Capitulo 3Fundamentos de Rob6ticaJ

Actualmente en el mundo real, tenemos robots.Su numero esta creciendo cada vez mas de prisay sus capacidades se vuelven cada vez mas impre-sionantes. Elios se ocupan de las tareas infrahuma-nas, sucias e indignas, dejando a los seres hu-manos y a nuesttas almas gloriosamente intactas.

Joseph F. Engelberger

ConceptosFundamentales de Rob6ticaj

.Rob6tica, es una palabra que evoca en la mente de muchos, imagenes diversas, comoandroides de movimientos espasm6dicos, mecanismos antropomorfos con carac-teristicas humanas y hasta mecanismos complejos automatizados. Para otros, eltermino sugiere automatismos para entretenimiento 0 de caracter domestico. Larealidad es que 105robots estan invadiendo el mundo, como expresara Engelberger,los robots actualmente los tenemos en el mundo real, su numero crece cada vez masde prisa y sus capacidades se vuelven cada vez mas impresionantes.

El termino robot, se debe al escritor checo Karel Caget en los aiios veinte yproviene del verba eslavo "robotat", que significa "trabajar~'.

En los ultimos aiios se ha introducido, en el campo industrial, el termino"rob6tica" con un significado y una fuerza capaz de reconfigurar los sistemastradicionales de automatizaci6n y de productividad industrial.

La rob6tica inaugura una nueva etapa en eJ proceso de mecanizaci6n y automa-tizaci6n de los procesos de manufactura. Por su gran importancia tecno16gica, losestudiantes de ingenieria, de cualquier parte del mundo, deben capacitarse en estecampo del conocimiento, aprovechando almiximo, estatecnologia, para aplicarla 10mas adecuadamente en el campo industrial. .

El presente capitulo y el siguiente, no pretenden hacer:Ull estudio exhaustivo dela rob6tica, sino introducir de una manera sencilla y clara al estudiante de ingenieriaen la aplicaci6n de esta tecnologia, para loscapitulos posteriores poner las bases dela integraci6n de los robots con otros sistemas avanzados de manufactura.

El ,robot industrial, surge de la integraci6n de su. estructura mednica y de un1?istemaelectr6nico de mandg, en el que se integra una computadora. Esta conjunci6nhace posible la programaci6n y el control de los movimientos del brazo. Asimismo,esta conjunci6n hace posible memorizar las diversas secuencias de trabajo.

El primer robot comercial, fue desarrollado por el ingeniero G. C. Devol aprincipios de los sesenta, y represent6 el comienzo de la rob6tica industrial.

El verdadero desarrollo de la robotica, se inicia a mediados de los aftos sesenta,aparetiendo los primeros modelos de Unimat~ (IInjversal Automation) y de Versatran(Versatil Transfer), que fueron considerados como los prototipos de los robotsmodernos. Asimismo surgieron las primeras asociaciones nacionales de robotica,siendo las de mayor importancia:

-Japan Industrial Robot Association (JlRA).- Robot Industries Association (RIA).- British Robot Association (BRA).

Igualmente se dio el inicio de las celebraciones internacionales. En 1970, seorganiza el primer Simposio Internacional sobre robotica Industrial, que al paso delos aftos, se convirtio en el foro mas importante de intercambio de conocimientos yexperiencias sobre robotica industrial.

-Definicion de Robot Industrial I

La Robot Industries Association (RIA), define al robot como un manipulador pro-gramable y multifuncion~, diseftado para !p0ver ~argas, piezas, he~ramientas, dispo-sitivos especiales, segun variadas trayectorias programadas para realizar diferentestrabajos.

Otra definicion dice que un robot industrial, es un manipulador programablecontrolado por computado~ diseftado para producir movimientos similares a los delos seres humanos, con el proposito de realizar un numero variable de trabajosindustriales sin la intervencion humana. Estos trabajos son del tipo repetitivo,fatigosos 0 de caracter peligroso.

Caracterfsticas de un Robot Industrialt

Un robot industrial posee caracteristicas peculiares que 10 identifican en cuanto aposibilidades y aplicaciones. A contin..uacion ITl~ncionamos las principales:

.§..robot efecrua multitareas /

Mientras que las maquinas automaticas tradicionales son especializadas para realizaruna 0 ciertas tareas, el robot industrial es proyectado de una manera relativamenteindependiente de trabajos particulares 0 especificos. En otras palabras, el robot tienela capacidad de realizar t~reas diversas y eficientement<;::

El robot es flexible f

La capacidad de multi tare as implica flexibilidad respecto a la gama de trabajos que elrobot puede realizar. El robot tiene la ~pacidad de cambiar en un tiempo relati-vamente corto, el tipo de trabajo 0 el cielo operativo a realizar. La posibilidad deprogramarlos y su adaptabilidad, los hacen indispensables en los sistemas flexiblesde manufactura.

