123 000 Libro de Texto Robotica Industrial
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en este libro se describen fundamentos de la rebotica
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INSTITUTO TECNOLOGICO DE PIEDRAS NEGRAS
REPORTE FINAL, PERIODO SABATICO
26-Enero-2009 a 25-Enero-2010
PROGRAMA
Elaboracin de material, recursos o auxiliares didcticos.
Elaboracin de un libro de texto:
Materia: ROBOTICA INDUSTRIAL
Elaborado por:
Ing. Ewald Fritsche.Rmz
Docente del rea de
Ingeniera Elctrica y Electrnica
25-Enero-2010
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CONTENIDO
1 INTRODUCCIN. .................................................................................................... 1-1 1.1 Antecedentes histricos ................................................................................................... 1-1
1.2 Definicin de robot industrial. ........................................................................................... 1-5
1.3 Tipos y aplicacin de los robots. ...................................................................................... 1-8
1.4 Automatizacin y robtica. ............................................................................................. 1-12
1.5 Mercado y tendencias. ................................................................................................... 1-17
2 ESTRUCTURA DEL ROBOT. ............................................................................... 2-1 2.1 Estructura mecnica. ....................................................................................................... 2-1
2.2 Elementos y articulaciones. ............................................................................................. 2-3
2.3 Configuraciones cinemticas. .......................................................................................... 2-5
2.4 Grados de libertad ........................................................................................................... 2-8
2.5 Espacio de trabajo ......................................................................................................... 2-10
2.6 Velocidad y precisin de movimientos ........................................................................... 2-11
2.7 Capacidad de carga. ...................................................................................................... 2-19
-
3 INTRODUCCIN A LA CINEMTICA DEL ROBOT. .............................................. 3- 1 3.1 Representacin de posicin. ............................................................................................ 3-2
3.1.1 Coordenadas cartesianas, cilndricas y polares. .................................................... 3-2
3.1.2 Posicin y orientacin. ............................................................................................ 3-4
3.1.3 Ejes de referencia. .................................................................................................. 3-5
3.2 Representacin de orientacin. ....................................................................................... 3-6
3.2.1 Matriz de rotacin respecto de un eje. ..................................................................... 3-6
3.2.2 Angulos de euler .................................................................................................... 3-12
3.3 Matrices de transformacin homogneas. ..................................................................... 3-14
3.3.1 Matriz de rotacin y traslacin. .............................................................................. 3-15
3.3.2 Aplicacin de las matrices homogneas ................................................................ 3-19
3.3.3 Interpretacin geomtrica de las matrices de transformacion ................................ 3-20
3.4 Cinemtica de robots ..................................................................................................... 3-22
3.4.1 Anlisis sntesis ..................................................................................................... 3-22
3.4.2 Grados de libertad ................................................................................................. 3-23
3.4.3 Calculo de la regin accesible ............................................................................... 3-25
3.4.4 Orientacin y posicin de la mano ......................................................................... 3-29
3.4.5 Problema cinemtica directo .................................................................................. 3-33
3.4.6 Problema cinemtica inverso ................................................................................. 3-40
4 TRANSDUCTORES Y ACTUADORES. .................................................................. 4-1 4.1 Transductor de posicin y velocidad. .............................................................................. 4-1
4.1.1 Rotatorios ................................................................................................................. 4-3
4.1.2 Lineales. ................................................................................................................... 4-7
4.1.3 Absolutos e incrementales ..................................................................................... 4-10
4.2 Actuadores ..................................................................................................................... 4-12
4.2.1 Elctricos. .............................................................................................................. 4-13
4.2.2 Neumticos. ........................................................................................................... 4-21
4.2.3 Hidrulicos. ............................................................................................................ 4-25
4.3 Transmisiones, reductores y frenos. .............................................................................. 4-26
4.4 Sistema de visin ........................................................................................................... 4-31
4.4.1 Adquisicin de datos ............................................................................................. 4-32
4.4.2 Procesamiento ....................................................................................................... 4-34
-
5 ELEMENTO TERMINAL. ......................................................................................... 5-1 5.1 Herramienta de sujecin. ................................................................................................. 5-3
5.2 Herramientas de pintura. ............................................................................................... 5-15
5.3 Herramientas de embalaje. ............................................................................................ 5-15
5.4 Herramientas de soldadura.. .......................................................................................... 5-16
5.5 Herramientas de corte. .................................................................................................. 5-17
6 PROGRAMACIN. .................................................................................................. 6-1 6.1 Programacin de robots. ................................................................................................. 6-1
6.2 Mtodos de programacin de robots. ............................................................................. 6-3
6.2.1 Mtodo directo ....................................................................................................... 6-4
6.2.2 Mtodo textual ....................................................................................................... 6-6
6.3 Aprendizaje y planeacin de trayectoria ......................................................................... 6-8
6.4 Lenguajes de programacin ......................................................................................... 6-10
7 APLICACIONES. ..................................................................................................... 7-1 7.1 Consideraciones de diseo de una celda de manufactura. ............................................ 7-1
7.1.1 Disposicin del robot en la celda. .......................................................................... 7-3
7.1.2 El sistema de control de la celda. .......................................................................... 7-6
7.1.3 Medidas de seguridad. ........................................................................................... 7-7
7.2 caractersticas en la seleccin de un robot. .................................................................. 7-10
7.2.1 rea de trabajo. ................................................................................................... 7-11
7.2.2 Grados de libertad. .............................................................................................. 7-13
7.2.3 Capacidad de carga. ............................................................................................ 7-14
7.2.4 Velocidad. ............................................................................................................ 7-14
7.2.5 Repetitividad. ........................................................................................................ 7-15
7.3 Justificacin econmica. ................................................................................................ 7-17
7.4 Aplicaciones no industriales. .......................................................................................... 7-19
7.4.1 Robots de servicio. ................................................................................................ 7-19
7.4.2 Robots en medicina. .............................................................................................. 7-21
7.5 El mercado de robots ..................................................................................................... 7-23
-
1-1
CAPITULO 1
1 INTRODUCCIN.
1.1 Antecedenteshistricos
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. Sin entrar en su estudio
sicolgico, parece correcto pensar que, en el fondo, se esconde una vieja aspiracin
del gnero humano: la de verse liberado de tareas no deseadas, por tediosas o
peligrosas, mediante el uso de siervos o esclavos privados de libertad propia. Esta idea
de "mquina-siervo" est, precisamente, en consonancia con el nombre que, en la
actualidad, reciben: "robot", palabra derivada del checo (robotnik : 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
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Figura 1-3. Hombre de hierro de Alberto Magno, Gallo de Estrasburgo Durante los siglos xv y XVI alguno de los ms relevantes representantes del
renacimiento se interesan tambin por los ingenios descritos y desarrollados por los
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 garra y 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 y brazos.
Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecnicos que tenan alguna de
las caractersticas de los robots actuales. Estos dispositivos fueron creados en su
mayora por artesanos del gremio de la relojera. Su misin principal era la de
entretener a las gente de la corte y servir de atraccin en las ferias. Estos autmatas
representaban figuras humanas, animales o pueblos enteros. Son destacables entre
otros el pato de Vaucanson y los muecos de la familia Droz y de Mailladert.
Jacques Vaucanson (1709-1782), autor del primer telar mecnico, construy varios
muecos animados, entre los que destaca un flautista capaz de tocar varias melodas y
un pato (1738) capaz de graznar, beber, comer, digerir y evacuar la comida. El relojero
suizo Pierre Jaquet Droz (1721-1790) y sus hijos Henri-Louis y Jaquet construyeron
diversos muecos capaces de escribir (1770), dibujar (1772) y tocar diversas melodas
en un rgano (1773). Estos aun se conservan en el museo de Arte e Historia de
Neuchastel, Suiza. Contemporneo de los relojeros franceses y suizos fue Henry
Maillardet, quien construyo, entre otros, una mueca capaz de dibujar y que an se
conserva en Filadelfia.
