ROBOTSUVG MTRO. HUMBERTO AQUINO ESPINOSA

Abril, 2012

ANTECEDENTES HISTORICOSDurante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muecos mecnicos muy ingeniosos que tenan algunas caractersticas de robots. En 1772, Pierre Jaquet-Droz (1721-1790) invent un escritor automtico. En 1805, Henri Maillardert construy una mueca mecnica que era capaz de hacer dibujos..

Hubo otras invenciones mecnicas durante la revolucin industrial, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la produccin textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecnica de Crompton (1779), el telar mecnico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard (1801), y otros.

La palabra Robot fue usada por primera vez en el ao 1921, cuando el escritor checo Karel Capek (1890-1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossums Universal Robot (R.U.R). Su origen es la palabra eslava Robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada. Pero sin duda alguna, fue el escritor americano de origen ruso Isaac Asimov (1920-1992) el mximo impulsor de la palabra robot. En Octubre de 1945 public en la revista Galaxy Science Fiction una historia en la que por primera vez enunci sus tres leyes de la robtica. : Un robot no puede perjudicar a un ser humano.Un robot ha de obedecer las rdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales rdenes entran en conflicto con la primera ley. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal proteccin no entre en conflicto con la primera y segunda ley. Se le atribuye a Asimov la creacin del trmino robotics (Robtica) y sin lugar a duda, desde su obra literaria, ha contribuido decisivamente a la divulgacin y difusin de la robtica.

Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robtica Industrial:1 El laboratorio ARGONNE, disea en 1950 manipuladores maestro-esclavo para manejar material radioactivo.

Unimation, fundada en 1958 y absorbida por Whestinghouse, realiza los primeros proyectos de robots a principios de los 60s, instalando el primero 2 en 1961 y en 1967, un conjunto de ellos en una fabrica de general motors. En 1970 se inicia la implantacin 3 4 Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT en 1970, controlan un robot mediante computador. En el ao de 1975, el microprocesador transforma el robot y sus caractersticas.

A partir de 1980, el impulso sobre la informtica aplicada y la experimentacin de los sensores, potencian la configuracin del robot 5 inteligente para adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real y adecuarlas para cada situacin.

DEFINICIN Y CLASIFICACIN DEL ROBOT

Definicin de robot industrial:Para los japoneses un robot industrial es un dispositivo mecnico dotado de articulaciones mviles destinado a la manipulacin, el mercado occidental es ms restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. Para el Occidente. La definicin mas aceptada posiblemente sea la de la Asociacin de Industrias Robticas (RIA), donde un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, segn trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.

Para la Organizacin Internacional de Estndares (ISO) un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales segn trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas. Una definicin establecida por la Asociacin Francesa de Normalizacin (AFNOR) que define al manipulador y al robot: Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre si, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Robot: manipulador automtico servo controlado, reprogramable, capaz de posicionar y orientar piezas, tiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecucin de tareas variadas. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepcin del entorno.

Clasificacin de robot industrialLa evolucin de la automatizacin ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuacin:

1._ Manipuladores: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. De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caractersticas de los ciclos de trabajo. Se debe considerar seriamente el empleo de manipuladores cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.

2._ Robots de repeticin o aprendizaje: Son manipuladores limitados a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano. En este tipo de robots, el operario en la fase de enseanza, se vale de una pistola de programacin, o bien, de joystics. La programacin de tipo "gestual".

3.- Robots con control por computador: Son manipuladores o sistemasmecnicos multifuncionales, controlados por un computador. El control por computador dispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se confecciona un programa de aplicacin utilizando solo el terminal del computador, no el brazo (Programacin textual), exige la preparacin de personal calificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informtico. 4.- Robots inteligentes: Similares a los anteriores, son capaces de relacionarse con su entorno a travs de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto programable). La visin artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que ms estn estudiando para su aplicacin en los robots inteligentes.

5.- Micro-robots: Educacionales: de entretenimiento o investigacin, existen micro-robots a precio muy asequible, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicacin industrial

Clasificacin de los robots segn la AFRI.Tipo A Manipulador con control manual o telemando. Manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacin mediante fines de Tipo B carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico. Robot programable con trayectoria continua o Tipo C 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.

