INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TLÁHUAC Ingeniería Mecatrónica
Materia: ROBÓTICA INDUSTRIAL
UNIDAD 1: MORFOLOGÍA DEL ROBOT Grupo: 9M2
Alumno (a):
López Jiménez Violeta Profesor: Ing. Carlos Alberto García Ortiz
México, D.F., a 30 de Agosto de 2013.
OBJETIVO Investigar, conocer y presentar la información relacionada con la morfología y estructura de los robots que actualmente son una parte muy importante en la industria y en la sociedad.
INTRODUCCIÓN En la presente investigación se expone la información relacionada con el origen de los robots, los componentes que los caracterizan, como los eslabones, las articulaciones, los actuadores, los sensores, etc. También es posible encontrar datos acerca de los tipos de robots que se manejan a nivel industrial y sus características principales. Así como unas de las aplicaciones que tienen actualmente en la industria.
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Contenido OBJETIVO .................................................................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 3 UNIDAD 1: MORFOLOGÍA DEL ROBOT .................................................................................... 5 1.1 Historia de los Robots................................................................................................... 5 Los primeros autómatas....................................................................................................... 5 Desarrollo moderno ............................................................................................................. 5 La robótica en la actualidad ................................................................................................. 6 1.2 Estructura Mecánica de un Robot ................................................................................. 6 1.3 Transmisiones y Reductores......................................................................................... 6 1.3.1 Transmisiones ....................................................................................................... 6 1.3.2 Reductores ............................................................................................................ 7 1.3.3 Accionamiento Directo ........................................................................................... 8 1.4 Comparación de Sistemas de Acción ................................................................................ 9 1.4.1 Actuadores Neumáticos ....................................................................................... 10 1.4.2 Actuadores Hidráulicos ........................................................................................ 11 1.4.3 Actuadores Eléctricos .......................................................................................... 11 1.5 Sensores Internos....................................................................................................... 16 1.5.1 Sensores de Posición .......................................................................................... 17 1.5.2 Sensores de Velocidad ........................................................................................ 21 1.5.3 Sensores de Presencia ........................................................................................ 21 1.6 Elementos Terminales ............................................................................................... 22 Configuración de estructuras. ............................................................................................ 22 1.7 Tipos y Características de Robots .............................................................................. 24 Tipos de configuraciones: .................................................................................................. 24 Características de los Robots ............................................................................................ 26 1.8 Grados de Libertad y Espacio de Trabajo (Workspace) .............................................. 28 Articulaciones/ Joints/ Junturas.......................................................................................... 28 Eslabón/ Link ..................................................................................................................... 28 Grados de Libertad (GDL).................................................................................................. 28 El espacio de trabajo (Workspace) .................................................................................... 28 1.9 Aplicaciones Generales .............................................................................................. 29 CONCLUSIÓN.......................................................................................................................... 31 FUENTES DE INFORMACIÓN ................................................................................................. 31
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UNIDAD 1: MORFOLOGÍA DEL ROBOT 1.1 Historia de los Robots Los primeros autómatas En el siglo IV antes de Cristo, el matemático griego Arquitas de Tarento construyó un ave mecánica que funcionaba con vapor y al que llamó «La paloma». También el ingeniero Herón de Alejandría (10-70 d. C.) creó numerosos dispositivos automáticos que los usuarios podían modificar, y describió máquinas accionadas por presión de aire, vapor y agua. Por su parte, el estudioso chino Su Song levantó una torre de reloj en 1088 con figuras mecánicas que daban las campanadas de las horas. Al Jazarií (1136 –1206), un inventor musulmán de la dinastía Artuqid, diseñó y construyó una serie de máquinas automatizadas, entre los que había útiles de cocina, autómatas musicales que funcionaban con agua, y en 1206 los primeros robots humanoides programables. Las máquinas tenían el aspecto de cuatro músicos a bordo de un bote en un lago, entreteniendo a los invitados en las fiestas reales. Su mecanismo tenía un tambor programable con clavijas que chocaban con pequeñas palancas que accionaban instrumentos de percusión. Podían cambiarse los ritmos y patrones que tocaba el tamborilero moviendo las clavijas.
