Fundamentos Basicos de la RoboticaM.Sc. Ricardo Rodrıguez Bustinza

1. Introduccion

1.1. Que es un Robot

Si comparamos un manipulador automatizado convencional con una grua atada, es decir un vehıculo deremolque, se notara que el manipulador de robot es muy similar a la grua. Ambas poseen un numero deeslabones atados serialmente con junturas, donde cada juntura puede ser cambiado de lugar por un tipode actuador. En ambos sistemas, la “mano” del manipulador puede moverse en el espacio y puede ubicarun objeto en alguna posicion deseada dentro del espacio de trabajo del sistema, cada una lleva una ciertacarga, y cada uno es controlado por un controlador central que controlan a los actuadores. La diferenciafundamental entre estre los dos, es que la grua es controlada por un humano que opera el control de losactuadores, mientras que el robot manipulador es controlado por una computadora que corre el programa.Esta diferencia entre los dos determina un simple mecanismoes un manipulador o robot. En general losrobots son disenados y controlados por una computadora.

1.2. Clasificacion de Robots

La siguiente clasificacion de robots es de acuerdo a laJapanese Industrial Robot Association (JIRA):

Clase 1 Manual Handling Device: Mecanismos con multiples grados de libertad que es accionado porun operador.

Clase 2 Fixes Sequence Robot: Un mecanismo que realiza una tarea determinada de periodos sucesivos,es un metodo sin cambio y difıcil de modificar.

Clase 3 Variable Sequence Robot: Lo mismo que la clase 2, pero facilmente modificado.

Clase 4 Numerical Control: El operador proporciona al robot un programa de movimiento que le ensenala tarea a mano.

Clase 5 Intelligent Robot: Un robot con los medios de comprender su ambiente y la habilidad de terminaruna tarea con exito a pesar de los cambios en las condicionescircundantes que son llevadas a cabo.

La Robotics Institute of America (RIA)solo considera 3-6 clases de robots. LaAssociation Francaise deRobotique (AFR)considera la siguiente clasificacion:

Tipo A Dispositivo de manejo con el control manual para telerobotica.

Tipo B Dispositivo de manejo automatico con ciclos predeterminados.

Tipo C Programable, servo controlador de robots con trayectoriascontinuas o punto a punto.

1.3. Que el la Robotica

La robotica es el arte, base de conocimiento, diseno, aplicando y usando robots. Los sistemas roboticosconsiste en no solo robots, tambien otros aparatos y sistemas que son usados juntos con el robot para llevara cabo tareas. Los robots pueden ser usados en ambientes de manufacturas, en exploracion espacial, paraayuda a discapacitados entre otros. En cualquier circunstancia, los robots pueden ser utiles, pero tienenque ser programados y controlados. La robotica es interdiscipinaria sujeto a los beneficios de la ingenierıamecanica, electrica y ingenierıa electronica, ciencia de la computacion, biologıa y otras disciplinas.

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1.4. Historia de la Robotica

Ignorando las maquinas anteriores que fueron hechas paraimitar a los seres humanos y sus acciones,concentrandose en la historia reciente, uno puede ver una relacion ıntima entre la industria, la revolucionen el control numerico y control de maquinaria por computadora y la imaginacion vivida por las personas.El siguiente resumen de eventos presenta los cambios que se vienen realizando en la industria.

1922 El escritor Karel Capek de la Republica Checa escribio unahistoria llamadaRossum’s UniversalRobots y introduce la palabra “Robota” (significa trabajador).

1926 George Devol desarrolla el controlador magnetico, en un aparato playback. Eckert y Mauchleyconstruyen el computador ENIAC en la Universidad de Pensilvania.

1952 La primera maquina NC construida por la MIT.

1954 George Devol desarrolla el primer robot programable.

1955 Denavit y Hartenberg desarrollan las matrices de transformacion homogenea.

1961 Estados Unidos patenta asuntos de George Devol enProgrammed Article Transfer, base para losrobots Unimate.

1962 Unimation forma la primera aparicion de los robots industriales y GM instala el primer robot deUnimation.

1967 Unimation introduce el robot MarkII. El primer robot que fu´e importado desde Japon para aplica-ciones de pintura.

1967 El primer robot inteligente llamado Shakey que fue construido por Stanfor Research Institute (SRI).

1972 IBM trabajo en un robot de coordenada rectangular para el uso interno. IBM desarrollo 7565 parasu venta.

1978 El primer robot PUMA que fue enviado por GM a Unimation.

1978 GM y Fanue de Japon firmaron un acuerdo para desarrollar robots de GMManufact. Westinghousecompro Unimation, que fue vendido a Staubli de Suiza.