Otra clasificacin del robot industrial, es la entregada por la IFR (Federacin Internacional de Robotica), la cual distingue entre cuatro tipos de robots:Robot secuencial:

Robot de trayectoria controlable:

Robot adaptativo:

Robot telemanipulado:

La clasificacin AFRI (Asociacin Francesa de Robotica Industrial) coincide ampliamente con la establecida por la IFR (Federacin Internacional de Robotica)Tipo A Manipulador con control manual o telemando. Manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacin mediante fines de Tipo B carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico. Robot programable con trayectoria continua o Tipo C 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.

Ms simple y especfica es la clasificacin de los robots segn generaciones en la tabla Clasificacin de los robots industriales por generaciones:

Primera

Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones de su entorno. Adquiere informacin limitada de su entorno y acta en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visin) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia. Su programacin se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee la capacidad para la planificacin automtica de sus tareas.

Segunda

Tercera

MORFOLOGA DEL ROBOTUn robot esta formado por los siguientes elementos:

Estructura mecnica. Transmisiones. Sistema de Accionamiento. Sistema Sensorial. Sistema de Control y Elementos Terminales.

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.

CARACTERSTICAS MORFOLGICAS

Grados de libertad (GDL). Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador. Capacidad de Carga. Exactitud y Repetibilidad. Precisin en la Repetibilidad. La Resolucin del Mando. Velocidad.

LOS BRAZOS DEL ROBOTConfiguraciones Bsicas: El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con caractersticas a tener en cuenta en el diseo y construccin como en su aplicacin. Las combinaciones ms frecuentes son las explicadas a continuacin, donde se atiende nicamente las primeras articulaciones del robot, que son las ms importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto del espacio.

Configuraciones Bsicas: Cartesiano / Rectilneo: Esta configuracin se usa cuando un espacio de trabajo es grande y debe cubrirse o cuando la exactitud consiste en la espera del robot.

Figura 3. Diagrama Robot cartesiano.

Figura 4. Robot Cartesiano Real (Seiko XM-3000)

Configuraciones Bsicas: Cilndrico: Este robot satisface bien a los espacios de trabajo redondos.

Figura 5. Diagrama Robot Cilndrico.

Figura 6. Robot Cilndrico Real (Seiko RT-3300)

Configuraciones Bsicas: Esfrico: Dos junturas de rotacin y una juntura prismtica permiten al robot apuntar en muchas direcciones y entonces extiende la mano a un poco de distancia radial.

Figura 7. Diagrama Robot Esfrico.

Figura 8. Robot Esfrico Real (Unimate 5000)

Configuraciones Bsicas: Angular: Estos tipos de robots, la mayora se parecen al brazo humano, con una cintura, el hombro, el codo, la mueca.

Figura 9. Diagrama Robot Angular.

Figura 10. Robot Angular Real (ABB 1400)

Configuraciones Bsicas: Scara: Este robot conforma a las coordenadas cilndricas, pero el radio y la rotacin se obtiene por uno o dos eslabones del planar con las junturas de rotacin.

Figura 11. Diagrama Robot Scara.

Figura 12. Robot Scara Real (Adept A3)

ESTRUCTURA MECANICA DE UN ROBOTUn robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecnica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos terminales. Mecnicamente, un robot esta formado por eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada uno de los eslabones consecutivos. Para hacer referencia a los elementos que componen el robot, se usan trminos como cuerpo, brazo, codo y mueca (ver figura 13a y 13b).

Figura 13a. Homlogia entre el Brazo Humano y un Brazo Robot.

Figura 13b. Equivalencia de extremidades en un Brazo Robot.

Sistemas de Robots Basicos. Los componentes bsicos de un robot son: La estructura mecnica: Los eslabones, base, etc. Actuadores: Los motores, los cilindros, etc., tambin podra incluir los mecanismos para una transmisin, etc. Control a la Computadora: Esta computadora une con el usuario las junturas del robot. El extremo de Brazo que labora con herramienta (EOAT): La programacin que proporciona el usuario se disea para las tareas especficas.

Carga Util. Las consideraciones Estticas: La gravedad (Causa desviacin descendente del brazo y sistemas de apoyo). Manejo a menudo de cubiertas (traen lentitud la repercusin negativa). El trabajo de la juntura (Miembros rotatorios largos se tuercen bajo la carga). Los efectos termales (la temperatura modifica las dimensinales en el manipulador).

