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Robotica basica
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Los Robots Manipuladores Industriales tienen su origen en: Los Telemanipuladores (usados
en la industria nuclear) Las máquinas herramienta de
control numérico (CNC)
Definición del Instituto Americano del Robot (IRA)
Es un manipulador reprogramable,
multifuncional ideado para el transporte de materiales, partes y herramientas o sistemas especializados,
con movimientos variados y programados para la realización de tareas diversas.
Definición de la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR)
Es un manipulador controlado en posición,
reprogramable, polivalente, de varios grados de libertad,
capaz de manipular materiales, piezas, herramientas y dispositivos especializados, durante la ejecución de movimientos variables y programados para la realización de una variedad de tareas.
Definición de la Japan Industrial Robot Association (JIRA)
Es una máquina capaz de realizar movimientos versátiles parecidos a los de nuestras extremidades superiores,
con cierta capacidad sensorial y de reconocimiento,
capaces de controlar su comportamiento.
Aumentar y homogenizar la calidad Flexibilizar la producción Aumentar la productividad elevando la
competitividad Mejorar el control, organización y
programación de la producción Incrementar la rentabilidad de las
inversiones Humanizar el trabajo
¿Dónde utilizarlos?
Los robots manipuladores son usados en casi cualquier aplicación industrial donde existan:
• tareas repetitivas y tediosas
• tareas manuales difíciles de realizar
• tareas peligrosas
APLICACIONES
Se pueden dividir en dos grandes grupos:
Manipulación de piezas
Manipulación de herramientas (procesos)
APLICACIONES
Los que manipulan piezas
• Carga y descarga de maquinaria
• Ensamble
• Empaque
• Paletizado (apilamiento)
• Otras
APLICACIONES
Los que manipulan herramientas (procesos)
• Soldadura: arco, puntos, laser Nd-Yang
• Pintura, esmalte
• Corte: laser, alta presión de agua
• Desbaste, esmerilado, pulido
• Mecanizado
• Otros
Robots Manipuladores Comerciales
Parque Industrial Operativo de Robots Manipuladores (año 2000) [Kelly]
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
Jap Ale E.U. Ita Kor Fran Esp G.B. Sue
En México muchas empresas emplean robots Manipuladores
Principalmente las ensambladoras de Automóviles
• Ford (Hermosillo)
• Chrysler y GM (Coahuila)
En la Laguna:
• Montiac: fábrica de cabezas de motores
• Faber: fábrica de muebles
• Mecano: casas prefabricadas
• Robótica Laguna (desarrollo de proyectos)
• AB Control (desarrollo de proyectos).
• Peñoles (laboratorio de muestras)
ROBOTS SERIALES Cadena abierta, Estructura mecánica simple No muy alta precisión Capacidad de carga dependiente
de su arquitectura: • Cartesiano, Cilíndrico, Esférico,
Angular, SCARA
Aplicaciones: • Soldadura de arco • Corte • Desbaste • Manipulación • Pintura • Empaque • Remoción de materiales • Otras • Ejemplo: Motoman UP20.
Existen dos grandes clasificaciones de Robots Manipuladores Industriales:
Robots Paralelos
ABB IRB 340 FlexPicker
Cadena cerrada
Alta complejidad mecánica y de control
Alta velocidad
Alta rigidez
Mayor precisión Baja Capacidad de carga
Uso en procesos de muy alta velocidad
Ejemplo: ABB IRB 340 para industria alimentos
Típos de
Arquitecturas
de Robots
Manipuladores
Robot Cartesiano
Movimientos precisos
Fácil de controlar
Algoritmos simples
Estructura rígida
pero:
Espacio de trabajo más
pequeño que el robot
Son grandes y por eso
necesitan un área de
trabajo grande.
Robot Cartesiano
coordenadas
cartesianas, PPP
Espacio de trabajo considerando
sus restricciones mecánicas
Robot Cilíndrico
Rotación de la base produce altas velocidades
Puede alcanzar objetos por debajo de la base
Algoritmos de control simples. pero:
Espacio de trabajo relativamente pequeño
La parte trasera del robot puede invadir el espacio de trabajo (si la junta prismática no es telescópica)
Cambios de resolución con la extensión del brazo.