?l robot aprende y memoriza /

Mediante la programaci6n, el robot aprende a efectuar ciertas operaciones, yes capazde memorizar operaciones diversas y complejas, para repetirlas cuantas veces seanecesario. Asimismo es capaz de seleccionar entre un numero determinado dealternativas .

.§l robot y su movilidadj

La movilidad expresa la capacidad del robot para moverse, la cual puede referirse almovimiento de conjunto del robot, 0 bien al movimiento de sus partes, tales como:cuerpo, brazos 0 elementos terminales. .

La movilidad puede ser:Por articulaci6n, como es el caso del cuerpo, brazos y muiiec.as.Por traslaci6n, como en los sistemas deslizantes.

El robot y su capacidad sensorial/

La capacidad sensorial proporciona al robot el conocimiento de su entorno (perceJ2-ci6n exterior) y de s1mismo Cpercepci6n propia).

La percepci6n exterior, se conoc~ como }2ercepci6n exteroceptiva y se [ealiza atraves de sensores externos, que fisicamente pueden estar en eI 0 fuera de el. Estosse encargan de ~ransmitir su informaci6n al sistema de cont~ para efectuar lascorrecciones de movimiento del robot cuando sea necesario.o percepci6n pro pia, llamada propioceptiva, se realiza a traves de los ~nsor~pternos, que permiten al sistema de control conocer la posici6n de las articulaclO~sdel robot; por ello, cada articulaci6n cuenta con sus propios sensores. Los sensoresde posici6n, velocidad y aceleraci6n empleados son angulares, ya qu; los ac-cionadores son de tipo rotativo.

Elementos constitutivos basicos de un robotI

Un robot consta de cuatro elementos fisicos fundamentales, 108 cuales se mencionana continuacion y se ilustran en la Figura 3.1:I" Sistem"i mecanico. - -.

I. Sistema de control. tI. Generaci6n de la tarea. ~\. Entorno. '

lSI_S_I~ma m~c6n.c~ .

t slrl.JClura ~anlca

TransmlSi6n d~movlml~nlos

Acclonadoreos --1Seonsoreos lnteornos _.

Inll.'raccl6n

~'-' ~Entorno~_. _. ~

SeonSOf""E'S ~xte'rnos

rS'-st~ma de control 1_ (Computador)--------.J

Control dlnarruco

II lenguaJeISenSOl"f'SI de alto nlvelI

Generacl6n

de 10 tarea

.El sistema mecanic.Q, esti compuesto por su ,estructura mecinica, formada poreslabones unidos entre sl por articu!aciones. Estos elementos estin formados portres dispositivos llamados: prazos, muiieca y elemento terminal (generalmentepinza).

Los desplazamientos de la estructura 10 realizan actuadores, los cuales, transfierensus movimientos alas articulaciones por medio de un sistema de transmision. Paraconocer el estado del robot (posicion, velocidad, aceleracion de las articulaciones)se ha integrado al robot sensores internos, que transmiten informacion al sistema decontrol.

El sistema de control, esti compuesto por .!!na0 vadas computadoras, que hacenposible el control de los movimientos del robot a traves de la informacion quesuministran los sensores internos. Las funciones de edicion, preparacion, almace-Qamiento y ejecucion de programas, se lleva a cabo mediante el sistema oRerati~.

EI intercambio de informacion se realiza por medio de un sistema de entrada / salida(I/O).

Generaci6n de la tarea. Los robots modernos, requieren de un sistema degeneracion de ~areas complejas denominadas de alto nivel. Estas tareas puedenconsistir, en hacer seguimiento de objetos en movimiento, atornillar, ete. Este sistemapuede localizarse en el sistema de control de la computadora, 0 bien fuera de este,el cual trabaja en linea (on line), generando programas directamente ejecutables porel sistema de control.

Entorno. Se entiende como tal, el ~onjunto de objetos que estin en las proximi-dades del robot. EI entorno esti sujeto a la interaccion bidireccional que tiene elsistema mecanico con eI. EI entorno puede variar por S1solo. Asimismo, los movimien-tos del robot pueden afectar el entorno. Para detectar estas yariaciones se emplean~ensores externos, los cuales transmiten su informacion al sistema de control pararealizar las correcciones pertinentes a los movimientos del robot .

