MODULO DE ROBOTICA

Por

Freddy F. Valderrama Gutierrez

Primera version creada por

ING. LUIS ENRIQUE CAMARGO

en la

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIACEAD DUITAMA

Julio, 2008

Aprobado por:

Pedro Torres Silva FechaC.C

Gustavo Velasquez, FechaC.C

TABLA DE CONTENIDOPagina

LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi

1 PROTOCOLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Intencionalidades formativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Propositos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.3 Metas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.4 Competencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Unidades didacticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5 Mapa Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Unidad I Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1 Antecedentes historicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.1 Breve Historia de la robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.2 Automatizacion y robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.3 Clasificacion de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.2 Transferencia de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.3 Carga y descarga de maquinas . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.4 Operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.5 Otras operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . 262.2.6 Procesos de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.7 Manipuladores cinematicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.8 Agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.9 Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.10 Vehiculos submarinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.11 Educacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3 El mercado de la robotica y las perspectivas futuras . . . . . . . . 312.4 Subsistemas del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5 Robot Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.5.1 Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.5.2 Clasificacion de robots industriales . . . . . . . . . . . . . . 37

ii

2.6 Morfologıa del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6.1 Grados de Libertad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador . . . . . . 412.6.3 Capacidad de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.6.4 Problemas a enfrentar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.6.5 Exactitud y Repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.6.6 Resolucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.6.7 Precision en la repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.8 La resolucion del mando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.9 Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.10 Coordenadas de los movimientos . . . . . . . . . . . . . . . 462.6.11 Brazos del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.6.12 Programabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.6.13 Estructura mecanica de un robot . . . . . . . . . . . . . . . 482.6.14 Transmisiones y reductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.6.15 Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.6.16 Neumaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.6.17 Hidraulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.6.18 Electricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.6.19 Sensores internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.6.20 Sensores externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3 UNIDAD II. Cinematica y dinamica del robot . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1 Conceptos basicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.1.1 Posicion y orientacion en el plano . . . . . . . . . . . . . . 723.1.2 Posicion y orientacion en el espacio . . . . . . . . . . . . . 793.1.3 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2 Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H) . . . . . . . . . . . 873.3 El problema cinematico directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.3.1 Ejemplo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.3.2 Ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.4 El problema cinematico inverso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.4.1 Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.5 Velocidades y jacobiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4 UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBOTICA . . . . . . . . . . . . . . 100

4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.1.1 Sistema de medicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.1.2 La exploracion de imagenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1.3 La Retroalimentacion visual para el funcionamiento del

Telerobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.1.4 La retroalimentacion visual y de fuerza para ayudar al neu-

rocirujano durante una telecirugıa . . . . . . . . . . . . . 1054.1.5 La cirugıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

iii

4.2 Procesamiento de imagenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.2.1 Estructura y jerarquıa en el proceso de imagenes . . . . . . 1094.2.2 El video Estereoscopico y la Realidad Virtual . . . . . . . . 110

4.3 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.3.1 Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.3.2 Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.3.3 Nuevos Sectores de Aplicacion . . . . . . . . . . . . . . . . 128

APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

iv

LISTA DE TABLASTabla Pagina

v

LISTA DE FIGURASFigura Pagina

1–1 Protocolo del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1–2 Unidad 1 y Unidad 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1–3 Unidad 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1–4 Mapa conceptual del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2–1 Robot disenado por Ralph Mosher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2–2 Muneca dibujante disenada por Henri Maillardert. . . . . . . . . . . . 15

2–3 Cyril Walter Kenward y George C. Devol. . . . . . . . . . . . . . . . 19

2–4 Robot tranasportador de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2–5 Robot usado en laboratorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2–6 Robot usado para explorar tuberias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2–7 Robot usado para esquilar ovejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2–8 Robot usado para exploraciones espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . 30

2–9 Robot manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2–10 Diagrama de bloque de un robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2–11 Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. . . . . . . . 41

2–12 Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 43

2–13 Esquema para definir la resolucion de un robot industrial. . . . . . . . 44

2–14 Esquema para visualizar el error de posicion. . . . . . . . . . . . . . . 44

2–15 Configuraciones basicas y coordenadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2–16 Tipos de junturas usadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2–17 Analogia entre un brazo humano y uno robotico. . . . . . . . . . . . . 49

2–18 Punto de centro de la herramienta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2–19 Espacio de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

vi

2–20 Tipos de transmisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2–21 Engranajes Circular-Circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2–22 Caracteristicas de los reductores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2–23 Cilindro neumatico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2–24 Motor neumatico de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2–25 Motor DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2–26 Motor DC vista de rotor y estator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2–27 Motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2–28 Paralelo entre actuadores usados en robotica . . . . . . . . . . . . . . 63

2–29 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3–1 Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles. . 72

3–2 Vector de coordenadas en el plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3–3 Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3–4 localizacion de un objeto en posicion y orientacion . . . . . . . . . . . 74

3–5 Traslacion del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3–6 Rotacion del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3–7 Deteccion de un obstaculo desde un robot movil . . . . . . . . . . . . 77

3–8 Cambio de sistema de referencia en navegacion de robots moviles . . . 77

3–9 Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano . . . . . . 78

3–10 Posicion en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3–11 Posicion en el espacio con coordenadas cilındricas . . . . . . . . . . . 80

3–12 Posicion en el espacio con coordenadas esfericas . . . . . . . . . . . . 80

3–13 Posicion y orientacion en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3–14 Cambio de sistemas de referencia en el espacio . . . . . . . . . . . . . 82

3–15 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3–16 Manipulador plano con dos articulaciones de rotacion . . . . . . . . . 84

3–17 Representacion de ecuaciones de transforamcion . . . . . . . . . . . . 86

vii

3–18 Asignacion de ejes de referencia a articulaciones consecutivas . . . . . 87

3–19 Manipulador plano con tres articulaciones de rotacion . . . . . . . . . 90

3–20 Esquema del robot del ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3–21 Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de liber-tad de rotacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3–22 Solucion por metodos geometricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4–1 Robot telecontrolado de la universidad de australia . . . . . . . . . . 104

4–2 Angulo elegido para la camara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4–3 Telecirujia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4–4 Cirugıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4–5 Configuraciones de camara de estereoscopica. . . . . . . . . . . . . . . 114

4–6 Robots soldadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4–7 Robot alimentador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4–8 Robot de corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4–9 Robot tipo SCARA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4–10 El vagabundo de Marte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4–11 El Rocky 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

viii

PARTE 1

PROTOCOLO

Identificacion del curso academico, vease 1–1.

Figure 1–1: Protocolo del curso.

1

2

1.1 Introduccion

Este curso es de 3 creditos academicos, se ofrece como asignatura del plan academico

de Ingenierıa Electronica y como curso electivo de Ingenierıa de sistemas, Tiene 3

unidades, las cuales se trabajan por capıtulos. En la primera unidad se inicia ha-

ciendo una introduccion a la robotica, en la doble vertiente de su significacion social

y de su importancia tecnologica. La robotica es un componente esencial de la au-

tomatizacion de la fabricacion, que afectara a la mano de obra humana en todos los

niveles, desde los trabajadores no especializados hasta los tecnicos profesionales y

directores de produccion. Esta obra tiene el objetivo ambicioso de proporcionar la

documentacion tecnica en este fascinante campo.

El segundo capitulo de la unidad I presenta la robotica como tecnologıa interdisci-

plinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo historico y estado

actual. El tercer capitulo esta dedicado al estudio de los elementos que componen

un robot: estructura mecanica, transmisiones y reductores, actuadores, elementos

terminales y sensores. No se pretende en el mismo hacer un estudio exhaustivo de

estos componentes, pues no es este objetivo propio de la robotica, sino destacar las

caracterısticas que los hacen adecuados para su empleo en robots.

Para que un robot pueda moverse y manipular objetos, es necesario una adecuada

localizacion de las configuraciones espaciales por las que se pretende que el robot

pase. Tanto para el usuario del robot como para su disenador es necesario mane-

jar adecuadamente una serie de herramientas matematicas que permitan situar en

posicion y orientacion un objeto (en particular el extremo del robot) existentes para

tal fin. En concordancia con lo anterior el estudio de la cinematica del robot hace

parte de la Unidad II, lo anterior permite relacionar la posicion de sus actuadores

con la posicion y orientacion del extremo. Esta relacion no trivial, es fundamental

para desarrollar el control del robot. Enseguida se aborda el modelado dinamico de

un robot. Como sistema dinamico, el robot es uno de los sistemas mas fascinantes

3

para el control, por incorporar muchas de aquellas dificultades que clasicamente se

obvian en el estudio de control de sistemas.

La unidad III presenta el tema del sistema de vision artificial de maquinas, sus

beneficios para trabajos que requieren reconocimiento y precision de objetos, config-

uracion, etc. Al final de esta unidad se muestra la utilizacion del robot en diferentes

tipos de aplicaciones, tanto las mas habituales, como soldadura de carrocerıas, y

las mas novedosas en los sectores de construccion, espacio, cirugıa, etc. Es evi-

dente que la robotica esta siendo aplicada a un gran numero de sectores dispares,

siendo imposible pretender que el estudiante conozca todas las caracterısticas de los

mismos.

4

1.2 Justificacion

¿Por que la Robotica?

Beneficio inmediato para el estudiante:

• Se involucra activamente en su propio proceso de aprendizaje.

• Desarrolla la intuicion cientıfica y de ingenierıa.

• Desarrolla sus intereses en matematicas y tecnologıa cientıfica.

• Potencia sus habilidades de investigacion y resolucion de problemas, ası como lec-

tura, escritura, habilidades de presentacion y creatividad.

Beneficios a largo plazo:

• Construye auto-pensadores que ademas son capaces de apreciar el valor de la auto-

motivacion y de sentirse con recursos.

• Permite que conseguir sus metas se transforme en un habito.

• Convertirse en un autodidacta activo.

• Fomenta la habilidad para resolver los problemas mediante estrategias centrandose

en el razonamiento logico, analıtico, y pensamiento crıtico. Esta habilidad es la

base de muchos campos cientıficos ası como de otras areas profesionales.

5

1.3 Intencionalidades formativas

1.3.1 Propositos

• Fundamentar la concepcion de la robotica dentro de la ingenierıa y en especial de

los procesos de automatizacion.

• Capacitar a los estudiantes para la comprension y aprehension de los conceptos

propios de la robotica.

• Fomentar en el estudiante las caracterısticas que deben identificarlo en su de-

sempeno y actuacion a la hora de trabajar con robots.

• Desarrollar habilidades para determinar el analisis, diseno, programacion y manip-

ulacion de robots.

1.3.2 Objetivos

• Fundamentar teoricamente la concepcion de la robotica.

• Generar espacios de reflexion permanente sobre su capacidad para entender la

estructura y el funcionamiento de un robot atendiendo a los modelos matematicos

para su fundamento y / o explicacion.

• Aplicar la estrategia adecuada a la hora de disenar e implementar un robot

• Potenciar habilidades, destrezas que permita que el estudiante sea competente a

la hora de manipular robots o sea proponente de una solucion de automatizacion.

1.3.3 Metas

Al terminar el curso el estudiante:

• Identificara la “estructura” y la forma de “funcionamiento” de un robot..

• Reconocera la fundamentacion teorica y conceptual de la robotica. Distinguira y

determinara los modelos matematicos que la soportan y explican

6

• Al conocer el contexto actual de la robotica, podra proponer, argumentar e inter-

pretar soluciones a problemas de la vida real que requieran de procesos de autom-

atizacion

1.3.4 Competencias

Este curso pretende ofrecer las siguientes competencias a nuestros estudiantes:

• Cognitiva: El estudiante podra identificar, analizar y proponer soluciones que

requieran de Robots industriales que permitan automatizar procesos. Haciendo

uso de modelos y tecnologıas vigentes.

• Comunicativa: El uso intensivo de las TICs permitira al estudiante comunicarse

efectivamente usando las medios electronicos tales como: foros, correo, blogs, entre

otros.

• Contextual: El estudiante se apropia de problemas de su entorno desde el punto

de vista social, economico y polıtico, para plantear soluciones ingenieriles en ben-

eficio de su comunidad.

• Valorativa: El estudiante asume una actitud positiva ante la adquisicion de

conocimientos ingenieriles, teniendo presentes los valores eticos y morales como

son: el respeto, la conciencia, el trabajo en equipo, el temperamento, la autodisci-

plina y el sentido de pertinencia.

7

1.4 Unidades didacticas

Las figuras 1–2 y 1–3 muestran los contenidos del presente curso.

Figure 1–2: Unidad 1 y Unidad 2.

8

Figure 1–3: Unidad 3.

9

1.5 Mapa Conceptual

Los conceptos tratados en el presente modulo se pueden organizar como se observa

en la Figura 1–4.

Figure 1–4: Mapa conceptual del curso.

PARTE 2

UNIDAD I CONCEPTOS GENERALES

2.1 Antecedentes historicos

La palabra robot fue usada por primera vez en el ano 1921, cuando el escritor checo

Karel Capek (1890 - 1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum’s

Universal Robot (R.U.R.). Su origen es de la palabra eslava robota, que se refiere al

trabajo realizado de manera forzada. Con el objetivo de disenar una maquina flex-

ible, adaptable al entorno y de facil manejo, George Devol, pionero de la Robotica

Industrial, patento en 1948, un manipulador programable que industrial. En 1948

R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrollo, con el objetivo de manip-

ular elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer tele manipulador.

Este consistıa en un dispositivo mecanico maestro-esclavo. El manipulador maestro,

reproducıa fielmente los movimientos de este. El operador ademas de poder observar

a traves de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sentıa a traves del dispos-

itivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejercıa. Anos mas tarde, en 1954, Goertz

hizo uso de la tecnologıa electronica y del servocontrol sustituyendo la transmision

mecanica por electrica y desarrollando ası el primer tele manipulador con servo-

control bilateral. Otro de los pioneros de la tele manipulacion fue Ralph Mosher,

ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado

Handy-Man, consistente en dos brazos mecanicos teleoperados mediante un maestro

del tipo denominado exoesqueleto, posteriormente diseno el GE vease Figura 2–1.

Junto a la industria nuclear, a lo largo de los anos sesenta la industria submarina

comenzo a interesarse por el uso de los tele manipu ladores. A este interes se sumo

10

11

la industria espacial en los anos setenta. La evolucion de los tele manipuladores a lo

largo de los ultimos anos no ha sido tan espectacular como la de los robots. Reclui-

dos en un mercado selecto y limitado(industria nuclear, militar, espacial, etc.) son

en general desconocidos y comparativamente poco atendidos por los investigadores

y usuarios de robots.

Figure 2–1: Robot disenado por Ralph Mosher.

Por su propia concepcion, un tele manipulador precisa el mando continuo de un

operador, y salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control su-

pervisado y la mejora de la tele presencia promovida hoy dıa por la realidad virtual,

sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus orıgenes. La sustitucion

del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del

manipulador robot. La primera patente de un dispositivo robotico fue solicitada en

marzo de 1954 por el inventor britanico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en

12

el Reino Unido en 1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano,

inventor y autor de varias patentes, el establecio las bases del robot industrial mod-

erno. En 1954 Devol concibio la idea de un dispositivo de tr ansferencia de artıculos

programada que se patento dio en paso al Estados concepto Unidos en de 1961.

En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingenierıa de la division aeroespacial

de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y

Engelberger comenzaron a trabajar en la utilizacion industrial de sus maquinas, fun-

dando la Consolidated Controls Corporation, que mas tarde se convierte en Unima-

tion(Universal Automation), e instalando su primera maquina Unimate (1960), en la

fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicacion de fundicion

por inyeccion. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construccion de

maquinas similares (Versatran- 1963. En 1968 J.F. Engelberger visito Japon y poco

mas tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construccion de robots tipo

Unimate. El crecimiento de la robotica en Japon aventaja en breve a los Estados

U nidos gracias a Nissan, que formo la primera asociacion robotica del mundo, la

Asociacion de Robotica industrial de Japon (JIRA) en 1972. Dos anos mas tarde se

formo el Instituto de Robotica de America (RIA), que en 1984 cambio su nombre

por el de Asociacion de Industrias Roboticas, manteniendo las mismas siglas (RIA.

Por su parte Europa tuvo un despertar mas tardıo. En 1973 la firma sueca ASEA

construyo el primer robot con accionamiento totalmente electrico, en 1980 se fundo

la Federacion Internacional de Robotica con sede en Estocolmo Suecia. La configu-

racion de los primeros robots respondıa a las denominadas configuraciones esferica

y antropomorfica, de uso especialmente valido para la manipulacion. En 1982, el

profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japon, desarrolla el concepto de

robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con

un numero reducido en grados de libertad (3 o 4), un coste limitado y una config-

uracion orientada al ensamblado de piezas La definicion del robot industrial, como

13

una maquina que puede efectuar un numero diverso de trabajos, automaticamente,

mediante la programacion previa, no es valida, por que existen bastantes maquinas

de control numerico que cumplen esos requisitos. Una peculiaridad de los robots es

su estructura de brazo mecanico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores

o herramientas. Otra caracterıstica especifica del robot, es la posibilidad de llevar a

cabo trabajos completamente diferentes, e incluso tomar decisiones segun la infor-

macion procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa operativo

en su sistema informatico.

Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robotica Industrial:

1. El laboratorio ARGONNE disena, en 1950, manipuladores amo-esclavo para mane-

jar material radioactivo

2. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse,

realiza los primeros proyectos de robots a principios de la decada de los sesentas

de nuestro siglo, instalando el primero en 1961 y posteriormente, en 1967, un

conjunto de ellos en una factorıa de general motors. Tres anos despues, se inicia la

implantacion de los robots en Europa, especialmente en el area de fabricacion de

automovi les. Japon comienza a implementar esta tecnologıa hasta 1968.

3. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la

tarea de controlar un robot mediante computador

4. En el ano de 1975, la aplicacion del microprocesador, transforma la imagen y las

caracterısticas del robot, hasta entonces grande y costoso

5. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigacion, por parte de las empresas

fabricantes de robots, otros auxiliares y diversos departamentos de Universidades

de todo el mundo, sobre la informatica aplicada y la experimentacion de los sen-

sores, cada vez mas perfeccionados, potencian la configuracion del robot inteligente

capaz de adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuarlas para

cada situacion.

14

La evolucion de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En

poco mas de 30 anos las investigaciones y desarrollos sobre robotica industrial han

permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las areas productivas y tipos

de industria. En pequenas o grandes fabricas, los robots pueden sustituir al hombre

en aquellas areas repetitivas y hostiles, adaptandose inmediatamente a los cambios

de produccion solicitados por la demand a variable.

2.1.1 Breve Historia de la robotica

Por siglos el ser humano ha construido maquinas que imitan las partes del cuerpo

humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecanicos a las estatuas de sus dioses.

Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de

estos era inspiracion de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban

con sistemas hidraulicos, las cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los

templos. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos munecos

mecanicos muy ingeniosos que tenıan algunas caracterısticas de robots. Jacques

de Vauncansos construyo varios musicos de tamano humano a mediados del siglo

XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecanicos disenados para un proposito

especıfico: la diversion.

En 1805, Henri Maillardert construyo una muneca mecanica que era capaz de hacer

dibujos, vease Figura 2–2. Una serie de levas se utilizaban como ’ el programa ’

para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Estas creaciones mecanicas

de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio

de hombres que se anticiparon a su epoca.

Hubo otras invenciones mecanicas durante la revolucion industrial, creadas por

mente s de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la pro-

duccion textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770),

la hiladora mecanica de Crompton (1779), el telar mecanico de Cartwright (1785),

15

Figure 2–2: Muneca dibujante disenada por Henri Maillardert.

eltelar de Jacquard (1801), y otros. El desarrollo en la tecnologıa, donde se incluyen

las poderosas computadoras electronicas, los actuadores de control retroalimenta-

dos, transmision de potencia a traves de engranes, y la tecnologıa en sensores han

contribuido a flexibilizar los mecanismos automatas para desempenar tareas dentro

de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los

primeros robots en la decada de los 50’s. La investigacion en inteligencia artificial

desarrollo maneras de emular el procesamiento de informacion humana con computa-

doras electronicas e invento una variedad de mecanismos para probar sus teorıas. No

obstante las limitaciones de las maquinas roboticas actuales, el concepto popular de

un robot es que tiene una apariencia humana y que actua como tal. Este concepto

humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficcion.

Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossum’s

Universal Robots, dio lugar al termino robot. La palabra checa ’Robota’ significa

servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirtio en el

16

termino robot. Dicha narracion se refiere a un brillante cientıfico llamado Rossum

y su hijo, quienes desarrollan una sustancia quımica que es similar al protoplasma.

Utilizan esta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots

sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos fısicos.

Rossum sigue realizando mejoras en el diseno de los robots, elimina organos y otros

elementos in necesarios, y finalmente desarrolla un ser ”perfecto”. El argumento ex-

perimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir

con su papel de servidores y se rebelan contra sus duenos, destruyendo toda la vida

humana. Entre los escritores de ciencia ficcion, Isaac Asimov contribuyo con varias

narraciones relativas a robots, comenzo en 1939, a el se atribuye el acunamiento

del termino Robotica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una

maquina bien disenada y con una seguridad garantizada que actua de acuerdo con

tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de

la Robotica, y son:

1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inaccion, que un

ser humano sufra danos

2. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que

esten en conflictos con la primera ley.

3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que este en conflicto con las

dos primeras leyes.

Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano,

de esta forma su actitud contraviene a la de Kapek.