Desarrollo moderno El artesano japonés Hisashige Tanaka (1799 –1881), conocido como el «Edison japonés», creó una serie de juguetes mecánicos extremadamente complejos, algunos de los cuales servían té, disparaban flechas retiradas de un carcaj e incluso trazaban un kanji (caracteres utilizados en la escritura japonesa). Por otra parte, desde la generalización del uso de la tecnología en procesos de producción con la Revolución industrial se intentó la construcción de dispositivos automáticos que ayudasen o sustituyesen al hombre. Entre ellos destacaron los Jaquemarts, muñecos de dos o más posiciones que golpean campanas accionados por mecanismos de relojería china y japonesa. Robots equipados con una sola rueda fueron utilizados para llevar a cabo investigaciones sobre conducta, navegación y planeo de ruta. Cuando estuvieron listos para intentar nuevamente con los robots caminantes, comenzaron con pequeños hexápodos y otros tipos de robots de múltiples patas. Estos robots imitaban insectos y artrópodos en funciones y forma. Como se ha hecho notar anteriormente, la tendencia se dirige hacia ese tipo de cuerpos que ofrecen gran flexibilidad y han probado adaptabilidad a cualquier ambiente. Con más de 4 piernas, estos robots son estáticamente estables lo que hace que el trabajar con ellos sea más sencillo. Sólo recientemente se han hecho progresos hacia los robots con locomoción bípeda. En el sentido común de un autómata, el mayor robot en el mundo tendría que ser el Maeslantkering , una barrera para tormentas del Plan Delta en los Países Bajos construida en los años 1990, la cual se cierra automáticamente cuando es necesario. Sin embargo, esta estructura no satisface los requerimientos de movilidad o generalidad. En 2002 Honda y Sony, comenzaron a vender comercialmente robots humanoides como «mascotas». Los robots con forma de perro o de serpiente se encuentran, sin embargo, en una fase de producción muy amplia, el ejemplo más notorio ha sido Aibo de Sony. Página 5 de 31
La robótica en la actualidad En la actualidad, los robots comerciales e industriales son ampliamente utilizados, y realizan tareas de forma más exacta o más barata que los humanos. También se les utiliza en trabajos demasiado sucios, peligrosos o tediosos para los humanos. Los robots son muy utilizados en plantas de manufactura, montaje y embalaje, en transporte, en exploraciones en la Tierra y en el espacio, cirugía, armamento, investigación en laboratorios y en la producción en masa de bienes industriales o de consumo. Otras aplicaciones incluyen la limpieza de residuos tóxicos, minería, búsqueda y rescate de personas y localización de minas terrestres. (WIKIPEDIA, 2013)
1.2 Estructura Mecánica de un Robot Un robot está formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, 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 tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características especificas. Mecánicamente, un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca. (Guadalajara, 1995)
1.3
Transmisiones y Reductores
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluirán 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.
1.3.1 Transmisiones Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su momento de inercia. Del mismo modo, los pares estáticos que deben vencer los actuadores dependen directamente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que los actuadores, por lo general pesados, estén lo más cerca posible de la base del robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmisión que trasladen el movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del robot. Asimismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circular en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puede ser necesario. Página 6 de 31
Existen actualmente en el mercado robots industriales con acoplamiento directo entre accionamiento y articulación. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la generalidad que en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de transmisión junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones Es de esperar que un buen sistema de transmisión cumpla con una serie de características básicas: debe tener un tamaño y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos u holguras 1 considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.
