robotica

ROBTICA

M.en I. Omar Vital Ochoa

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CAPTULO I DESARROLLO HISTRICO Y CLASIFICACIN DE LOS ROBOTS.

1.1. - Antecedentes histricos de los robots. Desde pocas inmemorables, el hombre ha creado mquinas con movimiento para ayudarle a realizar diversas tareas. Los Egipcios en el ao 3000 a.C. construyeron relojes de agua y figuras articuladas. Los griegos tenan una palabra especfica para denominar a estas mquinas: autmatos. De ah se deriva la palabra autmata que significa mquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado. Los griegos y los chinos automatizaron procesos para facilitar las labores de trabajo, a travs de la construccin de estatuas y figuras que actuaban con una secuencia de movimientos, teniendo como fuente de energa las cadas de agua. Pierre y sus hijos Henri y Jaquet Droz en el s. XVIII construyeron pequeos muecos capaces de escribir textos o dibujar figuras. El ms complejo de ellos poda tocar un pequeo rgano en miniatura, su accionamiento lo obtena por un complejo sistema de levas. A continuacin se muestra la tabla 1.1 donde se mencionan algunos autmatas famosos. Ao Autor Autmata

1500 a.C Amenothep Estatua de Memnon con sonidos 500 a.C. King-su Tse Urraca voladora y caballo 220 a.C. Filon de Bizancio Autmata acutico 206 a.C. Chin Shih Hueng Ti Orquesta mecnica de muecos 62 d.C. Hero de Alejandria Tratado de autmatas, mquinas de

vapor, templo y teatro automtico 700 Huang Kun Figuras cantantes y danzarinas 770 Yang Wu-Lien Mono que pide limosna 1050 Principe Bhoja Libro de construccion de maquinas

Samargan-a-Sutradhara 1250 Alberto Magno Sirviente Mecnico 1260 Roger Bacon Cabeza que habla 1352 Desconocido Gallo de la catedral de Estrasburgo 1499 Leonardo Da Vinci Len mecnico 1525 Juanelo Turriano El hombre de palo 1640 Ren Descartes Autmata Francine 1738 Jacques Vaucanson Pato,muecas mecnicas, flautista,otros. 1769 W. Von Kempelen Jugador de ajedrez 1770 Pierre Jaquet Droz Escriba, organista, dibujante. 1805 Henry Maillardet Mueca mecnica que dibujaba.

Tabla 1.1. Autmatas famosos.

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El trmino Robot fu utilizado por primera vez por el dramaturgo checo Karel Capek (1890-1938) en su obra Rossum's Universal Robots (RUR) este trmino proviene del eslavo (Checo) Robota que significa "Trabajo Esclavizante"(1921). En 1926, Thea Von Harbou escribe Metrpolis, donde la clase obrera de una ciudad superindustrializada es manipulada por un androide llamado Mara, esta obra fue llevada al cine por Fritz Lang, esposo de Thea. En 1945, el escritor de ciencia-ficcin Issac Asimov present las tres leyes de la robtica en su obra "Yo Robot" donde trata la "naturaleza" de un robot. Las leyes se enuncian de la siguiente manera: 1. Un robot no debe daar a un ser humano

por su inaccin permitir que se dae. 2. Un robot debe obedecer siempre a un ser

humano, excepto si no cumple la primera ley.

3. Un robot debe proteger su existencia,

excepto si entra la primera segunda ley. Figura 1.2 El pato de Vaucanson. (fuente:The

Bettmann Archive)

En 1940 se comenzaron a trabajar con los primeros teleoperadores en mquinas de control

numrico. El ingeniero norteamericano George C. Devol (1952), patent uno de los primeros robots industriales. En norteamrica las compaas Unimate y Versatran comenzaron a explotar los robots a nivel industrial. En 1968 los japoneses comienzan su gran desarrollo en el campo de la robtica y hoy en da es el principal fabricante en el mundo. En 1982, el profesor Makino de la universidad Yamanashi de Japn, desarrolla el concepto del robot SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) con el cual se busca un robot industrial con reducido nmero de grados de libertad a un coste limitado y capaz de ensamblar piezas. Actualmente un robot puede constar de un brazo mecnico el cual realiza diversas labores en la industria.

