Principios mecánicos de un brazo robot

El brazo consta de tres movimientos: Giro horizontal, vertical y el control de la pinza que simula los dedos de la mano. En realidad el diseño de éste experimento no es tan sofisticado como otros proyectos de robótica, pero explica los fenómenos más simples de la mecánica y el comportamiento de los motores. Una de las mejoras que se pudieron haber implementado, es el uso de servomotores o motores de dos tiempos, éstos ayudarían a un movimiento más preciso y con más fuerza.

Uno de los problemas clásicos en el diseño de brazos mecánicos es su peso, el cual genera un torque (fuerza angular) que debe ser soportado por motores, que a su vez tienen que tener fuerza adicional para soportar el torque generado por el peso de un objeto que pueda sujetar. Torque: Es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna cosa. Al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas. En términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la palanca (Torque = F x D) y se mide comúnmente en Newtons metro.

El centro de masas es un punto del espacio que representa una especie de media de las posiciones y las masas de los trozos que forman el sistema. Si pensamos, por ejemplo, en una pelota de tenis, su centro de masas está precisamente en su centro, en el interior de la pelota. Si pensamos en dos

naranjas separadas por un metro, su centro de masas está a medio metro de cada una de ellas. En cuanto a la Tierra y la Luna, su centro de masas está en la línea que las une, más cerca del centro de la Tierra que de la Luna, ya que la Tierra es mayor y tiene más masa, de hecho, está tan cerca que está dentro de la Tierra. El centro de masas de una cosa plana está en el punto donde podrías equilibrarla sobre la punta de un lápiz.

Para comprender esta explicación, sólo necesitamos saber que es algo que depende de la masa y la posición de las partes del sistema, que en casos comunes está más o menos cerca de su centro, en el significado usual de la palabra, y que está más cerca de las partes con más masa del sistema que de las que tienen menos masa: Como en el caso de la Tierra y la Luna.

¿Cómo podemos aplicar este concepto a un brazo mecánico?

Imaginemos un elemental, sin pinza ni codo, solamente una articulación, en este caso el hombro. Este tiene la capacidad de girar para proporcionarle a nuestro brazo un movimiento de abajo hacia arriba en el plano vertical, por ejemplo unos 270 grados, teniendo como referencia de cero unos 45 grados por debajo del plano horizontal. El brazo tiene un peso uniformemente distribuido, es decir su centro de masa está justamente a la mitad. El motor que genera el movimiento tiene que tener la capacidad de soportar el torque que genera ese peso justo a la mitad de la distancia del brazo o sea su centro de masas: Torque = Peso X Largo/2. Este torque será mayor entre más largo y pesado sea nuestro brazo, una solución sería acortarlo o eliminar peso con materiales más liviano. Pero siempre tenemos torque que vencer.

¿Qué ocurre si corremos el centro de masas hacia el eje? Al correr el centro de masas al eje de giro del hombro, el torque que este produce el literalmente cero (Torque = Peso X 0), pero ¿cómo es posible correr el centro de masas de un brazo? Pues la solución es relativamente sencilla, solo hay que colocar una pequeña extensión en el hombro, y a esta colocarle un contrapeso lo suficientemente pesado como para contra restar el peso de la otra parte del brazo. Suena contradictorio pero funciona, y un ejemplo practico es él sube y baja, pues no se necesita de una gran fuerza para hacerlo girar, pese a que en su eje se soporta el peso de todo el sistema: El sube y baja y los dos niños. En un sistema balanceado, el eje recibe el peso sobre sí mismo y no fuera de él, o sea da lo mismo que el brazo este en posición horizontal o vertical o en cualquier ángulo que uno desee.

Como contrapeso se puede utilizar el mismo motor que hará girar el brazo y posiblemente un peso con plomo si es necesario. Lo mismo se puede aplicar para cada sección de un brazo con codo. Con este principio lo único que

nuestro motor debe soportar es el torque que genera el peso de un objeto que nuestro brazo pueda sujetar.

La figura 1 muestra el modelo terminado del brazo,

Esta imagen corresponde a un modelo comercial denominado ARMDROID, que se utiliza con fines didácticos.

DESCRIPCION TECNICA

En la figura 2 se puede apreciar un diagrama del ARMDROID con todas sus partes detalladas:

Como se puede apreciar este modelo es un brazo muy completo, que posee cuatro ejes de movimiento: Base, Hombro, Codo y Muñeca. Como se ha comentado antes, no es necesario tener todos estos movimientos en un primer diseño. Por ejemplo el movimiento de la muñeca suele complicar bastante el diseño y puede ser obviado perfectamente, sin que esto disminuya demasiado la capacidad de trabajo del brazo.

En la figura 3 se pueden apreciar los ángulos de giro clásicos de las distintas articulaciones.

Si bien no se aprecia el ángulo de giro de la base, ésta posee un movimiento de derecha a izquierda y viceversa, con un ángulo de giro generalmente limitado por los cables que conectan el cuerpo del brazo con la base de apoyo. De todas formas, con un buen diseño, es posible alcanzar ángulos de giro muy cercanos a los 360°.

En la construcción de este modelo se utilizan 6 motores paso a paso. Uno es utilizado para el movimiento lateral de la base, un segundo y tercer motor para dar movimiento al brazo y antebrazo, un cuarto y quinto motor para accionar la muñeca hacia arriba y abajo y darle giro, y el sexto y último motor para controlar la apertura y cierre del aprehensor de la mano.