Entrada-Salida Circular-Circular
Circular-Lineal Lineal-Circular
Sistemas de transmisión para robots. Denominación Ventajas Engranaje Pares altos Correa dentada Distancia grande Cadena Distancia grande Paralelogramo Cable Tornillo sin fin Poca holgura Cremallera Holgura media Paral, articulado Cremallera Holgura media
Inconvenientes Holguras Ruido Giro limitado Deformabilidad Rozamiento Rozamiento Control difícil Rozamiento
Aunque no existe un sistema de transmisión especifico para robots, si existen algunos usados con mayor frecuencia y que se mencionan en la tabla. La clasificación se ha realizado sobre la base del tipo de movimiento posible en la entrada y la salida: lineal o circular. En la citada tabla también quedan reflejados algunas ventajas e inconvenientes propios de algunos sistemas de transmisión. Entre ellas cabe destacar la holgura o juego. Es muy importante que el sistema de transmisión a utilizar no afecte al movimiento que transmite, ya sea por el rozamiento inherente a su funcionamiento o por las holguras que su desgaste pueda introducir. También hay que tener en cuenta que el sistema de transmisión sea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado, y a ser posible entre grandes distancias. Las transmisiones más habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en estas se encuentran los engranajes, las correas dentadas y las cadenas.
1.3.2 Reductores En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, si que existen determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe a que los reductores utilizados en robótica se les exigen unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas características viene motivada por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisión y velocidad de posicionamiento.
1
Holgura: 1 Amplitud o anchura de una cosa, que hace que algo o alguien quepa en ella con espacio de sobras. 2 Espacio vacío que queda entre dos cosas que están encajadas una dentro de la otra.
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La siguiente tabla muestra valores típicos de los reductores para robótica actualmente empleados. Características de los reductores para robótica. Características
Valores típicos
Relación de reducción Peso y tamaño Momento de inercia Velocidades de entrada máxima Par de salida nominal Par de salida máximo Juego angular Rigidez torsional Rendimiento
50 / 300 .1 / 30kg .0001kg m² 6000 / 7000 rpm 5700Nm 7900Nm 0-2" 100 / 2000 Nm/rad 85% / 98%
Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamaño, bajo rozamiento y que al mismo tiempo sean capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un único paso. Se tiende también a minimizar su momento de inercia, de negativa influencia en el funcionamiento del motor, especialmente crítico en el caso de motores de baja inercia. Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. También existe una limitación en cuanto al par de entrada nominal permisible (T 2) que depende del par de entrada (T 1) y de la relación de transmisión a través de la relación:
Donde el rendimiento (n) puede llegar a ser cerca del 100% y la relación de reducción de velocidades (W 1 = velocidad de entrada; W 2 = velocidad de salida) varía entre 50 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 elevados puntuales. También se busca que el juego angular sea lo menor posible. Este se define como el ángulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro sin que llegue a girar al eje de entrada. Por último, es importante que los reductores para robótica 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 ángulo unitario. (Guadalajara, Transmisiones y Reductores, 1995)
1.3.3 Accionamiento Directo Como se ha indicado anteriormente, desde hace un tiempo que existen robots que poseen ‘accionamiento directo’ (Direct Drive DD), en que el eje del actuador se conecta directamente a la carga o articulación, sin la utilización de un reductor intermedio. Este término suele utilizarse exclusivamente para robots con accionamiento eléctrico. Página 8 de 31
Este tipo de accionamiento aparece debido la necesidad de utilizar robots en aplicaciones que exigen combinar gran precisión con alta velocidad. Los reductores introducen una serie de efectos negativos, como son el juego angular, rozamiento o disminución de la rigidez del accionador, que pueden impedir alcanzar los valores de precisión y velocidad requeridos. La utilización de accionamientos directos tiene muchas ventajas entre cuales se pueden destacar como las más importantes: Posicionamiento rápido y preciso, pues se evitan los rozamientos y juegos de las transmisiones y reductores. Aumento de las posibilidades de controlabilidad del sistema a costa de una mayor complejidad. Simplificación del sistema mecánico al eliminarse el reductor
Así como ventajas también tiene desventajas, como que en la aplicación práctica de un accionamiento directo el problema radica en el motor a emplear, estos deben tratarse de motores que proporcionen un par elevado (unas 50-100 veces mayor que un reductor) a bajas revoluciones (las de movimiento de la articulación) manteniendo la máxima rigidez posible. (Borger, 2004)
1.4 Comparación de Sistemas de Acción Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica. Cada uno de estos sistemas presenta características diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente. Las características a considerar son: Potencia Controlabilidad Peso y volumen Precisión Velocidad Mantenimiento Costo
Se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan: Neumáticos. Hidráulicos. Eléctricos.
