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ROBOTICA
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Unidad nº 1
1.1 Definición de robótica:Técnica que se utiliza en el diseño y la construcción de robots y aparatos que realizan operaciones o trabajos, generalmente en instalaciones industriales y en sustitución de la mano de obra humana.
Autómata, del latín automăta, ‘espontáneo’ o ‘con movimiento propio’. Según la RAE (Real Academia Española), «máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado», es un equivalente tecnológico en la actualidad; serían los robots autónomos. Si el robot es antropomorfo se conoce como androide.
1.1.1 Definición del robot industrialLa definición del robot industrial, como una máquina que puede efectuar un número diverso de trabajos, automáticamente, mediante la programación previa, no es válida, puesto que existen bastantes máquinas de control numérico que cumplen esos requisitos. Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de que es un robot industrial. La primera diferencia surge del mercado japonés y el euro-americano de que es un robot y lo que es un manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo que tiene que ver con el control.
En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque exista una idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de establecer definición formal.
La definición más común es posiblemente la de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA) según la cual:
Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover material, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectoria variable, programadas para realizar diversas tareas.
Esta definición ha sido tomada por la Organización Internacional de Estándares (ISO) y modificada solo un poco, para definir:
Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectoria variables programadas para realizar diversas tareas.
Se incluye en ambas definiciones la necesidad de grados de libertas y su capacidad para la manipulación de diversos elementos.
La Asociación Francesa de Normalización (AFNOR) ha realizado una definición aun un poco más compleja, primero definiendo al manipulador y luego al robot:
Manipulador: mecanismo generalmente formado por elementos en serie, articulaciones entre sí, destinando al agarre y desplazamiento de objetos
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diversos. Es multifuncional y puede ser gobernado por el hombre o por un dispositivo lógico.
Robot: manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente (que tiene varias funciones), capaz de orientar y posicionar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de diversas tareas. Normalmente tienen la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tareas cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambiar su composición.
Por último, la Federación Internacional de Robótica (IFR) en su informe técnico ISO/TR 83737 (1988) distingue entre robot industrial, manipuladores y otro:
Por robot industrial de manipulación se entiende a un maquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres a mas ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.
Como conclusión, podemos decir que un robot industrial es un brazo mecánico con capacidades de manipulación, y que incorpora un control más o menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto más amplio. Engloba a todos los dispositivos que realizan tareas de forma automática en sustitución de un ser humano y que puede incorporar o no a uno varios robots, siendo esto último lo más frecuente.
1.2 HistoriaOrigen de los primeros autómatasHistóricamente los primeros autómatas se remontan en la Prehistoria donde las estatuas de algunos de sus dioses o reyes despedían fuego de sus ojos, como fue el caso de una estatua de Osiris, otras poseían brazos mecánicos operados por los sacerdotes del templo, y otras, como la de Memon de Etiopía emitían sonidos cuando los rayos del sol los iluminaba consiguiendo, de este modo, causar el temor y el respeto a todo aquel que las contemplara. Esta finalidad religiosa del autómata continuará hasta la Grecia clásica donde existían estatuas con movimiento gracias a las energías hidráulicas. Esos nuevos conocimientos quedan plasmados en el primer libro que trata la figura de los robots Autómata escrita por Herón de Alejandría (10 d. C.-70 d. C.) donde explica la creación de mecanismos, muchos basados en los principios de Philon o Arquímedes, realizados fundamentalmente como entretenimiento y que imitaban el movimiento, tales como aves que gorjean, vuelan y beben, estatuas que sirven vino o puertas automáticas todas producidas por el movimiento del agua, la gravedad o sistemas de palancas.
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Por siglos los seres humanos han construido máquinas que imiten las partes del cuerpo humano. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots.
Jacques de Vaucansos , ingeniero e inventor francés, construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo XVIII. Él es considerado el creador del primer robot y el primer telar automático.
En 1737, construye “El flautista”, una figura de tamaño natural de un pastor que tocaba el tambor y la flauta con un repertorio de doce canciones; criaturas mecánicas que eran consideradas un capricho en Europa, eran clasificadas como meros juguetes, sus creaciones fueron reconocidas como una revolución en su sofisticada mecánica realista.
En el año 1740, creó dos autómatas más, “El tamborilero” y “El Pato” con aparato digestivo, que es considerado su pieza maestra. El pato tenía más de 400 partes móviles, y podía batir sus alas, beber agua, digerir grano y defecar. Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito específico: la diversión.
En 1805, Henri Maillardet construyó un muñeco mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como “el programa” para el proceso de escribir y dibujar. Estas creaciones mecánicas de forma humana deben considerarse como invenciones aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su época.
Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard (1801).
En 1903, Leonardo Torres Quevedo, ingeniero, matemático e inventor, presenta al Telekino. El nombre Telekino es la combinacion de las palabras griegas: "tele" y "kino" que significan respectivamente "a distancia" y "movimiento", por lo que ambas
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palabras juntas significan "movimiento a distancia"
La primera función del Telekino fue la de controlar dirigibles aerostáticos sin peligro de perder vidas humanas. Constituyó el primer aparato de radio control que se inventó en el mundo. También se usa en barcos al llegar a las costas.
En 1912, Leonardo Torres Quevedo desarrolla y construye “El Ajedrecista”, es presentado en la Feria de París de 1914, generando gran expectativa en aquellos tiempos y hubo una extensa primera mención en Scientific American como "Torres and His Remarkable Automatic Device" ("Torres y Su Extraordinario Dispositivo Automático") el 6 de noviembre de 1915.
Utilizaba electroimanes bajo el tablero de ajedrez, jugaba automáticamente un final de rey y torre contra el rey de un oponente humano. No jugaba de manera muy precisa y no siempre llegaba al mate en el número mínimo de movimientos, a causa del algoritmo simple que evaluaba las posiciones.
El desarrollo en la tecnología, la innovación, las computadoras, los actuadores, controles retroalimentados, transmisión de potencia, sensores y otros han contribuido a flexibilizar los mecanismos autómatas para desarrollarse dentro de la industria.
No obstante las limitaciones de las máquinas robóticas actuales, el concepto popular de que un robot es aquel con apariencia humana y que actúa como tal. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficción.
Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Capek, denominada Rossum’s Universal Robots, dio lugar al término robot. La palabra checa ‘Robota’ significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al inglés se convirtió en el término robot. Dicha narración se refiere a un brillante científico llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia química que es similar al protoplasma. Utilizan ésta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos físicos. Rossum sigue realizando mejoras en el diseño de los robots, elimina órganos y otros elementos innecesarios, y finalmente desarrolla un ser “perfecto”. El argumento experimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir con su papel de servidores y se rebelan contra sus dueños, destruyendo toda la vida humana.
Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con varias narraciones relativas a robots, comenzó en 1939, a él se atribuye el acuñamiento del término “Robótica”. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres principios.
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Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y son:
1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, que un ser humano sufra daños.
2. Un robot debe de obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, salvo que estén en conflictos con la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes.
1.3 Los primeros Robot en la industriaLos primeros robots no tienen la romántica apariencia humana de los androides, de hecho son manipuladores (brazos y manos) industriales controlados por ordenador.