Los motores se ubican principalmente en la base para evitar cargar con pesos adicionales las extremidades, ya que esto redundaría en tener que usar motores más potentes para lograr mover las mismas.

La conexión mecánica entre los motores y los ejes de cada extremidad se realiza por medio de delgados cables de acero, engranajes y poleas, según se aprecia en la figura 4.

ALTERNATICA A LOS MOTORES PASO A PASO

También es posible accionar un brazo mecánico mediante el uso de motorreductores o bien motores DC con cajas reductoras adecuadas.

El resto de la mecánica no cambia, pero hay que tener en cuenta que en los motores DC, a diferencia de los motores paso a paso, no es posible controlar su giro. Estos giran una vez aplicada la energía y no hay forma de saber cuánto han girado.

Para solucionar esto, se puede hacer uso de un sistema de retroalimentación que nos informe en que posición se encuentra cada eje y de esta forma sabremos cuándo debemos accionar o detener un motor y a su vez hacia qué lado debe girar el mismo.

Este sistema es comúnmente llamado Servomecanismo, y para realizarlo basta simplemente con hacer uso de un potenciómetro lineal conectado mecánicamente con cada eje que se desee controlar. De esta forma, cada vez que el eje gire, también girará el potenciómetro del cual podemos obtener una lectura analógica de la posición del eje.

APLICACIONES DEL BRAZO MECANICO

A medida que el desarrollo tecnológico permite crear robots cada vez más complejos, las empresas cada vez más deciden optar por sistemas robotizados. Entre estos robots en la mayoría de los casos se trata de brazos robóticos.

En su sentido estricto, un brazo robot no es más que una estructura mecánica que consiste de barras unidas mediante distintos tipos de articulaciones que permiten el desplazamiento de las mismas, ya sea rotacional o movimiento de traslación. En el extremo de la barra más separada de la base se encuentra lo que en el mundo sajón se le conoce como “end effector” que es la pieza análoga a la mano en el brazo humano.

Es cierto que en el mercado doméstico los brazos robot son todavia

considerados como algo de ciencia ficción y de sofisticadísima tecnología. Es cierto que en la última década el principal entorno de los brazos robot ha sido el entorno industrial. Pues bien conocidos son los brazo robots de la industria automóbilistica, en donde realizan labores de soldadura, atornillamiento y colocación de piezas a lo largo de enormes cadenas de montaje.

Sin embargo, pese a la mencionada percepción generalizada de “fábrica de coches - brazos robot” los brazos robot existen en muchísimos otros entornos industriales y sirven incluso en las misiones espaciales como herramienta principal del transbordador para colocar los satélites en el espacio o recojerlos. “Bueno, en las fábricas y en la NASA” podria decir cualquiera.

Pero lo bien cierto es que en el último lustro se han llegado a ver aplicaciones de brazos robot que se acercan más al entorno doméstico. Por ejemplo en muchísimas naves industriales se utilizan brazos robot sobre railes para almacenar y recuperar la carga, con lo que se ahorra espacio y tiempo. Todavia

no estamos cerca del entorno doméstico? Pues bien, dicho sistema logístico se esta comenzando a utilizar ya en las grandes farmacias con el mismo fin: el cliente solicita lo que quiere y el brazo robot se lo acerca al mostrador. Todavia los brazos robot no estan lo bastante cerca? Vale, pues conviene saber que la aplicación en la medicina no es menos exitosa: actualmente se utilizan brazos robot controlados a distancia en operaciones quirúrgicas, no se vosostros, pero para mucha gente eso es tener un brazo robot bastante cerca.

Y es que las ventajas que ofrece la robótica saltan a la vista. Un sistema robótico suele ser más rápido, robusto, preciso y fiable que el mejor operario del mundo. Además de no necesitar tiempos para el almuerzo, no realizar huelgas, no requerir seguridad social y no importarle trabajar en cualquier hora del día.

Los Brazos Robots en la Industria

Los robots tienen un gran protagonismo en la sociedad actual por muchas razones obvias como: minimizan gastos de Seguros Sociales, trabajan las 24 horas, no se cansan, son precisos, no se quejan, no piden permiso para ausentarse a los trabajos etc…

Es por eso que el noventa por ciento de los robots trabajan en fábricas, y más de la mitad hacen automóviles; siendo las compañías automotrices altamente automatizadas gracias al uso de los brazos robot, quedando la mayoría de los

seres humanos en labores de supervisión o mantenimiento de los robots y otras Máquinas.

Otras de las labores realizadas por los brazos robots son: labores en el campo de los alimentos o en la Industria como por ejemplo:

Un dispositivo de este tipo selecciona los chocolates que corresponden para armar una caja.

Esto lo logra mediante el uso de sensores que identifican los diferentes elementos que conforman una caja del producto, luego de ser identificados son tomados uno a uno y depositados en las cajas.

También para embotellar en el caso de producciones industriales o enlatar teniendo capacidades de seleccionar y depositar producto en los depósitos predestinados.

En el mundo actual los robots cada vez realizan más tareas y más complejas. Conocerlos y saberlos aprovechar es de capital imprtancia para qualquier empresa que quiera estar en el filo del mercado.

Referencia Bibliografica:

www.webelectronica.com

www.todorobot.com

http://www.forosdeelectronica.com

http://www.brazorobot.com/

http://www.eurobots.net/?gclid=COj3tsSfgKICFRIhnAodR2-4GQ

www.cosmos.com.mx

Libro:     mickell p groover 1989 "robotica industrial"