.Estructura mecanica del robolj

La estructura mecanica del robot se refiere a su 5=0nstruccion f1sica. As1, se puedehablar de cuerpo, brazo y muiieca del robot. El robot normalmente esta montadosobre una base, la cual esti sujeta al piso. Apartir de esta base, la estructura mecanicala forma una cadena cinematica abierta en la que ~slabones (elementos r1gidos) y,articulaciones (pares cinematicos2 unidos entre S1, hacen posible el movimientorelativo entre la cadena de eslabones sucesivos (vease Figura 3.2). EI movimientocombinado de las articulaciones permiten situar libremente el elemento terminal(pinza). Para posidonary orientar el elemento terminal del robot en cualquier puntodel espado, se requieren seis grad os de libertad. Para tare as no muy complejas unrobot con cuatro 0 cinco grad os de libertad es suficiente. Para tare as complejas, comoel acceso al interior de un recinto y dependiendo de la complejidad del entorno y dela aplicacion particular, se requieren siete grados de libertad.

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El~mf'nto final

Los cuatro tipos basicos de configuraci6l! mecanica de un robot, son las siguientes:

1.- Cartesiana. Los robot de configuraci6n cartesiana, tienen un brazo horizontalsujeto a una columna vertical y a una base horizontal, formando el brazo, la columnay la base mutuamente ejes perpendiculares en tres dimensiones, los cuales permitenmovimientosunicamente en linea recta (vease Figura 3.3).

2.- Cilindrica polar. Estos robots tienen los mismos ejes perpendiculares comolos Cletipo cartesiano;no obstante, la configuraci6n cilindrica permite rotaci6n de lacolumna alrededor de su eje vertical, haciendo posible el movimiento polar del brazoen el plano horizontal unicamente. Los movimientos verticales conservan los prin-dPios de la configuraci6n cartesiana (vease Figura 3.4).

.2·- Esferica polar. Estos tipos de robots proporcionan movimientos polares tantoen elj?lan horizontal como en el vertical, permitiendo al brazo rotar alrededor deleje horizontal y a la vez extenderse linealmente. La columna rota alrededor de su ejevertical (igual que el de configuraci6n cilindrica) (vease Figura 3.5).

4.- Articulada. Los robots de este tipo de configuraci6n han llegado a ser los mascomunes. Su configuraci6n es similar a la del brazo humano. Esta com:;tituido por doscomponentes rectos (eslabones) que corresponden al brazo yal antebrazo humanos;los cuales estan montados sobre un pedestal vertical. Estos componentes estinconectados por dos articulaciones giratorias que corresponden al hombro y al codo.Una muiieca esti unida al extrema del antebrazo, con 10 que se proporcionan variasarticulaciones suplementarias (veanse Figuras 3.2, y 3.6).

Las principales ventajas de la configuraci6n articulada son la yelocidad y layersatilidad de movimientos de que se dispone.

<2·- Esferica polar. Estos tipos de robots proporcionan movimientos polares tantoen el,plan horizontal como en el vertical, permitiendo al brazo rotar alrededor deleje horizontal y a la vez extenderse linealmente. La columna rota alrededor de su ejevertical (igual que el de configuraci6n cilindrica) (vease Figura 3.5).

4.-Articulada. Los robots de este tipo de configuraci6n han llegado a ser los mascomunes. Su configuraci6n es similar a la del brazo humano. Esti com;tituido por doscomponentes rectos (eslabones) que corresponden al brazo y al antebrazo humanos;los cuales estan montados sobre un pedestal vertical. Estos componentes estinconectados por dos articulaciones giratorias que corresponden al hombro y al codo.Una muiieca esta unida al extrema del antebrazo, con 10 que se proporcionan variasarticulaciones suplementarias (veanse Figuras 3.2, y 3.6).

Las principales ventajas de la configuraci6n articulada son la velocidad y layersatilidad de movimientos de que se dispone.

Los robots industriales han sido diseiiados para realizar trabajo a traves de su cuerpo,brazos y muiieca, por medio de una serie de movimientos y posiciones. La tareaespecifica se lleva a cabo por medio del elemento terminal que se encuentra unidoa la muiieca.

Los movimientos fundamentales del robot son los siguientes:- Movimientos de brazo y cuerpo.- Movimientos de muiieca.

Estos movimientos se realizan por medio de articulaciones. Tres articulacionesgeneralmente estin relacionadas con la accion del brazo y del cuerpo, y dos 0 tresarticulaciones se emplean para accionar la muiieca. Los movimientos son de tipolineal 0 rotativo. Las articulaciones lineales implican movimientos deslizantes 0 detraslacion de las uniones en conexion. Las articulaciones giratorias, son por 10 menos

.de tres tipos:En el primero, la rotacion es perpendicular a los dos elementos de union.En el segundo, la articulacion giratoria implica un movimiento de torsion entre

los dos elementos de union.El tercero, es un tipo de articulacion giratoria, que implica movimiento de

revolucion, en la que el elemento de entrada es paralelo al eje de rotacion y elelemento terminal 0 de salida es perpendicular a dicho eje.