1990 Cincinnati Milacron adquirido por ABB de Suiza. La mayorıade los fabricantes de pequenos robotsse fueron del mercado. Solamente algunas companıas grandes, que producen robots industrialesprincipalmente se quedaron.

1.5. Ventajas y Desventajas de los Robots

Robotica y automatizacion pueden en muchas situaciones incrementar la productividad, la eficien-cia de seguridad, calidad, y consistencia de productos.

Los robots pueden trabajar en ambientes peligrosos sin la necesidad de soportar el confort.

Los robots no necesitan ambientes como alumbrado, aire acondicionado, ventilacion, y proteccionde ruido.

Los robots trabajan constantemente sin experimentar la fatiga o el aburrimiento, no se ponen eno-jados, no necesitar ningun seguro medico o estar de vacaciones.

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Los robots siempre tienen precision repetible, a menos quealgo les pase o a menos que se gasten.

Los robots pueden ser mucho mas exactos que los seres humanos. Tıpicas precisiones en unoscuantos miles de una pulgada. Los nuevos robots tienen precisiones de micro pulgadas.

Los robots con sus accesorios y sensores pueden tener capacidad mas alla de los seres humanos.

Los robots pueden procesar multiples tareas simultaneamente. Los humanos solo pueden procesaruna actividad.

Los robots reemplazan a trabajadores humanos que crean problemas economicos, como sueldosdesperdiciados, y problemas sociales, como la insatisfaccion y el resentimiento entre trabajadores.

Los robots son costosos en la medida que sean implementados con equipos de ultima generacion.

Los robots, aunque superior en los ciertos sentidos, tienencapacidad limitadas como grados delibertad, sensores, sistemas de vision, respuesta en tiempo real.

1.6. Componentes de un Robot

Un robot es un sistema que consiste en los siguientes elementos, que estan integrados juntos para formarsecompletamente:

Manipulador o Rover

Es el cuerpo principal de un robot y consiste de eslabones (links), articulaciones (junturas), y deotros elementos estructurales del robot. Sin otros elementos el manipulador solamente no es unrobot.

Efector Final

Esta es la parte que esta conectado al final de la juntura (mano) de un manipulador, que general-mente maneja objetos, realizar conexiones con otras maquinas o tareas que requieren una alta per-formance.

Actuador

El actuador el “musculo” del manipulador. Los tipos comunes de actuadores son los servomotores,motores de paso, cilindros neumaticos y cilindros hidraulicos.

Sensores

Los sensores son usados para recolectar informacion alrededor del estado interno de un robot ocomunicarse con el ambiente externo. Como en seres humanos,el controlador de robot tiene quesaber el orden de cada enlace del robot para conocer la configuracion del robot.

Controlador

Los controladores es algo similar al “cerebro”, y aunque no tiene el poder de un cerebro, puede con-trolar sus movimientos. El controlador recibe los datos de la computadora, controla las senales delos actuadores, y coordina los movimientos con la informacion que le proporciona la realimentacionsensorial.

Procesador

El procesador es el cerebro del computador. Este calcula losmovimientos de las junturas del robot.Determina como y cuando cada juntura se mueve a una posicion, velocidad deseada y supervisa lasacciones coordinadas del controlador y del sensor.

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Software

Quizas hay tres grupos del software que son usados en un robot. Uno es el sistema operativo, queopera el computador. El segundo es el software del robot, quecalcula los movimientos necesarios decada juntura basado en la ecuacion cinematica del robot. Esta informacion es enviada al controlador.El software tiene diferentes niveles desde lo relativamente “simples” hasta los mas sofisticadoslenguajes usados por los robots modernos. El tercer grupo esla coleccion de rutinas y aplicacionesdel programa que son desarrollados en orden para usar equipos perifericos de los robots, comorutinasde vision o algunas otras tareas especificas.

