control por computador

Robots inteligentes

1.6.1. Manipuladores.

Son sistemas mecnicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control,que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos:

Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea delmanipulador.

De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso detrabajo preparado previamente.

De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caractersticas de losciclos de trabajo.

Existen muchas operaciones bsicas que pueden ser realizadas ptimamentemediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleode estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas yrepetitivas.

1.6.2. Robots de repeticin o aprendizaje.

Son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos,previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controladormanual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el operario en la fase deenseanza, se vale de una pistola de programacin con diversos pulsadores oteclas, o bien, de joystick, o bien utiliza un maniqu, o a veces, desplazadirectamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los msconocidos, hoy da, en los ambientes industriales y el tipo de programacin queincorporan, recibe el nombre de "gestual".
http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#manipuladoreshttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#aprendizajehttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#controlhttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#inteligenteshttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#inteligenteshttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#controlhttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#aprendizajehttp://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm#manipuladores


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1.6.3. Robots con contro l por computador.

Son manipuladores o sistemas mecnicos multifuncionales, controlados por uncomputador, que habitualmente suele ser un microordenador. En este tipo derobots, el programador no necesita mover realmente el elemento de la mquina,(Ver fig. 5) cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computadordispone de un lenguaje especfico, compuesto por varias instruccionesadaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un programa deaplicacin utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A estaprogramacin se le denomina textual y se crea sin la intervencin delmanipulador.

Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayanimponiendo en el mercado rpidamente, lo que exige la preparacin urgente de

personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipoinformtico.

1.6.4. Robots inteligentes

Son similares a los del grupo anterior, pero, adems, son capaces derelacionarse con el mundo que les rodea a travs de sensores y tomar decisionesen tiempo real (auto programable).

De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en fase

experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarlesy hacerles ms efectivos, al mismo tiempo que ms asequibles.La visin artificial, el sonido de mquina y la inteligencia artificial, son las cienciasque ms estn estudiando para su aplicacin en los robots inteligentes.

Figura 1.7.3. Robot con control por computador


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La IFR distingue entre cuatro tipos de robots industriales:

Robot secuencial.

Robot de trayectoria controlable. Robot adaptativo.

Robot tele-manipulado.

Esta clasificacin coincide en gran medida con la establecida por laAsociacinFrancesa de Robtica Industrial (AFRI) (Tabla 7). (Ms simple y especfica, es laclasificacin de los robots segn la generacin. (Ver Tabla. 7)

Clasificacin de los robots segn la AFRI.

Tipo A Manipulador con control manual o telemando.

Tipo BManipulador automtico con ciclos pre-ajustados; regulacin mediante fines de

carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico.

Tipo CRobot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de

conocimiento sobre su entorno.

Tipo DRobot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funcin de

estos.

Tabla 7. Clasificacin de los robots segn la AFRI.

Clasificacin de los robots industriales en generaciones.

1 Generacin.Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles

alteraciones de su entorno.

2 Generacin.

Adquiere informacin limitada de su entorno y acta en consecuencia. Puede

localizar, clasificar (visin) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos enconsecuencia.

3 Generacin.Su programacin se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee la

capacidad para la planificacin automtica de sus tareas.

Tabla 8. Clasificacin de los robots industriales en generaciones

1.6.5. Robots de servicio y tele-operados.

En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:Dispositivos electromecnicos mviles o estacionarios, dotados normalmente deuno o varios brazos mecnicos independientes, controlados por un programa decomputadora y que realizan tareas no industriales de servicio. En esta definicinentraran entre otros los robots dedicados a cuidados mdicos, educacin,domsticos, (Ver fig. 1.7.5) uso en oficinas, intervencin en ambientespeligrosos, aplicaciones espaciales, aplicaciones submarinas y agricultura. Sin


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embargo, esta definicin de robots de servicio excluye los tele-manipuladores,pues estos no se mueven mediante el control de un programa de computadora,sino que estn controlados directamente por el operador humano.

Figura 1.7.5. Aspiradora

Los robots tele-operados son definidos por la NASA (1978) como: Dispositivos

robticos con brazos manipuladores y sensores y cierto grado de movilidad,controlados remotamente por un operador humano de manera directa o a travsde una computadora.

Figura 1.7.5. Explorador espacial tele operado

La siguiente tabla muestra la clasificacin propuesta por T.M. Knasel.

Clasificacin de los robots segn T.M.Knasel.

Generacin NombreTipo de

Control

Grado de

movilidad

Usos ms

frecuentes

1 (1982) Pick & placeFines de carrera,

aprendizajeNinguno

Manipulacin,

servicio de

maquinas

2 (1984) Servo

Servo control,

Trayectoria

continua, progr.

condicional

Desplazamiento por

va

Soldadura,

pintura


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3 (1989) Ensamblado

Servos de

precisin, visin,

tacto,

Guiado por vaEnsamblado,

Desbardado

4 (2000) MvilSensores

inteligentesPatas, Ruedas

Construccin,

Mantenimiento

5 (2010) Especiales Controlados contcnicas de IA

Andante, Saltarn Militar,Espacial

Tabla 9. Clasificacin de los robots segn T.M.Knasel.