En 1948 R.C. Goertz del Argonne National Laboratory, desarrolló, con el objetivo de manipular elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer telemanipulador. Éste consistía en un dispositivo mecánico maestro-esclavo. El manipulador maestro, reproducía fielmente los movimientos de este. El operador además de poder observar a través de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sentía a través del dispositivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejercía sobre el entorno.
Telemanipuladores de Goertz. Argonne National Laboratory (1948)
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Años más tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnología electrónica y del servocontrol sustituyendo la transmisión mecánica eléctrica y desarrollando así el primer tele manipulador con servocontrol bilateral.
Otro de los pioneros de la tele manipulación fue Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en dos brazos mecánicos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto. Junto a la industria nuclear, a lo largo de los años sesenta la industria submarina comenzó a interesarse por el uso de los telemanipuladores.
Ralph Mosher en 1958 con su “Handy-Man”
A este interés se sumó la industria espacial en los años setenta. La evolución de los tele manipuladores a lo largo de los últimos años no ha sido tan espectacular como la de los robots. Recluidos en un mercado selecto y limitado como industria nuclear, militar y espacial. Por su propia concepción, los telemanipulador precisa el mando continuo de un operador, y salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control supervisado y la mejora de la telepresencia sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus orígenes.
La sustitución del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del manipulador dio paso al concepto de robot. La primera patente de un dispositivo robótico fue solicitada en marzo de 1954 por el inventor británico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en el Reino Unido en 1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano, inventor y autor de varias patentes, el quien estableció las bases del robot industrial moderno.
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En 1954 Devol concibió la idea de un dispositivo de transferencia de artículos programada que se patentó en Estados Unidos en 1961.
En 1956 Joseph F. Engelberger es director de ingeniería de la división aeroespacial de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y Engelberger comenzaron a trabajar en la utilización industrial de sus máquinas, fundando la Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en Unimation (Universal Automation), e instalando su primera máquina Unimate (1960), en la fábrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicación de fundición por inyección. Devol predijo que el robot industrial "ayudaría al trabajador de las fábricas del mismo modo en que las máquinas de ofimática habían ayudado al oficinista". Se produjo un boom de la idea de la fábrica del futuro, aunque en un primer intento el resultado y la viabilidad económica fueron desastrosos.
Devol- Engelberger fundan Unimation (1956). Primer robot industrial
Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construcción de máquinas similares,”Versatran – 1963”, un robot dedicado a la transferencia con programación por coordenadas.
VERSATRAN – Harry Johnson & Veljko Milenkovic
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En 1968 J.F. Engelberger visitó Japón y poco más tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construcción de robots tipo Unimate, primer robot en cadena de producción. El crecimiento de la robótica en Japón aventaja en breve a los Estados Unidos, esto gracias a Nissan, que formó la primera asociación robótica del mundo, la Asociación de Robótica industrial de Japón (JIRA) en 1972. Dos años más tarde se formó el Instituto de Robótica de América (RIA), que en 1984 cambió su nombre por el de Asociación de Industrias Robóticas, manteniendo las mismas siglas (RIA).
Unimate
Por su parte Europa tuvo un despertar más tardío. En 1975 la firma sueca ASEA (años más tarde ABB) desarrolla un robot industrial en serie para el manejo de materiales, embalaje, transporte, pulido, soldadura, y la clasificación; el robot permite el movimiento de 5 ejes con una capacidad de elevación de 6 kg . Fue la primera totalmente accionado eléctricamente y el robot controlado por microprocesador del mundo, usando Intel primer chipset 's.
En 1980 se fundó la Federación Internacional de Robótica con sede en Estocolmo, Suecia.
Primer robot con accionamiento eléctrico: IRb6 ASEA
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La configuración de los primeros robots respondía a las denominadas configuraciones esférica y antropomórfica, de uso especialmente válido para la manipulación.
En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japón, desarrolla el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con un número reducido en grados de libertad (3 o 4), un coste limitado y una configuración orientada al ensamblado de piezas.
Robot SCARA del Prof. Makino (Univ. Yamanashi de Japón- 1982)
La evolución de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En poco más de 30 años las investigaciones y desarrollos sobre robótica industrial han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las áreas productivas y tipos de industria. En pequeñas o grandes fábricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas áreas repetitivas y hostiles, adaptándose inmediatamente a los cambios de producción solicitados por la demanda variable.
Desde 1980, los robots se han expandido por varios tipos de industrias. El principal factor responsable de este crecimiento han sido las mejoras técnicas en los robots debidas al avance en electrónica, mecánica e informática.
Los Estados Unidos vendieron sus empresas de robots a Europa, Japón y a otros países. En la actualidad sólo una empresa, Adept (Más conocida como Omron, está produciendo robot scara, paralelos y brazos con 3 0 4 GDL), permanece en el mercado de producción industrial de robots en EE.UU.
Aunque los robots ocasionen cierto desempleo, también crean puestos de trabajo con otro valor agregado como: técnicos, comerciales, ingenieros, programadores, proyectistas, etc.
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Los países que usen eficazmente los robots en sus industrias tendrán una ventaja económica en el mercado mundial.
Cobra SCARA Robots - OMRON
Resumen:
Fecha Importancia Nombre del robot Inventor
Siglo I a. C.y antes
Descripciones de más de 100 máquinas y autómatas, incluyendo un artefacto con fuego, un órgano de viento, una máquina operada mediante una moneda, una máquina de vapor, en Pneumática y Autómata de Herón de Alejandría
Autómata
Ctesibio de Alejandría, Filón de Bizancio, Herón de Alexandria, y otros
c. 1495
Diseño de un robot humanoideCaballero mecánico
Leonardo da Vinci
1738Pato mecánico capaz de comer, agitar sus alas y excretar.
Digesting DuckJacques de Vaucanson
1800sJuguetes mecánicos japoneses que sirven té, disparan flechas y pintan.
Juguetes KarakuriHisashige Tanaka
1921Aparece el primer autómata de ficción llamado "robot", aparece en R.U.R.
Rossum's Universal Robots
Karel Čapek
1930s Se exhibe un robot humanoide en Elektro Westinghouse
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la Exposición Universal entre los años 1939 y 1940
Electric Corporation
1942
La revista Astounding Science Fiction pública "Círculo Vicioso" (Runaround en inglés). Una historia de ciencia ficción donde se da a conocer las Tres leyes de la robótica
SPD-13 (apodado "Speedy")
Isaac Asimov
1948Exhibición de un robot con comportamiento biológico simple5
Elsie y ElmerWilliam Grey Walter
1956
Primer robot comercial, de la compañía Unimation fundada por George Devol y Joseph Engelberger, basada en una patente de Devol6
Unimate George Devol
1961 Se instala el primer robot industrial Unimate George Devol
1963 Primer robot "palletizing"7
1973Primer robot con seis ejes electromecánicos
FamulusKUKA Robot Group
1975Brazo manipulador programable universal, un producto de Unimation
PUMAVictor Scheinman
1982
El robot completo (The Complete Robot en inglés). Una colección de cuentos de ciencia ficción de Isaac Asimov, escritos entre 1940 y 1976, previamente publicados en el libro Yo, robot y en otras antologías, volviendo a explicar las tres leyes de la robótica con más ahínco y complejidad moral. Incluso llega a plantear la muerte de un ser humano por la mano de un robot con las tres leyes programadas, por lo que decide incluir una cuarta ley "La ley 0 (cero)"
Robbie, SPD-13 (Speedy), QT1 (Cutie), DV-5 (Dave), RB-34 (Herbie), NS-2 (Néstor), NDR (Andrew), Daneel Olivaw
Isaac Asimov
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2000Robot Humanoide capaz de desplazarse de forma bípeda e interactuar con las personas
ASIMOHonda Motor Co. Ltd
1.4 Clasificación del robot industrialLa IFR clasifica entre cuatro tipos:
Robot secuencial Robot de trayectoria controlable Robot adaptativo Robot teleoperado
La AFRI clasifica en cuatro tipos:
Tipo A: Manipulador con control manual o telemando Tipo B: Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación mediante
fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico.
Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno.
Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de esto.
Clasificación por generación:
1º Generación: Repite tareas secuenciales. No toma en cuenta posibles cambios en el entorno.
2º Generación: Adquiere información limitada de su entorno y actua en consecuencia. Puede localizar, clasificar y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos.
3º Generación: Su programación se realiza por le empleo de lenguajes naturales. Posee capacidades para la planificación automática de tareas.
Y por último, la clasificación de Knasel:
1.5 Estado actual de la Robótica
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La industria mundial de la robótica bate records de ventasEn 2013, unos 179.000 robots industriales se vendieron en todo el mundo, nuevamente un máximo histórico con un 12% más que en 2012, datos de la IFR (International Federation of Robotics).
Los pedidos recibidos en los primeros cuatro meses de 2014 se incrementaron notablemente, y las solicitudes de los clientes de todas las industrias están en aumento. Por lo tanto, se espera que en 2014 el crecimiento de las ventas de la unidad continúe con el mismo ritmo, como en 2013.
Las ventas Robot alcanzaron niveles récord en Asia / Australia, en América y en África. Casi 100.000 nuevos robots se instalaron en 2013 en Asia / Australia, 18% más que en 2012.
El mercado europeo se incrementó en un 5%, a más de 43.000 unidades, casi llegando a las de 2011, las cifras más altas de todos los tiempos.
Para Américas siguieron aumentando en un 8% a más de 30.000 unidades.
Más de 700 robots industriales se vendieron en África, 87% más que en 2012.
China es, con mucho, el mayor mercado de robots en el mundo en cuanto a ventas anuales y es también el mercado más numeroso. Por primera vez en la historia, las cifras de ventas de los proveedores de robots chinos se incluyen en la encuesta estadística IFR. Casi 37.000 robots industriales se vendieron en 2013 en China. Los proveedores chinos de robots instalaron cerca de 9.000 unidades de acuerdo a la información de China Robot Industry Alliance (CRIA).
Su volumen de ventas fue casi tres veces mayor que en 2012. Proveedores de robots extranjeros aumentaron sus ventas en un 20% en China. Entre 2008 y 2013, la oferta total de robots industriales aumentó alrededor de 36% por año en promedio.
En 2013, uno de cada cinco robot que se vende en el mundo se instaló en China.
Japón fue el segundo mayor mercado respecto a las ventas anuales, pero aún tiene, el mayor número de robots industriales instalados en funcionamiento, más de 300.000 unidades. Es el país más automatizado en el mundo. Es el fabricante de robot predominante en el mundo. Más de la mitad de la oferta mundial de robots de 2013 fue producido por empresas japonesas. En 2013, las ventas de robots industriales disminuyeron en un 9% a alrededor de 26 000 unidades debido a la reducción de las
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inversiones de la industria automotriz y las industrias de la electrónica en Japón. Sin embargo, las exportaciones de los robots japoneses aumentaron.
Las instalaciones de robots en los Estados Unidos siguieron aumentando en un 6%, hasta el nivel máximo de casi 24.000 unidades. Entre 2008 y 2013, las ventas anuales aumentaron un 12% en promedio por año. Conductor de este crecimiento fue la tendencia en curso para automatizar la producción con el fin de fortalecer las industrias estadounidenses en el mercado mundial y para mantener la fabricación en el país, y en algunos casos, trayendo de vuelta la manufactura que previamente habían sido enviados al extranjero.
En 2013, las ventas de robots en Corea aumentaron en un 10% a más de 21,000 unidades debido al incremento de las inversiones de la industria automotriz. La industria de la electrónica, que es el principal cliente de los robots industriales en Corea, redujo sus pedidos de robots.
Las ventas de robots en el mercado alemán fueron un 4% más en 2013 en comparación con 2012 y llegó a más de 18.000 unidades, el segundo nivel más alto jamás registrado. La industria automotriz fue de nuevo el controlador para el crecimiento. Entre 2008 y 2013, las ventas de robots a Alemania aumentaron un 4% en promedio. Estos cuatro mercados representan el 50% del volumen de ventas en 2013.
Se produjo un aumento considerable de las instalaciones de robots en otros mercados asiáticos, especialmente en Taiwán (provincia de China), la India e Indonesia. Además, importantes mercados europeos, como Italia y España comenzaron a recuperarse. Instalaciones de robots en los países de Europa central y oriental, así como en México y Canadá siguieron aumentando considerablemente. El mercado de la robótica en Brasil se quedó atrás de las expectativas.
Las industrias de automoción y del metal fueron los principales impulsores del crecimiento
La industria del automóvil aumentó las inversiones del robot de forma continua y considerablemente entre 2010 y 2013, en un 22% en promedio por año. Los principales países involucrados fueron China, Alemania y Estados Unidos. En 2013, las ventas de robots para la industria automotriz aumentaron un 5%.
También la industria del metal y la maquinaria tuvo una tasa de crecimiento anual promedio del 22% en el mismo periodo. En 2013, las ventas de robots a esta industria se incrementaron en un 17%. La industria de la alimentación, así como la industria
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farmacéutica se incrementaron las inversiones robot sustancialmente en 2013 La industria eléctrica / electrónica -. Que se había llegado a un nivel máximo en 2013 - se incrementó pedidos de robots en un 9% en 2014.
Tendencias en el mercado de la robótica:
- La eficiencia energética y los nuevos materiales, por ejemplo, carbono-compuestos, que requieren nuevas producciones.
- Competitividad global que requiere una mayor productividad y una mayor calidad.
- Crecientes mercados de consumo que requieren la expansión de las capacidades de producción.
- La disminución de los ciclos de vida de productos y el aumento de la variedad de productos que requieren la automatización flexible.
- Los Robots mejoran la calidad del trabajo al hacerse cargo de los trabajos peligrosos, tediosos y sucios que no son posibles o seguro para los seres humanos para llevar a cabo.
1.6 Mecánica y mecanismosSe le llama mecanismo a los dispositivos o conjuntos de sólidos resistentes que reciben una energía de entrada y, a través de un sistema de transmisión y transformación de movimientos, realizan un trabajo.
La mecánica es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas.
Las maquinas son dispositivos que se utilizan al modificar, transmitir y dirigir fuerzas para llevar a cabo una determinada tarea.
Por ejemplo: una motosierra dirige su fuerza a la cadena con la finalidad de cortar madera.
Un mecanismo es una parte mecánica de una máquina, cuya función es transmitir movimiento y fuerza de potencia a una salida; en nuestro ejemplo seria el motor a explosión que transfiere esta potencia a la cadena.
