10 - robótica industrial

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Robótica industrial

2011 Automatización Industrial (11) 2

Óptica

Informática

Electrónica

Mecánica

Mecatrónica – La nueva disciplina

Mecatrónica

Procesamiento de información

(Micro) Óptica

Optomecánica Optoelectrónica

ModelamientoSimulación

Computaciónde procesos

(Micro)Mecánica

(Micro)Electrónica

Act./Sens.

Medición

Fuente: VDI-Nachrichten, 2005

Mecatrónica: Término en uso de 1990 para describir la disciplinas de la ingeniería que cubre la mecánica, electrónica e informática.


Historia

1801: Máquina textil (Jacquard) operada con tarjetas perforadas1830: Torno operado con levas1892: Grúa motorizada con manipulador de piezas de fundición1921: Primera referencia a la palabra robot en la obra teatral “R.U.R. o Rossum’s Universal Robot” del checo Karel Capek, estrenada en Londres. La palabra robota en checo significa labor forzada o esclavitud.1938: Mecanismo programable de pintura por aspersión1946: Sistema de reproducción de uso general para controlar máquinas. Primer computador electrónico (ENIAC)1948: Norbert Wiener (M.I.T.) publica “Cibernética”1951: Brazo articulado operado a distancia diseñado para la Comisión de Energía Atómica1954: Primer robot programable (Unimation)1959: Primer robot comercial1962: Primer robot industrial en producción en línea (General Motors)


Historia (cont.)

1964: Laboratorios de investigación en inteligencia artificial en M.I.T., S.R.I., Universidades de Stanford y Edinburgo1968: Primer robot con capacidad de visión1973: “T3 - The Tomorrow Tool” primer robot comercial controlado por minicomputadora1976: Brazos de robot en las sondas Viking 1 y 2, controlados por microcomputadoras1977: Primeros robots eléctricos desarrollados en Europa por ASEA1978: “PUMA - Programmable Universal Machine for Assembly”desarrollado por Unimation con apoyo de General Motors1980: Crecimiento acelerado de la industria de robots1987: Mercado de robots en U.S.A. estimado en $170 mil millones1990: Más de 40 companías de robots comerciales en Japón (incluyendo gigantes como Mitsubishi y Hitachi) y 12 en U.S.A.2000 en adelante: Combinación de robots inteligentes con sistemas sensoriales.


Robots - Definiciones

Robot Institute of America:“Un robot es un manipuladorreprogramable y multifuncional, diseñado para mover material, partes, herramientas o aparatos especiales mediante una serie de movimientos programados para el desarrollo de tareas específicas”Mikell Groover:“Un robot industrial es una máquina programable de propósito genérico que posee ciertas características antropomórficas”

Robots ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) de Honda jugando fútbol.


Analogía en partes y movimientoscon el cuerpo humano

cintura

hombro

codo

muñeca

cuerpobrazo

antebrazo

dedos (grippers)


¿Qué caracteriza a un robot?

Realiza operaciones de manipulación y/o fabricaciónEs programablePuede realizar movimientos complejos con gran velocidad y precisiónEstá integrado dentro de un sistema de manufactura automatizado


Especificaciones de performance

Capacidad:Peso o Fuerza (normal y máxima)VelocidadFormas de objetos que puede manipularEspacio de trabajo

Grados de libertad:Complejidad de movimientos que puede realizar

Precisión, repetibilidad:Capacidad de volver al mismo punto una y otra vez, aún después de un tiempo prolongado de operación


Tipos de robots

Manipuladores y de fabricaciónCartesianos

Cilíndricos

Esféricos

Brazos articulados

SCARA

De servicio, móviles

De entretenimiento(humanoides, mascotas)

Robots QRIO (Quest for cuRIOsity)y AIBO (Artificial Intelligence roBOt)de SONY Corporation


Grados de libertad

Es el número de puntos de movimiento independiente que posee un robot. Cada movimiento puede ser:

Lineal (prismático o axial)Rotación (giro alrededor de un eje)Planar (giro + desplazamiento lineal)

Los robots típicos tienen de 3 a 6 grados de libertadCon menos de 3 G.L. se llaman sólo manipuladores