Los actuadores neumáticos el aire comprimido como fuente de energía y son muy indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada. Los motores hidráulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad. Los motores eléctricos son los más utilizados, por su fácil y preciso control, así como por otras propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energía eléctrica. Página 9 de 31
A continuación se examinan los tres tipos de actuadores mencionados, comparándolos en cuanto a las características anteriores.
1.4.1 Actuadores Neumáticos En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de neumáticos:
Cilindros neumáticos: En este tipo de actuador se consigue el desplazamiento de un émbolo encerrado en un cilindro, como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados del émbolo. Los cilindros neumáticos pueden ser de simple o doble efecto. En el de efecto simple, el émbolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al émbolo a su posición de reposo). En el cilindro de doble efecto el aire a presión es el encargado de empujar al émbolo en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos cámaras. En este tipo de actuadores normalmente sólo se persigue un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. Esto último se puede conseguir con una válvula de distribución (generalmente de accionamiento eléctrico) que canaliza el aire a presión hacia una de las dos caras del émbolo alternativamente. Existen no obstante sistemas de posicionamiento continuo de accionamiento neumático, aunque debido a su costo y calidad todavía no resultan competitivos. Motores neumáticos: Aquí se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a presión. Los dos tipos más usados son los motores de aletas rotativas y los motores de pistones axiales. En los motores de aletas rotativas, sobre el rotor excéntrico están dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar aire a presión en uno de los compartimentos formados por dos aletas y la carcasa, éstas tienden a girar hacia una situación en la que el compartimento tenga mayor volumen. Los motores de pistones axiales tienen un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar por las fuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado.
Otro método común más sencillo de obtener movimientos de rotación a partir de actuadores neumáticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo émbolo se encuentra acoplado a un sistema de piñón-cremallera. El conjunto forma una unidad compacta que puede adquirirse en el mercado como tal. En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumáticos no consiguen una buena precisión 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). Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algún tipo de accionamiento neumático deberá disponer de una instalación de aire comprimido, incluyendo: Compresor, Página 10 de 31
sistema de distribución (tuberías, electroválvulas), filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumáticas son frecuentes y existen en muchas de las fábricas donde se da cierto grado de automatización.
1.4.2 Actuadores Hidráulicos Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente de los neumáticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en algunas ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el caso de los neumáticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y pistones. Sin embrago, las características del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos marcan ciertas diferencias con los neumáticos. Primero, el grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente inferior a la del aire, por lo que la precisión obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es más fácil en ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un rango de valores (haciendo uso de servocontrol) con notable precisión. Además las elevadas presiones de trabajo, diez veces superiores a la de los actuadores neumáticos, permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares. Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estáticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presión ejercida sobre una superficie, sin aporte de energía (para mover el émbolo de un cilindro sería preciso vaciar éste de aceite). También es destacable su elevada capacidad de carga y relación potencia-peso, así como sus características de autolubricación y robustez. Frente a estas ventajas existen también ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las elevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de la instalación. (Borger, 2004)
1.4.3 Actuadores Eléctricos Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos ha hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales. Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes: 1) Motores de corriente continua (DC):
Controlados por inducido Controlados por excitación 2) Motores de corriente alterna (AC): Síncronos Asíncronos 3) Motores paso a paso
A continuación se examina cada uno de estos: Página 11 de 31
Motores de corriente continu a (DC)
Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. Los motores DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimenta con corriente continua: El inductor, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito. Para que se pueda realizar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes retoricas. De esta forma se consigue transformar automáticamente, en función de la velocidad de la máquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce con el nombre de autopilotado. Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina. Si el motor está alimentado a tensión constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo el flujo de excitación. Pero cuando más débil sea el flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante. En el caso de control por inducido, la intensidad del inductor se mantiene constante, mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro. En los controlados por excitación se actúa al contrario. Del estudio de ambos tipos de motores, y realizándose las simplificaciones correspondientes, se obtiene que la relación entre tensión de control y velocidad de giro (función de transferencia), responde a un sistema de primer orden en los controlados por inducido, mientras que en el caso de los motores controlados por excitación, esta relación es la de un segundo orden.