En el siguiente link, se puede profundizar en este tema:

2.1.2 Automatizacion y robotica

La historia de la automatizacion industrial esta caracterizada por perıodos de con-

stantes innovaciones tecnologicas. Esto se debe a que las tecnicas de automatizacion

17

estan muy ligadas a los sucesos economicos mundiales. El uso de robots industriales

junto con los sistemas de diseno asistidos por computadora (CAD), y los sistemas

de fabricacion asistidos por computadora (CAM), son la ultima tendencia de au-

tomatizacion de los procesos de fabricacion. Estas tecnologıas conducen a la au-

tomatizacion industrial a otra transicion, de alcances aun desconocidos. Aunque el

crecimiento del mercado de la industria Robotica ha sido lento en comparacion con

los primeros anos de la decada de los 80´s, de acuerdo a algunas predicciones, la

industria de la robotica esta en su infancia. Ya sea que estas predicciones se realicen

completamente, o no, es claro que la industria robotica, en una forma o en otra,

permanecera.

En la actualidad el uso de los robots industriales esta concentrado en operaciones

muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precision. Los analisis

de mercado en cuanto a fabricacion predicen que en esta decada y en las poste-

riores los robots industriales incrementaran su campo de aplicacion, esto debido

a los avances tecnologicos en sensorica, los cuales permitiran tareas mas sofisti-

cadas como el ensamble de materiales. la automatizacion y la robotica son dos

tecnologıas estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir

la automatizacion como una tecnologıa que esta relacionada con el empleo de sis-

temas mecanicos-electricos basados en computadoras para la operacion y control de

la produccion. En consecuencia la robotica es una forma de automatizacion indus-

trial.

Hay tres clases muy amplias de automatizacion industrial: automatizacion fija, au-

tomatizacion programable, y automatizacion flexible. La automatizacion fija se

utiliza cuando el volumen de produccion es muy alto, y por tanto se puede justificar

economicamente el alto costo del diseno de equipo especializado para procesar el

producto, con un rendimiento alto y tasas de produccion elevadas. Ademas de esto,

18

otro inconveniente de la automatizacion fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a

la vigencia del producto en el mercado. La automatizacion programable se emplea

cuando el volumen de produccion es relativamente bajo y hay una diversidad de pro-

duccion a obtener. En este caso el equipo de produccion es disenado para adaptarse

a la variaciones de configuracion del producto; esta adaptacion se realiza por medio

de un programa (Software). Por su parte la automatizacion flexible es mas adecuada

para un rango de produccion medio. Estos sistemas flexibles poseen caracterısticas

de la automatizacion fija y de la automatizacion programada. Los sistemas flexibles

suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre

sı, y por sistemas de almacenamiento y manipulacion de materiales, controlados en

su conjunto por una computadora. De los tres tipos de automatizacion, la robotica

coincide mas estrechamente con la automatizacion programable.

En tiempos mas recientes, el control numerico y la telequerica son dos tecnologıas

importantes en el desarrollo de la robotica. El control numerico (NC) se desar-

rollo para maquinas herramienta a finales de los anos 40 y principios de los 50´s.

Como su nombre lo indica, el control numerico implica el control de acciones de un

maquina-herramienta por medio de numeros. Esta basado en el trabajo original de

Jhon Parsons, que concibio el empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de

posiciones, para controlar los ejes de una maquina-herramienta.

El campo de la telequerica abarca la utilizacion de un manipulador remoto contro-

lado por un ser humano.

A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo mecanico

que traduce los movimientos del operador humano en movimientos correspondientes

en una posicion remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la telequerica. En

1948 construyo un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el Argonne

19

Figure 2–3: Cyril Walter Kenward y George C. Devol.

National Laboratory. El empleo mas frecuente de los teleoperadores se encuentra en

la manipulacion de sustancias radiactivas, o peligrosas para el ser humano.

La combinacion del control numerico y la telequerica es la base que constituye al

robot modelo. Hay dos individuos (vease Figura 2–3) que merecen el reconocimiento

de la confluencia de estas dos tecnologıas y el personal que podıa ofrecer en las

aplicaciones industriales. El primero fue un inventor britanico llamado Cyril Walter

Kenward, que solicito una patente britanica para un dispositivo robotico en marzo

de 1954. La segunda persona citada es George C. Devol, inventor americano, al que

debe atribuirse dos invenciones que llevaron al desarrollo de los robots hasta nuestros

dıas. La primera invencion consistıa en un dispositivo para grabar magneticamente

senales electricas y reproducirlas para controlar un maquina. La segunda invencion

se denominaba Transferencia de Artıculos Programada.

En el contexto de la automatizacion un robot industrial se puede definir como

una maquina programable de uso general que tiene algunas caracterısticas antropomorficas

20

o ¨humanoides¨. La mas relevante es la de sus brazos moviles, los que se desplazaran

por medio de secuencias de movimientos que son programados para la ejecucion de

tareas de utilidad. La definicion oficial de un robot industrial se pro porciona por

la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of

America. ” Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable

disenado para desplazar materiales , piezas, herramientas o dispositivos especiales,

mediante movimientos variables programados para la ejecucion de una diversidad

de tareas ”. Se espera en un futuro no muy lejano que la tecnologıa en robotica se

desplace en una direccion que sea capaz de proporcionar a estas maquinas capaci-

dades mas similares a las humanas.

2.1.3 Clasificacion de los robots

La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del

robot dentro de las limitantes del diseno mecanico y la capacidad de los sensores.

Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generacion, a su nivel de inteligencia,

a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programacion. Estas clasificaciones

reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada inter-

accion de los sensores. La generacion de un robot se determina por el orden historico

de desarrollos en la robotica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los

robots industriales. La tercera generacion es utilizada en la industria, la cuarta se

desarrolla en los laboratorios de investigacion, y la quinta generacion es un gran

sueno.

1. Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas,

como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos

robots comunmente tienen un control de lazo abierto.

2. Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimien-

tos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores

21

3. Robots controlados por vision, donde los robots pueden manipular un objeto al

utilizar informacion desde un sistema de vision.

4. Robots controlados que pueden automaticamente reprogramar sus acciones sobre

la base de los datos obtenidos por los sensores.

5. Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las tecnicas de inteligen-

cia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.

La Asociacion de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis

clases sobre la base de su nivel de inteligencia:

1. Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.

2. Robots de secuencia arreglada

3. Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia

facilmente.

4. Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a traves de la

tarea.

5. Robots de control numerico, donde el operador alimenta la programacion del

movimiento, hasta que se ensene manualmente la tarea

6. Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el

medio ambiente.

Los programas en el controlador del robot pueden ser agrupados de acuerdo al nivel

de control que realizan:

1. Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptara un comando como ”lev-

antar el producto” y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo

nivel basados en un modelo estrategico de las tareas.

22

2. Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo

que se incluye la interaccion dinamica entre los diferentes mecanismos, trayectorias

planeadas, y los puntos de asignacion seleccionados.

3. Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parametros de los

mecanismos con el uso de una retroalimentacion interna de los datos obtenidos por

los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de

sensores externos. Todas las detecciones de fallas y mecanismos de correccion son

implementados en este nivel.

En la clasificacion final se considerara el nivel del lenguaje de programacion. La clave

para una aplicacion efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el

desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programacion de

robots, aunque la mayorıa del software mas avanzado se encuentra en los laboratorios

de investigacion. Los sistemas de programacion de robots caen dentro de tres clases:

1. Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a traves de los movimientos

a ser realizados

2. Sistemas de programacion de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un pro-

grama de computadora al especificar el movimiento.

3. Sistemas de programacion de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la op-

eracion por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula

2.2 Aplicaciones

Los robots son utilizados en una diversidad de aplicaciones, desde robots tortugas

en los salones de clases, robots soldadores en la industria automotriz, hasta brazos

teleoperados en el transbordador espacial. Cada robot lleva consigo su problematica

propia y sus soluciones afines; no obstante que mucha gente considera que la autom-

atizacion de procesos a traves de robots esta en sus inicios, es un hecho innegable que

23

la introduccion de la tecnologıa robotica en la industria, ya ha causado un gran im-

pacto. En este sentido la industria Automotriz desempena un papel preponderante.

Es necesario hacer mencion de los problemas de tipo social, economicos e incluso

polıtico, que puede generar una mala orientacion de robotizacion de la industria.

Se hace indispensable que la planificacion de los recursos humanos, tecnologicos y

financieros se realice de una manera inteligente. La Robotica contribuira en gran

medida al incremento del empleo. ¿Pero, como se puede hacer esto? al automatizar

los procesos en maquinas mas flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce

una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma

de fabricacion de los mismos. Esto puede originar una gran cantidad de empresas

familiares (Micro y pequenas empresas ) lo que provocarıa la descentralizacion de la

industria.

2.2.1 Industria

Los robots son utilizados por una diversidad de procesos industriales como lo son:

la soldadura de punto y soldadura de arco, pinturas de spray, transportacion de

materiales, molienda de materiales, moldeado en la industria plastica, maquinas-

herramientas, y otras mas. A continuacion se hara una breve explicacion de algunas

de ellas.

2.2.2 Transferencia de material

Las aplicaciones de transferencia de material (vease Figura 2–4) se definen como

operaciones en las cuales el objetivo primario es mover una pieza de una posicion a

otra. Se suelen considerar entre las operaciones mas sencillas o directas de realizar

por los robots. Las aplicaciones normalmente necesitan un robot poco sofisticado,

y los requisitos de enclavamiento con otros equipos son tıpicamente simples

24

Figure 2–4: Robot tranasportador de material.

2.2.3 Carga y descarga de maquinas

Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot se utiliza para

servir a una maquina de produccion transfiriendo piezas a/o desde las maquinas.

Existen tres casos que caen dentro de esta categorıa de aplicacion:

Carga/Descarga de Maquinas. El robot carga una pieza de trabajo en bruto en el

proceso y descarga una pieza acabada. Una operacion de mecanizado es un ejemplo

de este caso. Carga de maquinas. El robot debe de cargar la pieza de trabajo en

bruto a los materiales en las maquinas, pero la pieza se extrae mediante algun otro

medio. En una operacion de prensado, el robot se puede programar para cargar

laminas de metal en la prensa, pero las piezas acabadas se permite que caigan fuera

de la prensa por gravedad. Descarga de maquinas. La maquina produce piezas

acabadas a partir de materiales en bruto que se cargan directamente en la maquina

sin la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la maquina. Ejemplos de

esta categorıa incluyen aplicaciones de fundicion de troquel y moldeado plastico. La

aplicacion se tipifica mejor mediante una celula de trabajo con el robot en el centro

que consta de la maquina de produccion, el robot y alguna forma de entrega de

piezas.

25

2.2.4 Operaciones de procesamiento

Ademas de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una gran clase de aplicaciones

en las cuales el robot realmente efectua trabajos sobre piezas. Este trabajo casi

siempre necesita que el efector final del robot sea una herramienta en lugar de una

pinza. Por tanto la utilizacion de una herramienta para efectuar el trabajo es una

caracterıstica distinta de este grupo de aplicaciones. El tipo de herramienta depende

de la operacion de procesamiento que se realiza.

• Soldadura por puntos: Como el termino lo sugiere, la soldadura por puntos es un

proceso en el que dos piezas de metal se soldan en puntos localizados, al hacer pasar

una gran corriente electrica a traves de las piezas donde se efectua la soldadura.

• Soldadura por arco continua: La soldadura por arco es un proceso de soldadura

continua en oposicion a la soldadura por punto que podrıa llamarse un proceso

discontinuo. Se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones soldadas en

las cuales, a menudo, se necesita un cierre hermetico entre las dos piezas de metal

que se van a unir. El proceso utiliza un electrodo en forma de barra o alambre de

metal para suministrar la alta corriente electrica de 100 a 300 amperes

• Recubrimiento con spray: La mayorıa de los productos fabricados de materiales

metalicos requieren de alguna forma de acabado de pintura antes de la entrega al

cliente. La tecnologıa para aplicar estos acabados varia en la complejidad desde

metodos manuales simples a tecnicas automaticas altamente sofisticadas. Se divi-

den los metodos de recubrimiento industrial en dos categorıas:

– Metodos de recubrimiento de flujo e inmersion.

– Metodos de recubrimiento al spray.

Los metodos de recubrimiento mediante flujo de inmersion se suelen considerar que

son metodos de aplicar pintura al producto de baja tecnologıa. La inmersion sim-

plemente requiere sumergir la pieza o producto en un tanque de pintura liquida.

26

2.2.5 Otras operaciones de procesamiento

Ademas de la soldadura por punto, la soldadura por arco, y el recubrimiento al

spray existe una serie de otras aplicaciones de robots que utilizan alguna forma de

herramienta especializada como efector final. Operaciones que estan en esta cate-

gorıa incluyen: Taladro, acanalado, y otras aplicaciones de mecanizado. Rectificado,

pulido, desbarbado, cepillado y operaciones similares. Remachado, Corte por chorro

de agua. Taladro y corte por laser.

2.2.6 Procesos de laboratorio

Los robots estan encontrando un gran numero de aplicaciones en los laboratorios

(vease Figura 2–5). Llevan a cabo con efectividad tareas repetitivas como la colo-

cacion de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medicion. En esta etapa

de su desarrollo los robots son utilizados para realizar procedimientos manuales au-

tomatizados. Un tıpico sistema de preparacion de muestras consiste de un robot y

una estacion de laboratorio, la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados,

racks de tubos de pruebas, etc. Las muestras son movidas desde la estacion de lab-

oratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa.

Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la operacion

manual: incrementan la productividad, mejoran la calidad y reducen la exposicion

del ser humano a sustancias quımicas nocivas.

Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medicion del pH, viscosidad, y el por-

centaje de solidos en polımeros, preparacion de plasma humano para muestras ,

calor, flujo, peso y disolucion de muestras para espectrometrıas.

27

Figure 2–5: Robot usado en laboratorios.

2.2.7 Manipuladores cinematicos

La tecnologıa robotica encontro su primer aplicacion en la industria nuclear con el

desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo. Los robots mas re-

cientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la inspeccion de tuberıas

(vease Figura 2–6) en areas de alta radiacion. El accidente en la planta nuclear de

Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimulo el desarrollo y aplicacion de

los robots en la industria nuclear. El reactor numero 2 (TMI-2) perdio su enfri-

amiento, y provoco la destruccion de la mayorıa del reactor, y dejo grandes areas

del reactor contaminadas, inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles

de radiacion las tareas de limpieza solo eran posibles por medios remotos.

Varios robots y vehıculos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin

en los lugares donde ha ocurrido una catastrofe de este tipo.

28

Esta clase de robots son equipados en su mayorıa con sofisticados equipos para detec-

tar niveles de radiacion, camaras, e incluso llegan a traer a bordo un minilaboratorio

para hacer pruebas.

Figure 2–6: Robot usado para explorar tuberias.

2.2.8 Agricultura

Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia ficcion, pero la realidad

es muy diferente; o al menos ası parece ser para el Instituto de Investigacion Aus-

traliano, el cual ha invertido una gran cantidad de dinero y tiempo en el desarrollo

de este tipo de robots. Entre sus proyectos se encuentra una maquina que esquila

ovejas (vease Figura 2–7.) La trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas

se planea con un modelo geometrico de la oveja.

Para compensar el tamano entre la oveja real y el modelo, se tiene un conjunto de

sensores que registran la informacion de la respiracion del animal como de su mismo

tamano, esta es mandada a una computadora que realiza las compensaciones nece-

sarias y modifica la trayectoria del cortador en tiempo real.

Debido a la escasez de trabajadores en los obradores, se desarrolla otro proyecto,

que consiste en hacer un sistema automatizado de un obrador, el prototipo requiere

un alto nivel de coordinacion entre una camara de vıdeo y el efector final que realiza

en menos de 30 segundos ocho cortes al cuerpo del cerdo.

Por su parte en Francia se hacen aplicaciones de tipo experimental para incluir a los

29

robots en la siembra, y poda de los vinedos, como en la pizca de la manzana.

Figure 2–7: Robot usado para esquilar ovejas.

2.2.9 Espaciales

La exploracion espacial posee problemas especiales para el uso de robots (vease

Figura 2–8). El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un

equipo de proteccion muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio. Muchos

cientıficos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de Robots para contin-

uar con los avances en la exploracion espacial; pero como todavıa no se llega a un

grado de automatizacion tan precisa para esta aplicacion, el ser humano aun no ha

podido ser reemplazado por estos. Por su parte, son los teleoperadores los que han

encontrado aplicacion en los transbordadores espaciales.

En Marzo de 1982 el transbordador Columbia fue el primero en utilizar este tipo

de robots, aunque el ser humano participa en la realizacion del control de lazo cer-

rado. Algunas investigaciones estan encaminadas al diseno, construccion y control

de vehıculos autonomos, los cuales llevaran a bordo complejos laboratorios y camaras

muy sofisticadas para la exploracion de otros planetas.

En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del Lunokhod 1, el cual

30

poseıa camaras de television, sensores y un pequeno laboratorio, era controlado re-

motamente desde la tierra. En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en

Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recogıa muestras de

piedra, tierra y otros elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue

acondicionado en el interior del robot. Por supuesto tambien contaba con un equipo

muy sofisticado de camaras de vıdeo.

Figure 2–8: Robot usado para exploraciones espaciales.

2.2.10 Vehiculos submarinos

Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el interes de

los vehıculos submarinos. En el primero - Un avion de la Air Indian se estrello en

el Oceano Atlantico cerca de las costas de Irlanda u n vehıculo submarino guiado

remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para

encontrar y recobrar la caja negra del avion. El segundo fue el descubrimiento del

Titanic en el fondo de un canon, donde habıa permanecido despues del choque con

un iceberg en 1912, cuatro kilometros abajo de la superficie. Un vehıculo submarino

fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.

En la actualidad muchos de estos vehıculos submarinos se utilizan en la inspeccion

y mantenimiento de tuberıas que conducen petroleo, gas o aceite en las plataformas

oceanicas; en el tendido e inspeccion del cableado para comunicaciones, para inves-

tigaciones geologicas y geofısicas en el suelo marino.

31

La tendencia hacia el estudio e investigacion de este tipo de robots se incrementara

a medida que la industria se interese aun mas en la utilizacion de los robots, sobra

mencionar los beneficios que se obtendrıan si se consigue una tecnologıa segura para

la exploracion del suelo marino y la explotacion del mismo.

2.2.11 Educacion

Los robots estan apareciendo en los salones de clases de tres distintas formas.

Primero, los programas educacionales utilizan la simulacion de control de robots

como un medio de ensenanza. Un ejemplo palpable es la utilizacion del lenguaje de

programacion del robot Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es utilizado

por la introduccion a la ensenanza de la programacion.

El segundo y de uso mas comun es el uso del robot tortuga en conjuncion con el

lenguaje LOGO para ensenar ciencias computacionales. LOGO fue creado con la

intencion de proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en el apren-

dizaje de las matematicas.

En tercer lugar esta el uso de los robots en los salones de clases. Una serie de manip-

uladores de bajo costo, robots moviles, y sistemas completos han sido desarrollados

para su utilizacion en los laboratorios educacionales. Debido a su bajo costo mu-

chos de estos sistemas no poseen una fiabilidad en su sistema mecanico, tienen poca

exactitud, no tienen sensores y en su mayorıa carecen de software.

2.3 El mercado de la robotica y las perspectivas futuras

Las ventas anuales para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos

a razon del 25% de acuerdo a estadısticas del ano 1981 a 1992. El incremento de

esta tasa se debe a factores muy diversos. En primer lugar, hay mas personas en

la industria que tienen conocimiento de la tecnologıa y de su potencial para sus

aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnologıa de la robotica mejorara en

32

los proximos anos de manera que hara a los robots mas amistosos con el usuario,

mas faciles de interconectar con otro hardware y mas sencillos de instalar.

En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles economıas de escala en la

produccion de robots para proporcionar una reduccion en el precio unitario, lo que

harıa los proyectos de aplicaciones de robots mas faciles de justificar. En cuarto

lugar se espera que el mercado de la robotica sufra una expansion mas alla de las

grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para esta tecnologıa, y llegue

a las empresas de tamano mediano, pequeno y ¿por que no?; las microempresas.

Estas circunstancias daran un notable incremento en las bases de clientes para los

robots.

La robotica es una tecnologıa con futuro y tambien para el futuro. Si continuan las

tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigacion en el laboratorio

actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnologıa factible, los robots

del futuro seran unidades moviles con uno o mas brazos, capacidades de sensores

multiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de calculo que las

grandes computadoras actuales. Seran capaces de responder a ordenes dadas con voz

humana. Ası mismo seran capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas,

con el uso de la inteligencia artificial en un conjunto especıfico de acciones requeri-

das para llevarlas a cabo. Podran ver, oır, palpar, aplicar una fuerza media con

precision a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros

robots tendrıan muchos de los atributos de los seres humanos. Es difıcil pensar

que los robots llegaran a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de

Carel Kapek, Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robotica es una

tecnologıa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo,

como otras tecnologıas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse

salvaguardas para no permitir su uso pernicioso.

33

El paso del presente al futuro exigira mucho trabajo de ingenierıa mecanica, inge-

nierıa electronica, informatica, ingenierıa industrial, tecnologıa de materiales, inge-

nierıas de sistemas de fabricacion y ciencias sociales.

2.4 Subsistemas del robot

Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticacion, depende de la per-

spectiva con que se mire. Un tecnico en mantenimiento puede ver un robot como

una coleccion de componentes mecanicos y electronicos; por su parte un ingeniero

en sistemas puede pensar que un robot es una coleccion de subsistemas interrela-

cionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una maquina para

ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una maquina

capaz de realizar un tarea especıfica. En contraste, un cientıfico puede pensar que un

robot es un mecanismo que el construye para probar una hipotesis. Un robot puede

ser descompuesto en un conjunto de subsistemas funcionales: procesos, planeacion,

control, sensores, sistemas electricos, y sistemas mecanicos.

El subsistema de Software es una parte implıcita de los subsistemas de sensores,

planeacion, y control; que integra todos los subsistemas como un todo. En la actu-

alidad, muchas de las funciones llevadas a cabo por los subsistemas son realizadas

manualmente, o de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en estos

campos permitiran la automatizacion de dichas tareas.