La síntesis es el proceso de desarrollo de un mecanismo para satisfacer los requerimientos de funcionamiento de la máquina. El análisis garantiza que el mecanismo se moverá (la estudia la cinemática) de tal modo que cumplirá con lo requerido.
1.6.1 Cinemática
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La cinemática trata con la forma en que se mueven los cuerpos. Es el estudio de la geometría del movimiento. El análisis cinemático implica la determinación de posición, desplazamiento, rotación, rapidez, velocidad y aceleración de un mecanismo.
1.6.2 Conceptos elementales de cinemática: movimientoExisten dos movimientos básicos, uno de rotación pura y otro de traslación pura, de acuerdo a los cuales se puede definir un movimiento más complejo de roto-traslación.
Movimiento de traslación pura: todos los puntos de un cuerpo describen un movimiento paralelo, sea rectilíneo o curvo. La línea que une dos puntos de referencia del cuerpo podrá cambiar su posición pero no su orientación angular.
Movimiento de rotación pura: el cuerpo posee un punto, llamado centro de rotación, que no tiene movimiento respecto del marco de referencia estacionario. Todos los restantes puntos del cuerpo describen movimiento curvilíneo respecto del centro de rotación. La línea que une dos puntos de referencia y que pasan por el centro, cambian únicamente su orientación angular.
Movimiento de roto-traslación: es una combinación simultánea de rotación y traslación. Cualquier línea de referencia trazada por el cuerpo cambiara de posición y de orientación angular respecto del marco de referencia. Habrá en todo momento un centro de rotación, el cual ira cambiando de ubicación.
Siendo que las piezas o eslabones que forman parte de un mecanismo son considerados cuerpos rígidos (generalmente y a modo de simplificación para poder interpretar la cinemática y dinámica y así sintetizar el movimiento), entonces se necesitarán SEIS PARÁMETROS para poder IDENTIFICAR SU POSICIÓN en el espacio. Esto significa que se deberán identificar TRES DESPLAZAMIENTOS Y TRES ÁNGULOS DE ROTACIÓN. Los eslabones entonces describen determinado tipo de movimientos que pueden ser identificados por medio de alguna combinación de los seis parámetros mencionados anteriormente.
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1.6.3 Definiciones de MecanismosLa idea de mecanismo y máquina si bien puede ser clara a simple vista desde un punto de vista netamente intuitivo o pragmático, muchas veces trae aparejadas algunas confusiones.
Para ello se introducirán unas definiciones para fijar las ideas y/o conceptos involucrados en los mecanismos.
Definición de Máquina: Una máquina es un conjunto de mecanismos con el objetivo de transformar energía en trabajo mecánico o viceversa.
Definición de Mecanismo: Un mecanismo es un dispositivo que, según un esquema establecido de eslabonamientos (o cadena cinemática), transforma un movimiento de entrada en otro movimiento de salida.
Definición de eslabonamiento o cadena cinemática: Conjunto de eslabones o piezas, generalmente considerados rígidos, conectados entre sí por juntas de forma que permiten o suprimen determinados movimientos (desplazamientos o rotaciones). Un eslabonamiento o cadena cinemática se puede convertir o considerar mecanismo en tanto que uno de sus elementos tenga movimiento relativo respecto de alguno de los eslabones o piezas.
Definición de Eslabón: uno de los elementos básicos de una cadena cinemática. Es un cuerpo rígido encargado de transmitir los distintos movimientos. Poseen puntos de unión llamados nodos.
Orden del eslabón: es el número de nodos que contiene un eslabón. Entonces los eslabones pueden ser BINARIOS (de dos nodos), TERNARIOS (de tres nodos), CUATERNARIOS (de cuatro nodos).
1.6.4 Breve compilación descriptiva de Mecanismos
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El mundo de los mecanismos es de por sí fascinante en cuanto a la posibilidad de avivar la capacidad creativa, que debe ser una faceta de constante perfeccionamiento y desarrollo del ingeniero. Cuando se pretende entender el comportamiento y la función de un mecanismo, normalmente se deben conocer y utilizar con solvencia ciertas técnicas derivadas de la física y de la mecánica analítica; lo cual a su vez forma parte de una etapa cálculo y diseño. Sin embargo en una etapa de captación de ideas, normalmente una imagen vale más de un millón de palabras. En este sentido en lo que sigue se desea ilustrar y describir de la manera más amplia pero sintética posible las diferentes clases o grupos de mecanismos especializados y sus funciones. De esta manera se cree que al visualizar esquemáticamente una larga lista de mecanismos con su función primordial, el alumno podrá ampliar el horizonte de sus conocimientos y estimular su creatividad para desarrollar nuevos mecanismos de acuerdo a una premisa establecida. Existen varias formas para clasificar mecanismos. A continuación se describirán diversos tipos de mecanismos agrupados según características comunes.
Mecanismos de Barras: Estos mecanismos están formados por una cadena cinemática de cuatro o más barras (o cuerpos), donde una de ellas es la que conduce el movimiento por medio de un motor u otro tipo de accionamiento. En la Figura se pueden apreciar algunos tipos de mecanismos de barras. Téngase presente que es posible recurrir a un eslabonamiento de barras para sintetizar el movimiento de mecanismos más complejos.
Mecanismos de Bi-estables: Estos mecanismos poseen dos posiciones estables, es decir o se encuentran en una configuración o se encuentran en la otra configuración. Suelen ser los mecanismos de pasaje de un estado a otro: encendido-apagado, activo-inactivo, etc. Normalmente poseen resortes para propender a la estabilidad de cualquiera de las dos posibles posiciones de equilibrio. En la Figura se muestran algunos casos de mecanismos biestables. Claramente los mecanismos biestables pueden estar formados por mecanismos de barras adecuadamente acoplados y eslabonados
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Mecanismos de ajuste: Estos mecanismos normalmente tienen un eslabón conductor que rota para posicionar o ajustar el eslabón siguiente. El eslabón conductor suele ser un tornillo de precisión. En las Figuras a y b se ven dos casos típicos de mecanismos de posicionamiento conducidos por tornillos. En la Figura c se tiene un mecanismo de ajuste del punto de pivoteo de una barra para obtener ciertas propiedades cinemáticas. En la Figura d se tiene un mecanismo de tornillos sin-fin-corona en serie para reducir el movimiento.
Mecanismos de aprisionamiento: Estos mecanismos sirven para apretar o sujetar piezas (Figuras a y c), para aplastar o romper (Figura b), para obturar (Figura d). Nótese que en la Figura e se muestra un mecanismo de aprisionamiento formado por cuñas, mientras que en la Figura f se muestra un mecanismo de aprisionamiento conducido por una rueda y un conjunto biela manivela.
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Mecanismos de indexación: Estos mecanismos proveen un movimiento intermitente sea de rotación como de translación. En la Figura se muestran algunos ejemplos de mecanismos de indexación por rotación. La Figura a muestra el denominado “Mecanismo de Ginebra” que permite un movimiento de rotación intermitente de cuatro pasos. La Figura b muestra un mecanismo intermitente con trinquete. La Figura c muestra un mecanismo intermitente de rotación accionado con una leva horizontal. La Figura d muestra el mecanismo intermitente de un cabezal divisor. En las Figuras e y f se puede observar un mecanismo intermitente de translación, con accionamiento rotativo.