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Figura 1.3 Robot SCARA .(fuente:Robots,Maquinas a imagen y semejanza del hombre, Isaac Asimov y Karen Frenkel) En las dos ltimas dcadas el concepto de automatizacin flexible y programable con que se asocia el robot industrial, se ha convertido en una realidad. El Instituto Americano de Robots ha definido el trmino de robot industrial como: Manipulador Multifuncional y Reprogramable, diseado para realizar una gran variedad de trabajos. Figura 1.4 Ensamblado con Robot Scara(f.RIA)

La Asociacin de Industrias Robticas (RIA) y la Organizacin Internacional de Estndares (ISO) reconocen la siguiente definicin:Un robot es un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales segn trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas. Los trminos Multifuncional y Reprogramable son las palabras clave para diferenciar a los robots de otras formas de automatizacin como la realizada por elementos secuenciales o autmatas programables. Un robot industrial es un brazo mecnico el cual puede moverse en cualquier punto en el espacio dentro de su alcance. Tiene varias uniones y ejes de movimiento y puede ensersele diversos movimientos para ubicar su parte final (efectuador) dentro de un volumen llamado " rea de trabajo". El elemento efectuador se construye de acuerdo a los propsitos especiales de la aplicacin.



1.2.- Componentes de un robot. Bsicamente un robot requiere de las siguientes partes: Manipulador

Fuente Control

1) Manipulador 2) Fuentes de Poder 3) Sistema de Control Las partes pueden estar en una sola unidad o formar componentes separados. Estas partes se describen brevemente a continuacin: Manipulador: Est formado por la estructura mecnica donde se unen los eslabones y ejes que realizan el movimiento. Dentro de la estructura se encuentran actuadores con sus elementos de control y algunos sensores que sern descritos posteriormente. Fuentes de Poder: Estas proveen la energa que ser transformada a movimiento por los actuadores del Robot. Generalmente se tienen fuentes de voltaje o fuentes de poder conmutadas, compresores neumticos y bombas hidrulicas con sus sistemas de filtrado, regulacin y mantenimiento (lubricacin etc.). Figura 1.5 Unidades funcionales de un robot.

Sistema de Control: Este es el cerebro del robot y se encarga de coordinar los movimientos de los diferentes ejes del Robot. Pueden variar desde simples secuenciadores tipo tambor de pasos, como los usados en las cajitas musicales, o algunos ms complejos como los secuenciadores lgicos de aire, hasta secuenciadores electrnicos de estado slido como pequeos sistemas digitales, microcontroladores y microcomputadoras.

1.3.-. Clasificacin de robots industriales. La clasificacin puede realizarse segn su configuracin geomtrica, segn su funcin, segn el tipo de actuador y segn la aplicacin.

MANIPULADOR

FUENTE



Fotografias de los iniciadores de la robtica industrial: George C. Devol Jr (Izquierda) con 40 patentes en 1954 se considera el abuelo de la robtica y Joseph F. Engelberger (derecha), se considera el padre de la robotica industrial.(fuente: G.Devol / Bernie Powell)

1.3.1.- Clasificacin de acuerdo a la Configuracin Geomtrica:

Figura 1.6: Robot de Coordenadas Cilndricas (fuente: Tech Tran) Robot de Coordenadas Cilndricas (RDD): Est formado por un brazo que se encuentra ensamblado en un eje vertical y este eje esta montado en una base rotatoria. El brazo horizontal puede moverse hacia adelante y hacia atrs para la operacin de alcance, puede moverse verticalmente hacia arriba y hacia abajo, adems este brazo puede rotar hacia la izquierda y a la derecha sobre el eje vertical, de esta manera los movimientos sobre los tres ejes forman una porcin de un cilindro. Las variables que definen los grados de libertad son Z para elevacin, Y para alcance y para rotacin de la base.(Ver la figura 1.6). Robots Comerciales de este tipo son: Copperweld, GMFanuc, Prab servo y Seiko.