Los grados de libertad relacionados con los movimientos del brazo y del cuerpode un robot de configuracion ciHndrica, polar 0 articulada son:

-Transversal vertical.-Transversal radial.-Transversal rotacional.

La Figura 3.7 muestra un robot de configuracion polar, en la que se aprecian lostres grados de libertad.

Transversalrotaciooal

En un robot de configuraci6n cilindrica, se tienen similares grados de libertad.En un robot cartesiano, los grados de libertad son:- Movimiento vertical (eje z).- Movimiento hacia dentro y hacia afuera (eje y).- Movimiento a la derecha 0 a la izquierda (eje x).

Estos grados de libertad se consiguen por los movimientos de 105 elementosdeslizantes.

El movimiento de la muiieca hace que el robot, oriente el elemento terminal deacuerdo a la tarea a realizar. La muiieca normalmente cuenta con tres grad os delibertad, 10 cual hace posible orientarse y agarrar la pieza (vease Figura 3.8). Losmovimientos que se destacan son: elevaci6n, desviaci6n y giro de muiieca .

Placa frontal(para la UOIilndel efe-.:tor final) '-...1

Flcva.:i,·'nde munel<\(l1exil,n)

Tal como ocurre en las computadoras, la robotica se ha desarrollado en un numeroprogresivo de fases, llamadas generaciones.

Primera Generaci6n de Robots. Se introdujo al inicio de la decada de los 60, conla necesidad de auxiliar alas tecnicas de producci6n con equipo diseiiado paraaccionar una secuencia programada de operaciones. Esta generaci6n de robots, nocontaba con inteligencia ni con la capacidad de hacer cambios en el ambiente delrobot.

Segunda generaci6n de robots. Para esta generaci6n de robots, se logro algo deinteligencia, haciendo posible que los robots sean capaces de detectar cambios en suambiente local, siendo capaces tambien de aprender un programa y de modificar sus

acciones consecuentemente. Estos robots son equipados con sensores tactiles 0 biencon sensores 6pticos, los cuales pueden detectar la presencia de objetos, cantidad yposici6n de partes manufacturadas. Los robots de esta segunda gelleraci6n, tiendena ser instruidos para realizar un programa de secuencia variable en dependencia deun sistema de retroalimentaci6n de senales desde un sensor detector. Esta generaci6nde robots existen a la fecha, en numero limitado y continuamente son desarrolladospara aplicaciones industriales.

Tercera Generaci6n de robots. Actualmente son objeto de intenso desarrollotecno16gico y se pretende primordialmente desarrollar robots que sean capaces deTomar decisiones inteligentes y determinar tecnicas de producci6n 6ptimas. En elfuturo, el rol de esta generaci6n de robots, depended del desarrollo que paralela-mente se logre en el campo de la Inteligencia Artificial (AI - Artificial Inteliget).

Los campos de aplicaci6n de los robots, cada dia se amplian. La mayoria de lasaplicaciones, se dan en el campo de la manufactura, para manejo de materiales, piezasy herramientas diversas. Otras aplicaciones en desarrollo, incluye tare as tales comoconstrucci6n, exploraci6n espacial, cuidados medicos, aplicaciones caseras, etc.

Las aplicaciones que involucran robots, se pueden clasificar fundamentalmenteen tres amplios grupos:

1.- Robots para Manufactura. Son los mas comunes y se emplean en tare as talescomo:

• Soldadura por puntos.• Soldadura por arco.• Operaciones de maquinado.• Pintura por pulverizaci6n.• Recubrimiento.• Procesos de limpieza.• Procesos de corte.• Procesos de ensamble.

La Figura 3.9 ilustra un robot para soldadura de arco y la Figura 3.10 uno paraensamble.

en el proceso productivo. La funci6n espedfica de estos robots, consiste en desplazarmateriales 0 piezas de un lugar a otro en las celdas de trabajo. Se emplean tambienpara cargar 0 descargar maquirras-he-rramienta, para operaciones de paletizaci6n,empacado de alimentos, etcetera (vease Figura 3.11).

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3. - Robots para Inspecci6n. Esta clase de robots estin teniendo un crecimiemosignificativo en pruebas automaticas y en procedimientos de inspecci6n, especial-mente en pruebas a control remoto en ambientes de riesgo, donde se manejansubstancias t6xicas, radiaciones, altas temperaturas yaltos impactos. Estos robots,hacen uso de sensores para calibrar y hacer mediciones de calidad de 10s productosmanufacturados.