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1-6
Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definicin formal de lo que es
un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el
mercado japons y el euro-americano de lo que es un robot y lo que es un
manipulador. As, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier
dispositivo mecnico dotado de articulaciones mviles destinado a la manipulacin
(Figura 1-2), el mercado occidental es ms restrictivo, exigiendo una mayor
complejidad, sobre todo en lo relativo al control (5).
Figura 1- 1. Robot Manipulador industrial Figura 1- 2. Estacin mecanizada En segundo lugar, y centrndose en el concepto occidental, aunque existe una idea
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 de la robtica ha ido
obligando a diferentes actualizaciones de su definicin (Fig. 1-1).
La definicin ms comnmente aceptada posiblemente sea la de Robotics Industries Association (RIA), Al ser la industria la que adquiri la mayora de ellos, 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 dispositivos especiales mediante movimientos programados variables para la ejecucin de una diversidad de tareas.
Esta definicin, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organizacin
Internacional de Estndares (ISO) que define al robot industrial como:
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1-7
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.
Se incluye en esta definicin la necesidad de que el robot tenga varios grados de
libertad. Una definicin ms completa es la establecida por la Asociacin Francesa
de Normalizacin (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 operador humano o
mediante dispositivo logico.
Robot: manipulador automtico servo controlado, reprogramable, polivalente,
capaz de posicionar y orientar piezas, tiles o dispositivos especiales, siguiendo
trayectorias variables reprogramables, para la ejecucin de tareas variadas.
Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una mueca.
Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de
percepcin del entorno. 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 Robot Institute of Amrica:
Un Robot industrial es: un manipulador multifuncional y reprogramable, diseado para mover materiales piezas, herramientas o dispositivos especiales,
mediante movimientos programables y variables que permitan llevar a cabo
diversas tareas (1).
Por parte de Oxford English dictionary:
un aparato mecnico que se parece y hace el trabajo de un ser humano (6). Por ltimo, la Federacin Internacional de Robtica (IFR) en su informe tcnico ISOJTR 83737 (septiembre 1988) distingue entre robot industrial de manipulacin y
otros robots:
-
1-8
Por robot industrial de manipulacin se entiende a una mquina de
manipulacin automtica, reprogramable y multifuncional con tres o ms ejes
que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos
especiales para la ejecucin de trabajos diversos en las diferentes etapas de la
produccin industrial, ya sea en una posicin fija o en movimiento.
En esta definicin se debe entender que la reprogramabilidad y multifuncin
se consigue sin modificaciones fsicas del robot. Comn a todas las definiciones
anteriores es la aceptacin del robot industrial como un brazo mecnico con
capacidad de manipulacin y que incorpora un control ms o menos complejo.
Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto ms amplio. Engloba todos
aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automtica en sustitucin de
un ser humano y que pueden incorporar o no a uno varios robots, siendo esto
ltimo lo ms frecuente.
1.3 Tiposyaplicacindelosrobots.
Las diferentes asociaciones de robtica han definido la clasificacin de los robots
basado en criterios como: etapas de desarrollo, generaciones y propiedades que han
caracterizado a los robots a travs de su evolucin histrica, existen diversas clases 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
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 del manipulador. De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo
preparado previamente.
-
1-9
De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caractersticas de los ciclos de trabajo.
Existen muchas operaciones bsicas que pueden ser realizadas ptimamente
mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos
dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.
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 controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el
operario en la fase de enseanza, se vale de una pistola de programacin con diversos
pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniqu, o a veces, desplaza
directamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los ms conocidos, hoy
da, en los ambientes industriales y el tipo de programacin que incorporan, recibe el
nombre de "gestual
Robots con control por computador Son manipuladores o sistemas
mecnicos multifuncionales, controlados por un computador, que
habitualmente suele ser un microordenador. En este tipo de robots, el
programador no necesita mover realmente el elemento de la maquina, (Ver fig.
5) cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador
dispone de un lenguaje especfico, compuesto por varias instrucciones
adaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un programa de
aplicacin utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta
programacin se le denomina textual y se crea sin la intervencin del
manipulador.
Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo
en el mercado rpidamente, lo que exige la preparacin urgente de personal
cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informtico.
Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, adems, son
capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a travs de sensores y
tomar decisiones en 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 potenciarles y
hacerles ms efectivos, al mismo tiempo que ms asequibles.
-
1-10
La visin artificial, el sonido de mquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que
ms estn estudiando para su aplicacin en los robots inteligentes (1).
Figura 1-5 Robot con control por computador
La IFR distingue entre cuatro tipos de robots industriales:
Robot secuencial. Robot de trayectoria controlable. Robot adaptativo. Robot telemanipulado.
Esta clasificacin coincide en gran medida con la establecida por la Asociacin
Francesa de Robtica Industrial (AFRI)(Tabla 2). (Ms simple y especfica, es la
clasificacin de los robots segn la generacin. (Tabla. 3)
Clasificacin de los robots segn la AFRI.
Tipo A Manipulador con control manual o telemando.
Tipo B Manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacin mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico.
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 funcin de estos.
Tabla 1- 2. Clasificacin de los robots segn la AFRI
-
1-11
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 en consecuencia.
3 Generacin. Su programacin se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee la capacidad para la planificacin automtica de sus tareas.
Tabla 1- 3. Clasificacin de los robots industriales en generaciones
Robots de servicio y teleoperados.
En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:
Dispositivos electromecnicos mviles o estacionarios, dotados normalmente de uno
o varios brazos mecnicos independientes, controlados por un programa de
computadora y que realizan tareas no industriales de servicio. En esta definicin
entraran entre otros los robots dedicados a cuidados mdicos, educacin, domsticos,
(Fig.1-6) uso en oficinas, intervencin en ambientes peligrosos, aplicaciones
espaciales, aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definicin de
robots de servicio excluye los telemanipuladores, pues estos no se mueven mediante
el control de un programa de computadora, sino que estn controlados directamente
por el operador humano.
Figura 1-6. Aspiradora
Los robots teleoperados 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 travs de
una computadora (5).
-
1-12
Figura 1-7. Explorador espacial teleoperado
Clasificacin de los robots segn T.M.Knasel.
Generacin Nombre Tipo de ControlGrado de movilidad
Usos ms frecuentes
1 (1982) Pick & place Fines de carrera, aprendizaje Ninguno Manipulacin, servicio de maquinas
2 (1984) Servo
Servocontrol, Trayectoria continua, progr. condicional
Desplazamiento por va
Soldadura, pintura
3 (1989) Ensamblado Servos de precisin, visin, tacto,
Guiado por va Ensamblado, Desbardado
4 (2000) Mvil Sensores inteligentes Patas, Ruedas Construccin, Mantenimiento
5 (2010) Especiales Controlados con tcnicas de IA Andante, Saltarn Militar, Espacial
Tabla 1- 4. Clasificacin de los robots segn T.M.Knasel.
1.4 Automatizacinyrobtica.
Definicion:
Automatizar: Aplicar la automtica a un proceso, a un dispositivo
Automatico: Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por s solo
( derivado del griego antiguo: guiado por uno mismo) (7).
Automatizacin: Es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar
maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos.
-
1-13
La automatizacin y la robtica son dos tecnologas estrechamente relacionadas. En
el campo industrial podemos definir la automatizacin como una tecnologa que est
relacionada con el empleo de sistemas mecnicos, electrnicos y basados en
computadoras en la operacin y control de la produccin, Ejemplos de esta tecnologa
son: lneas de produccin, mquinas de montaje mecanizado, sistemas de control de
realimentacin (aplicados a los procesos industriales), maquinas-herramienta con
control numrico y robots. En consecuencia, la robtica es una forma de
automatizacin industrial. Hay tres clases amplias de automatizacin industrial:
Automatizacin fija Automatizacin programable Automatizacin flexible.