Robot Cilíndrico
coordenadas
cilíndricas, RPP
Espacio de trabajo considerando
sus restricciones mecánicas
Robot Esférico (Polar)
Tiene un espacio de trabajo grande
Puede alcanzar objetos por debajo de su base. pero:
La resolución es relativamente baja, y es variable sobre el espacio de trabajo (es más baja cuando el efector está alrededor de la base)
Pequeños cambios producen grandes movimientos
Algoritmos de control complejos.
Robot Esférico
coordenadas
esféricas, RRP
Espacio de trabajo considerando
sus restricciones mecánicas
Robot Angular o
Antropomórfico Tiene la menor invasión del
espacio de trabajo
Tiene un espacio de trabajo grande
Muy flexible
Rápido.
pero:
Algoritmos complejos
Precisión pobre (los errores articulares se acumulan)
El control de movimiento es más difícil debido a la gravedad
Resolución variable (menor cuando extendido completamente).
Robot
Antropomórfico
o
Articulado
coordenadas
angulares, RRR
Espacio de trabajo considerando
sus restricciones mecánicas
Robot Scara Selective apliance arm robot for assembly
Es una versión del robot
articular, donde dos
articulaciones giran
alrededor de ejes verticales,
y una tercera articulación es
del tipo prismática.
Es una configuración muy
fuerte
Puede realizar movimientos
muy rápidos.
Configuración PRR
Robot Scara Selective apliance arm robot for assembly
Otra configuración típica es
la versión RRP
Robot SCARA
RRP
o
PRR
Espacio de trabajo considerando
sus restricciones mecánicas
La Muñeca
El brazo controla la posición en el espacio del efector,
mientras que la muñeca controla la orientación
del mismo.
Roll – rotación alrededor del eje del brazo
Pitch – movimiento arriba - abajo
Yaw – rotación derecha izquierda
La Muñeca
Configuraciones típicas de la muñeca
Marcas y Costos
Existen diversas compañías fabricantes de robots en el mundo, pero las más importantes son:
Fanuc (Japan)
Motoman (Japan)
Kawasaki (Japan)
Seiko (Japan)
Mitsubishi (Japan)
Kuka (Germany)
ABB (Sweden)
Adept (US)
Marcas y Costos
Los precios de los robots van de los $1,000 Dlls a millones de dólares.
El promedio cae en el rango de $20,000 a $80,000 Dlls.
El costo de las herramientas puede ser similar al del robot.
Ua celda integrada de manufactura usualmente cuesta varias veces el precio del robot.
Impacto Socioeconómico
Históricamente se ha demostrado que las
técnicas de automatización empleadas para
aumentar la eficiencia y productividad de las
plantas industriales
• han conducido a mejores niveles de vida,
• salarios reales más altos,
• una mayor cantidad de fuentes de trabajo.
Los robots, y más concretamente, los sistemas
de manufactura flexible tienen un efecto positivo
sobre el crecimiento económico real; sin
embargo, éstos tienden a desplazar a los
trabajadores
Desventajas
Desempleo por remplazo de mano de obra manual (pero requiere ingenieros que diseñen, programen, operen y den mantenimiento)
Costos significativos de reentrenamiento para ambos: desempleados y usuarios de las nuevas tecnologías
La publicidad técnica no siempre revela algunas de las desventajas escondidas
Costos escondidos debido a los equipos adicionales que hay que comprar e integrar para tener una celda funcional (algunas veces de 3 a 10 veces el costo del robot)
Ventajas
Mayor fexibilidad
Reprogramable
Mayor velocidad que el trabajo manual
Mayor calidad de producto
Maximiza los costosos equipos de uso intensivo en varios turnos de trabajo
Reducción de accidentes
Reducción de exposición a residuos peligrosos
Automatización menos propensa a paros
Anatomía de un RMI
Subsistema Mecánico
Está constituido por: La cadena cinemática asociada a
la imagen de robot industrial Los actuadores y transmisiones
que propulsan este mecanismo Equipo de perirrobótica (equipo
complementario).
