Robtica industrial

Robtica industrialSegons la Robotics Industry Association (RIA):

Un robot industrial es un manipulador reprogramable i multifuncional dissenyat per moure material, peces, eines o dispositius especialitzats fent un moviment variable segons trajectories variables programades per realitzar diferents tasques. Posseeix certes caracterstiques antropomrfiques Bra mecnic Entrades per a sensors Intelligncia per fer decisionsIntroducci: Que es un robot?Robtica industrial 1922 Lautor Txec Karel Capek escriu una histria anomenada Els Robots Universals de Rossumi on introdu el terme Rabota(treballador). 1948: Manipuladores maestro-esclavo, que reproducen fielmente los movimientos de un operario mediante un acoplo mecnico. 1954: El acoplo mecnico se sustituye por sistemas elctricos e hidrulicos. George Devol desenvolupa el primer Robot programable. 1955: George C. Devol desarroll un manipulador que segua una secuencia de movimientos especificados en forma de instrucciones. Denavit i Hartenberg desenvolupen les matrius de transformacions homognies. 1959: Unimation (Devol + Engelberger) crea el primer manipulador reprogramable controlado por computador. 1961 Es crea Unimation. Apareixen els primers Robots industrials, que eren hidrulics. 1962: Ernst desarrolla una mano con sensores tctiles (conducta adaptativa). 1968: McArthy en Stanford desarrolla una computadora multisensorial con un manipulador. Pieper estudia la cinemtica del manipulador. KAWASAKI instala Robots de UNIMATION ROBOTICA INDUSTRIAL Antonio Romeo INGENIERIA DE SISTEMAS Y AUTOMATICA EUITIZ 1971: Khan y Roth analizaron la dinmica y el control de un manipulador. Se disea el Stanford Arm 1973: Cincinati Millacron introduce su primer robot industrial (T3: The Tomorrow Tool). ASEA introdujo el IRB6 de acc. Elctrico. Lenguajes WAVE y AL

1978: PUMA: Programable Universal Machine for Assembly. 1979: SCARA: Selective Compliance Arm for Robotic Assembly. (Japn) 1981: Accionamiento directo. 1990 ABB compra Cincinnati Milacron.

Las ultimas dcadas - Dotacin de percepcin sensorial evolucionada, y su integracin en el sistema de control. - Bsqueda de nuevos diseos mecnicos y materiales ms rgidos y ligeros. - Incorporacin de tcnicas de inteligencia artificial que aumentan la autonoma decisional del robot..

Introducci: Evoluci de la robticaRobtica industrialFactors que intervenen a la robotitzaci de una tasca:

Flexibilitat en els programes de fabricaci: Diversificaci de la producciAdaptabilitat del sistema productiu a canvis del mercat - Increment de la productivitat. De vegades lincrement supera els costos.- Estalvi de materias primas o energa: Per procesos amb costos de les mat. primeres elevat. Ej: La realizacin repetida del trabajo en condiciones ptimas permite ahorrar un 15% en aplicaciones de pintura. - Homogeneitzaci e increment de qualitat- Millora de les condicions de treball (Seguretat, Comoditat) dad. - Acumulaci instantnea de experiencies: Poden ser transferits entre instalacions sense llargs procesos de formaci.

Conclusin: No todas las tareas son robotizables. Hay que estudiar muy detenidamente las ventajas y los costes de la robotizacin.

Introducci: Aplicacions de robtica

Robtica industrialNormalment la majoria de tasques robotitzables pertanyen al sector secundari on la diversitat de tasques i la versatilitat de les tasques requerides justifiquen la inversi.Actualment les tasques on ms simplanta la robotitzaci son:Manipilaci (Carga, Paletitzat i embalat)Procesat (Mecanitzat, Pintura, Soldadura i encolament)Inspecci i Medici

Introducci: Aplicacions de robticaRobtica industrialUn Robot est format pels seguents elements: ManipuladorEstructura mecnica (eslabons + articulacions + transmisions)Elements terminals o einesSistema sensorialSistema de potncia(actuadors) ControladoraElectrnica de potnciaModuls de control Comunicacions. Elements de programaci/OperaciIntroducci: Parts de un robot

El manipulador es utilitzat per moure leina o carrega til des dun lloc a un altre. Aquest manipulador es controlat per el sistema de potencia, a travs dun moviment programat enmagatzemat al sistema de control. Robtica industrialMecanicament, un robot est format per uns eslabons units mitjanant articulacions. Les articulacions poden permetre moviments longitudinals, rotacionals, o convinacions dells. Segons el tipus de articulacions, el robot podr realitzar ms o menys moviments; cada moviment independent sanomena GRAU DE LLIBERTAT.