La automatizacin fija se utiliza cuando el volumen de produccin es muy alto, y por
tanto es adecuada para disear equipos especializados para procesar el producto (o
un componente de un producto) (Fig. 1-8) con alto rendimiento y con elevadas tasas de
produccin. Un buen ejemplo de la automatizacin fija puede encontrarse en la
industria del automvil, en donde lneas de produccin muy integradas constituidas por
varias decenas de estaciones de trabajo se utilizan para operaciones de mecanizado
en componentes de motores y transmisiones (3).
Figura 1-8. Estacin de impresin en tela automatizada
-
1-14
La economa de la automatizacin fija es tal que el costo de los equipos especiales
puede dividirse entre un gran nmero de unidades y los costos unitarios resultantes
son bajos en relacin con los mtodos de produccin alternativos. El riesgo encontrado
con la automatizacin fija es que al ser el costo de inversin inicial elevado, si el
volumen de produccin resulta ser ms bajo que el previsto, los costos unitarios se
harn tambin ms grandes que los considerados en las previsiones. Otro problema
con la automatizacin fija es que el equipo est especialmente diseado para obtener
el producto, y una vez que se haya acabado el ciclo de vida del producto es probable
que el equipo quede obsoleto. Para productos con cortos ciclos de vida el empleo de la
automatizacin fija representa un gran riesgo.
La automatizacin programable se emplea cuando el volumen de produccin es
relativamente bajo y hay una diversidad de produccin a obtener. En este caso el
equipo de produccin est diseado para ser adaptable a variaciones en la
configuracin del producto. Esta caracterstica de adaptabilidad se realiza haciendo
funcionar el equipo bajo el control de un programa, de instrucciones que se prepar
especialmente para el producto dado. El programa se introduce por lectura en el
equipo de produccin y este ultimo realiza la secuencia particular de operaciones de
procesamiento (o montaje) para obtener el producto. En trminos de economa, el
costo del equipo programable puede repartirse entre un gran nmero de productos,
aun cuando sean diferentes. Gracias a la caracterstica de programacin y a la
adaptabilidad resultante del equipo, muchos productos diferentes y nicos en su
gnero pueden obtenerse econmicamente en pequeos lotes.
Figura 1-9 Relacin de la automatizacin fija, automatizacin programable y automatizacin flexible como una funcin del volumen de produccin y de la diversidad del producto.
-
1-15
La relacin de los dos primeros tipos de automatizacin, como una funcin de la
variedad del producto y del volumen de produccin, se ilustra en la 1igura 1-9.
Existe una tercera categora entre automatizacin fija y automatizacin programable
que se denomina . Otros trminos utilizados para la
automatizacin flexible incluyen los sistemas de fabricacin flexibles (o FMS) y los
sistemas de fabricacin integrados por computadora. El concepto de automatizacin
flexible solo se desarrollo en la prctica despus de los aos 80s. La experiencia
adquirida hasta ahora con este tipo de automatizacin indica que es ms adecuado
para el rango de produccin de volumen medio, como se ilustra en la figura 1-9. Tal
como se indica por su posicin relativa con los otros dos tipos, los sistemas flexibles
tienen algunas de las caractersticas de la automatizacin fija y de la automatizacin
programable. Debe programarse para diferentes configuraciones de productos, pero la
diversidad de las configuraciones suele estar ms limitada que para la automatizacin
programable, lo que permite que se produzca un cierto grado de integracin en el
sistema. Los sistemas automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie
de estaciones de trabajo que estn interconectadas por un sistema de almacenamiento
y manipulacin de materiales. Una computadora central se utiliza para controlar las
diversas actividades que se producen en el sistema, encaminando las diversas piezas
a las estaciones adecuadas y controlando las operaciones programadas en las
diferentes estaciones (3).
Una de las caractersticas que distingue a la automatizacin programable de la
automatizacin flexible es que con la automatizacin programable los productos se
obtienen en lotes. Cuando se completa un lote, el equipo se reprograma para procesar
el siguiente lote. Con la automatizacin flexible, diferentes productos pueden obtenerse
al mismo tiempo en el mismo sistema de fabricacin. Esta caracterstica permite un
nivel de versatilidad que no est disponible en la automatizacin programable pura,
como se defini anteriormente. Esto significa que pueden obtenerse productos en un
sistema flexible en lotes si ello fuera deseable, o varios estilos de productos diferentes pueden mezclarse en el sistema. La potencia de clculo de la computadora de control
es lo que posibilita esta versatilidad.
-
1-16
Figura 1-10 Lnea de produccin automatizada
De los tres tipos de automatizacin, la robtica coincide ms estrechamente con la
automatizacin programable (Fig. 7-10). Un robot industrial es una maquina
programable de uso general que tiene algunas caractersticas antropomrficas o
humanoides. La caracterstica humanoide mas tpica de los robots es la de sus brazos
mviles. El robot puede programarse para desplazar su brazo a travs de una
secuencia de movimientos con el fin de realizar alguna tarea de utilidad. Repetir este
modelo de movimientos una y otra vez hasta que se reprograme para ejecutar alguna
otra tarea. Por consiguiente, la caracterstica de programacin permite que los robots
se utilicen para una diversidad de operaciones industriales diferentes, muchas de las
cuales implican el trabajo del robot junto con otros elementos de equipos
automatizados o semiautomatizados. Estas operaciones incluyen la carga y descarga
de mquina, la soldadura por puntos y la pintura por pulverizacin. (Fig. 1-11).
Figura 1-11. Estacin de soldadura robotizada
Dada la definicin de un robot industrial proporcionada por la Robotics Industries
Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of America (RIA) (tema 1.1). Esta
definicin refuerza encamina a la conclusin de que los robots industriales deben
clasificarse como una forma de automatizacin programable. Aunque los propios
-
1-17
robots son ejemplo de automatizacin programable, a veces se utilizan en la
automatizacin flexible e incluso en sistemas de automatizacin fija. Estos sistemas
estn constituidos por varias maquinas y/o robots que trabajan juntos y se suelen
controlar por una computadora o un controlador programable. Una lnea de produccin
que realiza soldaduras por puntos en las carroceras de los automviles es un ejemplo
de esta clase de sistema. La lnea de soldadura podra estar constituida por una
veintena de robots o ms y es capaz de realizar centenares de soldaduras por puntos
separadas en dos o tres estilos de cuerpos diferentes. Los programas de robots estn
contenidos en la computadora o controlador programable y se cargan en cada robot
para la carrocera de automvil particular que ha de soldarse en cada estacin de
trabajo. Gracias a esta caracterstica, dicha lnea podra considerarse como un sistema
de automatizacin flexible de alta produccin
1.5 Mercadoytendencias. En los aos 80s y 90s las ventas anuales para robots industriales haba creciendo en
Estados Unidos a razn de un 25 % por ao. En la figura 1-12, se representan las
estadsticas y las previsiones para las ventas anuales de robots industriales, y el
nmero resultante de instalaciones robticas. Las previsiones de ventas present una
tasa de crecimiento anual medio de 25% a travs de 1987 (3). En 1987 era previsible
un incremento de la tasa de crecimiento en Estados Unidos debido a varios factores.
En primer lugar, haba ms personas en la industria que tenan conocimiento de la
tecnologa y de su potencial para aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la
tecnologa de la robtica mejorara en los prximos aos de manera que har a los
robots mas amistosos con el usuario, ms fciles de interconectar con otro hardware y
ms sencillos de instalar. En tercer lugar, a medida que crece el mercado, son
previsibles economas de escala en la produccin de robots para proporcionar una
reduccin en el precio unitario, lo que har a los proyectos de aplicaciones de robots
ms fciles de justificar. En cuarto lugar, se esperaba que el mercado de la robtica
sufra una expansin mas all de las grandes empresas, que ha sido el cliente
tradicional para esta tecnologa, y llegue a las empresas de tamao mediano y
pequeo. Esta circunstancia dar lugar a un notable incremento en la base de clientes
para los robots industriales. Aunque estos factores no garantizaran un incremento en
la tasa de crecimiento de las ventas de robots.