Carga Util. Las consideraciones Dinamicas: La aceleracin efecta: las fuerzas inerciales pueden llevar a la desviacin en los miembros estructurales. Repetibilidad: Esto significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto repetidamente, no siempre se detendr en la misma posicin. La exactitud: Esto es determinado por la resolucin del espacio de trabajo. Tiempo de establecimiento: Es el tiempo requerido por el robot, para estar dentro de una distancia dada a la ltima posicin. Control de la Resolucin: Es el cambio ms pequeo que puede medirse por los sensores de la regeneracin, a causa del actuador. Las coordenadas: Las coordenadas son una combinacin de la posicin del origen y la orientacin de los eslabones.

CONTROL DE ROBOTS

En este capitulo se estudiarn las diversas formas de control de actuadores robticos a partir de las tcnicas y mtodos de modelizacin, en concreto, usando la formulacin de Laplace aplicada a sistemas lineales.

Tcnicas de control clsico sobre motores C.C.

Diagrama de bloques para el control de un motor CC

Amplificador de potencia que alimenta al motor Funcin de Transferencia del Motor

La Kg: es la constante del tacmetro que relaciona la velocidad angular medida con la seal que ste genera.

La Kp: es la constante de realimentacin de posicin.

El bloque 1/s situado a la salida del motor representa en cierto sentido a un codificador ptico, y da cuenta del hecho de que la f.d.t. del motor relaciona tensin V con velocidad angular, , mientras que lo que se lee usando el codificador es la posicin angular . La entrada al bucle ms interno es el error en la velocidad en cada momento, y puede ser visto como un comando de velocidad deseada.

Analisis cuando no hay realimentacin de velocidad (no hay tacmetro), considerando Kg = 0.

Siendo K = AKmKp

Lugar de las races con Kg = 0

Anlisis el caso en que se aplica realimentacin en velocidad (Kg no es nula)

equivalente a

Control de un motor CC: realim. en velocidad

Ecuacin caracterstica y lugar de las races con Kg

0

Otra forma tambin usada habitualmente de aproximar el motor realimentado en velocidad como un sistema de segundo orden es la que se aplica cuando se considera que el amplificador tiene una respuesta mucho ms rpida que el motor.

Funcin de transferencia del lazo mas interno

Funcin de transferencia total

donde se observa que este sistema puede escribirse en la forma del sistema standard de segundo orden, donde

Podemos variar Kp y Kg, y variar con ello , dando al sistema el carcter sobreamortiguado que deseamos, pues el amortiguamiento es directamente proporcional a Kg e inversamente proporcional a la raz de Kp

Para finalizar, veamos el caso ms general no simplificado de control de un motor de CC, en el que no se considera que los torques gravitacionales ni de las fuerzas externas sean nulos. Aqu ya no se puede simplificar el motor considerndolo un sistema de primer orden, sino que debe ser tomado como un sistema con dos entradas.

Diagrama del motor CC no simplificado

Diagrama completo

Funcin de transferencia

Control PID de un motor CC

Respuesta a escaln de un motor CC.

Control de una ArticulacinLos datos de posicin y velocidad presente se pueden obtener de varios modos. Veamos los posibles casos:

Posicin digital y velocidad analgica con sensores diferentes: se usan un codificador ptico para medir laposicin y un tacmetro para medir la velocidad es lento. Posicin digital y velocidad digital: Aqu slo se usara un codificador ptico que generara una seal digital para la posicin, y la velocidad se obtendra numricamente a

partir de sta.

Control de una articulacin

Control Adaptativo Hemos suspuesto en todo momento que la carga que el brazo mova, y sus inercias, eran constantes. Esto no es cierto. De hecho, el conjunto de parmetros de control (Kp, Kg o bien Kp, KI, Kd) diseados para movimientos alrededor de cierta posicin pueden no ser vlidos para otra. Lo que se suele hacer es tomar parmetros muy conservadores, en el sentido de que el punto de funcionamiento (los polos del sistema) estn muy lejos de la inestabilidad; pero esto provoca un fuerte amortiguamiento, y el sistema es lento.

Esquema de control adaptativo

El mdulo de adaptacin que se muestra tendra dos partes: un medidor de cun bien (o mal) est actuando el controlador, definiendo un ndice de eficiencia, y otro mdulo que genere cambios en los parmetros del controlador, los cuales dependeran de la posicin, del error en la posicin y de la seal de control, de tal modo que se consiguiera minimizar el ndice de eficiencia. Este mdulo puede ser una red neuronal, un sistema basado en reglas que use lgica difusa, u otro similar.