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Además, en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro originado por la realimentación intrínseca que posee a través de la fuerza contraelectromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motores DC es el controlado por inducido el que se usa en el accionamiento de robots. Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evitan fluctuaciones del mismo. Estos imanes son de aleaciones especiales como samario-cobalto. Además, para disminuir la inercia que poseería un rotor bobinado, que es el inducido, se construye éste mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano. En contrapartida, este tipo de rotor no posee apenas masa térmica lo que aumenta los problemas de calentamiento por sobrecarga. Las velocidades de rotación que se consiguen con estos motores son los del orden de 1000 a 3000 r.p.m., con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10 kW. Como se ha indicado, los motores DC son los controlados mediante referencias de velocidad. Éstas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógico que se cierra mediante una electrónica específica (accionador del motor). Sobre este bucle de velocidad se coloca otro de posición, en el que las referencias son generadas por la unidad de control (microprocesador) en base al error entre la posición deseada y la real. El motor de corriente continua presenta el inconveniente del obligado mantenimiento de las escobillas. Por otra parte, no es posible mantener el par con el rotor parado más de unos segundos, debido a los calentamientos que se producen en el colector. Motor es de corr iente alterna (AC)
Este tipo de motores no ha tenido aplicación en el campo de la robótica hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embrago, las mejoras que se han introducido en las máquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores:
La construcción de rotores síncronos sin escobillas Uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia (y así la velocidad de giro) con facilidad y precisión Empleo de la microelectrónica que permite una gran capacidad de control
El inductor se sitúa en el rotor y está constituido por imanes permanentes, mientras que el inducido, situado en el estator, está formado por tres devanados iguales desfasados 120º eléctricos y se alimenta con un sistema Página 13 de 31
trifásico de tensiones. Es preciso resaltar la similitud que existe entre este esquema de funcionamiento y el del motor sin escobillas. En los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido. Para poder variar ésta con precisión, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. Para evitar el riesgo de pérdida se sincronismo se utiliza un sensor de posición continuo que detecta la posición del rotor y permite mantener en todo momento el ángulo que forman los campos del estator y del rotor. Este método de control se conoce como autosíncrono o autopilotado. El motor síncrono autopilotado excitado con imán permanente, también llamado motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a que no posee escobillas y tiene una gran capacidad de evacuación de calor, ya que los devanados están en contacto directo con la carcasa. El control de posición se puede realizar sin la utilización de un sensor externo adicional, aprovechando el detector de posición del rotor que posee el propio motor. Además permite desarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que el motor de corriente continua. En la actualidad diversos robots industriales emplean este tipo de accionamientos con notables ventajas frente a los motores de corriente continua. En el caso de los motores asíncronos, no se ha conseguido resolver satisfactoriamente los problemas de control que presentan. Esto ha hecho que hasta el momento no tenga aplicación en robótica. Motores paso a paso
Generalmente no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales, debido principalmente a que los pares para los que estaban disponibles eran muy pequeños y los pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. Esto limitaba su aplicación a controles de posición simples. En los últimos años se han mejorado notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso capaces de desarrollar pares suficientes en pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales. Existen tres tipos de motores paso a paso:
De imanes permanentes De reluctancia variable Híbridos
En los primeros, de imanes permanentes, el rotor, que posee una polarización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnético creado por las fases del estator. En los motores de reluctancia variable, el rotor está formado por un material ferromagnético que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético generado por las Página 14 de 31
bobinas del estator. Los motores híbridos combinan el modo de funcionamiento de los dos tipos anteriores. En los motores paso a paso la señal de control son trenes de pulso que van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en el estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado número discreto de grados. Para conseguir el giro del rotor en un determinado número de grados, las bobinas del estator deben estar excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la velocidad de giro. Las inercias propias del arranque y parada (aumentadas por las fuerzas magnéticas en equilibrio que se dan cuando está parado) impiden que el rotor alcance la velocidad nominal instantánea, y por tanto la frecuencia de los pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente. Para simplificar el control de estos motores existen circuitos especializados que a partir de tres señales (tren de pulsos, sentido de giro e inhibición) generan, a través de una etapa lógica, las secuencias de pulsos que un circuito de conmutación distribuye a cada fase. Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar además de forma continua, con velocidad variable, como motores síncronos, ser sincronizados entre sí, obedecer a secuencias complejas de funcionamiento, etc. Se trata al mismo tiempo de motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar, pues al ser cada estado de excitación del estator estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad de sensores de retroalimentación. Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajas velocidades no es suave, y que existe el peligro de pérdida de una posición por trabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas y presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar. Su potencia nominal es baja y su precisión (mínimo ángulo girado) llega típicamente hasta 1,8º. Se emplean para el posicionado de ejes que no precisan grandes potencias (giro de pinzas) o para robots pequeños (educacionales); también son muy utilizados en dispositivos periféricos del robot, como mesas de coordenadas.
