robótica y manipuladores

INTRODUCCIÓN A LA

ROBÓTICA DAVID LOZA

ALEXANDER IBARRA

2015

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE Maestría en Manufactura y Diseño asistido por Computador

INDICE DE LA EXPOSICIÓN

• Introducción

• Historia de los robots

• Clasificación de los robots

• Robots manipuladores

Introducción

ROBÓTICA

Mecánica

Control

Informática Matemáticas

Electrónica

ROBÓTICA

Historia

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• Conceptos históricos:

– Revolución industrial (siglo XVIII). • Desarrollo tecnológico.

• Procesos automatizados.

– Creación de nuevos dispositivos. • Mecanismos de relojería para producir música que podía variar,

Concertista de tímpano (1784).

• Máquina de producción de tornillos y tuercas, de C. Spencer (1801).

• Primer brazo mecánico articulado para ser utilizado en aplicaciones de pintura, por Pollard (1938).

Historia, orígenes y concepto.

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– Aparición de los primeros Robots. • Primer manipulador eléctrico servocontrolado, por Goetz (1947).

• Primera máquina de control numérico, que se programa por un “lenguaje” simbólico (1952) Software.

• El primer Robot: manipulador con memoria legíble y escribible, desarrollado por Devol (1954) UNIMATION.

• Decadas de los 60 y 70 la Robótica se introduce en las Universidades MIT, CALTECH, Carnigie Mellon, Stanford.


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Shakey (Stanford) Walking Truck (GE)


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Brazo de 6 grados de libertad (Stanford) Brazo robótico (Devol)


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– Investigación espacial. • Proyectos Viking para estudios del planeta Marte (1970-80).

• Remote Compliance Center (RCC), utilizada para tareas de ensamblado.

– Robótica industrial. • Robot comercial más difundido, PUMA de UNIMATION (1978).

• Avanza el desarrollo de la robótica industrial, en las décadas de los 80 y 90, siguiendo distinto rumbos.


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• Niveles de complejidad.

– Teleoperación. • Manipulación a distancia (brazos).

– Telepresencia. • Retroalimantación de variables importantes (cámaras, sensores).

– Autonomía. • Toma de decisiones propias a partir de la realimentación y lo

programado.


Clasificación de los robots

QRIO AIBO


EMIEW PAPERO


Androides ASIMO

HOAP-1



http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2003/0520/sony.jpg

Robots manipuladores

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Definición de robots manipuladores

• Definición:

“Un manipulador reprogramable y multifuncional diseñado para trasladar materiales, piezas, herramientas o aparatos específicos a través de una serie de movimientos programados para llevar a cabo una variedad de tareas”

Robot Institute of America (1979).

Brazo robótico

Partes de los robots manipuladores

• Nomenclatura de las partes mecánicas de un robot serial • Un robot es llamado serial o en cadena

cinemática abierta cuando hay solamente

una secuencia de ellos conectandos los

finales de la cadena;

• Las vinculaciones entre los eslabones

pueden ser hechas con juntas de revolución

o prismática y cada una suministra un grado

de movilidad;

• Los grados de movilidad deben ser

adecuadamente distribuídos en la estructura

mecánica para dar los grados de libertad

para ejecutar una tarea;

• Son necesarios 3 grados de libertad para

posicionar un objeto en el espacio

tridimensional y otros 3 grados de libertad

para orientarlo.

(EFETUADOR FINAL)

Grados de libertad

Tipos de articulación para robot

Morfologías de robots manipuladores

VOLUMEN DE TRABAJO

VOLUMEN DE TRABAJO

Características • El grado de protección del robot cumple la especificación de “Robot

de habitación limpia”.

• El peso del robot es tan sólo de 28 kg, lo cual supone una ventaja frente a otros robots que realizan la misma tarea y tienen un peso de más de 200 Kg.

• La carga máxima que puede soportar el robot en su efector final es de 5 Kg, lo cual permite añadir la séptima articulación prismática junto con la broca necesaria para realizar el taladro.

• La precisión del robot es de tan sólo 20 μm, lo que significa que el máximo error que se puede producir en el posicionamiento del efector final se encuentra dentro de una circunferencia de radio 20 μm.

• Espacio de trabajo adecuado

JUNTA PRISMÁTICA

VOLUMEN DE TRABAJO

Manipulador Serial Antropomórfico

Pintura Manipulador Serial SCARA

Manipulación de piezas

• El espacio de trabajo representa la porción del ambiente que el efectuador final es

capaz de alcanzar

ESPACIO DE TRABAJO

VOLUMEN DE TRABAJO

Manipulador Serial Cartesiano

Manipulación de piezas

JUNTA PRISMÁTICA

CLASIFICACIÓN

Los robots pueden clasificarse sobre la base

de muchos criterios, las clasificaciones mas

difundidas se establecen sobre la base de

las siguientes características:

· Por el tipo de movimientos y de

trayectorias.