-
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-
1-19
Figura 1-13. Estimado anual de instalaciones de robots industriales
Despus del pico en 2005, el mercado mundial cay por el 12% de 2006, a 111.052
robots industriales nuevos suministradas. En 2007, un aumento de 3% a 114.365
unidades fue observado. En los ltimos aos, los resultados en las regiones principales
fueron diferentes: disminucin en Asia, recuperacin en Amrica, y crecimiento en
Europa. En 2007, las ventas mundiales a la industria del automvil aumentaron en el
2% comparado a 2006 incluyendo la industria elctrica/electrnica (oficina, material y
equipo de clculo, radio, TV y los dispositivos y equipo de comunicacin, mdico, y los
instrumentos pticos). ste era el segundo ao en aumentos enormes en instalaciones
de robots en estas industrias. As, no es de extraar que en 2006, la inversin se
retrasada. En 2007, el retraso contina (8).
En 2007, cerca de 59.300 robots fueron suministrados a los pases asiticos (Australia
incluyendo y Nueva Zelandia), cerca de 4% menos que en 2006. Los mercados
principales, Japn y la Repblica de Corea, consideraron una baja en inversiones de
robots, al igual que Taiwn. Por una parte, los mercados emergentes, tales como
China, los pases asiticos surorientales e India, presentan aumentos significativos.
El mercado mundial alcanz un pico en 2005 cerca de 126,700 nuevos robots
instalados, esto es 30% ms que en 2004. En 2005, ms de 76.000 robots fueron
suministradas a los pases asiticos (Australia incluyendo y Nueva Zelandia), cerca de
45% ms que en 2004, como resultado de la inversin fuerte dentro de la industria del
automvil y de la industria elctrica/electrnica.
-
1-20
Figura 1-14. Robots industriales en los diferentes tipos industrias en 2006 y 2007 En la figura 1-14., presenta el estimado de robots industriales al final del ao en las
principales industrias. El mercado mundial para los robots industriales se proyecta
aumentar en el 4% a partir de 114.365 unidades en 2007, a 118.900 en 2008. A partir
de 2009, se elevar en un promedio anual de 4.1% con 134.100 para el 2011, y en la
fig. 1-15 y 1-16 se puede observar la cantidad de robots de servicio de uso
profesional y domestico respectivamente para el ao 2007.
Figura 1-15. Robots de servicio para uso profesional, en uso 2007 y nuevas instalaciones de 2008 a 2011
-
1-21
Figura 1-16. Robots de servicio para uso personal y domestico, en uso 2007 y nuevas instalaciones de 2008 a 2011
Figura 1-17. Robots a nivel mundial
De manera acumulativa la cantidad de robots por ao, en operacin, est en
incremento, lo que significa que en cada ao es mayor el nmero de robots en la
mundo (Fig. 1-17) (8).
La robtica es una tecnologa con un futuro y tambin es una tecnologa para el futuro.
Si continan las tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigacin en
laboratorio actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnologa factible,
los robots del futuro sern unidades mviles con uno o ms brazos, capacidades de
sensores mltiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de calculo
que las grandes computadoras actuales. Sern capaces de responder a rdenes
-
1-22
dadas con voz humana. Asimismo sern capaces de recibir instrucciones generales y
traducirlas, utilizando inteligencia artificial, en un conjunto especifico de acciones
requeridas para llevarlas a cabo. Podrn ver, or, palpar, aplicar una fuerza media con
precisin a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros
robots tendrn muchos de los atributos de los seres humanos. Es difcil imaginar que
los robots llegaran a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de Karel
Capek Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robtica es una
tecnologa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo,
como otras tecnologas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse
reglamentos para impedir su uso pernicioso. (3).
El paso del presente al futuro exigir mucho trabajo de ingeniera mecnica,
ingeniera electrnica, informtica, ingeniera industrial, tecnologa de materiales,
ingeniera de sistemas de fabricacin y ciencias sociales.
-
2-1
CAPITULO 2
2 ESTRUCTURA DEL ROBOT.
2.1 Estructura mecnica.
Mecnicamente, un robot est formado por una serie de elementos o eslabones
unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos
eslabones consecutivos. La constitucin fsica de la mayor parte de los robots
industriales guarda cierta similitud con la anatoma del brazo humano, por lo que en
ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se
usan trminos como cuerpo, brazo, codo y mueca como se muestra en la figura1-1
(1).
La mayora de los robots utilizados en la industria estn montados sobre una base
que est sujeta al suelo. El cuerpo est unido a la base y el conjunto del brazo esta
unido al cuerpo. Al final del brazo esta la mueca, La mueca est constituida por
varios componentes que le permiten orientarse en una diversidad de posiciones. Unida
a la mueca del robot va una mano. El nombre tcnico aplicado a la mano es efector
final.
-
Antebrazo
Unin
Del codo
Unin Hombro
432mm
432mmUnin
mueca
Acoplamiento de la
Mano o aprensor
Figura 2
El efector final no se considera como parte de la anatoma del robot. Las
articulaciones del cuerpo y del brazo del manipulador se emplean para situar el efector
final y las articulaciones de la mu
efector final (2).
Base
Antebrazo
Cuerpo
Unin del cuerpoUnin Hombro
Brazo
640mm
432mm
Figura 2-1. Estructura del Robot Puma
El efector final no se considera como parte de la anatoma del robot. Las
cuerpo y del brazo del manipulador se emplean para situar el efector
final y las articulaciones de la mueca del manipulador se utilizan para orientar dicho
2-2
El efector final no se considera como parte de la anatoma del robot. Las
cuerpo y del brazo del manipulador se emplean para situar el efector
eca del manipulador se utilizan para orientar dicho
-
2-3
Figura 2-2. Estructura del Robot y Componentes internos.
Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos
(maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologas semejantes),
las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se
empleen elementos con caractersticas especificas. La figura 2-2. muestra la estructura
mecnica con ms detalle de un robot, sobre la que se ha indicado alguno de los
elementos que se van a estudiar. El robot est formado por los siguientes elementos:
Estructura mecnica, Transmisiones, Sistema de accionamiento, Sistema sensorial,
Elementos terminales.
2.2 Elementos y articulaciones.
Los elementos de un brazo robot conocidos como, cuerpo, brazo, codo y mueca,
etc.
Presentan movimiento a travs de articulaciones pares cinemticos que puede ser
de desplazamiento, de giro, o de una combinacin de ambos. De este modo son
posibles seis tipos diferentes de articulaciones, aunque, en la prctica, en los robots
slo se emplean la de rotacin y la prismtica. Cada uno de los movimientos
independientes que puede realizar cada articulacin con respecto a la anterior, se
denomina grado de libertad (GDL). En la Figura 2-3. se muestran las diferentes
articulaciones y el numero de GDL El empleo de diferentes combinaciones de
articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con caractersticas a
tener en cuenta tanto en el diseo y construccin del robot como en su aplicacin (1).
Par cilndrico (C). Las superficies en contacto son cilndricas de revolucin, de
manera que permitan dos movimientos independientes entre los miembros, uno de
translacin a lo largo de un eje comn a ambos miembros y uno de rotacin alrededor
del mismo eje. Por lo tanto, permite dos grados de libertad de un miembro respecto del
otro. Si predomina el movimiento de rotacin, el elemento interior del par se denomina
pivote y el exterior cojinete. En caso de que el movimiento predominante sea la
translacin, el elemento ms largo se denomina gua y el ms corto corredera.