Hi han, per tant, 6 tipos darticulacions:Esfrica o Rtula (3 GDL)Planar(2 GDL)Cargol (1 GDL)Prismtica (1 GDL)Rotaci (1 GDL)Cilndrica (2 GDL)

En cara que a la prctica, als robots industrials sutilitzen malloritariament la prismtica i de rotaci.Introducci: estructura mecnica

Robtica industrialPer a un manipulador, cada convinaci de valors de les articulacions que uneixen els eslabons que el formen constitueix una "configuraci geomtrica. Els parells cinemtics poden ser Traslacionals o rotacionals: Segons siguin aquests parells ens trobem amb 4 estructures clasiques:Cartesiana: articulacions lineals.Cilndrica: una articulacin rotacional sobre una base i articulacions lineales per al moviment en alad i en radi.Polar (esfrica), que te con dues articulacions rotacionals i una lineal.Angular (o de bra articulat), amb tres articulacions rotacionals.

Introducci: estructura mecnicaRobtica industrial

Introducci: estructura mecnicaRobtica industrialMixte: incorpora diferents tipus de articulacions, convinacions de les anteriors. ConfiguraciSCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)Configuraci Parallel, amb braos amb articulacions prismtiques o rotacionals concurrents.

https://www.youtube.com/watch?v=6rfFmqz6s8Mhttps://www.youtube.com/watch?v=YHlSjSWNzR0Introducci: estructura mecnicaRobtica industrialIndependentment del tipus de robot (encara que mes els antropomorfics) les articulacions que el doten de moviment, per similitut amb el bra hum, sanomenen hombre, colze i canell (on es munta leina).Introducci: estructura mecnica

Sovint el canell t 3 graus de llibertat Roll rotaci del canell al voltant de l'eix del bra. Pitch rotaci amunt i avall del canell. Yaw rotaci de l'extrem del canell, on va situada l'eina.

Robtica industrialCARACTERSTIQUES MECNIQUES DE UN MANIPULADORIntroducci: estructura mecnicaNombre de articulacions (Si es>6, el robot es redundant)Dimensions i caracterstiques dels eslabonsRigidesa estructural: Relaci Desplaament/Esfor aplicatEmplaament dels accionamentsRang articularVolum de treball o Rang de treball: Area a on arriba la eina del manipulador.Accesibilitat: Facilitat per arribar a llocs dificils.Velocitat i acceleraci mximes: Segons potncia dels accionaments i inercia.Precissi (esttica i dinmica): Mitjana derror entre posici (trajectoria) programada i real.Repetibilitat: Error entre diferents repeticions de anar a un punt real.Resoluci: Mnim desplaament possible.Capacitat de crrega: Mxima crrega transportable sense perdre altres prestacions. (Compensaci gravetat)

Robtica industrialIntroducci: estructura mecnicaRANG DE TREBALL

Es la collecci de puns a que pot arribar el robot segons labast i tamany dels seus eixos (lineals o circulars).

Es pot trobar movent cada eix del robot al llarg del seu rang de moviments i combinant tot l'espai que pot abastar i restant tot l'espai que no pot abastar.

Quan programem, lespai de treball inicial del robot coincideix amb el rang de treball i el definirem com a workobject0; es poden definir altres espais de treball diferents definint altres workobjectsRobtica industrialIntroducci: einaA lextrem del bra robtic, enganxat al canell tenim el objecte terminal o eina que far la feina necessaria; en ocasions es fa necessari lacoblament de sensors adicionals per la tasca necessaria. En funci de la aplicaci podrem acoplar diferents eines:

Tipus de aplicacions: Manipulaci: Garra, ventosa o pinaMuntatge: Garres amb dispositius que donin un major control sobre el moviment (Resorts, sensors)Procesat: Mquines eina (Soldadura, pintura, trapanament)Mesura i inspecci: Utilitzant eines amb sensors tand de contacte com sense contacte

Robtica industrialIntroducci: sistemes de CoordenadesPer programar els moviments de un robot es necessita fer el clcul de les trajectories que seguir. Per fer-ho es requereix de una matemtica complexa que permeti el calcul a priori de la ecuaci de la trajectoria, de forma que pugui anar corregint les desviacions que hi apareguin. De igual forma, per controlar la velocitat del robot, es requereixen equacions similars.