El Subsistema de Procesos incluye las tareas que lleva acabo el robot, el medio

ambiente en el cual es colocado, y la interaccion entre este y el robot. Este es el

dominio de la ingenierıa aplicada. Antes de que un robot pueda realizar una tarea,

esta debe ser buscada dentro de una secuencia de pasos que el robot pueda ejecutar.

La tarea de busqueda es llevada acabo por el Subsistema de Planeacion, el cual

incluye los modelos de procesos inteligente s, percepcion y planeacion. En el modelo

de procesos, los datos que se obtienen de una variedad de sensores son fusionados

34

(Integracion Sensorial) con modelos matematicos de las tareas para formar un mod-

elo del mundo. Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepcion selecciona

la estrategia para ejecutar la tarea. Estas estrategias son convertidas dentro de los

programas de control de el robot durante el proceso de planeacion.

Estos programas son ejecutados por el Subsistema de Control; en este subsis-

tema, los comandos de alto nivel son convertidos en referencias para actuadores

fısicos, los valores retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los

algoritmos de control estabilizan el movimiento de los elementos fısicos.

Al realizar esta tarea los mecanismos son modelados, el proceso es modelado, la

ganancia de lazo cerrado puede ser adaptada, y los valores medidos son utilizados

para actualizar los procesos y los modelos de los mecanismos.

Desde el subsistema de control se alimentan las referencias de los actuadores al

Subsistema Electrico el cual incluye todos los controles electricos de los actu-

adores. Los actuadores hidraulicos y neumaticos son usualmente manejados por

electrovalvulas controladas. Tambien, este subsistema contiene computadoras, in-

terfaces, y fuentes de alimentacion. Los actuadores manejan los mecanismos en el

Subsistema Mecanico para operar en el medio ambiente, esto es, realizar una

tarea determinada. Los parametros dentro del robot y del medio ambiente son

monitoreados por el Subsistema de Sensores; esta informacion se utiliza como

retroalimentacion en las ganancias de lazo cerrado para detectar potencialmente las

situaciones peligrosas, para verificar que las tareas se realizan correctamente, y para

construir un modelo del mundo.

35

2.5 Robot Industrial

2.5.1 Definicion

Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definicion formal de lo que

es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual en-

tre el mercado japones y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un

manipulador. Ası, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier

dispositivo mecanico dotado de articulaciones moviles destinado a la manipulacion,

el mercado occidental es mas restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre

todo en lo relativo al control.

En segundo lugar, y centrandose ya en el concepto occidental, aunque existe una

idea comun acerca de lo que es un robot industrial, no es facil ponerse de acuerdo

a la hora de establecer una definicion formal. Adem as, la evolucion de la robotica

ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definicion. La definicion mas

comunmente aceptada posiblemente sea la de la Asociacion de Industrias Roboticas

(RIA), segun la cual: Un robot industrial es un manipulador multifuncional repro-

gramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales,

segun trayectorias variables, programadas para realizar diversas. Esta definicion,

ligeramente modificada, ha sido ad optada por la Organizacion Internacional de

Estandares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional

reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas,

herramientas o dispositivos especiales segun trayectorias tareas variables progra-

madas para realizar tareas diversas.

Se incluye en esta definicion la necesidad de que e l robot tenga varios grados de lib-

ertad. Una definicion mas completa es la establecida por la Asociacion Francesa de

Normalizacion (AFNOR) que define primero el manipulador y, basandose en dicha

definicion el robot:

36

Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articula-

dos entre sı, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y

puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo

logico.

Robot: manipulador automatico servo controlado, reprogramable, polivalente, ca-

paz de posicionar y orientar piezas, utiles o dispositivos especiales, siguiendo trayec-

toria variables reprogramables, para la ejecucion de tareas variadas. Normalmente

tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muneca. Su unidad de

control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepcion del en-

torno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cıclica, pudiendose

adaptar a otra sin cambios permanentes en su material

Por ultimo, la Federacion Internacional de Robotica (IFR) distingue entre robot

industrial de manipulacion y otros robots:

Por robot industrial de manipulacion se entiende a una maquina de manipulacion

automatica, reprogramable y multifuncional con tres o mas ejes que pueden posi-

cionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la

ejecucion de trabajos diversos en las diferentes etapas de la produccion industrial,

ya sea en una posicion fija o en movimiento.

En esta definicion se debe entender que la reprogramabilidad y multifuncion se

consigue sin modificaciones fısicas del robot. Comun en todas las definiciones ante-

riores es la aceptacion del robot industrial como un brazo mecanico con capacidad

de manipulacion y que incorpora un control mas o menos complejo. Un sistema

robotizado, en cambio, es un concepto mas amplio. Engloba todos aquellos dispos-

itivos que realizan tareas de forma automatica en sustitucion de un ser humano y

que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto ultimo lo mas frecuente.

37

Figure 2–9: Robot manipulador.

2.5.2 Clasificacion de robots industriales

La maquinaria para la automatizacion rıgida dio paso al robot con el desarrollo de

controladores rapidos, basados en el microprocesador, ası como un empleo de ser-

vos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posicion real de los

elementos del robot y establecer el error con la posicion deseada. Esta evolucion ha

dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuacion:

• Manipuladores: Son sistemas mecanicos multifuncionales (vease Figura 2–9),

con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus

elementos, de los siguientes modos:

– Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.

– De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo

preparado previamente.

– De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caracterısticas de los ciclos

de trabajo.

Existen muchas operaciones basicas que pueden ser realizadas optimamente medi-

ante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos

dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.

• Robots de aprendizaje: Son manipuladores que se limitan a repetir una secuen-

cia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso

38

de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el op-

erario en la fase de ensenanza, se vale de una pistola de programacion con diversos

pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniquı, o a veces, desplaza

directamente la mano del robot.Los robots de aprendizaje son los mas conocidos,

hoy dıa, en los ambientes industriales y el tipo de programacion que incorporan,

recibe el nombre de ”gestual”.

• Robots computador: Son manipuladores o sistemas mecanicos multifuncionales,

controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador.

En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de

la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador

dispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas

al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicacion utilizando

solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programacion se le denomina

textual y se crea sin la intervencion con control por del manipulador. Las grandes

ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el

mercado rapidamente, lo que exige la preparacion urgente de personal cualificado,

capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informatico.

• Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, ademas, son

capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a traves de sensores y tomar

decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conoci-

dos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los

grupos investigadores por potenciarles y hacerles mas efectivos, al mismo tiempo

que mas asequibles. La vision artificial, el sonido de maquina y la inteligencia ar-

tificial, son las ciencias que mas estan estudiando para su aplicacion en los robots

inteligentes.

39

• Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigacion, ex-

isten numerosos robots de formacion o micro-robots a un precio muy asequible y,

cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicacion industrial.

Por otra parte la AFRI, sostiene que hay cuatro tipos de robots:

1. Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.

2. Tipo B: Manipulador automatico con ciclos preajustados; regulacion mediante

fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumatico, electrico o

hidraulico.

3. Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de

conocimiento sobre su entorno.

4. Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en

funcion de estos.

Otra forma de clasificar los robots es propuesta por la IFR:

1. Robot secuencial

2. Robot de trayectoria controlable

3. Robot Adaptativo

4. Robot Manipulado

Por ultimo y con el fin de dar una vision del posible futuro, se presentaron en forma

clasificada, buena parte de los diversos tipos de robots que se puedan encontrar hoy

en dıa. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los casos mas

futuristas estan en estado de desarrollo en los centros de investigacion de robotica.

Robots de servicio y teleoperados

En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:

Dispositivos o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecanicos

independientes, controlados por un programa ordenador y que realizan tareas no

industriales de servicio.

40

En esta definicion entrarıan entre otros los robots dedicados a cuidados medicos,

educacion, domesticos, uso en oficinas, intervencion en ambientes peligrosos, aplica-

ciones aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definicion de robots

de servicio excluye los tele espaciales, manipuladores, pues estos no se mueven medi-

ante el control de un programa ordenador, sino que estan controlados directamente

por el operador humano.

Los robots teleoperados son dispositivos roboticos con brazos manipuladores y sen-

sores con cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador hu-

mano de manera directa o a traves de un ordenador. Definidos por la NASA como

Telerobots. El diseno de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y apli-

can las tecnologıas para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las

aplicaciones terrestres. Las areas actuales de investigacion y desarrollo incluyen:

• El manipulador y el mando del robot movil

• Las arquitecturas del telerobot remotas

• Procesado, integracion, y fusion, del sistema sensorial.

• Tareas interactivas que planea y ejecuta

• La visualizacion grafica de las imagenes sobrepuestas

• Multisensor - el mando equilibrado.

• Micromecanismos - control para el despliegue de los instrumentos

2.6 Morfologıa del Robot

En general, un robot interactua con su entorno tal y como se muestra en la Figura

2–10, A continuacion se describen las caracterısticas mofologicas mas relevantes

propias de los robots y se proporcionan valores concretos de las mismas, para deter-

minados modelos y aplicaciones.

41

Figure 2–10: Diagrama de bloque de un robot.

2.6.1 Grados de Libertad

El numero de grados de libertad que tiene un brazo robot es el numero de magnitudes

que pueden variarse independientemente -por lo general coincide con el numero de

articulaciones moviles- Se necesitan tres grados de libertad para posicionar el efector

terminal dentro de un entorno de trabajo tridimensional. Se necesitan otros tres

para dirigir el efector terminal hacia cualquier direccion. En la figura 2–11, se

muestra un robot con 6 grados de libertad q1, q2, q3, q4, q5 y q6, este numero es el

que generalmente posee un robot industrial.

Figure 2–11: Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad.

2.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador

Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad,

definen la zona de trabajo del robot, caracterıstica fundamental en las fases de se-

leccion e implantacion del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en

42

areas diferenciadas entre sı, por la accesibilidad especifica del elemento terminal

(aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente

o con el determinado angulo de inclinacion. Tambien queda restringida la zona de

trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.

2.6.3 Capacidad de carga

El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el

nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes,

incluyendo el peso de la propia garra. En modelos de robots industriales, la capaci-

dad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de

carga es una de las caracterısticas que mas se tienen en cuenta en la seleccion de

un robot, segun la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es comun

precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.

2.6.4 Problemas a enfrentar

Algunos aspectos a tener en cuenta en el diseno y programacion de robots son:

Resolucion el uso de sistemas digitales, y otros factores que solo son un numero

limitado de posiciones que estan disponibles. Ası el usuario ajusta a menudo las

coordenadas a la posicion discreta mas cercana.

La cinematica el error modelado el modelo de la cinematica del robot no em-

pareja al robot exactamente. Como resultado los calculos de angulos de la juntura

requeridos contienen un error pequeno.

Los errores de la calibracion La posicion determinada durante la calibracion

puede estar apagada ligeramente, mientras se esta produciendo un error en la

posicion calculada.

Los errores del azar - los problemas se incrementan conforme el robot opera.

Por ejemplo, friccion, torcimiento estructural, la expansion termica, la repercusion

43

negativa / la falla en las transmisione s, etc. pueden causar las variaciones en la

posicion.

2.6.5 Exactitud y Repetibilidad

Exactitud de un punto Mide la distancia entre la posicion especificada, y la

posicion real del efector de extremo de robot.

• ¿Como el robot consigue llegar al punto deseado?

• Cobra mayor importancia cuando se realiza off-line (programando), porque

se usan las coordenadas absolutas.

Repetibilidad Es una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente

para una sola posicion.

• ¿Como el movimiento del robot permite llegar a la misma posicion, con el

mismo movimiento hecho en ocasiones anteriores?

• La repetibilidad de punto es a menudo mas pequena que la exactitud.

En la Figura 2–12 si quisieramos mover el efector final a cierto punto donde se

encuentra la pieza de trabajo, entonces el robot solamente podrıa acercarse al objeto

posicionandose en el punto direccionable mas proximo. En otras palabras, no podrıa

colocarse exactamente en la posicion requerida.

Figure 2–12: Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad.

2.6.6 Resolucion

La Resolucion de punto esta basada en un numero limitado de puntos que el robot

puede alcanzar, por ejemplo en la Figura 2–13 se muestran como los puntos negros.

44

Estos puntos estan tıpicamente separados por un milımetro o menos, dependiendo

del tipo de robot. Por ejemplo si un usuario solicitara una posicion como 456.4mm,

y el sistema solo puede mover al milımetro mas cercano, 456mm, el error resultante

de exactitud es de 0.4mm.

Figure 2–13: Esquema para definir la resolucion de un robot industrial.

La Cinematica de punto y errores de la calibracion son basicamente el cambio en

los puntos en el espacio de trabajo que producen un error e (vease Figura 2–14).

Tıpicamente las caracterısticas tecnicas del vendedor asumen esa calibracion y los

errores modelados son cero.

Figure 2–14: Esquema para visualizar el error de posicion.

Los puntos al azar son errores que impediran al robot volver a la misma situacion

exacta cada tiempo, y esto puede modelarse con una distribucion de probabilidad

normal sobre cada punto.

45

2.6.7 Precision en la repetibilidad

Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repeticion de los movimientos de

un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se

deba realizar, la precision en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor.

Ası por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha caracterıstica ha de ser

menor a +-0.1mm. En soldadura, pintura y manipulacion de piezas, la precision en

la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones de mecanizado,

la precision ha de ser menor de 1mm.

2.6.8 La resolucion del mando

La resolucion espacial es el incremento mas pequeno de movimiento en que el robot

puede dividir su volumen de trabajo. La resolucion espacial depende de dos factores:

los sistemas que controlan la resolucion y las inexactitudes mecanicas de los robots.

Control de la resolucion es determinado por el sistema de mando de posicion del

robot y su sistema de medida de regeneracion. Es la habilidad de los controladores de

dividir el rango total de movimiento en incrementos individuales que pueden dirigirse

en el controlador. Los incrementos a veces son llamados ”el direccionamiento parte”

esto depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando. El

numero de incrementos separados, identificables para un eje particular se muestra

en (2.2):

#incrementos = 2n (2.1)

Por ejemplo - Para un robot con 8 bits, la resolucion de mando de extremo puede

dividir un rango del movimiento en 256 posiciones discretas.

2.6.9 Velocidad

En muchas ocasiones, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por

lo que esta magnitud se valora considerablemente en una velocidad la de eleccion

trabajo elevada, del mismo. En tareas de soldadura y manipulacion de piezas es

46

muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y

ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja

2.6.10 Coordenadas de los movimientos

La estructura del manipulador y la relacion entre sus elementos proporcionan una

configuracion mecanica, que da origen al establecimiento de los parametros que hay

que conocer para definir la posicion y orientacion del elemento terminal. Fundamen-

talmente, existen cuatro estructuras clasicas en los manipuladores, que se relacionan

con los correspondientes modelos de coordenadas (vease Figura 2–15), en el espacio

y que se citan a continuacion:

• Cartesianas

• Cilindricas

• Polares

• Angulares

Figure 2–15: Configuraciones basicas y coordenadas.

47

2.6.11 Brazos del robot

Tipos de junturas

los tipos de junturas basicos se muestran en la Figura 2–16

Figure 2–16: Tipos de junturas usadas.

Tipos de actuadores

Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser,

segun la energıa que consuman, de tipo hidraulico, neumatico o electrico. Los ac-

tuadores de tipo hidraulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y

grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energıa que emplean, se construyen

con mecanica de precision y su coste es elevado. Los robots hidraulicos, se disenan

formando un conjunto compacto conformado por la central hidraulica, la cabina

electronica de control y el brazo del manipulador.

La energıa neumatica dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta,

junto a un bajo coste, pero su empleo esta siendo sustituido por elementos electricos.

Los motores electricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el

campo de la Robotica, por su gran precision en el control de su movimiento y las

48

ventajas inherentes a la energıa electrica que consumen.

2.6.12 Programabilidad

La inclusion del controlador de tipo microelectronico en los robots industriales, per-

mite la programacion del robot de muy diversas formas. En general, los moder-

nos sistemas de robots admiten la programacion manual, mediante un modulo de

programacion. La programacion gestual y textual, controlan diversos aspectos del

funcionamiento del manipulador:

• Control de la velocidad y la aceleracion

• Saltos de programa condicionales

• Temporizaciones y pausas

• Edicion, modificacion, depuracion y ampliacion de programas

• Funciones de seguridad

• Funciones de sincronizacion con otras maquinas.

• Uso de lenguajes especıficos de Robotica

2.6.13 Estructura mecanica de un robot

Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecanica, transmi-

siones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos

terminales. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de

estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologıas seme-

jantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos

se empleen elementos con caracterısticas especificas. Mecanicamente, un robot esta

formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones (jun-

turas) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.

La constitucion fısica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta

similitud con la anatomıa del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer

49

referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan terminos como

cuerpo, brazo, codo y muneca (vease Figura 2–17).

Figure 2–17: Analogia entre un brazo humano y uno robotico.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a

diferentes configuraciones, con caracterısticas a tener en cuenta tanto en el diseno

y construccion del robot como en su aplicacion. Las combinaciones mas frecuentes

son con tres articulaciones y que son las mas importantes a la hora de posicionar su

extremo en un punto en el espacio.

Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio

son necesarios seis parametros, tres para definir la posicion y tres para la orientacion,

si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con el la pieza o

herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos

seis grados de libertad. En la practica, a pesar de ser necesarios los seis grados

de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientacion

del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con solo cuatro o cinco

grados de libertad, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se

encomiendan.

Existen tambien casos opuestos, en los que se precisan mas de seis grados de libertad

para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. Ası, si

se trabaja en un entorno con obstaculos, el dotar al robot de grados de libertad

50

adicionales le permitira acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las

que, como consecuencia de los obstaculos, no hubieran llegado con seis grados de

libertad. Otra situacion frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional

que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando ası el volumen de su

espacio de trabajo.

Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para

realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.

Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales solidos de

un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.

TCP

El Punto de Centro de herramienta (TCP) como en la Figura 2–18, localiza en el

robot la herramienta. Tıpicamente el TCP se usa al referirse a la posicion de los

robots, ası como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podrıa

estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en

el cartesiano, cilındrico, esferico, etc., coordenadas que dependen del robot.

Figure 2–18: Punto de centro de la herramienta.

El espacio de trabajo

El robot tiende a tener una geometrıa fija, y limitada. El espacio de trabajo es el

lımite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano

como una grua mostrada en la Figura 2–19 los espacios de trabajo podrıan ser un

51

cuadrado, para los robots mas sofisticados los espacios podrıan ser de una forma

esferica.

Figure 2–19: Espacio de trabajo.

La velocidad

se refiere a la velocidad maxima que es lograble por el TCP, o por las junturas indi-

viduales. Este numero no es exacto en la mayorıa de los robots, y variara encima del

espacio de trabajo como la geometrıa del robot cambia (y de los efectos dinamicos).

La carga util

La carga util indica la masa maxima que el robot puede alcanzar antes de cualquier

fracaso de los robots, o perdida dramatica de exactitud. Es posible exceder la carga

util maxima, y todavıa tiene el robot, que operar, pero esto no se aconseja. Cuando

el robot esta acelerando rapidamente, la carga util debe estar menos de la masa

maxima. Esto es afectado por la habilidad de agarrar la parte firmemente, ası como

la estructura del robot, y el actuador. El extremo de brazo al laborar con her-

ramienta debe ser considerado parte de la carga util.

Tiempo de establecimiento

Durante un movimiento, el robot se mueve rapidamente, pero como los acercamien-

tos del robot la posicion final se reduce la velocidad, y los acercamientos. El tiempo

52

de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una

distancia dada de la ultima posicion.

2.6.14 Transmisiones y reductores

Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde

los actuadores hasta las articulaciones. Se incluiran junto con las transmisiones a

los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador

a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot.

Transmisiones

Las transmisiones (vease Figura 2–20 y 2–21)son los elementos encargados de trans-

mitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluiran junto

con las transmisiones a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad

de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos

del robot. Transmisiones. Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones

elevadas, es de gran importancia reducir al maximo su momento de inercia. Del

mismo modo, los pares estaticos que deben vencer los actuadores dependendirecta-

mente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que

los actuadores, por lo general pesados, esten lo mas cerca posible de la base del

robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmision que trasladen el

movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del

robot.

Ası mismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circu-

lar en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puede ser necesario. Existen actualmente

en el mercado robots industriales con acoplamiento directo entre accionamiento y ar-

ticulacion. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la generalidad que

en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de transmision

53

junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones Es de

esperar que un buen sistema de transmision cumpla con una serie de caracterısticas

basicas: debe tener un tamano y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos

u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.

Figure 2–20: Tipos de transmisiones.

Figure 2–21: Engranajes Circular-Circular.

Las transmisiones mas habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular

tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en estas se encuentran los engranajes

(vease Figura 2–21), las correas dentadas y las cadenas.

Reductores

En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, sı existen determi-

nados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe

54

a que a los reductores utilizados en robotica se les exigen unas condiciones de fun-

cionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas caracterısticas viene motivada

por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precision y velocidad

de posicionamiento. La Figura 2–22 muestra valores tıpicos de los reductores para

robotica actualmente empleados.

Figure 2–22: Caracteristicas de los reductores.

Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamano, bajo rozamiento y que al

mismo tiempo sean capaces de realizar una reduccion elevada de velocidad en un

unico paso. Se tiende tambien a minimizar su momento de inercia, de negativa influ-

encia en el funcionamiento del motor, especialmente crıtico en el caso de motores de

baja inercia. Los reductores, por motivos de diseno, tienen una velocidad maxima

admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamano del

motor. Tambien existe una limitacion en cuanto al par de entrada nominal permisi-

ble (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relacion de transmision a traves

de la relacion:

T2 = ηT1

(

ω2

ω1

)

(2.2)

Donde el rendimiento, η, puede llegar a ser cerca del 100%, y la relacion de reduccion

de velocidades (ω1 = velocidad de entrada; ω2 = velocidad de salida) varıa entre 50

55

y 300.

Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos, que implican continuos arranques y

paradas, es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares eleva-

dos puntuales. Tambien se busca que el juego angular sea lo menor posible. Este se

define como el angulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro

sin que llegue a girar al eje de entrada. Por ultimo, es importante que los reductores

para robotica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar

sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquel gire un

angulo unidad.

2.6.15 Actuadores

Los actuadores tienen como mision generar el movimiento de los elementos del robot

segun las ordenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes

grupos, segun la energıa que utilizan:

• Hidraulicos

• Neumaticos

• Electricos

Los actuadores neumaticos utilizan el aire comprimido como fuente de energıa y

son muy indicados en el control de movimientos rapidos, pero de precision limitada.

Los motores hidraulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una

gran capacidad de carga, junto a una precisa regulacion de velocidad. Los motores

electricos son los mas utilizados, por su facil y preciso control, ası como por otras

propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del em-

pleo de la energıa electrica.

56

Cada uno de estos sistemas presenta caracterısticas diferentes, siendo preciso evalu-

arlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador mas conveniente. Las caracterısticas

a considerar son, entre otras:

• Potencia

• Controlabilidad

• Peso

• Volumen

• Precision

• Velocidad

• Mantenimiento

• Costo

2.6.16 Neumaticos

En ellos la fuente de energıa es aire a presion entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de

actuadores neumaticos:

Cilindros El movimiento se consigue con el desplazamiento de un embolo encerrado

en un cilindro como consecuencia de la diferencia de presion a ambos lados de aquel.

Los cilindros neumaticos pueden ser de simple o de doble efecto. En los primeros,

el embolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a

presion, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de

un muelle (que recupera al embolo a su posicion en reposo) vease Figura 2–23. En

los cilindros de doble efecto el aire a presion es el encargado de empujar al embolo

en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera

de las dos camaras. Normalmente, con los cilindros neumaticos solo se persigue

un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo.

Esto ultimo se puede conseguir con una valvula de distribucion (generalmente de

accionamiento directo) que canaliza el aire a presion hacia una de las dos caras

del embolo alternativamente. Existen, no obstante, sistemas de posicionamiento

57

continuo de accionamiento neumatico, aunque debido a su coste y calidad todavıa

no resultan competitivos.

Motores (vease Figura 2–24). El movimiento de rotacion de un eje se consigue

mediante aire a presion. Los dos tipos mas utilizados son los motores de aletas

rotativas y los motores de pistones axiales. Los motores de pistones axiales tienen

un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar ente las fuerzas

que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado. Otro metodo

comun mas sencillo de obtener movimientos de rotacion a partir de actuadores

neumaticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo embolo se encuentra acoplado

a un sistema de pinon-cremallera.

En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumaticos no con-

siguen una buena precision de posicionamiento. Sin embargo, su sencillez y robustez

hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sea suficiente un posicionamiento

en dos situaciones diferentes (todo o nada). Por ejemplo, son utilizados en manipu-

ladores sencillos, en apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de

algun robot. Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algun

tipo de accionamiento neumatico debera disponer de una instalacion de aire com-

primido, incluyendo: compresor, sistema de distribucion (tuberıas, electro valvulas),

filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumaticas son frecuentes y

existen en muchas de las fabricas donde se da cierto grado de automatizacion.

Figure 2–23: Cilindro neumatico.

58

Figure 2–24: Motor neumatico de paleta.

2.6.17 Hidraulicos

Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neumaticos. En ellos, en vez

de aire se utilizan aceites minerales a una presion comprendida normalmente entre

los 50 y 100 bar, llegandose en ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el

caso de los neumaticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y

pistones.

Sin embargo, las caracterısticas del fluido utilizado en los actuadores hidraulicos

marcan ciertas diferencias con los neumaticos. En primer lugar, el grado de com-

presibilidad de los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que

la precision obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es mas facil en

ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un intervalo

de valores (haciendo uso del servocontrol) con notable precision. Ademas, las ele-

vadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neumaticos,

permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.

Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estaticas.

Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presion

ejercida sobre una superficie, sin aporte de energıa (para mover el embolo de un

cilindro serıa preciso vaciar este de aceite). Tambien es destacable su eleva capacidad

de carga y relacion potencia-peso, ası como sus caracterısticas de auto lubricacion y

robustez.

59

Frente a estas ventajas existen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las elevadas

presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo

de la instalacion. Asimismo, esta instalacion es mas complicada que la necesaria

para los actuadores neumaticos y mucho mas que para los electricos, necesitando

de equipos de filtrado de partıculas, eliminacion de aire, sistemas de refrigeracion y

unidades de control de distribucion.

Los accionamientos hidraulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben

manejar grandes cargas (de 70 a 205kg).

2.6.18 Electricos

Las caracterısticas de control, sencillez y precision de los accionamientos electricos

han hecho que sean los mas usados en los robots industriales actuales.

Dentro de los actuadores electricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:

• Motores de corriente continua (DC). Servomotores

• Motores paso a paso

• Motores de corriente alterna (AC)

Motores de corriente continua

Son los mas usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este

caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posicion (Encoder) para poder

realizar su control. Los motores de DC (vease Figura 2–25) estan constituidos

por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente

continua: El inductor, tambien denominado devanado de excitacion, esta situado en

el estator y crea un campo magnetico de direccion fija, denominado excitacion. El

inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que

aparece como combinacion de la corriente circulante por el y del campo magnetico

de excitacion. Recibe la corriente del exterior a traves del colector de delgas , en el

que se apoyan unas escobillas de grafito.

60

Figure 2–25: Motor DC.

Para que se pueda dar la conversion de energıa electrica en energıa mecanica de forma

continua es necesario que los campos magneticos del estator y del rotor (vease Figura

2–26) permanezcan estaticos entre sı. Esta transformacion es maxima cuando ambos

campos se encuentran en cuadratura.

Figure 2–26: Motor DC vista de rotor y estator.

Al aumentar la tension del inducido aumenta la velocidad de la maquina. Si el motor

esta alimentado a tension constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo

el flujo de excitacion. Pero cuanto mas debil sea el flujo, menor sera el par motor

que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la

tension del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro.

En los controlados por excitacion se actua al contrario. Ademas, en los motores

controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro

61

originado por la realimentacion intrınseca que posee a traves de la fuerza contraelec-

tromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motores DC es el controlado por

inducido el que se usa en el accionamiento con robots.

Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitacion se

genera mediante imanes permanentes, con lo que se evitan fluctuaciones del mismo.

Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Ademas, para

disminuir la inercia que poseerıa un rotor bobinado, que es el inducido, se construye

este mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor

no posee apenas masa termica, lo que aumenta los problemas de calentamiento por

sobrecarga.

Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante referencias de ve-

locidad. Estas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentacion

de velocidad analogica que se cierra mediante una electronica especıfica (accionador

del motor). Se denominan entonces servomotores.

Motores paso a paso.

A diferencia de los Motores-CC que giran a todo lo que dan cuando son conectados a

la fuente de alimentacion, los Motores-PaP solamente giran un angulo determinado,

los primeros solo disponen de dos terminales de conexion, mientras los otros pueden

tener 4, 5 o 6, segun el tipo de motor que se trate, por otro lado los motores de

corriente continua no pueden quedar enclavados en una sola posicion, mientras los

motores paso a paso sı.

Los motores paso a paso son comunmente utilizados en situaciones en que se requiere

un cierto grado de precision, El angulo de giro de estos motores es muy variado

pasando desde los 90o hasta los 1.8o e incluso 0.72o, cada angulo de giro, (tambien

llamado paso) se efectua enviando un pulso en uno de sus terminales, es decir que

por ejemplo en motores que tienen 90o de giro por paso, se requiere 4 pulsos para

62

dar una vuelta completa, mientras que en los de 1,8o se necesitan 200 pulsos, y en

los otros son necesarios 500.

Los Motores-PaP suelen ser clasificados en dos tipos, segun su diseno y fabricacion

pueden ser Bipolares o Unipolares como se puede apreciar en la Figura 2–27

Figure 2–27: Motores paso a paso

Mientras los unipolares disponen de dos bobinas independientes los Bipolares parecieran

tener 4 debido al terminal central que es el comun de cada par de bobinas. Su prin-

cipal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para

asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar ademas de forma con-

tinua, con velocidad variable, como motores sıncronos, ser sincronizados entre sı,

obedecer a secuencias complejas de funcionamiento, etc. Se trata al mismo tiempo

de motores muy ligeros, fiables, y faciles de controlar pues al ser cada estado de

excitacion del estator estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad

de sensores de realimentacion. Entre los inconvenientes se puede citar que su fun-

cionamiento a bajas velocidades no es suave, y que existe el peligro de perdida de

una posicion por trabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando

a velocidades elevadas y presentan un limite en el tamano que pueden alcanzar.

Se emplean para el posicionado de ejes que no precisan grandes potencias (giro de

pinza) o para robots pequenos (educacionales ); Tambien son muy utilizados en dis-

positivos perifericos del robot, como mesas de coordenadas.

63

Motores de corriente alterna

Este tipo de motores no ha tenido aplicacion en la robotica hasta hace unos anos,

debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras

que se han introducido en las maquinas sıncronas hacen que se presenten como un

claro competidor de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente

a tres factores:

1. La construccion de los motores sincronos sin escobillas

2. En los motores sincronos la velocidad de giro depende unicamente de la frecuencia

de la tension que alimenta el inducido. Para poder variar esta precision, el control

de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia.

3. El motor sincrono autopilotado excitado con un iman permanente, tambien llamado

motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a que no posee

escobillas y tiene una gran capacidad de evacuacion de calor, ya que los devanados

estan en contacto directo con la carcasa.

En el caso de los motores asıncronos, no se ha conseguido resolver satisfactoriamente

los problemas de control que presentan. Esto ha hecho que hasta el momento no

tengan aplicacion en robotica.

Por ultimo, en la Figura 2–28 se presenta un paralelo entre los actuadores estudiados.

Figure 2–28: Paralelo entre actuadores usados en robotica

64

2.6.19 Sensores internos

Para conseguir que un robot realice su tarea con la adecuada precision, velocidad e

inteligencia, sera preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como el

estado de su entorno. La informacion relacionada con su estado (fundamentalmente

la posicion de sus articulaciones ) la consigue con los denominados sensores internos,

mientras que la que se refiere al estado de su entorno, se adquiere con los sensores

externos. A continuacion se describiran algunos tipos de sensores de posicion:

Encoders incrementales. Para el control de posicion angular se emplean funda-

mentalmente los denominados encoders y resolvers. Los potenciometros dan bajas

prestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots edu-

cacionales, ejes de poca importancia). Los encoders incrementales en su forma

mas simple, estan compuestos por un disco transparente con una serie de marcas

opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sı; un sistema de iluminacion

en el que la luz es colimada de forma correcta, y un elemento fotorreceptor. El

eje cuya posicion se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta dis-

posicion a medida que el eje gire se ira generando pulsos en el receptor cada vez

que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible

conocer la posicion del eje. Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un

momento dado se esta realizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que

supone no estar contando adecuadamente. Una solucion a este problema consiste

en disponer de otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el

tren de pulsos que con ella se genere este desplazado 90◦ electricos con respecto

al generado por la primera franja. Es necesario ademas disponer de una marca de

referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por

tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo. Esta marca sirve tambien para poder

comenzar a contar tras recuperarse de una caıda de tension. La resolucion de este

tipo de sensores depende directamente del numero de marcas que se pueden poner

65

fısicamente en el disco. Un metodo relativamente sencillo para aumentar esta res-

olucion es, contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulsos, y tambien los

de bajada, incrementando ası la resolucion del captador, pudiendose llegar, con

ayuda de circuitos adicionales, hasta 100,000 pulsos por vuelta.

Encoders abolutos El funcionamiento basico de los codificadores o encoders ab-

solutos es similar al de los incrementales. Se tiene una fuente de luz con las lentes

de adaptacion correspondientes, un disco graduado y unos fotorreceptores. En

este caso, el disco transparente se divide en un numero determinado de sectores

(potencia de 2), codificandose cada uno de ellos segun un codigo binario cıclico (nor-

malmente codigo Gray) que queda representado por zonas transparentes y opacas

dispuestas radialmente. No es necesario ahora ningun contador o electronica adi-

cional para detectar el sentido del giro, pues cada posicion (sector) es codificado de

forma absoluta. Su resolucion es fija, y vendra dada por el numero de anillos que

posea el disco graduado. Resoluciones habituales van desde 2(exp.)8 a 2(exp.)19

bits (desde 256 a 524,288 posiciones distintas).

Resolvers tambien llamados sincros (vease Figura 2–29). Se trata de sensores

analogicos con resolucion teoricamente infinita. El funcionamiento de los resolvers

se basa en la utilizacion de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora,

generalmente con 400Hz, y por dos bobinas fijas situadas a su alrededor El giro de

la bobina movil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varie, consiguiendo

que la senal resultante en estas dependa del seno del angulo de giro. La bobina

movil excitada con tension V sen(ωt) y girada un angulo φ induce en las bobinas

fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones:

V1 = V sen (ωt) sen (φ)

V1 = V sen (ωt) cos (φ)(2.3)

Para poder tratar al sistema de control la informacion generada por los resolvers

es necesario convertir las senales analogicas en digitales. Para ello se utilizan

66

los llamados convertidores resolver-resolver/digital (r/d), que tradicionalmente se

basan en dos tipos de estructuras distintas (traking) y (muestreo sampling). Entre

sus ventajas destacan su buena robustez mecanica durante el funcionamiento y su

inmunidad a contaminacion, humedad, altas temperaturas y vibraciones. Debido a

su reducido momento de inercia, imponen poca carga mecanica del funcionamiento

del eje. Comparacion entre distintos sensores de posicion angular.

Figure 2–29: Resolver

2.6.20 Sensores externos

El empleo de mecanismos de deteccion exteriores permite a un robot interactuar con

su medio ambiente de una manera flexible.

Aunque esto esta bastante lejos de la forma mas predominante de funcionamiento

de los robots industriales actuales, la utilizacion de la tecnologıa de deteccion para

proporcionar a las maquinas un mayor grado de inteligencia en su relacion con su

ambiente es, en realidad, un tema activo de investigacion y desarrollo en el campo

de la robotica. Un robot que puede ”ver” y ”sentir” es mas facil de entrenar en la

ejecucion de tareas complejas mientras que, al mismo tiempo, exige mecanismos de

control menos estrictos que las maquinas preprogramadas.

La funcion de los sensores del robot puede dividirse en dos categorıas principales:

estado interno operan con la deteccion de variables, tales como la posicion de la

67

articulacion del brazo, que se utiliza para el control del robot y estado externo operan

con la deteccion de variables tales como alcance, la proximidad y el contacto.

Los sensores de estado externo pueden clasificarse tambien como sensores de contacto

o no contacto. Como su nombre lo indica, la primera clase de sensores responde

al contacto fısico, tal como el tacto, deslizamiento y torsion. Los sensores de no

contacto se basan en la respuesta de un detector a las variaciones en la radiacion

electromagnetica o acustica. Los ejemplos mas destacados de los sensores de no

contacto miden alcance, la proximidad y las propiedades visuales de un objeto.

Los sensores de fuerza y de torsion se utilizan como dispositivos de realimentacion

para controlar la manipulacion de un objeto una vez que se haya agarrado (por

ejemplo, para evitar el aplastamiento del objeto o para impedir su deslizamiento

Deteccion de alcance Estos sensores se utilizan en robotica para obtener infor-

macion asociada con el contacto entre una mano manipuladora y objetos en el

espacio de trabajo. Cualquier informacion puede utilizarse, por ejemplo, para la

localizacion y el reconocimiento del objeto, ası como para controlar la fuerza ejer-

cida por un manipulador sobre un objeto dado. Los sensores de contacto pueden

subdividirse en dos categorıas principales: binarios y analogicos. Los sensores bi-

narios son esencialmente conmutadores que responden a la presencia o ausencia

de un objeto. Por el contrario los sensores analogicos proporcionan a la salida

una senal proporcional a una fuerza local. Estos dispositivos se examinan con mas

detalle a continuacion.

Deteccion de torsion Los sensores de fuerza y de torsion se utilizan principal-

mente para medir las fuerzas de reaccion desarrolladas en la superficie de separacion

entre conjuntos mecanicos. Los metodos principales para realizar esta operacion

son los de deteccion de articulacion y muneca. Un sensor de articulacion mide

los componentes cartesianos de la fuerza y de la torsion que actua sobre una ar-

ticulacion de robot y la suma de forma vectorial. La mayorıa de los sensores de

68

fuerza de muneca funcionan como transductores para transformar las fuerzas y los

momentos ejercidos en la mano en desviacion o desplazamientos medibles en la

muneca. Es importante que los movimientos de muneca generados por el sensor

de fuerza no afecten a la exactitud del posicionamiento del manipulador

Deteccion de proximidad • Sensores inductivos: Los sensores basados en un

cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto metalico estan

entre los sensores de proximidad industriales de mas frecuente uso. El prin-

cipio de funcionamiento de estos sensores consiste fundamentalmente de una

bobina arrollada, situada frente a un iman permanente empaquetado en un

receptaculo simple y robusto.

• Sensores de efecto hall: El efecto Hall relaciona la tension entre dos puntos de

un material conductor o semiconductor con un campo magnetico a traves del

material. Cuando se utilizan por si mismos, los sensores de efecto Hall solo

pueden detectar objetos magnetizados. Empleados en conjunto con un iman,

son capaces de detectar todos los materiales ferromagneticos.

• Sensores capacitivos: Son potencialmente capaces (con diversos grados de

sensibilidad) de detectar todos los materiales solidos y lıquidos. Como su

nombre indica, estos sensores estan basados en la deteccion de un cambio

en la capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento

sensor.

• Sensores Ultrasonicos: La respuesta de todos los sensores de proximidad

hasta ahora examinados depende, en gran medida, del material objeto de

la deteccion. Esta dependencia puede reducirse mucho utilizando sensores

ultrasonicos. Examinaremos ahora el funcionamiento de estos sensores e ilus-

traremos su empleo para deteccion de proximidad. El elemento basico es un

transductor electroacustico, frecuentemente del tipo ceramico piezoelectrico.

69

La capa de resina protege el transductor contra la humedad, polvo y otros fac-

tores ambientales y tambien actua como un adaptador de impedancia acustica.

puesto que el mismo transductor se suele utilizar para la transmision y la re-

cepcion, un amortiguamiento rapido de la energıa acustica es necesario para

detectar objetos a pequena distancia. Esta operacion realiza proporcionando

absorvedores acusticos y desacoplando el transductor de su receptaculo. Este

ultimo esta disenado de modo que produzca un haz acustico estrecho para

una eficaz transferencia de energıa y una mejor direccionalidad de la senal.

• Opticos: Los sensores de proximidad opticos son similares a los sensores ul-

trasonicos en el sentido de que detectan la proximidad de un objeto por su

influencia sobre una onda propagadora que se desplaza desde un transmisor

hasta un receptor.

Sensores de contacto • Sensores Binarios: Como se indico anteriormente, los

sensores binarios son dispositivos de contacto, tales como microinterruptores.

En la disposicion mas simple, un conmutador esta situado en la superficie

interior de cada dedo de una mano de manipulacion. Este tipo de deteccion

es de utilidad para determinar si una pieza esta presente entre los dedos.

Desplazando la mano sobre un objeto y establecido secuencialmente contacto

con su superficie, tambien es posible centrar la mano sobre el objeto para su

agarre y manipulacion.

• Sensores Analogicos:Un sensor analogico es un dispositivo manejable cuya

salida es proporcional a una fuerza local. El mas simple de estos dispositivos

esta constituido por una varilla accionada por resorte que esta mecanicamente

enlazada con un eje giratorio, de tal manera que el desplazamiento de la varilla

es debido a la fuerza lateral dada.

• Triangulacion:En este procedimiento un objeto se ilumina por un haz de luz,

que barre toda la superficie. El movimiento de barrido esta en el plano definido

70

por la lınea desde el objeto hasta el detector y por la lınea desde el detector

hasta la fuente. Si el detector se enfoca sobre una pequena parte de la super-

ficie,entonces cuando el detector ve la mancha, su distancia puede calcularse

a partir de la geometrıa, puesto que se conocen el angulo de la fuente con la

lınea de base y la distancia entre la fuente y el detector.

• Metodo de iluminacion estructural:Este metodo consiste en proyectar una

configuracion de luz sobre un conjunto de objetos y en utilizar la distorsion

de la configuracion para calcular el alcance.

• Telemetro de tiempo de vuelo: El concepto general consiste en emitir una senal

(laser o de ultrasonidos, frecuencias altas), y calcular la distancia por medio

de ecuaciones o interpretadores de las variaciones que estas senales sufren al

regresar al emisor. Estos sistemas presentan limitaciones en la resolucion, por

lo que generalmente son utilizados para navegacion y para evitar obstaculos.

PARTE 3

UNIDAD II. CINEMATICA Y DINAMICA DEL

ROBOT

La cinematica del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sis-

tema de referencia. Ası, la cinematica se interesa por la descripcion analıtica del

movimiento espacial del robot como una funcion del tiempo, y en particular por las

relaciones entre la posicion y la orientacion del extremo final del robot con los val-

ores que toman sus coordenadas articulares. Existen dos problemas fundamentales

para resolver la cinematica del robot, el primero de ellos se conoce como el problema

cinematico directo, y consiste en determinar cual es la posicion y orientacion del ex-

tremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como

referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parametros geometricos

de los elementos del robot, el segundo denominado problema cinematico inverso re-

suelve la configuracion que debe adoptar el robot para una posicion y orientacion

del extremo conocidas.