· Por el tipo de programación.

· Por el tipo de energía.

POR EL TIPO DE MOVIMIENTO Por el tipo de movimientos se clasifican en:

•Robot angular (Puma): El hombro, cintura y codo tienen articulaciones

rotatorias.

•Robot polar: El hombro y la cintura tienen articulaciones rotatorias, la cintura

rota en un plano horizontal y el hombro en un plano vertical, perpendicular al

primero. La otra articulación es prismática.

•Robot cilíndrico: Este robot tiene la cintura como articulación rotatoria y las

otras dos articulaciones son prismáticas.

•Robot cartesiano: Las tres articulaciones son prismáticas, pueden haber varios

subtipos como sliding o pórtico.

•Robot Scara: Es una especie de robot polar, pero la cintura y el hombro rotan

en planos paralelos horizontales. La otra articulación es prismática.

ROBOT ANGULAR (PUMA)


RRR

ROBOT POLAR

RRP

ROBOT CILÍNDRICO

RPP

ROBOT CARTESIANO

PPP

ROBOT SCARA

RRP

ROBOT SCARA

ROBOT DELTA

POR EL TIPO DE PROGRAMACIÓN Por el tipo de programación se clasifican en:

Programación on-line: que puede ser de dos tipos:

Por guiado: en que el operario, solo o con ayuda de algún sistema, mueve

el efector final del robot y el controlador graba los puntos de paso.

Con el teach pendant: el operario mediante su unidad portátil de

aprendizaje o programación (teach pendant) mueve el efector final del

robot. El controlador graba estos puntos y el tipo de trayectoria a seguirse,

se establece con anterioridad o posteriormente.

Programación off-line: que puede ser de dos tipos:

Textual: el robot se programa utilizando un lenguaje de tipo convencional y

posteriormente se ejecuta ese programa.

Gráfico: el robot se programa mediante un sistema gráfico y

posteriormente ejecuta.

POR EL TIPO DE ENERGÍA

Oleohidráulicos: Por las características de los sistemas hidráulicos estos son

de dimensiones y pesos relativamente pequeños con relación a las muy

grandes cargas y pesos que pueden mover. Son muy rápidos y precisos,

robustos, pero son contaminantes y difíciles en su mantenimiento.

Neumáticos: Estos son de dimensiones y pesos relativamente pequeños,

aunque las cargas y pesos que pueden mover, si bien son altos, no alcanzan

los valores de los hidráulicos. Son rápidos, baratos, sin embargo son muy

propensos a perder precisión y dificultar su control por la compresibilidad del

aire.

Eléctricos: Son los más fáciles de controlar y mantener, igualmente son

precisos, relativamente baratos y no contaminantes. El inconveniente que

presentan es el de la pobre relación par/peso, es decir que para cargas muy

altas necesita igualmente motores muy grandes.

Efector final

Gripper

Tipo de Herramienta Comentarios

Pinza soldadura por puntos Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a

soldar Soplete soldadura al arco Aportan el flujo de

electrodo que se funde

Cucharón para colada Para trabajos de fundición

Atornillador Suelen incluir la alimentación de tornillos

Fresa-lija Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc

Pistola de pintura Por pulverización de la pintura

Cañón laser Para corte de materiales, soldadura o inspección

Cañón de agua a presión Para corte de materiales Pinza

soldadura por puntos

Cucharon para

hierro fundido

Atornillador

Aplicaciones en la industria

• Introducción.

– Los robots son introducidos en la industria para solventar las siguientes características:

• Reemplazo de tareas repetitivas que realizan operadores.

• Aumento de eficiencia.

• Disminución de accidentes.

• Integración al sistema de control.

• Trabajo “heavy duty”.

• Integración a otros protocolos de Ingeniería (CAD).


• ¿Por que utilizarlos?

Relación de cantidad de procesos robotizados frente a la cantidad de paradas en un proceso.


• ¿Por que utilizarlos?

Industria basada en robótica en países industrializados. (1996)


• Criterios de Implantación.

– Se debe definir el lay-out de la célula robótica en el proceso. • Elementos activos (robots, máquinas CNC, etc.)

• Elementos pasivos (mesas, alimentadores, utillajes, etc.)

– Definición y selección de la arquitectura de control.

– Definir el tipo estructural de robot a implementar dependiendo del proceso.

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Ejemplo de lay-out de una célula flexible robotizada para la fabricación de calzado



– Disposición del robot en la célula de trabajo. • Robot en el centro de la célula

– Máximo aprovechamiento del campo de acción.

– Robots articulares, SCARA, polares y cilíndricos

– Aplicaciones: carga/descarga, soldadura, paletización, ensamblado.

• Robot en línea

– Trabajo sobre líneas de transporte

– Transporte intermitente o continuo

– Aplicaciones: líneas de soldadura de automóviles



– Disposición del robot en la célula de trabajo.