Per obtenir aquestes equacions, es necessiten els punts de inici i final del moviment, aix com diferents parmetres que ens permetin escollir de entre les infinites trajectories possibles.

Aquest clcul necessita de matrius de equacions vectorials, que, donats uns punts que ens donaran la posici i orientaci de leina per cada instant.

Com podem imaginar aix es vital a un sistema de paletatge on, els objectes que manipular el robot, canvien de posici amb el temps.

Afortunadament per nosaltres, les controladores del robot fan la major part de aquests clculs, seleccionant per nosaltres la trajectoria mes adient i permetent-nos, en funci de alguns parmetres, afinar aquesta trajectoria.Robtica industrialEncara que la controladora realitzi la major part dels clculs, encara hem de tenir clar la situaci dins lespai dels punts pels diferents tipus de coordenades que es poden utilitzar.

Tenim bsicament 4 tipus de coordenades que sern adents per diferents tipus de robots:

Cartesianas (X, Y, Z)Polars (Esfriques) (R, , )Cilndriques (R, , Z)Angulars (, , )

Introducci: sistemes de CoordenadesRobtica industrialCartesianas (X, Y, Z)Polars (Esfriques) (R, , )Cilndriques (R, , Z)Angulars (, , )

En funci del tipus de robot farem servir unes o altres.

La dificultat a lhora de realitzar els clculs de trajectoria es major als desplaaments angulars; aix fa el control mes complexe.Introducci: sistemes de CoordenadesRobtica industrialOrigen de coordenades

Un altre aspecte a tenir en consideraci a la hora de programar un moviment es quin ser el punt de referncia respepcte al que prenem les coordenades; al cas de coordenades cartesianes, quin es el punt (0, 0, 0).

Tenim 3 possibilitats:

El sistema de coordenades Mn: sistema universal definit pels eixos x-y-z. Les articulacions del robot es poden moure siumultniament per crear moviments al llarg desl tres eixos. El sistema de coordenades Joint: S'utilitza per moure individualment cadascun dels eixos del Robot. En aquest cas els eixos del robot es poden accedir individualment, movent-ne noms un cada cop.El Sistema de coordenades Tool (eina): especifica els moviments de l'eina respecte el sistema de coordenades associat a aquesta. Els eixos x,y i z defineixen els moviements de l'eina respecte a aquest sistema de coordenades local. Tots els eixos del Robot es mouen simultniament per crear el moviment desitjat de l'eina.Introducci: sistemes de CoordenadesRobtica industrialIntroducci: SensoricaPer que un robot pugui realitzar les tasques, es necessari que tingui coneixement del seu propi estat i del seu entorn. Per obtenir aquesta informaci compta amb:

- Sensors propioceptius (interns): Informen de lestat intern del manipulador (Posici i velocitat relativas a les articulacions). Sensors de posiciencoderresolvertacometre

- Sensors esteroceptius (externs): Informen de l estat de lentorn del robot.Sensors de presncia inductiuscapacitius

Robtica industrialTe com a missi dotar de moviment al manipulador. Es pot basar en sistemes pneumtics, hidraulics o elctrics. Son molt mes utilitzats els sistemes elctrics.Hidraulics: Molt utilitzats als primers robots, han anat perdent terreny devant els elctrics, mes precissos i necessitats de menor manteniment. Mouen grans carregues, son de moviments rpids i mes econmics que els elctrics. Controlats mitjanant servovalvules. Precissi i repitibilitat limitades degut a lescalfament del lubricant. Bons per soldat i pintura, pero no per muntatge o tasques de mes detall.Pneumtics: son tils movent petites crregues en robots tipus pick-and-place; econmics i rpids. Pero per aplicacions ms exigents hem de anar a altres alternatives.Elctrics: son els mes utilitzats actualment. Mes econmics que els hidraulics i amb bona relaci crrega-velocitat. Tenen bona confiabilitat, son nets i son mes coneguts pels tcnics.