Par de revolucin o articulacin (R). Las superficies de contacto son de revolucin
excluyendo las totalmente cilndricas, de manera que permiten nicamente la rotacin
-
de un miembro respecto al otro alrededor de un eje comn. Por tanto, deja un grado de
libertad relativo entre los miembros. Usualmente el elemento interior del par se
denomina pivote, mun o espiga
Figura 2
Par prismtico (P). Las superficies en contacto son prismticas, de manera que
permiten solo una translacin relativa entre los miembros a lo largo de un eje comn.
Por tanto, permite un grado de libertad relativo entre los miembros. Usualmente el
miembro ms largo del par se denomina
Par helicoidal (H). Las superficies de contacto son helicoidales, de manera que
permiten entre los dos miembros un movimiento de
relacionados linealmente. Deja solo un grado de libertad relativo entre los miembros.
La relacin lineal se puede establecer como
es el desplazamiento y el
contacto exterior rosca exterior
superficie de contacto interior
Par esfrico (E). Las superficies de contacto son esfricas, de manera que permiten
una rotacin arbitraria de un miembro respecto del otro manteniendo un punto comn,
de un miembro respecto al otro alrededor de un eje comn. Por tanto, deja un grado de
libertad relativo entre los miembros. Usualmente el elemento interior del par se
espiga y el exterior cojinete.
Figura 2-3 Pares Cinemticos
). Las superficies en contacto son prismticas, de manera que
permiten solo una translacin relativa entre los miembros a lo largo de un eje comn.
de libertad relativo entre los miembros. Usualmente el
miembro ms largo del par se denomina gua y el ms corto corredera.
). Las superficies de contacto son helicoidales, de manera que
permiten entre los dos miembros un movimiento de translacin y uno de rotacin
relacionados linealmente. Deja solo un grado de libertad relativo entre los miembros.
La relacin lineal se puede establecer como x = p /2 donde p es el paso de rosca,
es el desplazamiento y el ngulo girado. El miembro que tiene la superficie de
rosca exterior se denomina tornillo o barra roscada y el que tiene la
rosca interior tuerca.
(E). Las superficies de contacto son esfricas, de manera que permiten
una rotacin arbitraria de un miembro respecto del otro manteniendo un punto comn,
2-4
de un miembro respecto al otro alrededor de un eje comn. Por tanto, deja un grado de
libertad relativo entre los miembros. Usualmente el elemento interior del par se
). Las superficies en contacto son prismticas, de manera que
permiten solo una translacin relativa entre los miembros a lo largo de un eje comn.
de libertad relativo entre los miembros. Usualmente el
). Las superficies de contacto son helicoidales, de manera que
translacin y uno de rotacin
relacionados linealmente. Deja solo un grado de libertad relativo entre los miembros.
es el paso de rosca, x
que tiene la superficie de
y el que tiene la
(E). Las superficies de contacto son esfricas, de manera que permiten
una rotacin arbitraria de un miembro respecto del otro manteniendo un punto comn,
-
el centro de las superficies en contacto. Se denomina tambin
grados de libertad relativos entre los miembros.
Par plano (PL). Las superficies de contacto son planas, de manera que permiten dos
translaciones y una rotacin alrededor de una direccin perpendicular al plano de
contacto de un miembro respecto al otro, las tres i
tanto, deja tres grados de libertad relativos entre los miembros
2.3 Configuraciones cinemticas.
Los robots industriales estn disponibles en una amplia gama de tamaos, formas y
configuraciones fsicas. La gran mayora de los robots comercialmente disponibles en
la actualidad tienen una de estas
1. Configuracin polar o esfrico.
2. Configuracin cilndrica.
3. Configuracin de coordenadas cartesianas.
4. Configuracin de brazo articulado.
5. Configuracin SCARA.
Figura 2-4. a) Configuracin Polar, b)
La configuracin polar se ilustra en la parte de la
telescpico que puede elevarse o bajar alrededor de un pivote horizontal. Este pivote
est montado sobre una base giratoria. Estas diversas articulaciones proporcionan al
robot la capacidad para desplazar su brazo dentro de un espacio
denominacin de robot de coordenadas esfricas que se suele aplicar a este tipo. La
figura 2-4b. muestra un ejemplo de un robot Polar de maraca FANUC.
(a)
el centro de las superficies en contacto. Se denomina tambin rtula esfrica
bertad relativos entre los miembros.
(PL). Las superficies de contacto son planas, de manera que permiten dos
translaciones y una rotacin alrededor de una direccin perpendicular al plano de
contacto de un miembro respecto al otro, las tres independientes entre ellas. Por lo
tanto, deja tres grados de libertad relativos entre los miembros (3).
Configuraciones cinemticas.
Los robots industriales estn disponibles en una amplia gama de tamaos, formas y
uraciones fsicas. La gran mayora de los robots comercialmente disponibles en
la actualidad tienen una de estas Configuraciones bsicas:
Configuracin polar o esfrico.
in de coordenadas cartesianas.
figuracin de brazo articulado.
Configuracin Polar, b) Robot Polar FANUC
La configuracin polar se ilustra en la parte de la figura 2-4a. Utiliza un brazo
telescpico que puede elevarse o bajar alrededor de un pivote horizontal. Este pivote
est montado sobre una base giratoria. Estas diversas articulaciones proporcionan al
robot la capacidad para desplazar su brazo dentro de un espacio esfrico, de aqu la
denominacin de robot de coordenadas esfricas que se suele aplicar a este tipo. La
. muestra un ejemplo de un robot Polar de maraca FANUC.
(b)
2-5
rtula esfrica. Deja tres
(PL). Las superficies de contacto son planas, de manera que permiten dos
translaciones y una rotacin alrededor de una direccin perpendicular al plano de
ndependientes entre ellas. Por lo
Los robots industriales estn disponibles en una amplia gama de tamaos, formas y
uraciones fsicas. La gran mayora de los robots comercialmente disponibles en
. Utiliza un brazo
telescpico que puede elevarse o bajar alrededor de un pivote horizontal. Este pivote
est montado sobre una base giratoria. Estas diversas articulaciones proporcionan al
esfrico, de aqu la
denominacin de robot de coordenadas esfricas que se suele aplicar a este tipo. La
-
Figura 2-5. a) Configuracin Cilndrica
La configuracin cilndrica, segn se muestra en la
vertical y un dispositivo de deslizamiento que puede movers
largo de la columna. El brazo del robot esta unido al dispositivo deslizante de modo
que puede moverse en sentido radial con respecto a la columna. Haciendo girar la
columna, el robot es capaz de conseguir un espacio de trabajo
cilindro. Un ejemplo de la configuracin cilndrica se ilustra en la
Figura 2-6. a) Configuracin Cartesiana, b) Robot Cartesiano E2XM3
El robot de coordenadas cartesianas, ilustrado en la figura
dispositivos deslizantes perpendiculares para construir los ejes
se aplican, a veces, a esta configuracin, incluyendo las denominaciones de robot
y robot rectilneo. Desplazando los tres dispositivos deslizantes entre s, el robot es
capaz de operar dentro de una envolvente rectangular de trabajo. Un
configuracin es el robot de la
apariencia y construccin, se denomina ocasionalmente de caja. El robot de prtico es
otro nombre utilizado para los robots cartes
la apariencia de una gra del tipo de prtico. Un ejemplo se muestra en la
(a)
(a)
. a) Configuracin Cilndrica, b) Robot Cilndrico RT 33
La configuracin cilndrica, segn se muestra en la figura 2-5a, utiliza una columna
vertical y un dispositivo de deslizamiento que puede moverse hacia arriba o abajo a lo
largo de la columna. El brazo del robot esta unido al dispositivo deslizante de modo
que puede moverse en sentido radial con respecto a la columna. Haciendo girar la
columna, el robot es capaz de conseguir un espacio de trabajo que se aproxima a un
cilindro. Un ejemplo de la configuracin cilndrica se ilustra en la figura 2-5
. a) Configuracin Cartesiana, b) Robot Cartesiano E2XM3
El robot de coordenadas cartesianas, ilustrado en la figura 2-6a, utiliza tres
dispositivos deslizantes perpendiculares para construir los ejes x, y y z. Otros nombres
se aplican, a veces, a esta configuracin, incluyendo las denominaciones de robot
y robot rectilneo. Desplazando los tres dispositivos deslizantes entre s, el robot es
capaz de operar dentro de una envolvente rectangular de trabajo. Un ejemplo de esta
configuracin es el robot de la figura 2-6b. La configuracin del RS-l, debido a su
apariencia y construccin, se denomina ocasionalmente de caja. El robot de prtico es
otro nombre utilizado para los robots cartesianos, que suelen ser grandes y que tienen
la apariencia de una gra del tipo de prtico. Un ejemplo se muestra en la
(b)
(b)
2-6
utiliza una columna
e hacia arriba o abajo a lo
largo de la columna. El brazo del robot esta unido al dispositivo deslizante de modo
que puede moverse en sentido radial con respecto a la columna. Haciendo girar la
que se aproxima a un
5b).