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Como resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica, se presenta el siguiente cuadro, que los muestra en forma comparativa (Borger, 2004): Tabla de características de distintos tipos de actuadores para robots
Energía Opciones Ventajas
Desventajas
1.5
Neumático
Hidráulico
Eléctrico
Aire a presión (5-10 bar) Cilindros Motor de paletas Motor de pistón Baratos Rápidos Sencillos Robustos
Aceite mineral (50-100 bar) Cilindros Motor de paletas Motor de pistones axiales Rápidos Alta relación potencia-peso Autolubricantes Alta capacidad de carga Estabilidad frente a cargas estáticas Difícil mantenimiento Instalación especial (filtros, eliminación de aire) Frecuentes fugas Caros
Corriente eléctrica
Dificultad de control continuo Instalación especial (compresor, filtros) Ruidoso
Corriente continua Corriente alterna Motor paso a paso Precisos Fiables Fácil control Sencilla instalación Silenciosos Potencia limitada
Sensores Internos
Para conseguir que un robot realice su tarea con la adecuada precisión, velocidad e inteligencia, será preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como el estado de su entorno. La información relacionada con su estado (fundamentalmente la posición 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.
Tipos de sensores internos de robots.
Presencia
Posición
Inductivo Capacitivo Efecto hall Célula Reed Óptico Ultrasonido Contacto
Analógicos
Potenciómetros Resolver Sincro Inductosyn LVDT Página 16 de 31
Encoders absolutos Encoders increméntales Regla óptica
Posición
Digitales
Velocidad
Taco generatriz
1.5.1 Sensores de Posición Para el control de posición angular se emplean fundamentalmente los denominados encoders y resolvers. Los potenciómetros dan bajas prestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia). Codificadores angu lares de p osición (encoders).
Los codificadores ópticos o encoders increméntales constan, en su forma más simple, de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí; De un sistema de iluminación en el que la luz es colimada de forma correcta, y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposición a medida que el eje gire se irán generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje. Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un momento dado se está realizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que supone no estar contando adecuadamente. Una solución 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° eléctricos con respecto al generado por la primera franja. De esta manera, con un circuito relativamente sencillo es posible obtener una señal adicional que indique cual es el sentido de giro, y que actué sobre el contador correspondiente indicando que incremente o decremente la cuenta que se está realizando. Es necesario además 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 también para poder comenzar a contar tras recuperarse de una caída de tensión. La Figura muestra el esquema de funcionamiento del codificador angular de posición Encoder . La resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. Un método relativamente sencillo para aumentar esta resolución es, no solamente contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulsos, sino contabilizar también los de bajada, incrementando así la resolución del captador, pudiéndose llegar, con ayuda de circuitos adicionales, hasta 100,000 pulsos por vuelta. El funcionamiento básico de los codificadores o encoders absolutos es similar al de los increméntales. Se tiene una fuente de luz con las lentes de adaptación correspondientes, un Página 17 de 31
disco graduado y unos fotorreceptores. En este caso, el disco transparente se divide en un número determinado de sectores (potencia de 2), codificándose cada uno de ellos según un código binario cíclico (normalmente código Gray) que queda representado por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente. No es necesario ahora ningún contador o electrónica adicional para detectar el sentido del giro, pues cada posición (sector) es codificado de forma absoluta. Su resolución es fija, y vendrá dada por el número de anillos que posea el disco graduado. Resoluciones habituales van desde 2 X 10 8 a 2 X 10 19 bits (desde 256 a 524,288 posiciones distintas). Normalmente los sensores de posición se acoplan al eje del motor. Considerando que en la mayor parte de los casos entre el eje del