La majoria utilitzen servomotors (de CC o CA) en lla obert o tancat en funci de la precessi necessaria on un tren de polsos es transforma en un desplaament angular. Hi ha gran varietat de servos amb caracterstiques molt diferenciades, pero de forma general, tenen una bona linealitat.Introducci: Sistema e potnciaRobtica industrialIntroducci: Sistema e potnciaSERVOMOTORS

Sense dubte lactuador mes utilitzat actualment en robtica. Inclou un motor de continua o alterna amb un encoder o resolver per realitzar lectures de posici i velocitar, i un driver extern que realitza el control.El control del servomotor subica a la controladora. Hi ha diferents dissenys de servos amb caracterstiques molt diferenciades, aix i els diferents sistemes de transmissi acabarn de definir les caracterstiques del robot.Robtica industrialIntroducci: metodes de controlEl control de les articulacions sacostuma a fer amb motors elctrics + els sistemas de transmissi necessaris. Disposem dels segents sistemes:

Sense servomotors

Amb servomotorsControl punt apuntControl de trajectoria continu

El sistema de control es de gran complexitat, est dividit en diferents nivells des del punto de vista funcional:Robtica industrialIntroducci: metodes de controlSense servomotors

Es fa implementant lmits mecnics a cada eix del robot i fent seqncies d'actuaci dels eixos. Robots de punt final, parada fixa, seqncia limitada o bang-bang. No hi ha control sobre les trajectries. Noms es coneixen els punts finals.

La programaci es fa Definint la seqncia desitjada de moviments. Ajustant les aturades per a cada eix.La seqncia de moviments es controla amb un sequenciador que utilitza sensors de finals de cursa per fer avanar les etapes

Caracterstiques Baix cost i fcils de mantenir. Fiables. Velocitat relativament alta. Repetitivitat de prop de 0,2 mm Flexibilitat limitada Accionaments Tpicament hidrulics o pneumticsRobtica industrialIntroducci: metodes de controlAmb servomotors

Els servomotors permeten el control en lla tancat monitoritzant la posici, velocitat i altres variables de cada eix.

Control punt a puntNoms es programen els punts finals. La trajectria la calcula el controlador. L'usuari pot seleccionar la velocitat i permetre moviments lineals o al llarg d'una pea. S'utilitza control en lla tancat per assegurar que els eixos sn on han de ser. S'havien utilitzat actuadors hidrulics als 70. Actualment: grans servomotors de CA. Crregues de fins a 500 kg i gran abast. Aplicacions: Tipus pick and place Paletitzat Crrega de mquines

Control de trajectria continuA ms de controlar els punts finals es pot controlar la trajectria de l'eina. La trajectria es pot controlar manipulant els eixos o b la trajectria, mitjanant uncontrol en lla tancat. Aplicacions: Pintura, soldadura amb arc, etc...Robtica industrialIntroducci: comunicacionsCada cop ms lautomatitzaci i robtica industrial va cap a la integraci de diferents tecnologies unides per comunicacions industrials. Degut a aix shan desenvolupat nombrosos protocols de comunicaci referenciats mes o menys a standars internacionals.

Els estndarts denominatsfactory bus(bus de fbrica) son els utilitzats aalt nivellnivel de control en la fbrica (visualizacin en oficinas de control o produccin).Les xarxes de camp denominanesfield bus (bus de camp)sutilitzen abaix nivell. principalment per la comunicaci de sensors i actuadors de proces/mquina, es a dir al nivell ms proper a la fabricaci del producte concret.La controladora de un robot portar com a mnim una controladora de bus de camp, i shi podran acoblar controladores adicionals.

Al cas de ABB, porten de serie el bus de camp Devicenet i bus de fbrica Ethernet.Robtica industrialIntroducci: Programaci de robotsLa programaci es pot fer de dues maneres: On line Amb el controlador (teach pendant) o PC (RobotStudio) Programaci sobre la marxa(anticuat) o HotEdit. Off line Amb un simulador (p.e. RobotStudio) Programaci de tasques en el simuladorLa programaci de un robot manipulador no es mes que un arxiu editable en un format de programaci propi del fabricant on indicarem instruccions de moviment i posicions, barrejat amb la informaci que donin les entrades i sortides i la resposta que ha de donar el robot.

Com que els llenguatges de programaci son propietaris, no hi ha un estndar; amb lo qual tenim molts formats de arxius sense possible portabilitat entre ells. En el cas de ABB, utilitza el llenguatge RAPID.