Está formado por los transductores y los circuitos que permiten la generación de señales que informan al robot de su estado interno y externo. Los transductores pueden ser
Propioceptivos. Se utilizan para obtener información interna como posición y velocidad instantánea en cada articulación (potenciómetro o encoder digital), o la carga soportada por el órgano terminal (celda de carga)
Exteroceptivos. Se utilizan para proporcionar información instantánea del medio ambiente que lo rodea, por ejemplo para determinar la posición y orientación de objetos diversos. Ejemplos: cámaras de televisión, sistemas de ultrasonido, etc.
Subsistema de Percepción
Es la interfaz hombre máquina que permite al operador
Comunicarse con el robot Introducir las instrucciones que forman una tarea Modificar las instrucciones Conocer la situación del robot y su entorno
durante la ejecución de una tarea (en forma gráfica o texto)
Activar cualquiera de los componentes del robot Básicamente se trata del Teach Pendant o en su
defecto una terminal conectada a la computadora de control.
Subsistema de Comunicación
Es la parte intermedia entre el subsistema de comunicación y el de control; permite interpretar las instrucciones emitidas por el usuario para definir una tarea, y convertir éstas en consignas de movimiento para cada eslabón del manipulador (resuelve la cinemática inversa) Generar mensajes comprensibles para el usuario a partir de la información sensorial recibida del subsistema de percepción
Es software corriendo en la computadora de control.
Subsistema de Decisión
Es la parte de más bajo nivel; permite: Procesar la información recibida de los subsistemas de decisión (consignas de movimiento) y de percepción (errores de posición y velocidad a corregir) Generar las señales físicas de corrección (voltaje, o par) para que los actuadores del robot produzcan finalmente los movimientos requeridos en cada eslabón Es software corriendo en la computadora de control del robot.
Subsistema de Control
Subsistema Mecánico en detalle
La cadena cinemática está constituida por •Eslabones •Articulaciones (rotacionales y prismáticas)
Tipos de Articulaciones Básicas
Rotacional Traslacional
Subsistema Mecánico en detalle
Otras variantes de Juntas
A cada movimiento rotacional o traslacional
independiente que puede realizar cada articulación
con respecto a la anterior, se le llama Grado de
Libertad (GDL).
Tipos de órganos terminales
(efector)
Actuadores
Motores eléctricos: de pasos, de CD y CA • Tienen buena precisión y repetitividad • Sensibles al ruido • No muy alta potencia
Motores y pistones neumáticos: • Para aplicaciones simples como carga y
descarga • Propensión a fugas por lo que tienen
costos de operación altos
Actuadores
Motores y pistones hidráulicos • Potencia 10 veces mayor a la de un
motor eléctrico • Puede efectuar movimientos muy
rápidos • Facilidad para controlar movimientos
muy pequeños y lentos de manera continua
• Necesidad de una planta generadora de potencia hidráulica
• Fugas inevitables y peligro de inflamabilidad
Transmisiones
Las transmisiones de potencia conducen el movimiento generado por el actuador hasta el eslabón
Pueden ser:
• Engranajes • Bandas dentadas • Cadenas • Transmisión directa (eslabón montado
directamente en la flecha del motor)
Perirrobótica
Alimentación y transportación Bandas transportadoras Líneas de rodillos deslizantes transportadores aéreos vehículos auto guiados
Mano izquierda. Dispositivos para reorientar las piezas a manipular Tornamesas. Rotación en un eje vertical Rodillos giratorios. Rotación en un eje
horizontal Brazo con 2 manos o pinzas Segundo brazo manipulador
Perirrobótica Herramental
Órganos de prensión. Para inmovilizar un objeto cualquiera, ya sea por: o Fricción. Ejercen presión sobre las piezas o Restricción física. Tipo mano humana (con
dedos) o Atracción. Ventosas por vacío, magnéticas
Pistolas de proyección. Para aplicar pintura, esmaltes, pegamentos, espumas
Soldadoras. Punteadoras, arco eléctrico, arco de plasma, soldaduras (MIG y TIG).
Esmeriles. Desbastado, esmerilado o pulido Cortadoras. Lasers, chorro de agua a alta presión Herramientas de ensamble. Taladros,
atornilladores neumáticos, remachadoras
Perirrobótica
Dispositivos de seguridad. Proveen protección A individuos trabajando en áreas
contiguas, o a visitantes
A equipo de perirrobótica contra la liberación de energía agresiva por parte del robot debido a movimientos erráticos del brazo, rupturas de elementos cinemáticos, fugas de fluidos, cortes eléctricos.