Denavit y Hartenberg propusieron un metodo sistematico para descubrir y represen-

tar la geometrıa espacial de los elementos de una cadena cinematica, y en particular

de un robot, con respecto a un sistema de referencia fijo. Este metodo utiliza una

matriz de transformacion homogenea para descubrir la relacion espacial entre dos el-

ementos rıgidos adyacentes, reduciendose el problema cinematico directo a encontrar

una matriz de transformacion homogenea 4X4 que relacione la localizacion espacial

del robot con respecto al sistema de coordenadas de su base.

71

72

Por otra parte, la cinematica del robot trata tambien de encontrar las relaciones

entre las velocidades del movimiento de las articulaciones y las del extremo (vease

Figura 3–1). Esta relacion viene dada por el modelo diferencial expresado mediante

la matriz Jacobiana.

Figure 3–1: Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles.

3.1 Conceptos basicos

Los conceptos que se pretenden describir en esta seccion nos permitiran comprender

mejor la cinematica de un robot.

3.1.1 Posicion y orientacion en el plano

Este problema es frecuente en el estudio de robots moviles que navegan por terrenos

planos. En este caso se necesitan dos coordenadas y un angulo de orientacion.

Supongase un sistema de coordenadas fijo al que se designara como sistema {A}. La

posicion con respecto a este sistema se representara mediante un vector de posicion

73

AP , tal como se ilustra en la Figura 3–2, cuyas componentes son las coordenadas de

este punto (vease ecuacion 3.1).

Figure 3–2: Vector de coordenadas en el plano

AP =

px

py

(3.1)

Este sistema tiene como vectores unitarios aXA y YA. Otra posible forma de expresar

las coordenadas de un punto con respecto a un sistema de referencia es mediante el

empleo de coordenadas polares, como se ilustra en la Figura 3–3. En este caso las

coordenadas son la distancia al origen r y el angulo θ que forma el vector con el eje

XA.

Figure 3–3: Coordenadas polares

Considerese tambien otro sistema de coordenadas con vectores unitarios XB y YB,

como se muestra en la Figura 3–4. La direccion del vector YB forma un angulo θ

con el vector YA. Observese que si por ejemplo, se trata de localizar un robot movil

74

que se desplaza en el plano, este segundo sistema puede ser solidario al robot con

YB en la orientacion del robot.

Figure 3–4: localizacion de un objeto en posicion y orientacion

Si se expresan los vectores unitarios del sistema {B} en el {A}, se escribira AXB

, AYB.Estos dos vectores se disponen segun las columnas de una matriz (vease

Ecuacion 3.2).

ABR =

[

AXBAYB

]

=

r11 r12

r21 r22

(3.2)

A la que se le conoce como matriz de rotacion. Este tipo de matrices es muy

importante en los modelos empleados en robotica. Observese que si el angulo de

orientacion es θ, de la Figura 3–4se deduce la Ecuacion 3.3

ABR =

cos θ −senθ

senθ cos θ

(3.3)

Teniendo en cuenta que los vectores son ortonormales, puede escribirse tambien la

Ecuacion 3.4

ABR = B

AR−1 = B

ART (3.4)

Supongase que el sistema {B} tiene sus vectores coincidentes con los de {A}, como se

ilustra en la Figura 3–5. Este problema se presentarıa por ejemplo cuando el robot

75

se desplazara sin cambiar de orientacion. El origen del sistema {B} se localizara con

respecto al {A} mediante el vector de la Ecuacion 3.5

Figure 3–5: Traslacion del sistema de coordenadas

APORGB =

[

APxORGBAPyORGB

]T

(3.5)

Por tanto las coordenadas de un punto cualquiera del plano en los dos sistemas estan

relacionados mediante la Ecuacion 3.6

APx = BPx + APxORGB

APy = BPy + APyORGB

(3.6)

Expresiones en las cuales las componentes de los vectores pueden sumarse por estar

estos vectores en la misma direccion. Las Ecuaciones 3.6 definen la transformacion

de traslacion del sistema de coordenadas.

Supongase ahora que el origen del sistema {B} coincide con el del {A} pero la ori-

entacion es diferente, como se ilustra en la Figura 3–6. Esta circunstancia se presenta

al estudiar movimientos de rotacion. Asimismo, este serıa el caso cuando el sistema

de referencia {A}, se desplazara con el robot pero mantuviera su orientacion con-

stante, mientras el sistema {B} ademas de desplazarse con el robot girara tambien

con el. En este caso las coordenadas expresadas en el sistema {A} en funcion de las

del {B} vienen dadas por la Ecuacion 3.7.

76

APx = BXA.BP

APy = BYA.BP

(3.7)

Expresion en la cual el punto indica el producto escalar. Notese como 3.7 indican las

proyecciones del vector AP que define el punto sobre los ejes unitarios del sistema

que se toma como referencia. Estas expresiones pueden escribirse de forma compacta

en la ecuacion 3.8

AP = ABR

BP =

BXTA

BY TA

BP (3.8)

Figure 3–6: Rotacion del sistema de coordenadas

En general, en el cambio de sistemas de coordenadas existiran tanto traslaciones

como rotaciones.

Ejemplo 1

Un robot movil provisto de sensores de proximetrıa detecta un obstaculo a una

distancia d en la direccion de marcha (vease Figura 3–7). Se sabe que el angulo

de orientacion del robot en el instante de medida es θ. Se trata de determinar las

coordenadas absolutas del obstaculo con respecto a un sistema de ejes de referencia

solidario al vehıculo pero con la misma orientacion del sistema absoluto.

77

Figure 3–7: Deteccion de un obstaculo desde un robot movil

De acuerdo con la Figura anterior, podemos plantear que:

BP =

[

0 d

]T

; BXA =

[

cos θ −senθ

]T

; BYA =

[

senθ cos θ

]T

Recordemos que BXA y BYA son vectores unitarios. Por consiguiente:

APxobs = BXA.BP = −d senθ; APyobs = BYA.

BP = d cos θ

Figure 3–8: Cambio de sistema de referencia en navegacion de robots moviles

Considerese ahora la situacion que se ilustra en la Figura 3–8. Se supone que el sis-

tema {A} esta fijo y, en el instante en que se toma la medida, el robot esta situado

con respecto a {A} en unas coordenadas (xrobot, yrobot) el obstaculo se encuentra con

78

respecto al sistema {A} en:

APxobs = xrobot + BXA.BP = xrobot − d senθ

APyobs = yrobot + BYA.BP = yrobot + d cos θ

Fijemonos que hemos hecho una rotacion y una traslacion de coordenadas.

Ejemplo 2

Considerese ahora un manipulador plano con una articulacion de traslacion y otra

de rotacion como el que se muestra en la Figura 3–9.

Figure 3–9: Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano

Sean d y θ las variables de la primera y la segunda articulacion. Las coordenadas

respecto la sistema {A} estan relacionadas con las coordenadas del sistema {B}

segun se muestra a continuacion:

APx =(

BPx + l)

cos θ − pysenθ;

APy = BPy cos θ + BPxsenθ + lsenθ;

79

3.1.2 Posicion y orientacion en el espacio

En el ambito de la robotica resulta imprescindible representar las posiciones y ori-

entaciones en el espacio.

Figure 3–10: Posicion en el espacio

Sea AP el vector de posicion en un sistema {A}, tal como se ilustra en la Figura

3–10, para un vehıculo autonomo. En este caso la Ecuacion que nos representa esto

es 3.9:

AP =

px

py

pz

(3.9)

Siendo px,py, y pz las coordenadas. Lo anterior al usar coordenadas cartesianas,

sin embargo sabemos que un punto en el espacio tambien se puede representar en

coordenadas cilındricas tal como se muestra en la Figura 3–11. En este caso las

coordenadas son la distancia r, el angulo θ y la distancia z entre el punto y el plano

XAYA. Las dos primeras tienen el mismo significado que las coordenadas polares

mencionadas en la seccion anterior.

Por ultimo en la Figura 3–12se muestran las coordenadas esfericas.

La orientacion de un cuerpo se describe mediante el sistema de coordenadas {B}

solidario al cuerpo. Si se desea representar la orientacion con respecto a un sistema

80

Figure 3–11: Posicion en el espacio con coordenadas cilındricas

Figure 3–12: Posicion en el espacio con coordenadas esfericas

de referencia {A}, el problema consiste simplemente en expresar {B} con respecto

a {A}.

Sean XB,YB y ZB los vectores unitarios en la direccion de los ejes del sistema

de coordenadas {B}. Si se desea expresar estos vectores respecto al sistema {A}, se

escribira AXB,AYB y AZB. En este caso la matriz de rotacion es la mostrada en la

Ecuacion 3.10:

{

ABR

}

=

[

AXBAYB

AZB

]

=

r11 r12 r13

r21 r22 r23

r31 r32 r33

(3.10)

Para concluir con lo anterior, se debe mencionar que la localizacion de un cuerpo

(posicion y orientacion) en el espacio, se determina mediante cuatro vectores de tres

elementos, formando tres de ellos la matriz de rotacion ABR del sistema {B} que se

mueve solidario al solido rıgido con respecto a un sistema de referencia {A}, y el

cuarto la posicion del origen APORGB del sistema {B} solidario al cuerpo, expresada

en el sistema de referencia {A}, como se ilustra en la Figura 3–13.

81

Figure 3–13: Posicion y orientacion en el espacio

En la mayor parte de los problemas de robotica es necesario realizar cambios entre

sistemas de referencia en el espacio. Ası, en robots manipuladores convencionales, los

modelos del manipulador involucran cambios entre sistemas asociados a las diferentes

articulaciones de la cadena cinematica para describir la posicion y orientacion del

extremo del manipulador con relacion a la base.

Tal como se ha visto previamente, estas transformaciones consisten esencialmente en

traslaciones y rotaciones. Suponiendo que {A} y {B} tienen la misma orientacion,

la traslacion puede expresarse mediante la Ecuacion 3.11:

AP = BP + APORGB (3.11)

Como se ilustra en la figura 3–14. Observese que los dos vectores de la derecha de

la expresion pueden sumarse debido a que ambos sistemas de referencia tienen la

misma orientacion. La rotacion puede expresarse mediante la Ecuacion 3.12.

ABR = B

AR−1 = B

ART (3.12)

Igualdades que se justifican teniendo en cuenta que las columnas son vectores ortonor-

males. En terminos de estos vectores puede escribirse la Ecuacion 3.13.

ABR =

[

AXBAYB

AZB

]

=

BXTA

BY TA

BZTA

(3.13)

82

Figure 3–14: Cambio de sistemas de referencia en el espacio

Suponiendo que los orıgenes de {A} y {B} son coincidentes, puede escribirse la

Ecuacion 3.14:

AP = ABR

BP (3.14)

Si se recuerda que los componentes de BP pueden considerarse como las proyecciones

del vector que define el punto en los vectores unitarios que definen el sistema de

referencia, se tiene la Ecuacion 3.15

APx = AXA.BP

APy = AYA.BP

APz = AZA.BP

(3.15)

Expresiones en las cuales el punto indica el producto escalar.

Como ya se menciono, en un caso general se involucran tanto traslaciones como

rotaciones. Si A∏

y B∏

son respectivamente los vectores AP y BP extendidos una

componente de valor 1 podemos definir en la Ecuacion 3.16:

A∏

=

AP

1

; B

∏

=

BP

1

(3.16)

83

Puede escribirse tambien la ecuacion 3.17

A∏

= ABT

B∏

(3.17)

Donde:

ABT =

ABR

APORGB

0 0 0 1

(3.18)

Es una matriz de 4X4 a la que se denomina matriz de transformacion homogenea.

Esta matriz es util para expresar de forma compacta la rotacion (submatriz 3X3 su-

perior izquierda) y la traslacion (vector columna 3X1 formado por los tres primeros

elementos de la cuarta columna).

3.1.3 Transformaciones compuestas

En numerosos problemas de robotica es necesario involucrar transformaciones com-

puestas generadas mediante una serie de operaciones elementales de traslacion o

rotacion. Por tanto resulta natural asociar un sistema de referencia diferente a cada

articulacion de un manipulador. Si se desea conocer la localizacion de la pinza

situada en el extremo del ultimo enlace, es necesario estudiar la transformacion

compuesta que relaciona este extremo con la base del manipulador.

Considerese por ejemplo la transformacion compuesta que se muestra en la Figura

3–15. Se supone que {C} es conocido con respecto a {B} y {B} con respecto a {A}.

por consiguiente si se tiene que CP y se desea obtener AP , se procedera segun

BP = BCT

CP

AP = ABT

BP(3.19)

Sustituyendo la primera en la segunda:

AP = ABT

BCT

CP = ACT

CP (3.20)

siendo

84

ACT = A

BTBCT (3.21)

una transformacion compuesta que puede expresarse mediante la matriz homogenea:

ACT =

ABR

BCR

ABR

BPORGC + APORGB

0 0 0 1

(3.22)

Figure 3–15: Transformaciones compuestas

Ejemplo

Considerese un robot manipulador con dos articulaciones que se mueve en el plano

con dos grados de libertad, tal como se muestra en la Figura 3–16.

Figure 3–16: Manipulador plano con dos articulaciones de rotacion

85

En este caso se asocia un cuadro de referencia a cada articulacion, tal como se indica

en la Figura. Las matrices de rotacion correspondientes son:

01R =

cos θ1 −senθ1 0

senθ1 cos θ1 0

0 0 1

(3.23)

12R =

cos θ2 −senθ2 0

senθ2 cos θ2 0

0 0 1

(3.24)

La transformacion compuesta viene dada por:

02R = 0

1R12R =

cos θ1 cos θ2 − senθ1senθ2 − cos θ1senθ2 − senθ1 cos θ2 0

senθ1 cos θ2 + cos θ1senθ2 cos θ1 cos θ2 − senθ1senθ2 0

0 0 1

(3.25)

Simplificaremos la notacion escribiendo si en lugar de senθi, ci en lugar de cosθi, y

cos (θ1 + θ2) = c1c2 − s1s2 = c12

sen (θ1 + θ2) = c1s2 + s1c2 = s12

(3.26)

Por consiguiente, la expresion anterior se ecribira

02R = 0

1R12R =

c12 −s12 0

s12 c12 0

0 0 1

(3.27)

Por ultimo, en esta seccion se describira el problema tıpico en el ambiente de la

robotica: Supongase que un manipulador robotico provisto de una pinza {H} en

su extremo agarra un objeto {O} definido con respecto a un sistema de referencia

{M} asociado a una mesa. La situacion de los sistemas de referencia se ilustra en

86

la Figura 3–17. Se suponen conocidas BHT , que describe la localizacion del sistema

de referencia {H} asociado a la pinza del manipulador con respecto a la base, BMT

que describe el sistema de referencia {M} asociado a la mesa con respecto al de la

base {B}, y MO T que describe el sistema de referencia {O} asociado al objeto con

respecto al de la mesa {M}.

Figure 3–17: Representacion de ecuaciones de transforamcion

Se trata de obtener la posicion y orientacion del objeto con respecto a los dedos del

manipulador.

La localizacion del objeto con respecto a la base viene dada por

BOT = B

MTMO T (3.28)

Por otra parte, la localizacion del objeto puede expresarse como

BOT = B

HTHOT (3.29)

Por consiguiente, igualando el lado derecho de ambas ecuaciones, puede obtenerse la

posicion y orientacion del objeto con respecto a la pinza del manipulador mediante:

HOT = B

HT−1 B

MTMO T (3.30)

87

Aunque hay otras formas diferentes de representar la orientacion, estas quedan para

investigacion del estudiante.

3.2 Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H)

Un robot articulado puede describirse usando cuatro magnitudes asociadas a cada ar-

ticulacion. Una de estas es la variable de la articulacion y las restantes son paramet-

ros fijos para cada robot.

Figure 3–18: Asignacion de ejes de referencia a articulaciones consecutivas

En la Figura 3–18 se ilustran los parametros que permiten definir una representacion

de las relaciones de traslacion y rotacion entre los enlaces adyacentes. Ası, la variable

de una articulacion i de rotacion se representara mediante el angulo θi y la de

una prismatica mediante el desplazamiento di. Los otros dos parametros de la

articulacion son la distancia ai−1 entre el eje de la articulacion i − 1 y el eje de la

articulacion i, medida sobre la lınea perpendicular comun y el angulo αi−1 entre estos

dos ejes (angulo entre las proyecciones de los dos ejes en un plano cuya normal es la

perpendicular comun) medido como rotacion alrededor de la perpendicular comun

hasta coincidir las direcciones de los ejes. Cuando el eje i− 1 y el eje i intersectan,

el valor del parametro ai es cero. Las cadenas cinematicas se describiran indicando

los cuatro parametros de D-H de las articulaciones. En la primera articulacion de

la cadena, el valor de los parametros a0 y α0 es arbitrario y se toma como cero.

88

Si la articulacion es de rotacion, el parametro di se toma tambien cero. Cuando la

articulacion es prismatica, el parametro θi se hace igual cero.

Los sistemas de referencia se asignan haciendo coincidir uno de los ejes del sistema

de coordenadas, tıpicamente el Zi, con el eje de la articulacion. El origen de {i} se

escoge en el punto en que la lınea sobre la que se define ai intersecta el eje de la

articulacion i. El eje Xi se elige en la direccion de la perpendicular comun entre el

eje de la articulacion y la siguiente. Para elegir el eje Yi se sigue la regla de la mano

derecha.

Por consiguiente, ai y αi resultan ser respectivamente la distancia desde Zi hasta

Zi+1 y el angulo entre estos dos ejes medida sobre el eje Xi. El signo de αi sera

positivo si al llevar Zi sobre Zi+1 por el camino mas corto, el sentido que resulte de

aplicar la regla de la mano derecha es el mismo que el del vector Xi. Ası mismo,

di y θi son, respectivamente la distancia desde xi−1 hasta Xi y el angulo entre estos

dos ejes medidos sobre el eje Zi. El signo de θi sera positivo si al llevar Xi−1 sobre

Xi por el camino mas corto, el sentido que resulte de aplicar la regla de la mano

derecha es el mismo que el del vector Zi.

El sistema de referencia {0} se elige de forma que Z0 coincide con Z1 cumpliendose

siempre que a0 = α0 = 0. Cuando la ultima articulacion es de rotacion, el sistema

de referencia {n} se elige con la direccion de Xn alineada con Xn−1 cuando θn = 0.

Si {n} es prismatica, su origen se elige en la interseccion entre su eje y Xn−1 cuando

dn = 0.

Por ultimo, recordemos que la idea es representar la articulacion {i} con respecto a

{i-1} y que cada transformacion puede definirse segun tres parametros y una variable

de articulacion. Por todo lo anterior, la aplicacion de los parametros de D-H, permite

solucionar un problema cinematico directo (vease siguiente seccion) al usar la matriz

de transformacion 3.31, para cada articulacion en la cadena cinematica

89

i−1i T =

cθi −sθi 0 ai−1

sθicαi−1 cθicαi−1 −sαi−1 −sαi−1di

sθisαi−1 cθisαi−1 cαi−1 cαi−1d

0 0 0 1

(3.31)

Donde s significa seno y c coseno.

3.3 El problema cinematico directo

Se utiliza fundamentalmente el algebra vectorial y matricial para representar y de-

scribir la localizacion de un objeto en el espacio tridimensional con respecto a un

sistema de referencia fijo. Dado que un robot puede considerar como una cadena

cinematica formada por objetos rıgidos o eslabones unidos entre sı mediante artic-

ulaciones, se puede establecer un sistema de referencia fijo situado en la base del

robot y describir la localizacion de cada uno de los eslabones con respecto a dicho

sistema de referencia. De esta forma, el problema cinematico directo se reduce a

encontrar una matriz homogenea de transformacion T que relacione la posicion y

orientacion del extremo del robot respecto del sistema de referencia fijo situado en

la base del mismo. Esta matriz T sera funcion de las coordenadas articulares.

Para construir un modelo directo de un robot con ”n” articulaciones es necesario

definir un sistema de referencia solidario a cada segmento y elegir sus parametros,

considerando lo propuesto por Denavit-Hartenberg. A partir de las matrices de

cada articulacion puede obtenerse la transformacion compuesta 0nT que relaciona la

localizacion {n} con la {0}, Esta transformacion sera funcion de las ”n” variables

de las articulaciones q1, q2, q3, ...., qn.

Por consiguiente, dados los valores de q1, q2, q3, ...., qn, puede calcularse la posicion

cartesiana de la ultima articulacion como se muestra en 3.32:

p = ϕ(q) = 01T

12T

23T...

n−1n T = 0

nT (3.32)

90

La aplicacion de estas ecuaciones permite estimar la posicion y orientacion del efector

final del manipulador, conociendo los valores de las variables articulares.

3.3.1 Ejemplo 1

Considerese el manipulador plano con tres articulaciones de rotacion que se muestra

en la Figura 3–19. Las longitudes de los segmentos son l1 y l2.

Figure 3–19: Manipulador plano con tres articulaciones de rotacion

La asignacion de los marcos de referencia tambien se muestra en la Figura 3–19.