Robot cartesiano (Gantry): Tres movimientos lineales en ejes perpendiculares (3 grados de libertad). Tiene el mayor campo de trabajo.Robot cilíndrico: Movimientos en dos ejes lineales perpendiculares + giro en plano perpendicular al primer eje (3 grados de libertad)Robot esférico (polar): Dos movimientos de giro en planos perpendiculares + movimiento lineal (3 grados de libertad)

Configuraciones de movimientos

Cartesiano

Cilíndrico

Esférico (polar)


Brazo articulado: Varios movimientos de giro en ejes perpendiculares o paralelos (4 a 6 grados de libertad)SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm): Caso especial de robot cilíndrico con dos giros + 1 o 2 movimientos lineales en ejes paralelos (3 a 4 grados de libertad). Ideal para tareas de montaje de partes (pick and place).

Configuraciones de movimientos

Articulado

SCARA


Cinemática y dinámica del robot

Modelo cinemático directo: Calcula la posición y orientación del elemento final respecto al marco de la base.Modelo cinemático inverso: Calcula los posibles conjuntos de ángulos de las articulaciones para una posición y orientación deseada del elemento final.Modelo dinámico: Calcula las funciones de par usando las ecuaciones dinámicas del robot o también la aceleración y movimiento en función del par actuador.


Esquema de sistema de control

ServocontroladorArticulación 1

Amplificadorde potencia

Sensoresinternos

ServocontroladorArticulación 2


Sensoresinternos

ServocontroladorArticulación n


Sensoresinternos

CPUgenérica

Memoria

Comunicaciones

Interfaz deusuario

Dispositivos dealmacenamiento Servomotor 1

Servomotor 2

Servomotor nFuente: Aracil et al, 2002


Sensores de posición y velocidad

Rango limitado de medidas

Alta resolu-ción

Las señales de salida codificadas representan el ángulo absoluto de giro

AngularEncoder absoluto

Errores acumulables, necesita marca de cero

Barato, sencillo, rango ilimitado

Giro del disco/regla produce pulsos de contaje en el fotorreceptor

Angular

Lineal

Encoder incrementalRegla óptica

Datos ambiguos, digitalización costosa

Robusto, sencillo, barato

Excitando el rotor se obtienen dos señales de con amplitud proporcional al desplazamiento

AngularLineal

ResolverInductosyn

Linealidad, imprecisión mecánica

Barato, tamaño reducido

Tensión proporcional al desplazamiento o ángulo girado

lineal/angularPotenciómetro

DesventajasVentajasPrincipioMediciónTransductor


Sensores de posición y velocidad

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

1arctanaaα

Resolver: Permite convertir la posición angular de un rotor en una señal eléctrica. Si se excita el rotor R con una tensión alterna, las amplitudes a1 y a2 de las tensiones inducidas en S1 y S2 corresponden al seno y coseno de la posición angular del rotor α:

Encoder: Permite convertir la posición angular relativa (encoder incremental) o absoluta (encoder absoluto) de un eje rotatorio. Se utilizan principios ópticos (el más común), magnéticos y de contacto eléctrico. También existen encoders lineales. En la figura, los diodos emisores de luz (o IR) producen un patrón de interferencia entre la placa codificada rotatoria y la máscara fija. Los sensores de luz A, B y Z captan dichas señales.


Servomotores

Reductorplanetario

Codificadorde posición


Reductores armónicos

Características: Reductor coaxial de alta relación (50:1 a 160:1), alto rendimiento mecánico, compacto y juego angular casi nulo (repetibilidad 1’). El engranaje interior ovalado (flexible) tiene por lo general dos dientes menos que la corona exterior (rígida)


Pinzas y herramientas

Pinza:Agarrar o sostener piezasCapacidad de medir presión

Herramientas:DestornilladoresSoldadoresTaladrosElectrodosCuchillas


Métodos de programación

Por terminales dedicados (movimiento a control remoto y almacenamiento de puntos y secuencias)Por programa textual en consola o PC (diversos lenguajes)Por imitación de movimientos humanos (brazos articulados con sistemas sensoriales o cámaras que captan puntos luminosos)


Aplicaciones industriales

SoldaduraPrecisiónRapidez

Manipulación y montajeSeguridadGrandes pesos

Pintura por “spray”uniformidadrapidez

FabricaciónEnsamblaje (motores, componentes electrónicos)


Mercado mundial de robots industriales


Mercado mundial de robots de servicio


Tendencias futuras

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