Robots de Coordenadas Esfricas ( Robot Polar RRD): En esta configuracin el brazo se mueve hacia adelante y hacia atrs pero tiene una rtula que permite un movimiento vertical pivotante. De esta manera se tiene una zona de trabajo con una figura semi-esfrica. Las variables que definen los grados de libertad son para elevacin, R para alcance y para rotacin de la base. Un Robot comercial de este tipo es el Unimate.

Figura 1.7. Robot de coordenadas esfricas. (fuente: Tech Tran) Robot de Uniones Articuladas (RRR): Esta formado por uniones rotatorias que estn montadas a su vez en una base rotatoria, su estructura mecnica es similar a la del brazo humano; es de los ms utilizados por la industria ya que debido a su flexibilidad los requerimientos de espacio se minimizan. Los grados de libertad llegan a ser seis, con movimientos angulares desde la base hasta la mueca. ( Ver figura 1.8).



Figura 1.8. Robot de uniones articuladas.(f. Unimation) Robots comerciales de este tipo son: El ASEA, el Cincinnati Milacron , el Unimate Puma, El DeVilbiss Trallfa. Robot de Coordenadas Rectangulares (DDD): Este robot tiene un brazo horizontal el cual esta acoplado a un eje vertical y ambas uniones estn montadas sobre un eje transversal lineal, lo cual produce movimientos en los ejes X-Y- Z. (Ver figura 1.9).



X

Y Z

X

Figura 1.9. Robots de coordenadas rectangulares, en la parte superior un CNC para corte, en la parte inferior una mesa x-y-z para taladrado.(f.Tech Tran, Techno Isel.) De forma comercial, se pueden encontrar el Cyro, el General Ellectric Allegro y el IBM avanzado.

1.4.-. Ejes adicionales de movimiento y efectores finales.

Los principales ejes de movimiento generan el rea de trabajo y simulan el movimiento humano desde su cintura (movimiento del tronco), el hombro y el codo, para poder realizar una tarea especfica, se agregan tres grados de libertad que simulan el movimiento de la mueca y la mano. Un robot industrial puede tener de tres a diez grados de libertad, segn la complejidad del movimiento y la trayectoria a seguir. La figura 1.10 muestra los tres grados adicionales para el movimiento de la mueca y la mano:

Elevacin de mueca

(flexin)



Desviacin de

mueca. Giro de mueca (oscilacin) Figura 1.10. Los ejes adicionales pueden generar movimientos que simulan los de la mueca de la mano. A la mueca se le pueden acondicionar diferentes tipos de elementos finales, que tambin son llamados efectores finales (end effector), estos elementos son los que realizan la tarea de tomar o poner una pieza, por ejemplo los efectores tipo pinza, las pistolas neumticas, las pinzas de soldadura, pinzas con dedos paralelos etc. Estos efectores estn diseados para realizar una tarea especial como pintado, taladrado, soldado de piezas, as como pinzas para transferencia, ensamble y paletizado. El diseo mecnico de estos efectores debe considerar la precisin, la fuerza y el peso que debern de manipular. Algunos de estos efectores se muestran a continuacin en la figura 1.11.

Figura 1.11 Efectores finales: Pinzas neumticas y manos con alambre muscular (aleacin con memoria).

1.5.- Clasificacin segn su funcionalidad. Esta clasificacin esta hecha de acuerdo a la forma en que un robot realiza el movimiento, segn su trayectoria o de acuerdo a los puntos donde debe irse deteniendo, estos pueden estar almacenados en una memoria de un CPU. La clasificacin segn su funcin es: 1.- Robots Punto a Punto No Servo 2.- Robots Servocontrolados. 3.- Robots Punto a Punto de Trayectoria Contnua.