. a) Configuracin Cartesiana, b) Robot Cartesiano E2XM3
a, utiliza tres
Otros nombres
se aplican, a veces, a esta configuracin, incluyendo las denominaciones de robot xyz
y robot rectilneo. Desplazando los tres dispositivos deslizantes entre s, el robot es
ejemplo de esta
l, debido a su
apariencia y construccin, se denomina ocasionalmente de caja. El robot de prtico es
ianos, que suelen ser grandes y que tienen
la apariencia de una gra del tipo de prtico. Un ejemplo se muestra en la figura 2-7.
-
Figura 2-8. a) Configuracin, Brazo Articulado antropomorfo, b) Robot Angular KR 500
El robot de brazo articulado se ilustra en la figura
la del brazo humano. Est constituido por dos componentes rectos, que corresponden
al antebrazo y al brazo humanos, montados sobre un pedestal vertical. Estos
componentes estn conectados por dos articulaciones giratorias que corresponden al
hombro y al codo. Una mueca esta unida al extremo del antebrazo, con lo que se
proporcionan varias articulaciones suplementarias.
Una versin especial del robot de brazo articulado es el S
la figura 2-9a, cuyas articulaciones de hombro y de codo giran alrededor de ejes
verticales. SCARA es la abreviatura de
y esta configuracin proporciona una importante rigidez para el robot en la direccin
(a)
Figura 2-7. Robot de Prtico
. a) Configuracin, Brazo Articulado antropomorfo, b) Robot Angular KR 500
El robot de brazo articulado se ilustra en la figura 28a Su configuracin es similar
la del brazo humano. Est constituido por dos componentes rectos, que corresponden
al antebrazo y al brazo humanos, montados sobre un pedestal vertical. Estos
componentes estn conectados por dos articulaciones giratorias que corresponden al
codo. Una mueca esta unida al extremo del antebrazo, con lo que se
proporcionan varias articulaciones suplementarias.
Una versin especial del robot de brazo articulado es el SCARA como se muestra en
articulaciones de hombro y de codo giran alrededor de ejes
verticales. SCARA es la abreviatura de Selective Compliance Assembly Robot Arm
y esta configuracin proporciona una importante rigidez para el robot en la direccin
(b)
2-7
. a) Configuracin, Brazo Articulado antropomorfo, b) Robot Angular KR 500
a Su configuracin es similar a
la del brazo humano. Est constituido por dos componentes rectos, que corresponden
al antebrazo y al brazo humanos, montados sobre un pedestal vertical. Estos
componentes estn conectados por dos articulaciones giratorias que corresponden al
codo. Una mueca esta unida al extremo del antebrazo, con lo que se
CARA como se muestra en
articulaciones de hombro y de codo giran alrededor de ejes
Selective Compliance Assembly Robot Arm,
y esta configuracin proporciona una importante rigidez para el robot en la direccin
-
vertical, pero una elasticidad en el plano horizontal. Esto le hace ideal para muchas
tareas de montaje. Un robot SCARA se ilustra en la
Figura 2-9. a) Configuracin SCARA,
Hay ventajas e inconvenientes relativos a las anatomas de robots, simplemente
debido a sus geometras. En trminos de respetabilidad de movimiento (la capacidad
para desplazarse a un punto determinado del espacio con un
cartesiano de estructura de caja es probable que tenga ventaja, debido a su estructura
inherentemente rgida (3).
2.4 Grados de libertad
Punto de vista de la teora de mecanismos y maquinas
Se denomina grados de libertad de un mecanismo,
necesario conocer para determinar su posicin. Sea un sistema como el de la figura
10, formado por N elementos indeformables, en el espacio de tres dimensiones,
uno de estos elementos dispone de seis grados de libertad, de los que tres
corresponden a las coordenadas (
los otros tres definen la posicin angular de los ejes
global.
(a)
en el plano horizontal. Esto le hace ideal para muchas
tareas de montaje. Un robot SCARA se ilustra en la figura 2-9b.
. a) Configuracin SCARA, b) Robot SCARA G6 de EPSON
Hay ventajas e inconvenientes relativos a las anatomas de robots, simplemente
debido a sus geometras. En trminos de respetabilidad de movimiento (la capacidad
para desplazarse a un punto determinado del espacio con un error mnimo), el robot
cartesiano de estructura de caja es probable que tenga ventaja, debido a su estructura
Punto de vista de la teora de mecanismos y maquinas
grados de libertad de un mecanismo, al nmero de parmetros que es
necesario conocer para determinar su posicin. Sea un sistema como el de la figura
formado por N elementos indeformables, en el espacio de tres dimensiones,
uno de estos elementos dispone de seis grados de libertad, de los que tres
corresponden a las coordenadas (xo,yo,zo,) del centro de coordenadas asociado a l y
los otros tres definen la posicin angular de los ejes (x,y,z) respecto a la referencia
(b)
2-8
en el plano horizontal. Esto le hace ideal para muchas
EPSON
Hay ventajas e inconvenientes relativos a las anatomas de robots, simplemente
debido a sus geometras. En trminos de respetabilidad de movimiento (la capacidad
error mnimo), el robot
cartesiano de estructura de caja es probable que tenga ventaja, debido a su estructura
nmero de parmetros que es
necesario conocer para determinar su posicin. Sea un sistema como el de la figura 2-
formado por N elementos indeformables, en el espacio de tres dimensiones, cada
uno de estos elementos dispone de seis grados de libertad, de los que tres
del centro de coordenadas asociado a l y
respecto a la referencia
-
Figura 2-10. Mecanismo espacial de una cadena abierta con N elementos
Si los elementos no estuvieran conectados mediante pares cinemticos
preciso conocer 6N parmetros para definir las posiciones de todos ellos. Hay que
tener en cuenta, adems, que uno de los elementos (el soporte) es fijo y, por lo tanto,
el nmero de grados de libertad se reduce a 6(N
manipulador se encuentran unidos entre s mediante pares cinemticos R y P, cada
uno de los cuales permite, nicamente, un giro o un desplazamiento. El par que
conecta la mano de sujecin con el resto del brazo permite tres giros, por lo que pu
considerarse como una rtula (par esfrico E) que restringe tres grados de libertad (
2-11).