Subsistema de Percepción
Propioceptivos Sensores de contacto. Para detectar la llegada de
una articulación a una posición. contacto on-off Sensores de posición
Potenciómetro Transformador diferencial (desplazamiento
lineal) Motores síncronos Encoder óptico (diferencial o absoluto)
Sensores de velocidad Sensores de posición muestreados (Δx/Δt)
Tacómetro de CD. Tacómetro asíncrono Tacómetro síncrono Generador de impulsos
Subsistema de Percepción
Exteroceptivos
Sensores de tacto Contacto binario. Microswitch en un dedo de la
pinza para detectar si hay un objeto en la pinza, sin importar la fuerza con que se toma
Deslizamiento. Permite tomar objetos frágiles y ligeros u objetos pesados. Utiliza un cilindro en un dedo de la pinza par detectar el movimiento relativo entre la pinza y el objeto debido a la gravedad, y hacer un ajuste hasta anular el deslizamiento
Piel artificial. Proporciona la distribución y magnitud de la fuerza aplicada en cada punto del objeto.
Subsistema de Percepción
Exteroceptivos
Sensores de proximidad Ópticos. Se mide la cantidad de luz reflejada
entre la pinza y el objeto. Los mejores son los del tipo infrarrojo
Acústicos. Consiste de un emisor acústico y un micrófono que recoge el cambio de la presión de las ondas sonoras cuya distribución cambia al acercarse a un objeto
Magnéticos. Relevador reed. Interruptor eléctrico que se cierra ante la presencia de un campo magnético.
Neumáticos. Se mide la presión en un conducto de aire
Subsistema de Percepción
Exteroceptivos
Sensores de visión Cámaras para la detección de tipos de objetos
2D 3D
Sensores de Fuerza
Actuadores del robot usados cono sensores (p.e. la corriente en el motor)
Galgas tensométricas. Su resistividad cambia con la deformación producida
Compliancia (suavidad)
Subsistema de Percepción
Exteroceptivos
Sensores de seguridad Barreras luminosas (fotoceldas). Detectan
invasión del espacio de trabajo Sistemas de visión para detectar presencia de
intrusos u objetos no modelados en el ambiente
Control de Robots Existen varias formas de implementar un controlador digital para robots manipuladores: PC + Tarjeta de adquisición de datos.
La tarjeta se inserta en una ranura PCI de la PC
La tarjeta tiene puertos A/D, D/A y digitales de E/S
El controlador digital se ejecuta en el CPU y la memoria de la PC; por esta razón puede ser lento
Es un esquema económico. Puede programarse en ensamblador o lenguaje de alto nivel (generalmente C)
Control de Robots PC + DSP (Digital Signal Processing)
El DSP es una tarjeta con un microprocesador RISC o CISC el cual es dedicado para implementar funciones de alto nivel. Tiene puertos A/D, D/A y digitales de E/S
El DSP se inserta en una ranura de la PC. La PC se usa para crear y compilar el programa (en ANSI C), y luego es bajado al DSP
El CPU de la PC se libera y puede ser usado para graficación u otras funciones
Es costoso: 2,500 a 10,000 Dlls, según el número de ejes (articulaciones) que puedan manejar simultáneamente. Existen DSP’s para robots que pueden manejar hasta 8 ejes, por ejemplo los dspace 1103
Control de Robots PLC (Controlador Lógico Programable).
Dispositivos con módulos lógicos, puertos A/D, D/A y digitales de E/S, así como controladores PID.
No cuentan con displays complejos como una PC. Se pueden programar manualmente en el propio
PLC o desarrollar el programa en una PC y luego transferirlo al PLC.
Su precio es muy variado según el número y tipo de funciones implementadas.
CONCLUSIONES
La robótica es un área interdisciplinaria
Es un área en continua expansión
Ayuda al hombre a ser más productivo
Requiere de personal calificado para programación y mantenimiento
En el futuro muchas de las tareas serán realizadas por robots
Continuará el perfeccionamiento de los robots humanoides (vista, tacto, detección de olores y sabores, etc).
Gracias Por Su Atención !!
Dr. Miguel Ángel Llama Leal