Los ejes Z0,Z1,Z2 de los marcos de referencia {0},{1} y {2}, son paralelos y en la

misma direccion de los ejes de las tres articulaciones apuntando hacia afuera. Por

consiguiente los parametros di y los αi son todos nulos. En la siguiente tabla se

muestran los parametros obtenidos para nuestro ejemplo.

i αi αi−1 θi di

1 0 0 θ1 0

2 0 l1 θ2 0

3 0 l2 θ3 0

Sean ci = cos(θi) y si = sen(θi), las matrices de transformacion de las articulaciones

se muestran en la Ecuacion 3.33:

91

01T =

c1 −s1 0 0

s1 c1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

12T =

c1 −s2 0 l1

s2 c2 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

23T =

c3 −s3 0 l2

s3 c3 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

(3.33)

Por lo tanto el modelo directo viene dador por la Ecuacion 3.34

03T = 0

1T12T

23T =

c123 −s123 0 l1c1 + l2C12

s123 c123 0 l1s1 + l2s12

0 0 1 0

0 0 0 1

(3.34)

Donde los nuevos terminos usados se definen en el arreglo 3.35

c12 = c1c2 − s1s2

s12 = c1s2 − s1c2

c123 = c12c3 − s1c2

s123 = s12c3 − c12s3

(3.35)

Vemos que el problema cinematico directo se puede resolver usando los parametros

de Denavit-Hartenberg junto con algunas propiedades del algebra matricial.

92

3.3.2 Ejemplo 2

Considerese el Robot que se muestra en la Figura 3–20. El sistema de referencia {0}

se supone rıgidamente unido al enlace 0 y el {n} al ultimo enlace. El sistema {1}

coincide con {0} para θ1 = 0, pero gira con respecto a este al variar θ1.

Figure 3–20: Esquema del robot del ejemplo 2

Al igual que en el ejemplo anterior, para simplificar la representacion, los ejes de

movimiento se eligen coincidentes con algun eje de los sistemas de referencia, y en

particular con el eje Z. Ası en la primera y tercera articulacion (rotacionales), existen

rotaciones alrededor de Z1 y de Z3, y en la segunda (prismatica) un desplazamiento

a lo largo de Z2.

Teniendo en cuenta la notacion que se introdujo para los parametros de Denavit-

Hartenberg, en una articulacion prismatica la variable es la d2, siendo fijo el valor

de θ2. El origen del sistema de referencia {2} se elige de forma que, cuando d2 es

cero, corresponda a la extension mınima del enlace, con lo cual la variable d2 mide

la extension de la articulacion. Al seleccionar los sistemas de referencia como en la

Figura 3–20, los ejes de las articulaciones {1} y {2} intersectan y por lo tanto el

desplazamiento a1 es cero. Notese tambien como Z1 y Z2 estan rotados 90◦. Los

demas valores de los parametros se resumen en la siguiente tabla:

93

i αi−1 ai−1 θi di

1 0 0 θ1 0

2 90◦ 0 0 d2

3 0 0 θ3 l2

Usando las convenciones que se mencionaron en el anterior ejemplo, las transforma-

ciones resultantes son las que se muestran en el arreglo de ecuaciones 3.36:

01T =

c1 −s1 0 0

s1 c1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

12T =

1 0 0 0

0 0 −1 −d2

0 1 0 0

0 0 0 1

23T =

c3 −s3 0 0

s3 c3 0 0

0 0 1 l2

0 0 0 1

(3.36)

Obtener la matriz correspondiente a 03T queda como ejercicio para el estudiante.

3.4 El problema cinematico inverso

El objetivo del problema cinematico inverso consiste en encontrar los valores que

deben adoptar las coordenadas articulares del robot q = (q1, q2, ..., qn). Para que

su extremo se posicione y oriente segun una determinada localizacion espacial.

Como sabemos, es posible abordar el problema cinematico directo de una manera

sistematica a partir de la utilizacion de matrices de transformacion homogeneas, e

94

independientemente de la configuracion del robot. Sin embargo, no ocurre lo mismo

con el problema cinematico inverso, siendo el procedimiento de obtencion de las

ecuaciones fuertemente dependiente de la configuracion del robot.

Se han desarrollado algunos procedimientos genericos susceptibles de ser programa-

dos, de modo que un computador pueda, a partir del conocimiento de la cinematica

del robot (con sus parametros de D-H, por ejemplo) obtener la n-tupla de valores

articulares que posicionan y orientan su extremo. El inconveniente de estos pro-

cedimientos es que se trata de metodos numericos iterativos, cuya velocidad de

convergencia e incluso su convergencia en sı, no esta siempre garantizada.

La solucion de este problema hace necesario considerar, en primer lugar, la existencia

de soluciones. En efecto, se trata de asegurar que la posicion y orientacion necesaria

para manipular el objeto, puede o no ser alcanzada por el efector final, en otras

palabras, si esta o no dentro del espacio de trabajo alcanzable. En los casos en que la

localizacion del objetivo no pertenece a dicho espacio, se debe buscar una solucion

lo mas cercana posible a la deseada POT con la cual se resolvera el modelo inverso.

Notese que la existencia o no de soluciones depende del numero de articulaciones del

manipulador. Ası, en general un manipulador con menos de seis grados de libertad,

no puede situar y orientar el efector final, en una posicion cualquiera del espacio

3d. Considerese por ejemplo el manipulador plano (vease Figura 3–21) con dos

articulaciones de rotacion. Suponiendo que los enlaces tienen longitudes l1 y l2,

resulta evidente que el espacio de trabajo alcanzable es un anillo de radio exterior

l1 + l2 y radio interior |l1 − l2|. Para el caso particular en que l1 = l2 el espacio

alcanzable es un disco de radio 2l1.

Observese que a los puntos del interior se puede llegar con dos posibles orientaciones,

mientras que los puntos del lımite con solo una. Hemos dicho implıcitamente que las

articulaciones pueden girar 360◦, lo que normalmente no sera posible. En la practica

95

Figure 3–21: Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de libertadde rotacion

se establecen restricciones adicionales que limitan el espacio de trabajo. ¿que pasarıa

si la segunda articulacion solo pudiese girar 180◦?

3.4.1 Ejemplo

Considerese el manipulador de la Figura 3–19. La especificacion de la muneca (efec-

tor) relativa a la base viene dada por el modelo directo BMT (vease Ecuacion 3.37)

del ejemplo 1 de la Seccion anterior.

BMT = 0

3T =

c123 −s123 0 l1c1 + l2C12

s123 c123 0 l1s1 + l2s12

0 0 1 0

0 0 0 1

(3.37)

Donde las expresiones de c12, s12, c123, s123 se muestran en la Ecuacion 3.35.

En un manipulador plano, la especificacion de la posicion y orientacion deseadas en

el extremo del manipulador se realiza indicando tres valores x, y, φ. Siendo los dos

primeros las coordenadas en el plano del extremo del manipulador y φ su orientacion

con la relacion al eje X positivo. Por tanto, en vez de considerar como dato una

matriz general BMT , se supondra una transformacion con la estructura

96

BMT =

cφ −sφ 0 x

sφ cφ 0 y

0 0 1 0

0 0 0 1

(3.38)

siendo sφ y cφ el seno y el coseno del angulo de orientacion φ respectivamente.

Igualando los elementos no triviales de las matrices 3.38 y 3.37 (diferentes de cero y

uno) se obtienen cuatro ecuaciones, en las cuales existen tres incognitas θ1, θ2 y θ3.

Notese como dos ecuaciones corresponden a las coordenadas x e y:

x = l1c1 + l2 (c1c2 − s1s2)

y = l1s1 + l2 (c1s2 − s1c2)(3.39)

Las dos restantes corresponden a la orientacion y pueden resumirse en

θ1 + θ2 + θ3 = φ = arctg2(sφ, cφ) (3.40)

donde la funcion arctg2” se define como la tangente inversa, teniendo en cuenta el

cuadrante al que pertenece el punto a evaluar (signo de los argumentos).

Para obtener las ecuaciones que resuelvan el modelo inverso se elevan al cuadrado

las ecuaciones 3.39 y se suman con lo cual se obtiene:

x2 + y2 = l21 + l22 + 2l1l2c2 (3.41)

Despejando c2 se obtiene

c2 =x2 + y2 − l21 − l22

2l1l2(3.42)

Para que exista una solucion, el lado derecho de la ecuacion debe dar un valor entre

-1 y +1. Si no se cumple esta condicion, el punto objetivo esta demasiado lejos para

97

que lo alcance el manipulador. Suponiendo que existe solucion, para determinar θ2

teniendo en cuenta el signo se hace

s2 = ±√

1 − c22 (3.43)

De donde puede calcularse θ2 mediante:

θ2 = arctg2 (s2, c2) (3.44)

Dependiendo del signo de s2 (positivo o negativo, se tiene una solucion diferente

(ariba o abajo). Una vez que se conoce θ2, la posicion y orientacion pueden calcularse

mediante:

x = (l1 + l2c2) c1 − (l2s2) s1 (3.45)

y = (l1 + l2c2) s1 + (l2s2) c1 (3.46)

Dividiendo 3.46 en 3.45 se obtiene:

y

x=

(l1 + l2c2) s1 + (l2s2) c1(l1 + l2c2) c1 − (l2s2) s1

=tgθ1 + l2s2

l1+l2c2

1 − l2s2

l1+l2c2tgθ1

(3.47)

Notese que el lado derecho de 3.47 coincide con la expresion de la tangente de la

suma de dos angulos, por lo cual puede escribirse:

θ1 = arctg2 (y, x) − α (3.48)

siendo

θ1 = arctg2 (l2s2, l1 + l2c2) (3.49)

98

Notese que al escoger el signo de θ2 tambien afecta a θ1. Observese ademas que,

cuando x = y = 0, no puede determinarse el lado derecho de 3.48, por lo que θ1 es

arbitrario. Finalmente conociendo θ1 y θ2, se calcula θ3 mediante la Ecuacion 3.40.

Desarrollo por metodo geometrico

Figure 3–22: Solucion por metodos geometricos

Aplicando relaciones trigonometricas en los triangulos de la Figura 3–22 se obtiene:

x2 + y2 = l21 + l22 − 2l1l2 cos (180◦ + θ2) = l21 + l22 − 2l1l2 cos θ2 (3.50)

Por tanto, puede despejarse

cos θ2 = c2 =x2 + y2 − l21 − l22

2l1l2(3.51)

El algoritmo debe comprobar que la distancia√

x2 + y2 sea menor o igual que l1 + l2

antes de aplicar las expresiones. Suponiendo que existe solucion, se resuelve para

un valor de θ2 entre 0 y -180◦ ya que el triangulo solo existe para estos valores.

La otra posible solucion (linea discontinua en la parte inferior) corresponde a θ2.

Para obtener θ1 se encuentran las expresiones de los angulos β. y ψ. Notese que

β = arctg2(x, y). por otra parte, aplicando la ley de cosenos se obtiene:

l22 = l21 +(

x2 + y2)

− 2l√

x2 + y2 cosψ (3.52)

99

De donde

cosψ =x2 + y2 − l22 + l21

2l1√

x2 + y2(3.53)

El arco coseno se resuelve para 0 ≤ ψ ≤ 180◦. Finalmente se hace

θ1 = β ± ψ (3.54)

Aplicando el signo {+} si θ2 < 0 y el signo {-} si θ2 > 0.

Por ultimo, teniendo en cuenta

θ1 + θ2 + θ3 = φ (3.55)

Se obtiene θ3.

3.5 Velocidades y jacobiano

PARTE 4

UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBOTICA

4.1 Introduccion

La mayorıa de los robots industriales que hay instalados actualmente en los procesos

productivos, estan practicamente incomunicados con el entorno que les rodea. La

necesidad de tener programadas las acciones a efectuar, restringe el ambiente de

trabajo a unas condiciones estrictas, al igual que a las pinzas o los materiales que

se han de manipular. Cuando las producciones no son grandes, esa ordenacion del

mundo exterior se hace muy costosa y es preciso disponer de robots, que sean capaces

de operar en situaciones que permitan cierta flexibilidad en los elementos.

Existen multitud de sensores capaces de informar de algunas caracterısticas del

ambiente que envuelve al robot, pero la mas completa y la que confiere la maxima

adaptabilidad a la maquina, es la vision artificial.

La importancia de la vision, esta confirmada por la gran cantidad de empresas e

investigadores que se dedican a mejorar esta tecnica. Sin embargo, todavıa no se ha

implantado la vision en los robots comerciales, dadas las dificultades que existen y

que pueden resumirse en el siguiente listado:

• Los sistemas de vision superan, en muchos casos, el coste del sistema de robot

industrial.

• Exigen extensos desarrollos de software, que potencian el nucleo central de In-

teligencia Artificial preciso para que el robot actue de acuerdo con la informacion

del mundo exterior.

100

101

• Se necesitan potentes computadores para procesar una gran cantidad de infor-

macion en poco tiempo. En robotica, las imagen es hay que procesarlas en tiempo

real.

• Hay gran dificultad en el tratamiento de la informacion visual, debido a factores

inherentes al mismo proceso, como son sombras, tipo de iluminacion, imagenes

bidimensionales y tridimensionales, oclusiones entre objetos, etc

• En el analisis de la imagen, ademas de la informacion directa, hay que proce-

sar otras fuentes de datos, tan complejos como los procedentes de la experiencia

memorizada, el contexto general y los objetivos perseguidos.

4.1.1 Sistema de medicion

Un sistema de vision artificial consta de las siguientes partes:

• Camara, encargada de captar la imagen y transmitirla en forma de senales electricas,

siguiendo unas normas de exploracion.

• Interfaz, de adaptacion de las senales electricas producidas por la camara a un

computador.

• Paquetes de software, para el proceso de la informacion por el computador, que

permita analizar las escenas y generar los comandos de gobierno del robot, de

forma autonoma y en tiempo real (Inteligencia Artificial).

En la confeccion del software, pueden distinguirse tres fases consecutivas:

• Seleccion de la informacion util e indispensable, puesto que es casi imposible, tener

en cuenta toda la informacion que proporciona la camara.

• Interpretacion, de la escena en forma conveniente para la aplicacion en curso.

• Calculo y generacion, de las ordenes de control a los elementos motrices del ma-

nipulador, segun los resultados de la fase anterior.

102

4.1.2 La exploracion de imagenes.

La exploracion de una imagen consiste, en esencia, en el conjunto de operaciones

necesarias para, tras enfocarla con la ayuda de un sistema de lentes opticas, con-

vertirla en senales electricas, que por su propia naturaleza, podrıan posteriormente

amplificarse y transmitirse, ası como aplicarse a los dispositivos adecuados para su

reproduccion o el reconocimiento, mas o menos inteligente, de la escena original.

Para la captura se usa por lo general una camara de estado solido:

Por su reducido tamano y peso, su resistencia a los ambientes industriales y hos-

tiles y la tendencia a la baja de su precio, las camaras de estado solido se estan

imponiendo en las aplicaciones de Robotica. Dichas camaras estan formadas por un

conjunto de sensores fotosensibles, dispuestos en una estructura matricial de m filas

y n columnas. Los sensores tienen dimensiones minusculas (25 x 25 micrones) y dan

la informacion sobre un punto o elemento de la imagen, al que se denomina PIXEL

(picture element). La representacion de un punto de una imagen, con las camaras

de estado solido, se define con tres parametros, que se muestran graficamente en la

figura y que son:

1. Situacion de la fila

2. Situacion del columna

3. intensidad luminosa.

Segun los sensores utilizados, las camaras de estado solido pueden ser de tecnologıa

CID (Charge-Injection device) y CCD (Charge- Compled Device): Dispositivo de

inyeccion de carga y de acoplo de carga. La matriz de pıxeles de las camaras de

estado solido, estan formadas por un conjunto de condensadores MOS. En el tipo

CCD, al incidir los fotones, generan unas cargas que son retenidas por cada puerta

y luego tranferidas o leıdas en serie, de forma secuencial.

103

La lectura de informacion de las camaras CID se hace mediante direccionamiento

X-Y, es decir, de forma aleatoria, lo que las faculta para explorar parcialmente a las

imagenes.

El procesamiento de la informacion que entrega la c amara, trata la imagen

selecciona los datos utiles y aplica los algoritmos apropiados para el reconocimiento

de la forma del objeto enfocado.

4.1.3 La Retroalimentacion visual para el funcionamiento del Telerobot

Los telerobots involucran el funcionamiento remoto de brazos mecanicos, la buena

retroalimentacion visual, se requiere para Teleoperaciones exitosas. Uno de los caso

que podemos resenar sucede en la universidad de Australia occidental donde existe

un robot (construido por ABB vease Figura 4–1) que puede controlarse vıa internet.

Este robot consiste en un brazo mecanico con un manipulador. Se posiciona en una

mesa con bloques delante de el. El operador intenta manipular los bloques colocados

en la mesa. Se dan dos vistas de camara de video para ayudar al operador en esta

tarea. El proposito es agregar una tercera camara al robot. La camara extra le dara

una vista buena de los bloques al operador, y ası hace mas facil las teleoperaciones.

La tercera camara no debe restringir el movimiento de los robots. Su vista no

debe bloquearse por otras partes del robot. Debe protegerse si es montado hacia el

manipulador del robot.

La posicion ideal facilita las dos vistas existentes y agrega una tercera dimension

extra para el usuario. La vista tambien tiene que contener la mayor informacion

como sea posible. La unica manera de lograr esto es poner la camara a una distancia

moderada fuera de los manipuladores y los bloques. Consideraciones importantes:

• Visualizacion al contener los objetos y ser sujetados por el propio manipulador.

• El sistema de vision es permanecer independiente de l robot y ası no se obstruya

durante cualquiera de los movimientos normales de los robots

104

Figure 4–1: Robot telecontrolado de la universidad de australia

• La vista sobre todo tiene que ser comprensible. Cuando la computadora se controla

vıa el internet es necesario que la vista sea facil de entender

Teniendo en cuenta estas consideraciones fue decidido que la posicion ideal de vision

estaba en un angulo ligero al eje del brazo y ligeramente elevado (vease Figura 4–2.

Esto agregarıa la tercera dimension necesaria y darıa un a apreciacion global de los

objetos ser sujetados

Figure 4–2: Angulo elegido para la camara

105

4.1.4 La retroalimentacion visual y de fuerza para ayudar al neurociru-jano durante una telecirugıa

El objetivo de este trabajo es desarrollar un sistema para la planificacion y segura

ejecucion de neurocirugıa. Los requisitos visuales para la teleoperacion incluyen: la

situacion del tumor, el mejor camino para la insercion de la sonda y situacion de los

vasos de sanguineos mayores y tejidos delicados del ser humano.

Estos requisitos se proporcionan utilizando un modelo 3D del cerebro, obtenido por

la imagen de resonancia magnetica, el rayo X y tomografıa de la computadora. La

imagen virtual del cerebro se utiliza para dirigir la insercion de la fuerza que refleja

la sonda. Un brazo de robot sostendra la guıa de la sonda, mientras el sistema de

insercion de sonda informa al cirujano las teleoperaciones ejecutadas vease Figura

4–3.

Figure 4–3: Telecirujia

4.1.5 La cirugıa de tele-presencia

El sistema de cirugıa de tele presencia de Sri consiste en dos modulos principales:

una consola para cirujanos y una unidad quirurgica remota (RSU) localizada en la

mesa de cirujias.

Las imagenes del cirujano abajo en un espacio de trabajo virtual (vease Figura 4–4),

recreado por un monitor de video estereografico. El controla cada movimiento de

los manipuladores remotos, utilizan a un sistema maestro- esclavo preciso.

106

La retroalimentacion visual se proporciona por un par de camaras de video en el

RSU, posicionado por encima del paciente y ası obtener una primera vista de la

persona, hacia los manipuladores quirurgicos. El uso de dos camaras proporciona

un efecto de estereo vision realista.

Los usos planeados para esta tecnologıa incluyen la cirugıa remota en el campo de

batalla donde cirujanos pueden proporcionar ayuda inmediata a soldados heridos

Figure 4–4: Cirugıa de tele-presencia

4.2 Procesamiento de imagenes

Los sistemas de vision usados en aplicaciones industriales estan basados en un com-

putador de proposito general compuesto por varios modulos interconectados por

buses normalizados. Ası, los microprocesadores intel, utilizan los buses ibm-pc, el

ISA-EISA (AT) y los procesadores de motorola utilizan computadores el basados bus

en VME. Los modulos principales de los equipos destinados al proceso de imagenes

son:

• Uno o varios procesadores

• Memoria principal para el almacenaje de programas y datos

• Modulos para el control de perifericos (discos, modem, impresoras, etc..)

• Modulo de entrada y salida para el gobierno de los elementos externos, como

maquinaria, relees, robots, alarmas, etc.

107

• Tarjetas especializadas en el procesado de imagenes que poseen las siguientes car-

acterısticas.

– Digitalizacion de la senal de video procedente de la camara, mediante un

conversor A/D.

– Almacenamiento de la informacion de la imagen digitalizada en una ”memoria

imagen”.

– Sistema para el procesado de la imagen, bien mediante un procesador espe-

cializado o mediante hardware especifico, como circuitos integrados PLD con

ALUS integradas, tablas de transformacion h ardware (LUT), etc.

– Visualizacion de la imagen almacenada en un monitor, a trabes de un conver-

sor D/A

– Conexion del contenido de la memoria de imagen al bus normalizado para su

posible procesamiento y tratamiento en la seccion del procesador principal y

su memoria.

A continuacion se describe la mision y las caracterısticas de cada una de las secciones

que componen la tarjeta de vision:

Digitalizacion La exploracion de una lınea de la imagen de una camara, propor-

ciona una senal analogica continua, que debe ser muestreada en tantos puntos

como pıxeles tenga la lınea. Cada pıxel o punto de la imagen capturada corre-

sponde con una tension analogica, cuyo valor representa el nivel de lumino sidad

o ”nivel de gris”. En el caso de las camaras de estado solido no se precisa realizar

el muestreo, puesto que cada celda CCD de la lınea proporciona directamente la

tension analogica del pıxel correspondiente. Como el procesamiento de la infor-

macion es del tipo digital, hay que transformar los valores analogicos de los pıxeles

de la imagen en valores digitales. El numero de bits en que se transforma la senal

analogica mediante el conversor A/D, determina la cuantificacion de los niveles de

gris, es decir, la cantidad de niveles de gris que se empleara en el procesamiento.