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Mecanismos de avance y detención: Estos mecanismos permiten avanzar o detener el movimiento de accionamiento. En los casos de las Figuras a y b son mecanismos que permiten la rotación en un sentido y no en otro sentido; sirviendo también como bloqueo por sobrecarga. En los casos de las Figuras c y d se aprecian dos formas de detectar la posición para detener un determinado movimiento longitudinal.
Mecanismos oscilantes: Estos mecanismos producen una salida con una oscilación o vaivén angular respecto de una posición fija. Así pues en la Figura a se muestra como ejemplo el mecanismo oscilante de una pala mecánica. En las Figuras b y c se muestran barras oscilantes accionadas por levas. En la Figura d
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se muestra un mecanismo (que a su vez es un mecanismo de barras) oscilante de retroceso rápido. Las Figuras e y f muestran mecanismos oscilantes accionados por ruedas dentadas. La Figura g muestra un mecanismo oscilante espacial, mientras que la Figura h muestra un mecanismo oscilante espacial robótico.
Mecanismos alternativos: Estos mecanismos transforman generalmente un movimiento de rotación en un movimiento de translación alternativo. En la Figura a se puede observar el típico mecanismo alternativo de biela-manivela. En la Figura b se puede ver el mecanismo denominado yugo escocés de ranura recta. En la Figura c se puede apreciar un mecanismo de cierre o de abrochado. En la Figura d se puede apreciar el mecanismo de impulsión de un motor en V. En la Figura e se puede apreciar el mecanismo de impulsión de un motor de gas tipo “Atkinson”. En la Figura f se puede apreciar el mecanismo de impulsión de
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un motor radial de aviación. En la Figura g se puede apreciar el mecanismo de impulsión de una máquina limadora. En la Figura h se puede apreciar el mecanismo de impulsión de un motor radial tipo “Nordberg” acoplado.
Mecanismos generadores de curvas: Estos mecanismos se caracterizan por generar una salida con una curva determinada. Así pues en las Figuras a hasta la d se muestran cuatro tipos de mecanismos que generan una traza rectilínea exacta. En las Figuras e hasta la i se muestran mecanismos que generan una traza rectilínea aproximada, denominándose de Watt, de Chebyshev, de Roberts, de Evans y de Hoecken, respectivamente. En la Figura j se muestra un mecanismo copiador y amplificador denominado “pantógrafo”. En la Figura k se muestra el denominado mecanismo de “yugo escocés” que genera las funciones de seno y coseno. En la Figura l se muestra un mecanismo de generación de una traza curva accionado por medio de barras y de ruedas dentadas.
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Mecanismos de levas: La leva es la pieza que conduce el movimiento del “seguidor” en los denominados mecanismos leva-seguidor. La leva produce el movimiento de entrada y conduce al seguidor para producir un movimiento o función especificados. Así pues el sistema leva-seguidor puede producir un movimiento oscilante mediante un movimiento de rotación (c) o mediante un movimiento rectilíneo (b). También una leva puede producir la traza de una curva (a) o bien conducir un yugo (Figura b).
Unidad nº 2
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Mecánicamente, un robot está constituido por una seria de elementos o eslabones unidos por articulaciones que le permiten movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La conformación física de la mayoría de los robot industriales tienen ciertas similitudes con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca.
2.1 Definiciones generales
2.1.1 Grados de libertad Los grados de libertad (GDL) son cada uno de los movimientos independientes que puede realizar una articulación respecto a la anterior.Suele coincidir con el número de articulaciones del robot.
1 GDL
P – Prismática R – Rotacional H – Helicoidal
2 GDL 3 GDL
C – Cilíndrica E - Esférica
2.1.2 Configuración cartesiana
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La configuración tiene tres articulaciones prismáticas. Esta es bastante usual en estructuras industriales, empleadas para el transporte de cargas voluminosas. La especificación de posición de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas (X, Y, Z).
Estructura Volumen de trabajo1 GDL - P – Prismática
2.1.3 Configuración cilíndrica
Esta
configuración tiene dos articulaciones prismáticas y una de rotación. Generalmente la primera articulación es de rotación describiendo una configuración “RPP”.
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Esta configuración puedes ser de interés en una célula flexible, con el robot situado en el centro de la célula sirviendo a diversas máquinas dispuestas a su alrededor.
Estructura Volumen de trabajo 3 GDL - P – Prismática R – Rotacional
2.1.4 Configuración polar o esféricaEstá configuración se caracteriza por dos articulaciones de rotación y una prismática (RRP). En este caso las variables articulares expresan la posición del extremo del tercer
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enlace en coordenadas polares. En un manipulador con tres enlaces de longitud L, el volumen de trabajo de esta estructura, suponiendo un radio de giro de 360 grados.
Estructura Volumen de trabajo 3 GDL - P – Prismática R – Rotacional
2.1.5 Configuración ScaraSimilar al de configuración cilíndrica, pero el radio y la rotación se obtiene por uno o dos eslabones. Este brazo puede realizar movimientos horizontales de mayor alcance
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debido a sus dos articulaciones rotacionales. El robot de configuración SCARA también puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercera articulación).
Estructura Volumen de trabajo 3 GDL - P – Prismática R – Rotacional
2.1.6 Configuración paralela
Posee brazos con articulaciones prismáticas o rotacionales concurrentes.
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Estructura Volumen de trabajo 1 GDL - P – Prismática E – Esférica
2.1.7 Configuración angular o antropomórfica
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La principal característica es que están formados por cuerpo, brazo, muñeca y elemento final.
Estructura Volumen de trabajo 3 GDL - P – Prismática R – Rotacional
2.2 Partes de un robot
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2.2.1 Transmisión
Dado que los robots mueven sus extremos con elevada aceleración, es importante reducir el momento de inercia. Del mismo modo, los pares estáticos que deben vencer los actuadores dependen directamente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que los actuadores, estén lo más cerca de la base del robot. Esto obliga a utilizar sistemas de transmisión que trasladen el movimiento hasta la articulación. Las transmisiones pueden convertir el movimiento circular en lineal o viceversa.
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Circular - Lineal
Circular - Circular
2.2.2 Reductores
A los reductores utilizados en robótica se les exigen ciertas prestaciones, esto es debido a la alta precisión y velocidad de posicionamiento que se le exige.
Los reductores por razones de diseño, tienen una velocidad máxima de entrada, también existe una limitación en cuanto al par de salida nominal permisible (T2) que depende del par de entrada (T1) y de relación de transmisión a través de la relación:
Donde el rendimiento (n) puede llegar a ser cerca del 100% y la relación de velocidad (W1 = velocidad de entrada; W2 = velocidad de salida) varía entre 50 y 300.
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Los ciclos de trabajo de los robots son cortos e implica continuos arranques y paradas, es importante que el reductor sea capaz de soportar elevados pares puntuales. También se busca que el “backlash” o juego angular sea el menor. Esto se define como el ángulo que gira el eje de salida cuando se cambia su sentido sin que llegue a girar el eje de entrada. Otra de sus características debe ser su alta rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre un eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquel gire un ángulo unitario.
Los reductores más comunes usados en robótica son los de la empresa Harmonic Drive (HDUC) y los Cyclo.