Figura 2-11. Pares cinemticos de rotacin traslacin y esfricos, sealados por las lneas
En los robots con una configuracin tradicional, cada elemento tiene dos pares
cinemticos, excepto el soporte y la mano de
. Mecanismo espacial de una cadena abierta con N elementos
Si los elementos no estuvieran conectados mediante pares cinemticos
preciso conocer 6N parmetros para definir las posiciones de todos ellos. Hay que
tener en cuenta, adems, que uno de los elementos (el soporte) es fijo y, por lo tanto,
el nmero de grados de libertad se reduce a 6(N- 1). Por otra parte, los ele
manipulador se encuentran unidos entre s mediante pares cinemticos R y P, cada
uno de los cuales permite, nicamente, un giro o un desplazamiento. El par que
conecta la mano de sujecin con el resto del brazo permite tres giros, por lo que pu
considerarse como una rtula (par esfrico E) que restringe tres grados de libertad (
. Pares cinemticos de rotacin traslacin y esfricos, sealados por las lneas gruesas
En los robots con una configuracin tradicional, cada elemento tiene dos pares
cinemticos, excepto el soporte y la mano de sujecin, que solo tienen uno.
2-9
. Mecanismo espacial de una cadena abierta con N elementos
Si los elementos no estuvieran conectados mediante pares cinemticos, sera
preciso conocer 6N parmetros para definir las posiciones de todos ellos. Hay que
tener en cuenta, adems, que uno de los elementos (el soporte) es fijo y, por lo tanto,
1). Por otra parte, los elementos del
manipulador se encuentran unidos entre s mediante pares cinemticos R y P, cada
uno de los cuales permite, nicamente, un giro o un desplazamiento. El par que
conecta la mano de sujecin con el resto del brazo permite tres giros, por lo que puede
considerarse como una rtula (par esfrico E) que restringe tres grados de libertad (Fig
. Pares cinemticos de rotacin traslacin y esfricos, sealados por las lneas
En los robots con una configuracin tradicional, cada elemento tiene dos pares
sujecin, que solo tienen uno. El nmero
-
2-10
de pares cinemticos R y P es N-2, mientras que existe un nico par esfrico E. El
nmero de grados de libertad del mecanismo se puede, entonces, calcular como:
G=6 (N - 1) - 5 (N - 2) 3
y operando:
G = N + l [2-1]
Esta frmula solo es vlida para brazos manipuladores que cumplan las condiciones
citadas anteriormente.
Por ejemplo, todos los robots de la figuras 2-4 a la 2-9, pueden ser estudiados
mediante la frmula [1-1] el nmero de elementos de cualquiera de ellos es cinco
(soporte, cuerpo, brazo, antebrazo y mano) y, por lo tanto, el nmero de grados de
libertad es seis. Estos seis grados de libertad son tres parmetros para definir su
posicin y tres para definir su orientacin en el espacio.
2.5 Espacio de Trabajo
El volumen de trabajo es el trmino que se refiere al espacio dentro del cual el robot
puede manipular el extremo de su mueca. El convenio de utilizar el extremo de la
mueca para definir el volumen de trabajo del robot se adopta para evitar la
complicacin de diferentes tamaos de efectores finales, que podran unirse a la
mueca del robot. El efector final es una adicin al robot bsico y no debe contarse
como parte del espacio de trabajo del robot. Un efector final largo montado en la
mueca se aadira significativamente a la extensin del robot en comparacin con un
efector final ms pequeo. Adems, el efector final unido a la mueca podra no ser
capaz de alcanzar algunos puntos dentro del volumen normal de trabajo del robot
debido a la combinacin particular de lmites de articulaciones del brazo (2).
El volumen de trabajo viene determinado por las siguientes caractersticas fsicas del
robot:
-La configuracin fsica del robot.
-Los tamaos de los componentes del cuerpo, del brazo y de la mueca.
-Los limites de los movimientos de las articulaciones del robot.
-
2-11
Figura 2-12. Volumen de trabajo para diversas anatomas de robot (a) Polar, (b) Cilndrica y (c) Cartesiana
La influencia de la configuracin fsica sobre la forma del volumen de trabajo se
ilustra en la figura 2-12 . Un robot de coordenadas polares tiene un volumen de trabajo
que es una esfera parcial, un robot de coordenadas cilndricas tiene una envolvente de
trabajo cilndrica, un robot de coordenadas cartesianas tiene un espacio de trabajo de
forma rectangular y un robot de brazo articulado tiene un volumen de trabajo
aproximadamente esfrico. El tamao de la forma de cada volumen de trabajo est
influido por las dimensiones de los componentes del brazo y por los lmites de los
movimientos de sus articulaciones. Utilizando la configuracin cilndrica como ejemplo,
los lmites sobre la rotacin de la columna alrededor de la base determinaran que
parte de un cilindro completo podra alcanzar el robot con el extremo de su mueca.
El fabricante presenta el espacio de trabajo por medio de una imagen como la figura
2-13, con las dimensiones exactas del modelo del robot, es representado en vista
superior y lateral, aunque en este caso solo se est mostrando como ejemplo la vista
lateral.
2.6 Velocidad y precisin de movimientos
Velocidad de movimiento
La capacidad de velocidad, medida en la mueca, de robots industriales actuales
llega a ser mayor de 2m/s. En consecuencia, las ms altas velocidades pueden
obtenerse por robots grandes con el brazo extendido a su distancia mxima del eje
vertical del robot. Los robots hidrulicos tienden a ser ms rpidos que robots de
impulsin elctrica.
(a) (c)
(b)
-
Figura 2-13.Especificaciones de espacio de trabajo de un Robot Panasonic VR4/VR6
Figura 2-14. Relacin
Especificaciones de espacio de trabajo de un Robot Panasonic VR4/VR6
Relacin de la distancia frente a la velocidad.
2-12
Especificaciones de espacio de trabajo de un Robot Panasonic VR4/VR6
-
2-13
Por supuesto, la velocidad determina la rapidez con la que el robot puede realizar un
ciclo de trabajo determinado. Esta suele ser deseable en la produccin para hacer
mnima la duracin del ciclo de una tarea dada. Casi todos robots tienen algunos
medios para programar realizar ajustes en la velocidad. La determinacin de la
velocidad optima, adems de un simple intento para reducir al mnimo el tiempo del
ciclo de produccin, dependera tambin de otros factores, tales como:
La exactitud con la que debe situarse la mueca (efector final).
El peso del objeto que se manipula.
Las distancias a recorrer.
El tipo de impulsin. Hidrulica, Elctrica o Neumtica.
Suele existir una relacin inversa entre la exactitud y la velocidad de movimientos
del robot. Cuando se incrementa la exactitud requerida, el robot necesita ms tiempo
con el fin de reducir errores de localizacin en sus diversas articulaciones para
conseguir la posicin final deseada. El peso del objeto desplazado influye tambin
sobre la velocidad operativa. Objetos ms pesados significa mayor inercia y cantidad
de movimiento y el robot debe accionar con ms lentitud para tratar con seguridad
estos factores. La influencia de la distancia a recorrer por el manipulador del robot se
ilustra en la figura 2-14. Debido a problemas de aceleracin y deceleracin, un robot es
capaz de desplazarse en una distancia larga en menos tiempo que una secuencia de
distancias cortas, cuya suma sea igual a la distancia larga. Las distancias cortas
pueden no permitir al robot alcanzar la velocidad operativa programada (2).
Precisin de movimientos.