ESTRUCTURA MECANICA DE ROBOTS INDUSTRIALES

Un manipulador robtico consiste en una secuencia de cuerpos rgidos, llamadoseslabones que se conectan unos a otros mediante articulaciones (joints). Todosjuntos forman una cadena cinemtica abierta. Se dice que una cadena

cinemtica es abierta si, numerando secuencialmente los enlaces desde elprimero, cada enlace est conectado mediante articulaciones exclusivamente alenlace anterior, y al siguiente, excepto el primero, que se suele fijar al suelo y sedenomina base, y el ltimo, uno de cuyos extremos queda libre y generalmentesuele ser conectado a un efector final.El nmero de grados de libertad de una cadena cinemtica puede ser obtenidomediante la frmula de Grbler, segn la cual:

. ( ) +

=

GDL = Grados de Libertad del espacio de trabajo (tpicamente tres en elplano y seis en el espacio)

n = Numero de eslabones

j = Numero de articulaciones

fi = Grados de libertad permitidos a la articulacin i.

Una parte de las caractersticas del robot quedan determinadas por suestructura, tales como su configuracin, espacio en planta y volumen de trabajo

o de alcance del robot. Otras caractersticas, como por ejemplo, la velocidad y lacapacidad de carga, dependen de los sistemas de accionamiento de susarticulaciones. Un brazo robot mecnico generalmente consta de los siguienteselementos:

Carcasa o chasis, generalmente formada por elementos de acero oaluminio

Sistema de accionamiento de los ejes: actuadores, transmisiones,sensores de posicin y velocidad

Cableado, conectores, fines de carrera y otros elementos, como topesmecnicos y compensadores.


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1.7.1. CONFIGURACION DE LAS ARTICULACIONES DE UN

ROBOT.

Las articulaciones son los elementos de unin entre los ejes del robot y es enella donde se origina el movimiento del mismo. El movimiento de cadaarticulacin puede ser de desplazamiento o de giro o, de una combinacin de losdos tipos de movimiento. En general se distinguen seis tipos de articulaciones:prismtica, de revoluta, cilndrica, esfrica o rtula, plana y de tornillo.

Figura 1.7.1 Tipos de articulaciones.

Los tipos de rotacin o revoluta y lineal o prismtica, son los que se utilizanmayoritariamente en los robots industriales. Las articulaciones prismticasofrecen un clculo sencillo para su posicionamiento, alta precisin y gran

robustez, y las de rotacin son ms fciles de construir y poseen envolventes detrabajo mayores con un menor espacio en planta.A cada movimiento independiente que es capaz de realizar una articulacin, sele denomina grado de libertad (gdl). Puesto que en el caso de las articulacionesde rotacin y prismticas, el gdl es uno, en los robots industriales el nmero degdl del robot suele coincidir con el de la suma de sus articulaciones.Estrictamente, el gdl de un manipulador es el nmero de movimientosindependientes que puede realizar. Considerando en un espacio 3D, el mximogdl es seis, tres desplazamientos y tres giros, de ah que la mayor parte de los

robots industriales tenga seis articulaciones.


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A pesar de que en la prctica es necesario tener estos seis grados gdl para tenertotal libertad en el posicionado y orientacin del extremo del robot, existen robotscon menos de seis articulaciones, puesto que puede ser suficiente para llegar acabo las tareas que han de realizar. Por el contrario, tambin se da la situacinen la que se encuentran robots con ms articulaciones, con la intencin defacilitar el sortear obstculos o ampliar el campo de trabajo del robot. En estoscasos se dice que el robot es redundante.Los ejes se subdividen comnmente en dos grupos:

Ejes Principales (1,2 y 3), mayoritariamente responsables de la posicindel objeto.

Ejes de la mueca (del 4 en adelante), como los responsables de laorientacin.

El empleo de combinaciones de los diferentes tipos de articulaciones en losprimeros tres ejes del robot da lugar a lo que se denomina configuracin del

robot. Se nombra a las configuraciones encadenando las iniciales de susarticulaciones de la base a la mueca, por ejemplo, RPR (rotacin, prismtica,rotacin), 3R (tres articulaciones rotacionales), 2RP (dos articulacionesrotacionales seguidas de una prismtica). El tipo de configuracin determina,entre otras caractersticas, el campo de trabajo del robot, es decir el volumen deespacio en el que el robot puede posicionar su mueca. El campo de trabajo, seobtiene de trazar las envolventes de las posiciones alcanzadas por la muecadel robot como combinacin de los movimientos en las articulaciones de sus ejesprincipales.

1.7.2.CLASIFICACION DE ROBOTS.

Existen diferentes clasificaciones de robots, detalladas a continuacin, quetienen relacin con tres aspectos fundamentales: geometra, tipo de control yfuncin

1.7.3. CLA SIFICACION DE ROBOTS POR SU GEOMETRIA.

Esta clasificacin tiene relacin directa con los manipuladores industriales y sebasan en la configuracin de las articulaciones de los tres ejes principales.