Estos robots tienen precios que pueden variar desde 6000 hasta 130,000dlls. Se describirn a continuacin: Robots Punto a Punto No Servo: Son conocidos tambin como "Pick & Place" y son los ms simples. Sus actuadores son cilindros neumticos o hidrulicos, tambin pueden ser motores conectados a una vlvula de control direccional. Los lmites del movimiento se determinan por el ajuste de topes mecnicos en las posiciones deseadas. Cilindro actuador para un eje de movimiento Punto a punto

Sensores de Seal de entrada al control lmite

Control o piloto de Vlvula de desplazamiento en control de flujo la vlvula para velocidad.

Potencia Neumtica o Hidrulica

Vlvula de control direccional 2 vas, 2 posiciones. Seal de retroalimentacin para fn de carrera.

Figura 1.12. Esquema de control para un robot no-servo tpico.(Fuente: FESTO) Para detectar los topes se conectan interruptores de lmite (limit switch sensor) en cada extremo. Esto solo permite checar las posiciones lmites de los movimientos pero nunca los puntos intermedios. Para controlar la secuencia de los movimientos pueden utilizarse programadores de tambor de pasos (similar al de las cajas musicales) un secuenciador lgico de aire (ver FESTO Pneumatic S.A.) . Robots Servo Controlados: Este tipo de robots ofrece mayores capacidades y pueden intercambiar herramientas de trabajo para realizar tareas de manejo de materiales ms sofisticado que los del tipo no-servo. La diferencia principal es que no usan sensores de lmite, en lugar de estos se utilizan potenciometros y servovlvulas las cuales son capaces de detener al robot en un nmero infinito de puntos a lo largo de cada eje de movimiento. En este tipo de robots los sensores pueden ser resistencias variables o potencimetros, tacmetros y codificadores montados sobre el eje. Estos sensores originan la



retroalimentacin para el control del robot, el control compara la posicin actual de cada eje con puntos previamente programados, en caso de existir diferencia entre la referencia y el valor ledo entonces se realiza un flujo proporcional para que la vlvula posicione los ejes en el punto programado. Pinza Elemento de Retroalimentacin Servovlvula Dispositivo de Retroalim. Seal de control Control de Aprendizaje,enseanza manual. "Teach Pendant" Computadora para programa.

Comparador

Memoria Almacenamiento de seales para control Enseanza

Programada SISTEMA DE CONTROL

Figura 1.13 Esquema de un elemento de Robot servo controlado (fuente: Robotica Industrial)

Conforme se aproximan los ejes al punto de referencia, el sistema de control desacelera al robot hasta que llega al punto y cierra la servo vlvula. Ver la figura 1.13. Para ver detalles del encoder ir al Apndice. Robot Punto a Punto y de Trayectorias Contnuas: Los robots punto a punto difieren de los de trayectoria contnua en la forma en que son enseados para realizar un trabajo. El robot servocontrolado punto a punto es enseado mediante el almacenamiento de puntos discretos en su memoria, para posteriormente ir siguiendo esa trayectoria punto a punto. La forma de ensearlo se realiza a travs de una caja llamada "Teach Pendant ", donde se tiene el control de cada uno de los ejes del movimiento en forma independiente, con lo que es posible situar al robot en un punto determinado y grabar esa posicin en la memoria. Con este mtodo es posible almacenar puntos para una determinada tarea.

Detalle del elemento de retroalimentacin

Fuente de Poder Hidrulica



En cambio, el robot de trayectorias continuas almacena los datos en una base de tiempo. Este robot tambin utiliza los mismos elementos de retroalimentacin que el de punto a punto, pero es enseado como a un nio, tomndolo de la mano y enseandole la forma de realizar la tarea, mientras el robot monitorea y almacena la trayectoria recorrida. Generalmente estos robots son empleados en operaciones de pintura atomizada ECOAT (ver aplicaciones adelante, figura 1.17).