1.7. Grados de Libertad de un Robot

Desde los cursos de ingenierıa mecanica, para el orden de la ubicacion de puntos en el espacio, unonecesita especificar tres coordenadas, tal que las coordenadasx, y y z, esten a lo largo de ejes Cartesianos.Las tres coordenadas son necesarias y suficientes para definir la ubicacion de un punto. Tambien estastres coordenadas pueden expresarse en terminos de diferentes sistemas coordenados, estos son siemprenecesarios. Sin embargo, no es posible tener dos o cuatro coordenadas, entonces dos es inadecuado paraubicar un punto en el espacio y cuatro es posible en tres dimensiones. Similarmente podemos considerarun mecanismo de tres dimesiones que contenga tres grados de libertad sin considerar el espacio de trabajodel mecanismo.

1.8. Junturas del Robot

Los robots tienen diferentes tipos de junturas, como la lineal, rotacional, sliding o esferica. Aunque lasjunturas esfericas son muy comunes en algunos sistemas, debido a que ellos tienen multiples posicionesde grado de libertad, y por lo tanto, son difıciles de controlar, las junturas esfericas no son comunes enrobotica, excepto en investigacion. La mayorıa de los robots tienen una union (prismatica) lineal o unaarticulacion rotacional (revolute) como las mostradas enla Figura 1.

Figura 1: Junturas de un manipulador, revoluta y prismatica.

1.9. Coordenadas del Robot

Las configuraciones de robot generalmente siguen a los marcos de coordenada con los que son definidos,como se muestra en la Figura 2. Las junturas prismaticas sondenotadas porP, las articulaciones derevoluta son denotadas porR, y las articulaciones esfericas son denotadas porS. Las configuraciones derobot son especificadas por una sucesion deP, R, o S. Por ejemplo, un robot con tres junturas prismaticasy tres revolutas son especificado por3P3R.Las siguientes configuraciones son comunes para colocar la mano del robot.

Cartesiana/rectangular (3P)

Estos robots estan hechos de tres uniones lineales que colocan al efector final, que es seguida gen-eralmente por una juntura revoluta adicional que orienta alefector de final.

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Figura 2: Posibles frames de coordenadas.

Cilindrica (R2P)

Los robots de coordenada cilındricas tienen dos junturas prismaticas y una juntura revoluta paraposicionar la parte, adiciona la juntura para orientar la parte.

Esferica (2RP)

Estos robots siguen las coordenadas esfericas del sistema, tienen una juntura prismatica y dos jun-turas revolutas para posionar la parte, adiciona una juntura revoluta para la orientacion.

Brazo Robotico SCARA

Los robots SCARA1 tienen dos junturas revoluta y son paralelos y permiten que el robot se muevaen un plano horizontal, adicionalmente tiene una juntura prismatica para movimiento vertical (verFigura 2).

1.10. Frames de Referencia para un Robot

Los robots pueden ser movidos relativo a frames de referencia diferentes. En cada tipo de frame de coor-denada, los movimientos pueden ser diferentes. Generalmente, los movimientos de un robot estan acom-panados de tres frames de coordenadas como se muestra en la Figura 3.

1Selective Compliance Assembly Robot Arm

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Figura 3: Frames de referencia de un robot.

Frame de Referencia World

Llamado tambien frame de coordenada universal, es definidopor tres ejesx, y y z. En este caso lasjunturas del robot se mueven simultaneamnete para crear unmovimiento a lo largo de los tres ejesprincipales.

Frame de Referencia Juntura

Es usado para especificar movimientos en cada juntura individual de un robot. Supongamos que sequiere mover la mano de un robot a una posicion particular. Sepuede decidir un movimiento de unajuntura en tiempo y orden directamente con la mano a la posicion deseada.

Frame de Referencia Herramienta

Especifica el movimiento de las manos de los robots relativo al frame unido a la mano. Los ejesx′,y′ y z′ son unidos a la mano que definen el movimiento de la mano relativo al frame local.

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1.11. Espacios de trabajo de un robot

Dependiendo de la configuracion y el tamano de los eslabones y juntura de la muneca cada uno realizauna coleccion de puntos llamado espacio de trabajo. La forma del espacio de trabajo para cada robot esunicamente relacionada con estas caracterısticas. La Figura 4 muestra el espacio de trabajo aproximadopara una configuracion comun.

Figura 4: Tıpicos espacios de trabajo para configuracionescomunes de robots.

Profesor. Ricardo Rodrıguez Bustinza, M.Sc.

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