Robot Cartesiano

Robot Angular

Robot Polar

Robot Cilndrico

Robot Scara


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Robot Cartesiano, tiene tres ejes de movimiento lineal PPP, perpendicularesentre s, este tipo de configuracin da lugar a robots de alta precisin, velocidady capacidad de carga constante en todo su alcance, amplia zona de trabajo ysimplificacin del sistema de control. Presentan una mala relacin entre suvolumen de trabajo y el espacio que ocupan en planta. Se usan en aplicacionesque requieren movimientos lineales de alta precisin y en los casos en que lazona de trabajo sea bsicamente un plano.

Figura 1.7.3-1. Robot cartesiano.

Robot Cilndrico, se trata de un robot RPP, con movimiento rotacional en labase y dos ejes lineales perpendiculares, el segundo de ellos paralelo al de labase, tal y como se ilustra en la figura respectiva. Su eje rotacional hace que esterobot presente una mejor maniobrabilidad y velocidad que el robot cartesiano.

Su sistema de control es bastante sencillo y encuentra su aplicacin eninstalaciones sin obstculos, en las que las mquinas se distribuyan radialmentey el acceso al punto deseado se realice horizontalmente.

Figura 1.7.3-2. Robot cilndrico.

Robot Esfrico o Polar, este tipo de configuracin se halla formada por dos ejesrotacionales perpendiculares y uno lineal, su accesibilidad es mejor que la de losrobots cartesiano y cilndrico, as como tambin su capacidad de carga.Los primeros robots que aparecieron en el mercado fueron polares, tambindenominados esfricos, por el tipo de coordenadas espaciales con las que se

controlan. Presenta ciertos inconvenientes, como la dificultad de controlar un


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simple movimiento de traslacin o prdida de precisin producida al trabajar concargas pesadas y con el brazo muy extendido.

Figura 1.7.3-3. Robot esfrico.

Robot Angular o Antropomrfico, es un tipo de robot que est formado portres ejes rotacionales, con el primer eje perpendicular al suelo y los otros dosperpendiculares a ste y paralelos entre s. Los robots con configuracin angularpresentan una gran maniobrabilidad y accesibilidad a zonas con obstculos,ocupan poco espacio con relacin a su alcance, son robots muy rpidos, quepermiten trayectorias muy complejas.

Figura 1.7.3-4. Robot angular.

Robot Scara, se trata de dos ejes rotacionales paralelos y un eje lineal tambin

paralelo a ambos, de desplazamiento vertical, este tipo de configuracin producerobots muy rpidos y de muy alta precisin. Generalmente encuentra aplicacinen operaciones de ensamblado o empaquetado, que requieran movimientossimples para insercin o toma de piezas.


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Figura 1.7.3-5. Robot scara.

1.7. Espacio (volumen) de trabajo.

Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de

libertad, definen la zona de trabajo del robot, caracterstica fundamental en lasfases de seleccin e implantacin del modelo adecuado.

La zona de trabajo se subdivide en reas diferenciadas entre s, por laaccesibilidad especifica del elemento terminal (aprehensor o herramienta), esdiferente a la que permite orientarlo verticalmente o con el determinado ngulode inclinacin.

Tambin queda restringida la zona de trabajo por los lmites de giro ydesplazamiento que existen en las articulaciones.

El volumen de trabajo de un robot se refiere nicamente al espacio dentro delcual puede desplazarse el extremo de su mueca. Para determinar el volumende trabajo no se toma en cuenta el actuador final. La razn de ello es que a lamueca del robot se le pueden adaptar grippers de distintos tamaos.

Para ilustrar lo que se conoce como volumen de trabajo regular y volumen detrabajo irregular, tomaremos como modelos varios robots.

El volumen de trabajo es el espacio en donde el robot podr manipular el efectofinal y esto debido a que a que el efecto final define el espacio de trabajo. El

volumen de trabajo viene determinado por las siguientes caractersticas fsicasdel robot:

Las configuraciones fsicas del robot.

Los tamaos de los componentes (cuerpo, brazo, mueca).

Los lmites de los movimientos del robot.


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Figura 1.8-1. Espacio de trabajo de brazo articulado y de robot cartesiano.

La estructura fsica del robot determina el volumen de trabajo del mismo, porejemplo del volumen de trabajo de un robot de coordenadas polares, forman unaesfera parcial, un robot de coordenadas cartesianas tienen un espacio de trabajode forma rectangular y un robot brazo articulado tiene un volumen de trabajoaproximado en un esfera en forma esfrica. El volumen de trabajo est

determinado por dimensiones del brazo y los lmites de los movimientos de susarticulaciones.

Figura 1.8-2.Espacio de trabajo de robot cilndrico, polar y scara.


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BIBLOGRAFIA.

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Anbal Ollero Baturone, Robtica Manipuladores y robots mviles,Macombo, Sevilla, 2001.

359g unidd1 francisco cesar(recopilacion informacion)

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