Robot en centro Robot en fila



– Disposición del robot en la célula de trabajo. • Robot móvil

– Desplazamiento lineal del robot sobre una vía

– Aplicaciones: trabajo sobre piezas móviles, elevado campo de acción, carga/descarga de varias máquinas

• Robot suspendido

– Intrínseca de robots tipo pórtico. También en articulares

– Mejor aprovechamiento del área de trabajo

– Aplicaciones: proyección de material, aplicación de adhesivos, corte, soldadura al arco



– Disposición del robot en la célula de trabajo.

Robot móvil Robot suspendido


• Causas y tipos de accidentes.

– Causas de accidentes • Colisión/Aplastamiento entre robots y hombre.

• Proyección de una pieza o material transportada por el robot.

– Tipos de accidentes • Un mal funcionamiento del sistema de control (software, hardware,

potencia).

• Acceso indebido de personal a la zona de trabajo del robot.

• Rotura de partes mecánicas por corrosión o fatiga.

• Sobrecarga del robot (manejo de cargas excesivas).

• Medio ambiente o herramienta peligrosa (láser, corte por chorro de agua, oxicorte, plasma, etc.).


• Seguridad.

– Estandar de seguridad y salud ocupacional internacional. (OSHA)

– Sección 4, capítulo 4: • INDUSTRIAL ROBOTS AND ROBOT SYSTEM SAFETY

– Types and Classification of Robots

– Hazards

– Investigation Guidelines

– Control and Safeguarding Personnel

– Referencia: • http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm_iv_4.html

• (Occupational Safety & Health Administration )

http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm_iv_4.html

http://www.osha.gov/







• Fabricantes de sistemas robóticos.

– KUKA Roboter GmbH. • Principal fabricante mundial de robots industriales y sistemas de

automatización para sectores que abarcan industrias tan diferentes como las del automóvil, metales, alimentos y plásticos.

• Actualmente, la gama de robots KUKA de 4 y 6 articulaciones ofrece cargas útiles de 3 kg a 570 kg y un alcance de 350 mm a 3700 mm e incluye robots SCARA, paletizadores, pórtico y articulados, todo controlado desde una plataforma de control común basada en PC.



– KUKA Roboter GmbH. • Tipos de robots:

– Pequeños robots

KR 5 sixx R650 Robot de 6 ejes, con un alcance de 650 mm. Este robot compacto combina ciclos altos de trabajo y exactitudes con la probada unidad de control KUKA basada en técnica del PC, de fácil manejo.




– Carga ligera (5 kg a 16 kg)

KR 5 arc Con su carga de 5 kg, es ideal para las tareas de soldadura al arco estándar. Independientemente de si está montado sobre el suelo o en el techo, el KR 5 arc realiza sus tareas siempre de manera fiable.




– Carga mediana (30 kg a 60 kg)

KR 30-3 El KR 30-3 resulta ideal para aquellos conceptos de instalación en los que se busca un ahorro de espacio y de costes.




– Carga pesada (80 kg a 270 kg)

KR 100-2 PA El nuevo robot de paletizado de KUKA alcanza en las europaletas alturas de apilamiento netas de hasta 3 m. Gracias al uso de los más nuevos materiales (material compuesto de fibra de carbono CFK), este producto resulta extremadamente ligero y a la vez muy rígido.




– Carga muy pesada (360 kg a 1000 kg)

KR 1000 L750 titan Cuando se trata de salvar con rapidez distancias de hasta 7,5 m y manipular con precisión por ejemplo bloques de motor, piedras, piezas de vidrio, vigas de acero, piezas navales y aeronáuticas, bloques de mármol o prefabricados de hormigón, entre otros muchos, el KR 1000 L750 titan es la elección correcta.



– Otros fabricantes: • ABB.

• Bosch.

• Mitsubishi.

• Fanuc.


• Ejemplos de Aplicaciones.

Sistema de soldadura y cortado por plasma.


Línea de montaje en industria de Automóviles.



Embalaje de productos.



Pintura de productos (automóviles).



Centro de cirugía robótica (Clínica Indisa)



Sistemas de Almacenaje/Logística (AS-RS)


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Autostadt (Alemania) fábrica de Volkswagen en Woflsburg.


Robocoaster: ¿Entretención?


Problemas en la utilización de robots

Programación de la linea de producción 1. Linea de producción parada;

2. Programación individual de cada robot;

3. Tests, ajustes y retomada de producción.

(Mucho tiempo para el reinício de operación)

Programación off-line 1. Programación virtual de la línea;

2. Parada de la linea de producción;

3. Implementación de los programas;

4. Tests, ajustes y retomada de producción.

(Tiempo pequeño de preparación)

Problemas en la utilización de robots

Programación off-line (requisitos)

1. Modelamento del robot (cinemática y dinámica);

2. Modelamento de la línea de producción;

3. Línea de producción virtual;

4. Programación y simulación de movimientos en ambiente virtual;

5. Tests y ajustes para aumentar el desempeño.

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