1.6.-Clasificacin segn funcionalidad y tipo datos de entrada. 1.- Robot Manual: El robot es accionado por un operador, es aplicado en manejo de sustancias nocivas a la salud o altamente explosivas. Tambin son conocidos como tele-robots. 2.- Robot de Secuencia Fija: Efecta cada paso de acuerdo a ordenes, condiciones y posiciones preestablecidas. No es capaz de cambiar su rutina fcilmente. 3.- Robot de Control Numrico CCN: Puede realizar trabajos en forma secuencial, las ordenes provienen de programas almacenados en algn formato numerico, cintas perforadas, tarjetas o interruptores digitales que indican nmeros para darle a los ejes movimientos y velocidades. Ejemplo: Tornos Multiprogramables. 4.- Robot de Secuencia Variable: En este se efecta cada paso de acuerdo a ordenes, condiciones y posiciones preestablecidas, y es capaz de cambiar fcilmente la informacin de ajuste. Estos robots son programados dndole los puntos de la trayectoria de trabajo; algunos de control numrico son de secuencia variable. 5.- Robot Playback: Es el ms utilizado en la industria debido a su versatilidad y facilidad de programar. Es conocido tambin como "Robot Aprendiz, debido a que es enseado a seguir una trayectoria punto a punto o de forma contnua. 6.- Robot Inteligente: Es capaz de decidir su movimiento de acuerdo a una funcin sensora e identificadora. La complejidad radica en los elementos sensores, y pueden ser cmaras que le permiten dar visin de formas y sentido de profundidad, o sensores de presin para calcular su fuerza.

1.7.-Clasificacin de acuerdo a la fuente de potencia y al actuador. De acuerdo al elemento que realiza el movimiento puede clasificarse como: 1.- Robot con Actuador Elctrico: Este se subclasifica de acuerdo al tipo de motor :

a) Actuado con Motor de Corriente Directa (C.D.): Requiere fuente de corriente directa y codificador de posicin, la caracterstica principal es su alto par y facilidad para controlarse, su mantenimiento es simple, ya que comnmente se cambian solo las escobillas debido al desgaste. b) Actuado con Motor a Pasos: Es similar al anterior pero su par es muy bajo y su control es complicado, la ventaja es que tiene precisin constante en lazo abierto.



c) Actuado con Motor de Corriente Alterna: Este tiene costos mayores en los elementos de control, tiene alto par y normalmente requiere de diversos elementos para controlar su velocidad y arranque. Sus costos de mantenimiento y reparacion generalmente son mas elevados que los del motor de C.D. Esto es debido a que requieren operar con elementos de electronica de potencia, circuitos de disparo y conmutacin mas complejos y todo esto requiere de personal mas especializado. La mayora de los motores empleados utilizan trenes de engranes o motorreductores para disminuir la velocidad y aumentar el par. 2.- Robot con Actuador Neumtico: Son ms econmicos en cuanto a su fuente de energa: un compresor con sistemas de filtrado para humedad y aceite. Son de bajo par y se construyen para movimiento de cargas ligeras, costos de mantenimiento bajos. El desplazamiento se origina a travs de cilindros y servovlvulas. 3.-Robot con Actuador Hidrulico: Estos son construidos para soportar grandes cargas, su estructura es ms robusta que los anteriores y en su funcionamiento es muy similar al neumtico. Los costos de mantenimiento y de sus componentes son costosos. 4.- Robot Hbrido: Esta formado por una combinacin de componentes, estos pueden ser neumticos o elctricos en su control y elctricos o hidrulicos en su elemento actuador.