Los reductores HDUC se basan en una corona exterior rígida con dentado interior (circular spline) y un vaso flexible (flexspline) con dentado exterior que engrana en el primero. El número de dientes de ambos difiere en 1 o 2. Interiormente al vaso gira un rodamiento elipsoidal (wave generator) que deforma el vaso, poniendo en contacto la corona exterior con la zona del vaso correspondiente al máximo diámetro de la elipse. Al girar el “wave generator” (al que se fija el eje de entrada), se obliga a que los dientes del “flexspline” (fijado al eje de salida) engranen uno a uno con los del “circular spline”, de modo que al haber una diferencia de dientes Z = Nc-Nf , tras una vuelta completa del “wave generator”, el “flexspline” solo habrá avanzado Z dientes. La relación de reducción conseguida será de Z/Nf. Se puede conseguir reducciones de hasta 320, con holgura cercana a cero y capacidad de transmisión de par de 5720 Nm.
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Los reductores Cyclo se basan en el movimiento cicloidal de un disco de curva movido por una excentrica solidaria al arbol de entrada. Por cada revolucion de la excentica el disco de curvas avanza un saliente rodando sobre los rodillos exteriores. Este avance arrastra a su vez a los pernos del arbol de salida que describiran una cicloide dentro de los huecos del disco de curvas. La componente de traslacion angular de este movimiento se corresponde con la rotacion del arbol de salida. La relacion de reduccion viene determinada por el numero de saliente. Para compensar los momentos de flexion y de las masas de cada disco en movimiento excentrico, generalmente se utilizan dos discos desfazados entre si 180º.
2.2.3 Servomotores
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Los servomotores son sistemas electromecánicos que forman parte de una clase de “actuadores eléctricos” encargados de transmitir energía para producir el movimiento, y son los que forman las uniones o articulaciones del robot mediante las cuales este se mueve, por esto el movimiento del robot es denominados desplazamiento articular.
El servomotor esta compuesto por tres partes: motor electrico, sensor de posicion para medir el desplazamiento articular (rotacion o lineal) y el amplificador electronico (driver), formado por un conjunto de microprocesadores y electronica de potencia que se encarga de acoplar y acondicionar al motor la impedancia y señal de voltaje de baja potencia que viene del sistema minimo digital.
Los servos tienen tres modos de operación: posición, velocidad y par.
El modo posición permite mover al motor una posición preestablecida, o conocida como “set point”. En este modo se usan reguladores o controles PD (proporcional derivativo) y PID (proporcional integral derivativo). No se puede controlar fuerza.
El modo velocidad controla el movimiento del motor sobre velocidad deseada, estos modos tienen la particularidad de tener una arquitectura cerrada, no permite otro tipo de controladores. Tampoco puede ejercer fuerza.
El modo par tiene la característica de tener una arquitectura abierta, permite la interacción dinámica con el sistema mecánico, permitiendo controlar posición y desplazamiento articular. El modo par también permite el control de trayectoria, impedancia, visual-servoing y control de fuerza.
La ecuación de Maxwell permite deducir la ley fundamental para servomotores que determina la relación entre campo electromagnético y par (toque) aplicado.
donde t es el par aplicado al servomotor (unidad Nm), k es una constante que representa la ganancia del amplificador electrónico (unidad Nm/V) y la V es el voltaje del control programado por el usuario. No todos los motores cumplen con esta ecuación, como son los motores de CA y los motores PP, por esta razón no forman parte de la estrucuta del sistema mecánico del robot, pueden ser empleados en la construcción de garras mecánicas o herramientas que se colocan en el robot para diversas aplicaciones.
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El amplificador es un sistema electrónico cuyo objetivo es llevar a cabo la función de la ecuación de Maxwell.
Hay servomotores de transmisión directa, el concepto de transmisión directa fue establecido por Haruhiko Asada en 1980, y consiste en que el rotor del motor funciona como una fuente de par. Este tipo de motor no necesita reductores para diminuir la velocidad y amplificar el par.
Ventajas de estos servomotores:
Arquitectura abierta Reducción del juego mecánico y fricción Proporciona par alto No hay perdida en la transmisión de energía
Unidad nº 3
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3.1 SensoresLos sensores en robótica son necesarios para el control automático. Los robots pueden tener sensores internos y externos. Los sensores internos (encoders) brindan información sobre la posición, velocidad y aceleración de movimiento. Los sensores externos como fuerza, presión y visión, dotan al sistema de percepción que mejora la eficiencia y lo hace responder de manera versátil y autónoma al interaccionar con el medio de trabajo.
Los sensores más utilizados son los de posición; estos pueden ser analógicos o digitales. Los analógicos tienen una respuesta eléctrica (VCC) con información del movimiento, para que un PLC o control pueda procesar esta información se requiere de un conversor digital.
Un ejemplo de sensor analógico de posición es el resolver, los potenciómetros y los tacómetros.
Un ejemplo de sensores digitales son los encoders.
3.1.2 ResolverUn resolver es un dispositivo que mide el desplazamiento articular integrado dentro de los servomotores. El resolver esta acoplado al rotor del servomotor y proporciona una señal de salida un voltaje analógico proporcional a la posición de desplazamiento articular.
Un resolver esta formado por un estator, un rotor y un transformador giratorio sin escobillas (brushless resolver). La generación del flujo magnético distribuido en forma de onda senoidal realiza el movimiento de rotación entre el rotor y el estator; la respuesta de salida es un voltaje senoidal analógico.
3.1.2 PotenciómetroLos potenciómetros son dispositivos eléctricos que se utiliza como divisor de voltaje para mediar la posición o desplazamiento articular de los servomotores. La respuesta de salida representa la posición absoluta del rotor y son calibrados con base en el numero de vueltas que puedan realizar.
3.1.3 Tacómetro
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Los tacómetros están acoplados mecánicamente al servomotor y proporcionan un voltaje proporcional a la velocidad de giro. La forma más común es un magneto sobre la flecha del roto. Cuando el magneto gira y pasa por la bobina induce una corriente proporcional a la velocidad angular.; en cada rotación se genera un pulso en la bobina. El periodo de rotación t se puede determinar midiendo el tiempo de pulso, por lo tanto la frecuencia f se obtiene como la inversa del periodo, f=1/t.
La posición puede obtenerse por integración numérica de velocidad proporcional por el tacómetro, por ejemplo:
Donde qk es la posición en tiempo de muestreo k-ésimo, qk-1 es la posición en el tiempo de muestreo k-ésimo-1 o muestreo anterior, h es el periodo de muestreo y q´k
es la velocidad del rotor en el tiempo de muestreo k-ésimo.
3.1.4 Encoders
Los encoders utilizan tecnología optoelectrónica, ópticos, y se los clasifica por incrementales y absolutos.
Un encoder consta básicamente de una fuente de luz conformado por un arreglo de diodos leds que se encuentran enfrente de un disco giratorio con ranuras.
El disco se encuentra montado en el rotor de un servomotor, en el disco se coloca una cantidad de ranuras que sirven como código de luz para ser detectada por un elemento fotosensible. Esto produce una señal de salida de un tren de pulsos proporcional al ángulo de giro del rotor.