motor y el de la articulación se sitúa un reductor de relación N, cada movimiento de la articulación se verá multiplicado por N al ser medido por el sensor. Este aumentara así su resolución multiplicándola por N. Este problema se soluciona en los encoders absolutos con la utilización de otro encoder absoluto más pequeño conectado por un engranaje reductor al principal, de manera que cuando este gire una vuelta completa, el codificado adicional avanzara una posición. Son los denominados encoder absolutos multivuelta. Esta misma circunstancia originara que en el caso de los codificadores increméntales la señal de referencia o marca de cero, sea insuficiente para detectar el punto origen para la cuenta de pulsos, pues habrá N posibles puntos de referencia para un giro completo de la articulación. Para distinguir cuál de ellos es el correcto se suele utilizar un detector de presencia denominado sincronismo, acoplado directamente al eslabón del robot que se considere. Cuando se conecta el robot desde una situación de apagado, es preciso, ejecutar un procedimiento de búsqueda de referencias para los sensores (sincronizado). Durante su ejecución se leen los detectores de sincronismo que detectan la presencia o ausencia de eslabón del robot. Cuando se detecta la conmutación de presencia o ausencia de pieza, o viceversa, se atiende al encoder incremental, tomándose como posición de origen la correspondiente al primer pulso de marca de cero que aquel genere. Los encoders pueden presentar problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener en su fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la transmisión óptica. Son dispositivos particularmente sensibles a golpes y vibraciones, estando su margen de temperatura de trabajo limitado por la presencia de componentes electrónicos. Captadores ang ulares de po sición (sinc ro-resolvers ).
La otra alternativa en sensores de posición para robots la representan los resolvers y los sincroresolvers, también llamados sincros. Se trata de sensores analógicos con resolución teóricamente infinita. El funcionamiento de los resolvers se basa en la utilización de una bobina soldada al eje y excitada por una portadora, generalmente con 400Hz, y por dos bobinas fijas situadas a su alrededor.
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El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varié, consiguiendo que la señal resultante en estas dependa del seno del ángulo de giro. La bobina móvil excitada con tensión V sen (wt) y girada un ángulo Ø induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones:
V1=V sen (wt) sen Ø
V2=V sen (wt) cos Ø
Que la llamada representación del ángulo Ø en formato sincro. El cambio del llamado formato sincro a formato resolver o viceversa es inmediato, ya que se puede pasar de uno a otro a través de la llamada red de scott o transformador de scott o funcionamiento bidireccional. Para poder tratar el sistema de control la información generada por los resolvers y los sincros es necesario convertir las señales analógicas en digitales. Para ello se utilizan los llamados convertidores resolver/ digital (r/d), que tradicionalmente se basan en dos tipos de estructuras distintas (traking) y (muestreo sampling).
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Ambos captadores son del tipo absoluto en cada vuelta del eje acoplado a ellos. Entre sus ventajas destacan su buena robustez mecánica durante el funcionamiento y su inmunidad a contaminación, humedad, altas temperaturas y vibraciones. Debido a su reducido momento de inercia, imponen poca carga mecánica del funcionamiento del eje. Dado el carácter continuo de la señal, la resolución de los resolvers es teóricamente infinita. Bien es verdad que depende en la mayoría de las ocasiones de una electrónica asociada, lo que limita la precisión de forma práctica. En cada caso de los codificadores ópticos. El rango dinámico se encuentra más limitado en el caso de los codificadores ópticos la resolución viene limitada por el numero de secciones opaco-transparentes que se utilicen. La exactitud estática, definida como la diferencia entre la posición física del eje y la señal eléctrica de salida, es relativamente alta tanto en los resolvers como en los codificadores ópticos o digitales, no así en los resolvers donde con conversiones adecuadas se puede trabajar con velocidades superiores a las 6000 rpm. Senso res lineales de po sición (LVDT).