1.8.- Aplicaciones de los robots industriales. En el rea de manufactura existen muy variadas, en esta rea se tienen labores repetitivas y atmsferas contaminadas o adversas para el personal. Algunas aplicaciones de estos robots "manufactureros" son: 1.- Soldadura Figura 1.14 Robot soldador, puede auxiliarse de cmaras para calcular su trayectoria espacial, (fuente: FANUC) 2.-Operaciones de Formado

Figura 1.15 Las operaciones de formado y ensamblado son muy frecuentes en la industria automotriz, estas operaciones pueden realizarse simultneamente con varios robots, coordinados para formar, ensamblar, soldar y pintar. (fuente: FORD Motors Co)



3.-Ensamblado de partes Mecnicas. Figura 1.16 El ensamblado de partes Puede verse en celdas de manufactura Flexible, donde pueden intervenir Operarios, robots dedicados, sistemas secuenciales con PLCs, bandas automatizadas etc( f. DANA Corp) 4.-Pintura Atomizada. Figura 1.17 El pintado especial de piezas metlicas se realiza por mtodos qumicos como la electroforesis o sistemas llamados ECOAT. La aplicacin se realiza en autopartes y refacciones industriales que requieren un proceso especial, con atmsferas libres de contaminacin. (Fuente COAT Matic) 5.- Manejo de Materiales. Figura 1.18. En el manejo de materiales se utilizan robots como el PRABDA mostrado en la figura. Algunos robots son capaces de manejar materiales toxicos o radioactivos. (Fuente: PRAB Servo Robots Inc.)



6- Inspeccin y Medicin. Figura 1.19 En algunos oleoductos y gaseoductos se deben inspeccionar las uniones entre un tubo y otro, incluso sacar radiografias de la soldadura. Algunos robots cuentan con camaras especiales y configuraciones flexibles para realizar estas tareas. (fuente: Mitsubishi) 7-Otras operaciones que pueden realizar los robots son: Operaciones de carga y descarga, operaciones de pulido, debastado, esmerilado, apriete de tornillos, operaciones Industriales de Mucho Riesgo. Figura 1.20. Robot tele manipulado para zonas de alto riesgo, permite entrar en zonas minadas y desactivar explosivos. (fuente: LAPD) 8- Reparacin en atmsferas contaminadas o sin atmsfera. Figura 1.21 Robots submarino y brazo para operar sin atmsfera o atmsfera contaminada.(fuente:Robots,Maquinas a imagen y semejanza del hombre, Isaac Asimov y Karen Frenkel)



En los captulos posteriores se discutir la implementacin de los elementos actuadores y de control para alguna aplicacin determinada. Tambin ser importante discutir las repercusiones sociales y econmicas que los robots han trado en pases industrializados como Estados Unidos, Japn, Alemania, Francia e Inglaterra, donde existe un elevado manejo de robots. Preguntas: 1.- Mencione algunas aplicaciones en el hogar donde crea que puede usarse la tecnologa robtica. 2.- Qu elementos principales conforman un robot? 3.- Utilizando analogas con el cuerpo humano, cuales serian las analogas en un sistema robotizado? 4.-Que es un sistema retroalimentado y que tipo de robots lo utiliza? 5.- Cules son las ventajas y desventajas en usar motores de CD, de pasos y de CA? 6.- Que ventajas y desventajas tienen los sistemas de movimiento neumticos e hidrulicos con respecto a los motores elctricos? 7.- Cules son los robots mas famosos que se han desarrollado en el pasado y en el presente? 8.- Cuales considera que sean las reas de la ciencia que se involucran en el diseo de robots?

(Ayuda en los videos vistos en clase)

Trabajo de Investigacin: 1.- Que es la AMRob? Ayuda en:http://amrob.org 2.- Qu paises tienen tecnologa de punta en robotica? 3.- Qu revista internacional publica artculos de robtica? 4.- Qu es mecatrnica? 5.- Cuales son los principales eventos nacionales en robtica? Problema: De que tamao, cuanto pesara, que tan veloz serian sus movimientos, con cuanta resolucin se disearia, cuantos grados de libertad, que tipo de accionadotes utilizaria, en que lo programaria y que geometra tendria un robot que sirva vasos de agua?

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