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Hay encoder que no utilizan ranuras o perforaciones, utilizan dibujos negros codificados, en estos casos los discos son transparentes y tienen la apariencia de un negativo de fotografías. En la imagen se ven algunos patrones típicos.
Otra forma de codificar es a través de marcas o franjas reflectivas, las cuales son figuras concéntricas en blanco y negro. El disco será iluminado por un fotodiodo Led que emite luz infrarroja; al girar el disco, la luz es reflejada por las franjas reflectivas (Blanco) hacie fototransistor y es interrumpido por los segmentos con franjas negras, lo que causa que el fototransistor conmute y produzca un tren de pulsos como salida directamente proporcional al desplazamiento rotacional del servomotor.
La resolución de un encoder está dada en función de los ciclos por revolución (CPR). Cuanta más alta la resolución mejor será la calidad.
Ventajas de utilizar encoder ópticos:
Alta resitencia a las condiciones ambientales, tales como humedad, vibraciones e impactos.
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Se puede usar en un rango amplio de temperatura Capacidad de transmitir señal a gran distancia Alta resolucion en lectura de posición.
3.1.5 Encoder incremental
El encoder incremental, también conoció por encoder relativo. Se muestra en la imagen la configuración de la disposición en que se encuentra los diodos Led, los rayos resultantes por las rendijas A,B y Z para ser detectado por los elementos fotosensibles. La luz que pasa por A y B tienen una diferencia de fase de 90°. La salida es una onda rectangular con la misma diferencia de fase de 90°.
La salida del encoder incremental son pulsos que son proporcionales al ángulo de rotación. Por cada fracción de desplazamiento rotacional en la flecha de servomotor, el encoder incremental cambia su salida de bajo a alto. La posición medida por el encoder es relativa a la última posición o posición anterior, por esto también se lo conoce como encoder relativo. Los pulsos no representan el valor absoluto de posición, en todo caso el valor absoluto de posición viene dado por acumular los pulsos de salida; la acumulación se realiza con un circuito contador de pulsos.
A continuación se muestra el arreglo de un encoder incremental de cuadratura y las formas de onda de los sensores A y B. Una marca negra produce un pulso alto y blanco un pulso bajo.
Consideracion al usar un encoder incremental: Tomar recaudos ante el ruido de la señal, acumula ruido en el contador.
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Ante la perdida de alimentacion se pierde la posicion anterior.
Los encoder incrementales tienen dos canales A y B que estan defasados 90°, de esta forma es posible saber la direccion de giro. Tambien tiene un canal opcional Z la cual da un pulso cada 360°. La utilidad de Z es determinar cantidad de vueltas o para ajustar posicion cero.Se muestra en la imagen sigiente un encoder con resolucion modesta de la marca Bourns. Resolucion: 360°/256 = 1.406 grados. Esta resolucion sirve para una aplicación que no requiera exactitud. El rango de temperatura es amplio lo que nos permite diversos ambientes.
3.1.6 Encoder absoluto
El encoder absoluto, como lo indica su nombre, detecta posición absoluta de desplazamiento del servomotor. En la salida entrega un código binario digital que se puede encontrar en formato codiga decimal (Binary-coded decimal, BCD) o en código binario cíclico (gray code).
El encoder absoluto puede medir la posición en cualquier punto de una rotación completa, sin perder posición previa.
La estructura de encoder absoluto es la misma que el incremental en configuración fotointerruptor.
El número de ranuras determina el número de bits y se encuentra dispuesta en bandas de círculos concéntricos distribuidos desde el perímetro hasta el centro formando un patrón codificado. Los círculos más grandes representan los bits menos significativos, y los circuitos cercanos al centro son los más significativos.
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Benéficos:
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Como la salida está en código binario no acumula errores.
3.1.7 LVDT
3.1.8 Aspectos fundamentales de los encoder
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3.1.9 Términos y conceptos de encoders
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3.2 Actuadores neumáticos
3.3 Actuadores hidráulicos
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3.4 Elementos terminales
Unidad nº 4
4.1 CinemáticaLa cinemática es la ciencia del movimiento que trata el tema sin considerar las fuerzas que lo ocasionan.El estudio de la cinemática de manipuladores se refiere a todas las propiedades geométricas y basadas en el tiempo del movimiento.Es el estudio de su movimiento con respecto a un sistema de referencia.
Descripción analítica del movimiento espacial en función del tiempo Relaciones: localización del extremo del robot-valores articulares
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4.1.1 Representación de la posición
4.1.2 Coordenadas cartesianas
4.1.3 Coordenadas polares y cilíndricas
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4.1.4 Coordenadas esféricas
4.2 Representación de la orientación
4.2.1 Matriz de rotación
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4.2.2 Ángulos de Euler
4.3 Matriz transformada homogénea
4.3.1 Coordenadas y matrices homogeneas
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4.3.2 Aplicación de la matriz homogénea
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Ejercicios :
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Cinemática Directa
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Consiste en determinar cuál es la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot.Se utiliza fundamentalmente el álgebra vectorial y matricial para representar y describir la localización de un objeto en el espacio tridimensional con respecto a un sistema de referencia fijo. Dado que un robot puede considerar como una cadena cinemática formada por objetos rígidos o eslabones unidos entre sí mediante articulaciones, se puede establecer un sistema de referencia fijo situado en la base del robot y describir la localización de cada uno de los eslabones con respecto a dicho sistema de referencia.De esta forma, el problema cinemático directo se reduce a encontrar una matriz homogénea de transformación T que relacione la posición y orientación del extremo del robot respecto del sistema de referencia fijo situado en la base del mismo.Esta matriz T será función de las coordenadas articulares.
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Metodología de Denavit-HartenbergLa convención o metodología de Denavit-Hartenberg (DH) permite establecer la ubicación de los sistemas de referencia de los eslabones en los sistemas robóticos articulados, ya sean prismáticas o de revolución, con cadenas cinemáticas abiertas.
Jacques Denavit y Richard Hartenberg introdujeron esta convención en 1955 con el propósito de estandarizar la ubicación de los sistemas de referencia de los eslabones de un robot.