108

Ası, con una resolucion de 8 bits se dispone de 256 niveles de gris, desde el blanco

hasta el negro. Con dicha resolucion, el ojo humano ya no aprecia los escalon es

entre los niveles de gris. La conversion de la senal analogica de video, procedente

de la camara ha de ser muy rapida, lo que exige conversores caros del tipo com-

parador en paralelo. Por ejemplo trabajando a 10Mhz, la conversion ha de hacerse

en menos de 100ns. Una vez que se almacena la imagen digitalizada en la memo-

ria de imagen, la mayorıa de las tarjetas de video tiene la posibilidad de poder

visualizarla en un monitor, lo que conlleva la conversion D/A, ası como la mezcla

con los impulsos de sincronismo horizontal y vertical, para restablecer la senal de

video.

Imagenes en proceso El tratamiento de la informacion que compone la imagen

puede llevarse a cabo a traves de programas (software), o bien, por medio de

circuitos electronicos especializados (hardware) . En general, el hardware es mas

rapido que el software, pero tambien mas caro. Hay situaciones en las que se hace

imprescindible el tratamiento mediante hardware. Por ejemplo, cuando se trabaja

en tiempo real como en las aplicaciones en Robotica, en las que la actuacion del

manipulado r depende, en cada momento, de la imagen que capta de la camara

sobre el entorno.

Tratamiento hardware Uno de los recursos mas empleados en el proceso de imagenes

pıxel a pıxel es el de las tablas de traduccion de hardware. Se trata de circuitos

integrados de diseno especıfico, que tienen implementando el algoritmo de trans-

formacion que hay que aplicar en cada pıxel. A veces, la materializacion se lleva

a cabo a modo de memoria EPROM de alta velocidad. El nivel de gris I(x, y) de

cada pıxel se transforma, mediante un determinado algoritmo, en otro nivel de gris

de salida O(x, y). funciona como una memoria a la que se accede a una posicion

con el valor I(x,y), encontrandose en dicha posicion el valor O(x,y) correspondiente,

de forma directa y rapida.

109

Tratamiento software La ejecucion de un programa para la manipulacion y trans-

formacion de los pıxeles de una imagen, generalmente requiere mas tiempo que los

circuitos que realizan al misma funcion por hardware. Los programas de procesado

de imagenes suelen ser el lenguaje ensamblador o lenguaje C, es decir, aquellos que

son mas cercanos al lenguaje maquina, para optimizar tiempo y tamano de la

memoria.

A veces, en la propia tarjeta de vision se incluye un procesador especializado,

que trabaja con instrucciones apropiadas en el tratamiento de imagenes. Sin em-

bargo, en muchas ocasiones se utiliza el propio procesador principal del sistema.

La eleccion del procesador es crucial en el rendimiento del sistema de vision. La

velocidad de procesamiento de las instrucciones y el tamano del bus, son las car-

acterısticas mas determinantes.

4.2.1 Estructura y jerarquıa en el proceso de imagenes

Tras captar la imagen mediante la camara, hay un abanico de posibilidades para

manipular la informacion recogida y obtener datos, que se desprenden de su analisis.

A todos estos metodos de tratamiento de la informacion de imagenes se les llama

genericamente; proceso de imagenes. En el proceso de imagenes se distinguen 3

niveles jerarquicos:

Bajo nivel Las tecnicas utilizadas en este nivel son basicas y estan orientadas a la

definicion y obtencion de las propi edades generales de la imagen. En esta fase se

incluye la fase de captacion median te las camaras y la fase de preprocesamiento ,

en la cual se contempla la digitalizacion de la senal de video; la obtencion de las

propiedades mas representativas, como los bordes, el color, la textura, etc.; y la

mejora de la imagen.

110

Nivel intermedio En este se incluyen las tecnicas empleadas para obtener las

propiedades de la escena. Ası, con la segmentacion se extraen o aıslan los ob-

jetos particulares de la imagen, con la descripcion se caracterizan dichos objetos,

y con el reconocimiento, se identifican los objetos de la escena

Alto nivel En esta categorıa en la que se aplica el proceso inteligente, la tecnica

mas representativa es la interpretacion, que trata de estudiar la logica de los objetos

localizados en la escena, pro cediendo a un etiquetado y representacion simbolica.

4.2.2 El video Estereoscopico y la Realidad Virtual

Como los adelantos de tecnologıa, los tele robots muchos son para sistemas militares,

otros tambien extendiendose en los ambientes arriesgados, como el fondo del oceano,

el interior de los volcanes y el espacio exterior. El despliegue eficaz de tele operacion

y los robots de telemando seran esenciales para la interaccion exitosa con estos

ambientes.

Los despliegues de MV (nonoscopic video) eliminan todas las senales de profundidad

binoculares, ası como varias senales de profundidad minusculas (es decir la pendiente

de la textura). La perdida de estos resultados de senales de profundidad importantes

en situaciones donde la situacion de objetos es ambigua en la escena remota.

Un problema relacionado es la dificultad estimando los tamanos absolutos con un

sistema MV. Es difıcil determinar si un obstaculo es demasiado grande o pequeno,

o si una depresion es profundamente bastante para presentar un riesgo.

La Investigacion de Ingenierıa humana (HERC) recien temente investigo los benefi-

cios de usar 3-D, o el estereoscopio video (SV) para la tele operacion en las apli-

caciones en las fuerzas armadas canadienses. SV proporciona un inmediato sentido

profundidad que puede simplificar las tareas de tele operacion, favoreciendose la

requerida manipulacion delicada

111

la Investigacion de Aplicacion en video

Los sistemas de video estereoscopico usan dos camaras para recoger las imagenes lig-

eramente de dos perspectivas diferentes, una para cada ojo del operador. El sistema

del despliegue debe encauzar estas dos imagenes diferentes a los ojos apropiados.

Las imagenes de la izquierda y camaras de la derecha se despliegan alternadamente

en el monitor. Las gafas especiales estan provistas con contraventanas de cristal

lıquidas que cambian de opaco a claro. Estas contraventanas son electronicamente

sincronizadas con el monitor, para que el ojo izquierdo solo vea la imagen de la

camara izquierda, y el ojo derecho solo ve la imagen del la camara derecha.

Desde 1997, Prof. Paul Milgram de Seccion de Diseno Industrial, en la Universi-

dad de Toronto y David Drascic, para la Defensa y el Instituto Civil de Medicina

Medioambiental (DCIEM), han dirigido varios experimentos en la Universidad de

Toronto para investigar los beneficios de SV para los operadores principiantes ori-

entando las tareas del tele robot. En uno experimento, realizaron una tarea de

posicionamiento relacionado para tele operacion esta disposicion requirio alineacion

cuidadosa del tele robot. La dificultad de la tarea era variada cambiando los requisi-

tos de precision. Los resultados indican que operadores necesitan considerablemente

menos entrenamiento para ponerse habiles a este tipo de telerobots, puede realizar

mas rapidamente y con menos errores utilizando un despliegue de SV. El nivel mas

bajo de dificultad, se encontro en beneficio de SV. Sin embargo, siempre que la

tarea cambia, las ventajas de SV eran una vez mas inmediatamente claras. A los

niveles mas altos de dificultad, la actuacion es ventajosa para el SV e incluso se

encontro despues funcionamiento optimo a movimientos repetitivos. Mas recien-

temente, Investigacion de Ingenierıa del Humano (HERC), en la conjuncion con

DCIEM, dirigio una investigacion en los beneficios de SV usando para las aplica-

ciones del tele operacion en las fue rzas armadas canadienses para los operadores

del tele robot experimentados. Usando varias tareas relacionadas a la bomba -la

112

tele operacion en disposicion, a est os experimentos mostraron un fuerte sentido de

posicionamiento remoto tele operable.

Los sistemas de video estereoscopicos.

Los monitores de NTSC tienen una imagen refrescante proporcion de 60 Hz. Usando

el campo alterno la tecnica de SV (sistema de vision), cada ojo solo ve la mitad de

estas imagenes, y ası tiene una 30 Hz, de imagen de actualizacion por proporcion.

Como un resultado hay un parpadeo perceptible en la imagen algunos operadores se

distraen al principio. No obstante, operadores de todos los niveles de habilidad se

adaptan muy rapidamente a este sistema de SV, mientras prefiriendo el mas fuerte

sistema de MV. La tension atribuible al sistema de SV era incluso informo despues

de que varias horas usan; De hecho, la mayorıa de los operadores tasaba los SV

despliegan mas comodo y mas utilizable que el MV original el despliegue.

ARGOS: un Sistema para Aumentar la Realidad Virtual.

El desarrollo del sistema ARGOS (Aumentando Realidad virtual a traves de las

Cubiertas Graficas en Stereo video) es una herramienta para el humano reforzando

la interaccion con tele robot y como una herramienta mas general con las aplicaciones

en una variedad de areas, incluso el perfeccionamiento de la imagen, la simulacion,

fusion del sensor, y la realidad virtual. El estereoscopio despliega, imagenes 3-D, de

realidad virtual, manipulacion remota y tele operacion.

Este proyecto empezo examinando la interfase de la maquina, un tele robot comun,

con el ser humano, identificando dos areas del problema importantes: La informacion

que fluye del robot al operador (la retroalimentacion), y flujo de informacion del

operador a la maquina (las ordenes / las instrucciones).

La mayorıa de los tele robots utiliza video monoscopico (MV) como eslabon de

retroalimentacion primario para el operador. A MV le faltan senales de profundi-

dad binoculares, sin embargo, impide la percepcion del usuario en situaciones de

113

objetos en el mundo remoto. El video estereoscopico utilizado (SV) para manipu-

lacion remota, la tarea puede reducir tiempo de ejecucion, el ındice de error y la

adaptacion tiempos. Los recientes estudios han mostrado que operadores prefieren

SV fuertemente, y lo han calificado como mas comodo y utilizable que MV.

La mayorıa de los tele robots se controlan por medio de control remoto, requiriendo

mientras la atencion continua de los operadores muy experimentados. Los tele

robots totalmente autonomos no son todavıa posibles en ambientes no estructura-

dos, pero es factible, para transferir informacion sobre el trabajo hacia el operador

de la maquina. Un robot semiautonomo puede llevar a cabo simples movimientos,

controla si es preciso comunicar, las tres coordenadas dimensionan al robot y ademas

si estan disponibles. Los humanos son pobres en absoluto del juicio de posicion, pero

puede ser exacto.

Los juicios de posicion que se utilizan en los despliegues de SV. Si un indicador con

una posicion exactamente conocida es disponible, los operadores pueden adaptarse

a especificar los puntos arbitrarios en el mundo remoto, usando su propio sentido de

posicion relativa.

Nosotros hemos creado un indicador virtual que usa el estereoscopio calibrando los

graficos de computadora (SG), y con un sistema ARGOS, la confabulacion de la

imagen de SG con el SV, para que el indicador virtual aparezca dentro del control

remoto del mundo. El operador puede moverlo libremente alrededor y encuadrarlo

con objetos en el mundo remoto, puede determinar su posicion. ARGOS com-

bina habilidades humanas de percepcion y comprension con las habilidades de la

computadora de calculo preciso y los despliegues de graficos para crear un sistema

aumentado con mayor funcionalidad.

En lugar de intentar crear una virtual o realidad artificial, ARGOS sirve para dar

a los operadores suficiente necesaria informacion y ası realizar las tareas peligrosas

fuera de peligro y en un ambiente natural, para el teleoperador de manera especial.

114

Una extension del indicador virtual es la cinta virtual, que puede usarse para medir

tamanos y distancias en el mundo remoto. Por ejemplo, la cinta virtual - puede

usarse para medir los tamanos y posiciones de objetos.

Con el grafico y el poder suficiente computando, es posible crear los objetos vir-

tuales animados de cualquier complejidad y realismo. Trabajando en ambientes

estructurados, ARGOS puede reforzar imagenes como un alambre recubriendo los

bordes del marco en los objetos conocidos. En los ambientes no estructurados, AR-

GOS puede integrar la informacion de otros sensores como el radar y sonar con

el SV. Implementando la visualizacion arquitectonica de los objetos, el sistema de

imagenes de simulacion para tele robots medicos son algunos de los campos que se

estan explorando actualmente. Mecanizando las capacidades de vision incluso, se

esta extendiendo mas alla el potencial del sistema de ARGOS.

A continuacion vemos algunas configuraciones de camara estroboscopica 4–5.

Figure 4–5: Configuraciones de camara de estereoscopica.

4.3 Aplicaciones

4.3.1 Clasificacion

En la actualidad los robots se usan de manera extensa en la industria, siendo

un elemento indispensable en una gran parte de los procesos de manufactura. Im-

pulsados principalmente por el sector del automovil, los robots han dejado de ser

115

maquinas misteriosas propias de la ciencia-ficcion para ser un elemento mas de mu-

chos de los talleres y lıneas de produccion. Por su propia definicion el robot industrial

es multifuncional, esto es, puede ser aplicado a un numero, en principio ilimitado,

de funciones. No obstante, la practica ha demostrado que su adaptacion es op-

tima en determinados procesos (soldadura, paletizacion, etc.) en los que hoy dıa el

robot es sin duda alguna, la solucion mas rentable. Junto con estas aplicaciones ya

arraigadas hay otras novedosas que si bien la utilizacion del robot no se realiza a

gran escala, si se justifica su aplicacion por las condiciones intrınsecas del medio de

trabajo (ambientes contaminados, salas asepticas, construccion, etc.) o la elevada

exigencia en cuanto a calidad de los resultados (medicina, etc.). Estos robots se

han venido llamando robots de servicio. La Federacion Internacional de la Robotica

(IFR) establecio en 1998 una clasificacion de las aplicaciones de la Robotica en el

sector manufacturero.

• Manipulacion en fundicion

• Manipulacion en moldeo de plasticos.

• Manipulacion en tratamientos termicos

• Manipulacion en la forja y estampacion

• Soldadura

– Arco

– Por puntos

– Por gas.

– Por laser

• Aplicacion de materiales

– Pintura

– Adhesivos

– Secantes

• Mecanizacion.

116

– Carga y descarga de maquinas

– Corte mecanico

– rectificado

– desbardado y pulido.

• Otros procesos

– Chorro de agua

– Medicion

– control de calidad

• Formacion e investigacion

Esta clasificacion pretende englobar la mayor parte de los procesos robotizados en

la actualidad, aunque como se ha indicado anteriormente, se pueden encontrar apli-

caciones particulares que no aparecen de manera explıcita en esta clasificacion.

4.3.2 Aplicaciones industriales

La implantacion de un robot industrial en un determinado proceso exige un detallado

estudio previo del proceso en cuestion, examinando las ventajas e inconvenientes que

conlleva la introduccion del robot. Sera preciso siempre estar dispuesto a admitir

cambios en el desarrollo del proceso primitivo (modificaciones en el diseno de piezas,

sustitucion de unos sistemas por otros, etc.) que faciliten y hagan viable la aplicacion

del robot.

En cuanto al tipo de robot a utilizar, habra que considerar aspectos de diversa

ındole como area de accion, velocidad de carga, capacidad de control, coste, etc.

A continuacion van hacer analizadas algunas de las aplicaciones industriales de los

robots. Dando una breve descripcion del proceso , exponiendo el modo en el que el

robot entra a formar parte de el, y considerando las ventajas e inconvenientes.

Fundicion

La fundicion por inyeccion fue el primer proceso robotizado (1960). En este proceso

el material usado, en estado lıquido, es inyectado a presion en el molde. Este ultimo

117

esta formado por dos mitades que se mantienen unidas durante la inyeccion del

metal mediante la presion ejercida por dos cilindros. La pieza solidificada se extrae

del molde y se enfrıa para su posterior desbardado. El molde, una vez limpio de

residuos de restos de metal y adecuadamente lubricado, puede ser usado de nuevo.

El robot trabaja en la fundicion de las piezas y transporte de estas a un lugar de

enfriado y posteriormente en la limpieza y mantenimiento de los moldes eliminando

rebabas (por aplicacion de aire comprimido). Las cargas manejadas por los robots

en estas tareas suelen ser medias o altas (del orden de decenas de kilogramos), no se

necesita una gran precision y su campo de accion ha de ser grande. Su estructura

mas frecuente es la polar y la articular, su sistema de control es por lo general

sencillo.

Soldadura

La industria automovilıstica ha sido gran impulsora de la robotica industrial, em-

pleando la mayor parte de los robots hoy dıa instalados. La tarea mas frecuente

robotizada dentro de la fabricacion de automoviles ha sido sin duda alguna la sol-

dadura de carrocerıas (vease Figura 4–6. En este proceso, dos piezas metalicas se

unen en un punto para la fusion conjunta de ambas partes, denominandose a este

tipo de soldadura por puntos. Para ello, se hace pasar una corriente electrica ele-

vada y baja tension a traves de dos electrodos enfrentados entre los que se situan las

piezas a unir. Los electrodos instalados en una pinza de soldadora, deben sujetar las

piezas con una presion determinada (de lo que depende la precision de la soldadura).

Ademas deben de ser controlados los niveles de tension e intensidad necesarios, ası

como el tiempo de aplicacion. Todo ello exige e l empleo de un sistema de control

del proceso de soldadura.

La robotizacion de la soldadura por puntos admite dos soluciones: el robot trans-

porta la pieza presentando esta a los electrodos que estan fijos, o bien, el robot

transporta la pinza de soldadura posicionando los electrodos en el punto exacto de

118

Figure 4–6: Robots soldadores.

la pieza en la que se desea realizar la soldadura. El optar por uno u otro metodo

depende del tamano, peso y manejabilidad de las piezas. En las grandes lıneas

de soldadura de carrocerıas de automoviles, estas pasan secuencialmente por varios

robots dispuestos frecuentemente formando un pasillo, los robots, de una manera

coordinada, posicionan las piezas de soldadura realizando varios puntos consecuti-

vamente.

La gran demanda de robots para la tarea de soldadura por puntos ha originado

que los fabricantes desarrollen robots especiales para esta aplicacion que integran

en su sistema de programacion el control de la pinza de soldadura que portan en

su extremo. Los robots de soldadura por puntos precisan capacidad de cargas del

orden de los 50-100 Kg. y estructura articular, con suficientes grados de libertad (5

o 6) como para posicionar y orientar la pinza de soldadura (o pieza segun el caso)

en lugares de difıcil acceso.

Aplicacion de materiales

El acabado de superficies por recubrimiento de un cierto material (pintura, esmalte,

partıculas de metal, etc.) con fines decorativos o de proteccion, es una parte critica

en muchos procesos de fabricacion. Tanto en la pintura como en el metalizado,

esmaltado o arenado, la problematica a resolver es similar, siendo la primera la

119

que cuenta con mayor difusion. Su empleo esta generalizado en la fabricacion de

automoviles, electrodomesticos, muebles, etc.

En estos procedimientos se cubre una superficie (de forma tridimensional y en gen-

eral complicada) con una mezcla de aire y material pulverizada mediante una pis-

tola. Es preciso conseguir una perfecta homogeneidad en el reparto de la pintura,

realizandose para ello un control de la viscosidad, de la distancia entre piezas y

la pistola, velocidad de movimiento de esta, numero de pasadas etc. Todos estos

parametros son tradicionalmente controlados por el operario.

En estos procedimientos se cubre una superficie (de forma tridimensional y en gen-

eral complicada) con una mezcla de aire y material pulverizada mediante una pis-

tola. Es preciso conseguir una perfecta homogeneidad en el reparto de la pintura,

realizandose para ello un control de la viscosidad, de la distancia entre piezas y

la pistola, velocidad de movimiento de esta, numero de pasadas etc. Todos estos

parametros son tradicionalmente controlados por el operario. Por otra parte el en-

torno en el que se realiza la pintura es sumamente desagradable y peligroso. En el

se tiene simultaneamente un reducido espacio, una atmosfera toxica, un alto nivel

de ruido y un riesgo de incendio. Estas circunstancias han hecho de la pintura y

operaciones afines, un proceso de interesante robotizacion. Con el empleo del robot

se eliminan los inconvenientes ambientales y se gana en cuanto a homogeneidad en

la calidad del acabado, ahorro de pintura y productividad. Normalmente los robots

de pintura son especıficos para este fin. Suelen ser robots articulares, ligeros, con 6

o mas grados de libertad que les permiten proyectar pintura en todos los huecos de

la pieza. Cuentan con protecciones especiales para defenderse de las partıculas en

suspension dentro de la cabina de pintura y sus posibles consecuencias (explosiones,

incendio, deterioro mecanico). Este mismo motivo origina que, en muchos casos, el

accionamiento de los robots de pintura sea hidraulico, o de ser electrico los cables

vayan por el interior de ductos a sobrepresion, evitandose ası, el riesgo de explosion.

120

Tal vez la caracterıstica fundamental de los robots dedicados a estas tareas sea su

metodo de programacion. Obviamente es preciso que cuenten con un control de

trayectoria continua, pues no basta con especificar el punto inicial y final de sus

movimientos, sino tambien la trayectoria. El metodo normal de programacion es el

de aprendizaje con un muestreo continuo de la trayectoria. El operario realiza una

vez el proceso de pintura con el propio robot, mientras que la unidad de progra-

macion registra continuamente, y de manera automatica, gran cantidad de puntos

para su posterior repeticion.

Aplicacion de adhesivos y sellantes

Los robots son frecuentemente utilizados para la aplicacion de cordones de material

sellante o adhesivos en la industria del automovil sellante de ventanas y parabrisas,

material anticorrosion, etc.. En este proceso el material aplicar se encuentra en forma

lıquida o pastosa en un tanque, siendo bombeada hasta la pistola de aplicacion que

porta el robot, que regula el caudal de material que es proyectado.