La precisin del movimiento del robot se define en funcin de tres caractersticas:
1. Resolucin especial.
2. Exactitud.
3. Repetitividad.
Estos trminos se definirn con los acuerdos siguientes. En primer lugar, las
definiciones se aplicaran al extremo de la mueca del robot sin ninguna mano unida a
-
la mueca. En segundo lugar,
desfavorables, bajo las cuales la
significar que el brazo del robot
articulado o de configuracin polar). En tercer lugar, nuestras definiciones se basan en
un movimiento de un robot punto a punto. Es decir, nos interesara la capacidad del
robot para conseguir una posicin dada dentro de su volumen de trabajo. Es ms fcil
definir las diversas caractersticas de precisin en condiciones estticas que en
condiciones dinmicas; y considerablemente difcil definir y medir la capacidad del
robot de lograr un movimiento de trayectoria definida en el espacio, porque sera
complicado teniendo en cuenta la velocidad y
-Resolucin espacial
La resolucin espacial de un robot se define como el
movimiento en el que el robot puede dividir su volumen de trabajo
resolucin espacial depende de dos factores: la
inexactitudes mecnicas del robot. La
sistema de control de posicin
la capacidad del controlador para dividir el margen total de movimiento para la
articulacin particular en incrementos individuales, que puedan regularse en el
controlador. Los incrementos se denom
viene dado por:
Numero de incrementos = 2
En donde n = nmeros de bits
Figura 2
Ejemplo 2-1. Utilizando el robot
equipo causado por una rotacin de la cintura y del hombro.
controles de posicin son de 12 bits
eca. En segundo lugar, los trminos se aplican a las condiciones
desfavorables, bajo las cuales la precisin del robot ser la peor posible. Esto suele
significar que el brazo del robot est completamente extendido (en el caso de un brazo
configuracin polar). En tercer lugar, nuestras definiciones se basan en
un movimiento de un robot punto a punto. Es decir, nos interesara la capacidad del
robot para conseguir una posicin dada dentro de su volumen de trabajo. Es ms fcil
diversas caractersticas de precisin en condiciones estticas que en
condiciones dinmicas; y considerablemente difcil definir y medir la capacidad del
robot de lograr un movimiento de trayectoria definida en el espacio, porque sera
o en cuenta la velocidad y aceleracin.
espacial de un robot se define como el ms pequeo increment
movimiento en el que el robot puede dividir su volumen de trabajo (Fig.
espacial depende de dos factores: la resolucin de control del sistema y las
del robot. La resolucin de control viene determinada por el
del robot y su sistema de medida de realimentacin
la capacidad del controlador para dividir el margen total de movimiento para la
particular en incrementos individuales, que puedan regularse en el
controlador. Los incrementos se denominan a veces, como puntos direccionables
Numero de incrementos = 2n
de bits del control de posicin.
Figura 2-15. Incremento de movimiento
robot de la figura 2-16 podemos calcular la resolucin del
equipo causado por una rotacin de la cintura y del hombro. Para este ejempla los
de 12 bits 4096 pasos.
2-14
condiciones ms
la peor posible. Esto suele
extendido (en el caso de un brazo
configuracin polar). En tercer lugar, nuestras definiciones se basan en
un movimiento de un robot punto a punto. Es decir, nos interesara la capacidad del
robot para conseguir una posicin dada dentro de su volumen de trabajo. Es ms fcil
diversas caractersticas de precisin en condiciones estticas que en
condiciones dinmicas; y considerablemente difcil definir y medir la capacidad del
robot de lograr un movimiento de trayectoria definida en el espacio, porque sera
o incremento de
Fig. 2-15) . La
de control del sistema y las
de control viene determinada por el
realimentacin. Es
la capacidad del controlador para dividir el margen total de movimiento para la
particular en incrementos individuales, que puedan regularse en el
direccionables, y
resolucin del
Para este ejempla los
-
Figura 2-16. Incrementos en movimiento del hombro y cintura, a) Vista lateral,
El avance se calcula determinando el radio del
al eje de giro como se muestra en la
Desplazamiento
Desplazamiento por el hombro.
Rotacin en el plano vertical
Un robot con varios grados de libertad
articulacin de movimiento. La
tomar para el peor caso. Las inexactitudes
uniones y articulaciones del robot y su sistema de medida de
otro factor que contribuye a la
proceden de la desviacin elstica
engranajes, tensin de los cordones de las poleas, fugas de fluidos
imperfecciones en el sistema mecnico
los robots ms grandes, simplemente porque los errores
con los componentes ms grandes. Las inexactitudes se
factores tales como la carga que se manipula, la velocidad con la que se desplaza el
brazo, las condiciones de mantenimiento del robot y otros elemen
. Incrementos en movimiento del hombro y cintura, a) Vista lateral, b) Vista superior
se calcula determinando el radio del crculo formado por el brazo en base
stra en la figura 2-15:
Desplazamiento
hombro. Desplazamiento por la cintura.
Rotacin en el plano horizontal
Un robot con varios grados de libertad tendra una resolucin de control para cada
a resolucin de control para el robot completo,
Las inexactitudes mecnicas en los componentes de las
uniones y articulaciones del robot y su sistema de medida de realimentacin
otro factor que contribuye a la resolucin espacial. Las inexactitudes
elstica en los miembros estructurales: holgura de los
de los cordones de las poleas, fugas de fluidos hidrulicos
mecnico. Estas inexactitudes tienden a ser peores para
grandes, simplemente porque los errores se hacen mucho mayores
grandes. Las inexactitudes se veran influidas
factores tales como la carga que se manipula, la velocidad con la que se desplaza el
brazo, las condiciones de mantenimiento del robot y otros elementos similares
2-15
b) Vista superior
formado por el brazo en base
Desplazamiento por la cintura.
de control para cada
de control para el robot completo, se debe
en los componentes de las
realimentacin forman
espacial. Las inexactitudes mecnicas
turales: holgura de los
hidrulicos y otras
. Estas inexactitudes tienden a ser peores para
se hacen mucho mayores
influidas tambin por
factores tales como la carga que se manipula, la velocidad con la que se desplaza el
tos similares (2).
-
-Exactitud
La exactitud se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo de su mu
en un punto de destino deseado dentro del volumen de trabajo. La exactitud de un
robot puede definirse en trminos
alcanzar un punto de destino determinado depende de cuan
definir los incrementos de control para cada uno de sus movimientos de las
articulaciones.
Figura 2-17. Resolucin y
En el caso ms desfavorable, el punto deseado
incrementos de control adyacentes. Ignorando, de momento, las inexactitudes
mecnicas que reduciran la exactitud del robot,
exactitud, en este supuesto ms
control. Esta relacin se ilustra en la
mecnicas afectaran a la capacidad para alcanzar la
consecuencia, se definir la exactitud del robot como una mitad de su
espacial, tal como se representa en la f
Figura 2-18. Exactitud y Resolucin exactitud donde las inexactitudes mecnicas se presentan en
La exactitud se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo de su mu
en un punto de destino deseado dentro del volumen de trabajo. La exactitud de un
trminos de resolucin espacial, porque la capacidad para
alcanzar un punto de destino determinado depende de cuan prximos pueda el robot
incrementos de control para cada uno de sus movimientos de las
Resolucin y exactitud sin inexactitudes mecnicas
desfavorable, el punto deseado estara a medio camino entre dos
incrementos de control adyacentes. Ignorando, de momento, las inexactitudes
la exactitud del robot, podramos definir inicialmente la
ms desfavorable, como una mitad de la resolucin
se ilustra en la figura 2-17. De hecho, las inexactitudes
a la capacidad para alcanzar la posicin
la exactitud del robot como una mitad de su
nta en la figura 2-18.
. Exactitud y Resolucin exactitud donde las inexactitudes mecnicas se presentan en
forma estadstica
2-16
La exactitud se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo de su mueca
en un punto de destino deseado dentro del volumen de trabajo. La exactitud de un
espacial, porque la capacidad para
pueda el robot
incrementos de control para cada uno de sus movimientos de las
a medio camino entre dos
incrementos de control adyacentes. Ignorando, de momento, las inexactitudes
definir inicialmente la
resolucin de
. De hecho, las inexactitudes
destino. En
la exactitud del robot como una mitad de su resolucin
. Exactitud y Resolucin exactitud donde las inexactitudes mecnicas se presentan en