Parámetros DH
Se trata de una metodología ampliamente utilizada en el ámbito académico y de investigación en robótica que permite definir las transformaciones relativas entre eslabones con tan solo cuatro parámetros, siendo éste el número mínimo de parámetros para configuraciones genéricas, según se muestra en la siguiente figura:
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Unidad nº 55.1 Lenguajes y sistemas de programación de robotsEn este capítulo empezaremos a considerar la interfaz entre el usuario humano y un robot industrial. Es mediante esta interfaz que un usuario puede aprovechar todos los algoritmos de mecánica y de control subyacentes que hemos estudiado en capítulos anteriores. La sofisticación de la interfaz de usuario se ha vuelto en extremo importante a medida que los manipuladores y demás tipos de automatización programable se emplean en cada vez más aplicaciones industriales demandantes. La naturaleza de la interfaz de usuario es una cuestión muy importante; de hecho, la mayor parte del reto del
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diseño y uso de robots industriales prioriza este aspecto del problema. Los manipuladores robots se diferencian a sí mismos de la automatización fija al ser “flexibles”, lo cual significa que son programables. No sólo son programables los movimientos de los manipuladores sino que, a través del uso de sensores y comunicación con otros tipos de automatización de fábrica, los manipuladores pueden adaptarse a las variaciones a medida que se desarrolle la tarea. Al considerar la programación de manipuladores es importante recordar que generalmente son sólo una parte mínima de un proceso automatizado. El término célula de trabajose utiliza para describir una colección local de equipo, que puede incluir uno o más manipuladores, sistemas de transportadores, alimentadores de piezas y dispositivos fijos. En el siguiente nivel más alto, las células de trabajo pueden interconectarse en redes distribuidas en toda la fábrica, de manera que una computadora central pueda controlar todo el flujo. Por ende la programación de manipuladores se considera comúnmente dentro del problema más amplio de programar una variedad de máquinas interconectadas en una célula de trabajo de fábrica automatizada. A diferencia de los 11 capítulos anteriores, el material de este capítulo (y del siguiente) es de una naturaleza que cambia constantemente; por lo tanto, es difícil presentarlo de forma detallada. Trataremos de resaltar los conceptos fundamentales subyacentes y dejaremos al lector la tarea de buscar los ejemplos más recientes
5.1.2 LOS TRES NIVELES DE PROGRAMACIÓN DE ROBOTS A través del tiempo se han desarrollado muchos estilos de interfaz de usuario para programar robots. Antes de la rápida proliferación de microcomputadoras en la industria, los controladores de robots se asemejaban a los secuenciadores simples utilizados a menudo para controlar la automatización fija. Los métodos modernos se enfocan en la programación de computadoras, y las cuestiones relacionadas con la programación de robots incluyen todo lo referente a la programación de computadoras en general; y más.Enseñar mostrando Los primeros robots se programaban mediante un método al que llamaremos enseñar mostrando, el cual implicaba mover el robot a un punto de destino deseado y registrar su posición en una memoria que el secuenciador leería durante la reproducción.
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Durante la fase de enseñanza, el usuario guiaba al robot ya sea en forma manual o a través de la interacción con un dispositivo de enseñanza. Los dispositivos de enseñanza son cajas de botones portátiles que permiten el control de cada articulación del manipulador o de cada grado de libertad cartesiano. Algunos controladores de este tipo permiten las pruebas y las ramificaciones, por lo que pueden introducirse simples programas que involucren la lógica. Algunos dispositivos de enseñanza tienen pantallas alfanuméricas y se aproximan en complejidad a las terminales portátiles. La figura 12.1 muestra a un operador utilizando un dispositivo de enseñanza para programar un robot industrial.
Lenguajes de programación de robots explícitos Con la llegada de computadoras baratas y poderosas, la tendencia se ha orientado cada vez más hacia la programación de robots mediante programas escritos en lenguajes de programación de computadoras. Generalmente estos lenguajes tienen características especiales que se aplican a los problemas de la programación de manipuladores y por ello se les llama lenguajes de programación de robots(RPL). La mayoría de los sistemas que vienen equipados con un lenguaje de este tipo han retenido además una interfaz estilo dispositivo de enseñanza. Dado que los lenguajes de programación de robots han tomado muchas formas, los dividiremos en tres categorías: 1. Lenguajes de manipulación especializados. Se han creado desarrollando un lenguaje completamente nuevo que, aunque se enfoca en áreas específicas de los robots, podría considerarse un lenguaje general de programación de computadoras. Un ejemplo es el lenguaje VAL desarrollado para controlar los robots industriales de Unimation, Inc. [1]. VAL se desarrolló específicamente como un lenguaje de control de manipuladores pues como lenguaje general de computadoras era bastante débil. Por ejemplo, no soportaba números de punto flotante o cadenas de caracteres, y las subrutinas no podían pasar argumentos. V-II, una versión más reciente, ya contaba con estas características [2]. V+, la encarnación actual de este lenguaje, incluye muchas características nuevas [13]. Otro ejemplo de un lenguaje de manipulación especializado es AL, desarrollado en la Universidad de
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Stanford [3]. Aunque el lenguaje AL es ahora una reliquia, de todas formas proporciona buenos ejemplos de algunas características que todavía no se encuentran en la mayoría de los lenguajes modernos (control de fuerza, paralelismo). Además, como fue construido en un entorno académico, hay referencias disponibles para describirlo [3]. Por estas razones seguimos haciendo referencia a este lenguaje. 2. Biblioteca de robótica para un lenguaje de computación existente. Estos lenguajes se han desarrollado a partir de un lenguaje popular de computación (por ejemplo, Pascal) al que se le agrega una biblioteca de subrutinas específicas para robots. El usuario escribe un programa en Pascal haciendo uso de llamadas frecuentes al paquete de subrutinas predefinido para las necesidades específicas del robot. Un ejemplo es AR-BASIC de American Cimflex [4], que esencialmente es una biblioteca de subrutinas para una implementación estándar de BASIC. JARS, desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, es un ejemplo de dicho lenguaje de programación de robots basado en Pascal [5]. 3. Biblioteca de robótica para un nuevo lenguaje de propósito general. Estos lenguajes de programación de robots se han desarrollado creando primero un nuevo lenguaje de propósito general como base de programación y después suministrando una biblioteca de subrutinas predefinidas, específicas para robots. Ejemplos de estos lenguajes de programación son RAPID, desarrollado por ABB Robotics [6]; AML, desarrollado por IBM [7], y KAREL, desarrollado por GMF Robotics [8]. Los estudios de programas de aplicación reales para células de trabajo robóticas han demostrado que un gran porcentaje de las instrucciones del lenguaje no son específicas para los robots [7], sino que la mayor parte de la programación de robots tiene que ver con la inicialización, prueba lógica y ramificación, comunicación, etcétera. Por esta razón, podría desarrollarse una tendencia a alejarse del desarrollo de lenguajes especiales para la programación de robots y moverse hacia el desarrollo de extensiones para lenguajes generales, como en las categorías 2 y 3 antes mencionadas.Lenguajes de programación a nivel de tarea El tercer nivel de la metodología de programación de robots está relacionado con los lenguajes de programación a nivel de tarea. Estos lenguajes permiten al usuario ordenar directamente las submetas deseadas de la tarea, en
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vez de especificar los detalles de cada acción que el robot va a llevar a cabo. En dicho sistema el usuario puede incluir instrucciones en el programa de aplicación, con un nivel considerablemente más alto que en un lenguaje de programación de robots explícito. Un sistema de programación de robots a nivel de tarea debe tener la habilidad de realizar muchas tareas de planeación automáticamente. Por ejemplo, si se emite una instrucción para “sujetar el perno”, el sistema debe planear una ruta que evite que el manipulador colisione con cualquier obstáculo circundante, elija automáticamente una buena posición de sujeción en el perno y sujete el perno. En contraste, en un lenguaje de programación de robots explícito el programador debe hacer todas estas elecciones. Hay una buena distinción entre los lenguajes explícitos de programación de robots y los lenguajes de programación a nivel de tarea. Se están haciendo avances en los lenguajes explícitos de programación de robots para facilitar la programación, pero estas mejoras no pueden considerarse como componentes de un sistema de programación a nivel de tarea. Aún no existe la verdadera programación de manipuladores a nivel de tarea, pero desde hace tiempo es un tema de investigación [9,10] que continúa vigente.
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Trabajos Practicos1.- Sensores2.- Servomotores3.- Enconder4.- Tipos de robots
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