El robot, siguiendo la trayectoria programada, proyecta la sustancia que se solidifica

al contacto con el aire. En este proceso, tan importante como el control preciso de

la trayectoria del robot es el control sincronizado de su velocidad y del caudal de

material suministrado por la pistola, puesto que la cantidad de material proyectado

en un punto de la pieza depende de ambos factores. Es habitual una disposicion de

robot suspendido sobre la pieza, siendo necesario, por los motivos antes expuestos,

que el robot tenga capacidad de control de trayectoria continua (posicion y veloci-

dad regulados con precision), ası como capacidad de integrar en su propia unidad

de control la regulacion del caudal de material aportado en concordancia con la

velocidad del movimiento.

Alimentacion de maquinas

La alimentacion de maquinas especializadas es otra tarea de manipulacion de posible

robotizacion (vease Figura 4–7. La peligrosidad y monotonıa de las operaciones de

121

carga y descarga de maquinas como prensas, estampadoras, hornos o la posibilidad

de usar un mismo robot para transferir una pieza a traves de diferentes maquinas de

procesado, ha conseguido que gran numero de empresas hayan introducido robots

en sus talleres.

En la industria metalurgica se usan prensas para conformar los metales en frıo o,

para mediante estampacion y embutido, obtener piezas de complicadas formas a

partir de planchas de metal. En ocasiones la misma pieza pasa consecutivamente

por varias prensas hasta conseguir su forma definitiva. La carga y descarga de es-

tas maquinas se realiza tradicionalmente a mano, con el elevado riesgo que esto

conlleva para el operario, que una pequena distraccion puede costarle un serio ac-

cidente. Estas circunstancias, junto con la superior precision de posicionamiento

que puede conseguir el robot, y la capacidad de este de controlar automaticamente

el funcionamiento de la maquina y dispositivos auxiliares, han hecho que el robot

sea una solucion ventajosa para estos procesos. Por otra parte, los robots usados

en estas tareas son, por lo general, de baja complejidad, precision media, numero

reducido de grados de libertad y un control sencillo, basado en ocasiones con ma-

nipuladores secuenciales. Su campo de accion interesa que seas grande. En cuanto

a la carga, varia mucho, pudiendose necesitar robots con capacidad de carga de

pocos kilogramos, hasta algunos cientos (existen robots capaces de manipular hasta

tonelada y media). Las estructuras mas frecuentemente utilizadas son la cilındrica,

esferica y articular. Tambien la cartesiana puede aportar en ocasiones la solucion

mas adecuada. Atencion especial merece la aplicacion del robot en celulas flexibles

de mecanizado, que han adquirido gran auge en los ultimos anos. Estas emplean

centros de mecanizado o varias maquinas de control numerico para conseguir comple-

jos y distintos mecanizados sobre una pieza los diferentes procesos de mecanizacion

para dar a esta la forma programada. L a capacidad de programacion de estas

122

maquinas permite una produccion flexible de piezas adaptandose ası perfectamente

a las necesidades del mercado actual.

Figure 4–7: Robot alimentador.

Estas maquinas emplean diferentes herramientas que se acoplan a un cabezal comun

de manera automatica cuando el proceso de mecanizado lo precisa. Las herramientas

a usar en el proceso concreto son almacenadas en tambores automaticos que permiten

un rapido intercambio de la herramienta. El robot es el complemento ideal de estas

maquinas. Sus tareas pueden comenzar con la recogida de la pieza del sistema de

transporte encargado de evacuarlas o para llevarla a otra maquina. Asimismo el

robot puede ocuparse de cargar el alimentador automatico de herramientas de la

maquina, reponiendo herramientas gastadas o seleccionando las adecuadas para la

produccion de una determinada pieza.

En las celulas de multiproceso el mismo robot alimenta a varias maquinas o centros

de mecanizado. Una misma pieza, transportada por el robot, puede ir pasando de

una maquina a otra, incluyendo controles de medicion de calidad u otras tareas de

calibracion. La sincronizacion de toda la celula (alimentadores, centros de mecan-

izado, robots, etc.) puede ser realizada por la propia unidad de control del robot

que cuenta, por lo general, con gran potencia de calculo y capacidad de manejo de

entradas y salidas. En ocasiones estas celulas cuentan con sistemas multirobot, tra-

bajando estos de manera secuencial con la pieza. Hasta la fecha no existen apenas

123

realizaciones practicas de cooperacion de robots de manera coordinada. Las carac-

terısticas de los robots para estas tareas de alimentacion de maquinas herramientas

son por lo general similares a las necesarias para la alimentacion de otras maquinas.

Las unicas discrepancias estriban en su mayor precision y capacidad de carga inferior

(algunas decenas de kilogramos).

Procesado

Dentro del procesado se incluyen operaciones en las que el robot se enfrenta a piezas

y herramientas (transportando una u otra) para conseguir, en general, una modifi-

cacion en la forma de la pieza. El desbardado consiste en la eliminacion de rebabas

de la pieza de metal o plastico, procedentes de un proceso anterior (fundicion, es-

tampacion, etc.). Esta operacion se realiza manualmente con una esmeriladora o

fresa, dependiendo la herramienta de las caracterısticas del material a desbardar.

Un robot dedicado al desbardado porta la herramienta o la pieza, segun la apli-

cacion, haciendo entrar en contacto ambas. La herramienta debe seguir el contorno

de la pieza, que en muchas ocasiones es complejo con elevada precision en su posi-

cionamiento y velocidad. Por este motivo se precisan robots con capacidad de control

de trayectoria continua y buenas caracterısticas de precision y control de velocidad.

Ademas, puesto que las rebabas con que vienen las piezas presentan formas irreg-

ulares, conviene que el robot posea capacidad para adaptarse a estas mediante el

empleo de sensores o el desarrollo de un elemento terminal del robot auto adapt-

able. Parecida al desbardado en cuanto a necesidades es la aplicacion de pulido,

cambiando basicamente la herramienta a emplear. Las necesidades de precision y

de empleo de sensores son tal vez en este caso menos exigentes.

Corte

El corte de materiales mediante el robot (vease Figura 4–8 )es una aplicacion reciente

que cuenta con notable interes. La capacidad de reprogramacion del robot y su

integracion en un sistema, hacen que aquel sea el elemento ideal para transportar la

124

herramienta de corte sobre la pieza, realizando con precision un programa de corte

definido previamente desde un sistema de diseno asistido por computador (CAD).

Los metodos de corte no mecanico mas empleados sonoxicorte, plasma, laser y chorro

de agua, dependiendo de la naturaleza del material a cortar. En todos ellos el robot

transporta la boquilla por la que se emite el material de corte, proyectando este sobre

la pieza al tiempo que sigue una trayectoria determinada. Las piezas a cortar pueden

disponerse en varias capas, unas encima de otras, realizandose el corte simultaneo

de todas ellas (metodo de corte de patrones en la industria textil).

Figure 4–8: Robot de corte.

Si bien el oxicortante y el corte por plasma son tecnologıas muy extendidas y conse-

cuentemente bien conocidas, no ocurre lo mismo en el corte por laser y por chorro

de agua, de mas reciente aparicion. La disposicion tıpica del robot en el corte

por chorro de agua es el robot suspendido trabajando sobre las piezas fundamen-

talmente en direccion vertical. El robot porta una boquilla de pequeno diametro

(normalmente de .1mm.) Por la que sale un chorro de agua, en ocasiones con alguna

sustancia abrasiva, a una velocidad del orden de 900m/s, y a una presion del orden

de 4000kg/cm2. El sistema completo precisa de bomba, intensificador, reguladores

de presion y electro valvulas.

El corte por chorro de agua puede aplicarse a materiales como alimentos, fibra de

vidrio, PVC, marmol, madera, goma espuma, neopreno, yeso, tela, carton, e incluso

125

a metales como aluminio, acero y titanio. En estos casos se anade al agua una

sustancia abrasiva. Las principales ventajas del corte por chorro de agua frente a

otros sistemas son:

• No provoca aumento de temperatura en el material

• No es contaminante

• No provoca cambios de color.

• No altera las propiedades de los materiales

• Coste de mantenimiento bajo

Los robots empleados precisan control de trayectoria continua y elevada precision.

Su campo de accion varıa con el tamano de las piezas a cortar, siendo en general

de envergadura media (de 1 a 3 metros de radio). En este sentido, como se ha

comentado, con mucha frecuencia se dispone al robot suspendido boca abajo sobre

la pieza.

Montaje

Las operaciones de montaje, por la gran precision y habilidad que normalmente exi-

gen, presentan grandes dificultades para su automatizacion flexible. Sin embargo, el

hecho de que estas operaciones representen una buena parte de los costes totales del

producto, ha propiciado las investigaciones y desarrollos en esta area, consiguiendose

importantes avances. Muchos procesos de ensamblado se han automatizado emple-

ando maquinas especiales que funcionan con gran precision y rapidez. Sin embargo,

el mercado actual precisa de sistemas muy flexibles, que permitan introducir fre-

cuentes modificaciones en los productos con unos costes mınimos. Por este motivo

el robot industrial se ha convertido en muchos casos en la solucion ideal para la

automatizacion del ensamblaje.

En particular, el robot resuelve correctamente muchas aplicaciones de ensamblado

de piezas pequenas en conjuntos mecanicos o electricos. Para ello el robot precisa

una serie de elementos auxiliares cuyo coste es similar o superior al del propio robot.

126

Entre estos cabe destacar a los alimentadores (tambores vibradores, por ejemplo),

posicionadores y los posibles sensores que usa el robot para ayudarse en su tarea

(esfuerzos, vision, tacto, etc.). Estos sensores son indispensables en muchos casos

debido a las estrechas tolerancias con que se trabaja en el ensamblaje y a los in-

evitables errores, aunque sean muy pequenos, en el posicionamiento de las piezas

que entran a tomar parte de el. Los robots empleados en el ensamblaje requieren,

en cualquier caso, una gran precision y repetibilidad, no siendo preciso que manejen

grandes cargas

El tipo SCARA (vease Figura 4–9)ha alcanzado gran popularidad en este tipo de

tareas por su bajo coste y buenas caracterısticas. Estas se consiguen por su adapt-

abilidad selectiva, presentando facilidad para desviarse, por una fuerza externa, en

el plano horizontal y una gran rigidez para hacerlo en el eje vertical. Tambien se

usan con frecuencia robots cartesianos por su elevada precision y, en general, los

robots articulares que pueden resolver muchas de estas aplicaciones con suficiente

efectividad. La dificultad inherente de este tipo de tareas obliga, en casi todos los

casos, a facilitarlas con un adecuado rediseno de las partes que componen el con-

junto a ensamblar. De este modo, conjuntos cuyo ensamblaje automatizado seria

inabordable con su diseno inicial, pueden ser montados de una manera competitiva

mediante el empleo de robots

Figure 4–9: Robot tipo SCARA.

127

Control de Calidad.

La tendencia a conseguir una completa automatizacio n de la produccion abarca

todas las etapas de esta, inclusive el control de la calidad. El robot industrial puede

participar en esta tarea usando su capacidad de posicionamiento y manipulacion.

Ası, transportando en su extremo un palpador, puede realizar el control dimensional

de piezas ya fabricadas. Para ello el robot toca con el palpador varios puntos claves

de la pieza. A partir del conocimiento que en todo instante tiene la unidad de

control del robot de la posicion y orientacion de su extremo, se obtienen los datos

relativos a la posicion espacial de los puntos determinados de la pieza. Estos datos

son utilizados para registrar posibles desviaciones sobre los valores deseados. Otras

posibles aplicaciones del robot en el control de calidad consisten en utilizar a este

para transportar el instrumental de medida (Ultrasonidos, rayos x, etc.) a puntos

concretos de la pieza a examinar. La situacion de posibles defectos detectados

puede registrarse y almacenarse a partir, como antes, de la propia unidad de control

de robot. Por ultimo, el robot puede usarse como mero manipulador encargado

de clasificar piezas segun ciertos criterios de calidad (piezas orrectas e incorrectas,

por ejemplo). En este caso, el control y decision de a que familia pertenece la

pieza se hace mediante un sistema especifico, capaz de comunicarse con el robot

(vision artificial). No existe, ene este caso, un tipo concreto de robot mas adecuado

para estas tareas. En el control dimensional suelen usarse robots cartesianos por la

precision de estos pero, en general, son igualmente validos robots articulares.

Control de Calidad.

Ciertos procesos de manipulacion deben ser realizados en ambientes extremadamente

limpios y controlados. En ellos, la actividad del operador se ve dificultado no por el

trabajo en sı, que no tiene porque ser especialmente complejo o delicado, sino por

la necesidad de mantener elevadas medidas de control de impurezas mediante el uso

de trajes especiales y controles rigurosos.

128

Las denominadas salas blancas de la industria de los semiconductores o a las de

fabricacion de algunos productos farmaceuticos, son ejemplos tıpicos.

La utilizacion de un robot para estas funciones se realiza introduciendo este de man-

era permanente en una cabina. El robot debe cumplir la normativa correspondiente

al entorno, siendo por lo demas valido cualquier robot comercial, normalmente de

seis grados de libertad y alcance inferior a un metro. De este modo se consigue,

entre otros beneficios, una reduccion del riesgo de contaminacion, una mayor homo-

geneidad en la calidad del producto y una reduccion en el coste de la fabricacion.

4.3.3 Nuevos Sectores de Aplicacion

Las aplicaciones de la robotica examinadas anteriormente responden a los sectores

que, como el del automovil o el de la manufactura, han sido desde hace 30 anos

usuarios habituales de los robots industriales. Este uso extensivo de los robots

en los citados se ha visto propiciado por la buena adaptacion del robot industrial

a las tareas repetitivas en entornos estructurados. De este modo, la competitivi-

dad del robot frente a otras soluciones de automatizacion se justifica por su rapida

adaptacion a series cortas, sus buenas caracterısticas de precision y rapidez, y por

su posible reutilizacion con costes inferiores a los de otros sistemas. Sin embargo,

existen otros sectores donde no es preciso conseguir elevada productividad, en los

que las tareas a realizar no son repetitivas, y no existe un conocimiento detallado del

entorno. Entre estos sectores podrıa citarse la industria nuclear, la construccion, la

medicina o el uso domestico. En ninguno de ellos existe la posibilidad de sistemati-

zar y clasificar las posibles aplicaciones, pues estas responden a soluciones aisladas

a problemas concretos. Este tipo de robots ha venido a llamarse robots de servicio

y pueden ser definidos como: Un dispositivo electromecanico, movil o estacionario,

con uno o mas brazos mecanicos, capaces de acciones independientes. Estos robots

estan siendo aplicados en sectores como:

• Agricultura y silvicultura

129

• Ayuda a discapacitados

• Construccion

• Domesticos

• Domesticos

• Entornos peligrosos.

• Espacio

• Medicina y salud.

• Minerıa.

• Submarino.

En general, la aplicacion de la robotica a estos sectores se caracteriza por la falta de

estructuracion tanto del entorno como de la tarea a realizar, y la menor importan-

cia de criterios de rentabilidad economica frente a la de realizar tareas en entornos

peligrosos o en los que no es posible el acceso de las personas. Estas caracterısticas

obligan a que los robots de servicio cuenten con un mayor grado de inteligencia,

puesto que se traduce en el empleo de sensores y del software adecuado para la

toma rapida de decisiones. Puesto que en muchas ocasiones el estado actual de la

inteligencia artificial (disciplina que aborda esta problematica)no esta lo suficien-

temente desarrollado como para resolver las situaciones planteadas a los robots de

servicio, es frecuente que estos cuenten con un mando remoto, siendo en muchas

ocasiones robots teleoperados. Centros de investigacion en robotica, como la univer-

sidad de Carnegie-Mellon o el jet propulsion laboratory (JPL) en Estados Unidos,

han orientado desde hace tiempo buena parte de sus esfuerzos de investigacion en

robotica en esta lınea, desarrollando robots especializados, capacitados para traba-

jar en el exterior, en entornos no estructurados y peligrosos (superficie de planetas,

volcanes, desastres nucleares, etc.).

130

Industria nuclear

Por sus especiales caracterısticas, el sector nuclear es uno de los mas susceptibles de

utilizar robots de diseno especifico. Entre las diversas aplicaciones se han escogido

aquı, por su especial relevancia, las relativas a las operaciones de mantenimiento

en zonas contaminadas y de manipulacion de residuos. Inspeccion de los tubos del

generador de vapor en un reactor nuclear. Las operaciones de inspeccion y man-

tenimiento de las zonas mas contaminadas de una central nuclear de produccion

de energıa electrica son por su naturaleza largas y costosas. De realizarlas man-

ualmente, el tiempo de exposicion de los operadores a la radiacion es un factor

crıtico que, junto con el el evado coste que supone una interrupcion temporal del

funcionamiento del sistema en cuestion, justifica sin lugar a dudas la utilizacion de

sistemas robotizados, normalmente teleoperados, total o parcialmente, que susti-

tuyan al operador. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor

entre el fluido primario y secundario. Para ello, dentro de la vasija del generador,

se encuentran dispuestas en forma matricial los tubos por los que circula el fluido

receptor del calor.

El inevitable desgaste de estos tubos obliga a realizar periodicamente labores de

inspeccion, para que en el caso de que alguno se encuentre danado inutilizarlo,

poniendo en funcionamiento alguno de los tubos de reserva que a tal fin se han

dispuesto en el generador. Para realizar esta labor de manera automatica puede

utilizarse un robot de desarrollo especifico que, introducido en la vasija, posicione

una sonda de inspeccion en la boca de cada tubo. Esta, empujada por el interior

del tubo, proporcionara informacion sobre el estado mismo. Es preciso considerar

que el robot se introduce en la vasija mediante un sistema mecanico que, junto con

los posibles errores en la disposicion matricial de los tubos, obliga a que el robot

trabaje, bien con ayuda de tele operacion, o bien con sistemas sensoriales externos

131

como vision laser, que proporcionen la posicion real relativa entre el extremo del

robot y los tubos.

La industria nuclear genera una cantidad considerable de residuos radioactivos

de baja contaminacion (vestimentas, envases de plastico, papel, etc.) o de alta

contaminacion (restos de las celulas del reactor, materiales en contacto directo pro-

longado con las zonas radioactivas, etc.). La forma tamano y peso de estos desechos

es variable y su manipulacion tiene por objeto final su envase de contenedores es-

peciales, que son posteriormente transportados y almacenados (lo que origina prob-

lematica). Para manipular remotamente estos residuos se hace uso tanto de manipu-

ladores con union mecanica y seguimiento directo del proceso por parte del operador

a traves de un cristal (en caso de baja contaminacion), como con sistemas con mando

remoto por radio o cable en el caso de contaminacion elevada. Estos manipuladores

permiten la flexibilidad necesaria para manipular elementos de peso variable y una

forma nueva no definida. Ademas, es preciso considerara la importancia que tiene

la optimizacion del espacio ocupado por los residuos en su almacenamiento, por lo

que antes de su envasado en los contenedores puede ser preciso fragmentarlos.

Medicina

Entre las varias aplicaciones de la robotica a la medicina destaca la cirugıa. Las

primeras aplicaciones de la robotica a la cirugıa del cerebro datan del ano 1982. En

esta fecha se comenzo en Memorial Medical Center de Long Beach (California) un

programa cuyo objetivo consistıa en utilizar un robot comercial (Puma 260) para

realizar determinadas operaciones de neurocirugıa. Desde entonces se han puesto

a punto varios sistemas que, con ayuda de un scanner, un ordenador registre toda

la informacion necesaria del cerebro para que el equipo medico decida el punto

exacto donde debe ser realizada la incision, donde penetrara la sonda para obtener

una muestra para realizar una biopsia. El robot, que se encuentra perfectamente

situado con respecto al paciente, porta en su extremo los instrumentos necesarios

132

para realizar la incision, tomar la muestra, etc. La utilizacion de un robot conectado

al ordenador permite que tanto la incision como la toma de la muestra se realicen

con la maxima precision y en un tiempo notablemente inferior al que se consumirıa

en caso de emplear el sistema habitual. Ademas, se descarga al cirujano de la

mecanica de ciertas tareas como el correcto posicionamiento de los instrumentos de

cirugıa con respecto al craneo del paciente, permitiendo una mayor concentracion

en el seguimiento y control de la operacion. Tambien, otro posible beneficio de la

aplicacion de la robotica a la cirugıa se encuentra en el telediagnostico y la tele

cirugıa. Esta ultima consiste en la operacion remota de un paciente mediante un

telemanipulador.

El vagabundo de Marte

Este robot durante julio de 1997 (vease Figura 4–10) explora el en un rango largo

(50km) del terreno de Marte, se encuentra equipado con tecnologıa en instrumentos

cientıficos.

Figure 4–10: El vagabundo de Marte.

El rocky 7

El Rocky 7 (vease Figura 4–11)vagabundo cientıfico de Largo rango esta provisto con

un mastil de 1.5 metros, se utiliza para tomar imagenes estereofonicas del paisaje

circundante para apoyar el funcionamiento del equipo para fijar sus tareas. El

mastil tambien tiene una interfase con un instrumento cientıfico de 0.5 Kg. El

tercer grado de libertad del mastil, junto con la base del vagabundo movil se disena

133

para colocar el instrumento contra un blanco, cientıficamente interesante dentro de

un area inspeccionada por las camaras estereofonicas del mastil.

Figure 4–11: El Rocky 7.

Para demostrar las capacidades del mastil, un instrumento de referencia fue creado.

Este instrumento es el ajuste de imagen. Una camara del micro video monocromatica

se utiliza en un ajuste de imagenes,el instrumento se utiliza para la colocacion contra

los blancos para recoger imagenes con 50nm / resolucion de pıxel. El instrumento

incluye una fuente de iluminacion activa ası como sensores de contacto para con-

firmar la colocacion exitosa contra el blanco. La camara de imagen esta montada

en un sistema de giro que permite el despliegue contra una superficie con angulo de

inclinacion para desplazamientos de 25 grados, obteniendo un acercamiento para el

instrumento.

APENDICES