Entre los sensores de posición lineales destaca el transformador diferencial de variación lineal (LVDT) debido a su casi infinita resolución, poco rozamiento y alta repetitividad. Su funcionamiento se basa en la utilización de un núcleo de material ferromagnético unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Este núcleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios, haciendo con su movimiento que varié la inductancia entre ellos. Los dos devanados secundarios conectados en oposición serie ven como la inducción de la tensión alterna del primario, al variar la posición del núcleo, hace crecer la tensión de un devanado y disminuirá en el otro. Del estudio de la tensión E se deduce que esta es proporcional a la diferencia de inductancias mutuas entre el devanado primario con cada uno de los secundarios, y que por tanto depende linealmente del desplazamiento del vástago solidario al núcleo. Además de las ventajas señaladas, el LVDT presenta una alta linealidad, gran sensibilidad y una respuesta dinámica elevada. Su uso está ampliamente extendido, a pesar del inconveniente de poder ser aplicado únicamente en la medición de pequeños desplazamientos. Otros sensores lineales que también se emplean con relativa frecuencia son las denominadas reglas ópticas (equivalentes a los codificadores ópticos angulares) y las reglas magnéticas o Inductosyn. El funcionamiento del Inductosyn es similar a la del resolver con la Página 20 de 31
diferencia de que el rotor desliza linealmente sobre el estator. El estator se encuentra excitado por una tensión conocida que induce en el rotor dependiendo de su posición relativa una tensión V s.
1.5.2 Sensores de Velocidad La captación de la velocidad se hace necesaria para mejorar el comportamiento dinámico de los actuadores del robot. La información de la velocidad de movimiento de cada actuador se realimenta normalmente a un bucle de control analógico implementado en el propio accionador del elemento motor. No obstante, en ocasiones en las que el sistema de control del robot exija, la velocidad de giro de cada actuador es llevada hasta la unidad de control del robot. Normalmente, y puesto que el bucle de control de velocidad es analógico, el sensor usado es una taco generatriz que proporciona una tensión proporcional a la velocidad de giro de su eje (10 milivolts por rpm). Otra posibilidad, usada para el caso de que la unidad de control del robot precise valorar la velocidad de giro de las articulaciones, consiste en derivar la información de posición que esta posee.
1.5.3 Sensores de Presencia Este tipo de sensor es capaz de detectar la presencia de un objeto dentro de un radio de acción determinado. Esta detección puede hacerse con o sin contacto con el objeto. En el segundo caso se utilizan diferentes principios físicos para detectar la presencia, dando lugar a los diferentes tipos de sensores. En el caso de detección con contacto, se trata siempre de un interruptor, normalmente abierto o normalmente cerrado según interese, actuando mecánicamente a través de un vástago u otro dispositivo. Los detectores de presencia se utilizan en robótica principalmente como auxiliares de los detectores de posición, para indicar los límites de las articulaciones y permitir localizar la posición de referencia de cero de estos en el caso de que sean increméntales. Además de esta aplicación, los sensores de presencia se usan como sensores externos, siendo muy sencillos de incorporar al robot por su carácter binario y su costo reducido. Los detectores inductivos permiten detectar la presencia o contar el número de objetos metálicos sin necesidad de contacto. Presentan el inconveniente de distinto comportamiento según del tipo de metal del que se trate. El mismo tipo de aplicación tiene los detectores capacitivos, más voluminosos, aunque en este caso los objetos a detectar no precisan ser metálicos. En cambio presentan problemas de trabajo en condiciones húmedas y con puestas a tierra defectuosa. Los sensores basados en el efecto Hall detectan la presencia de objetos ferromagnéticos por la deformación que estos provocan sobre un campo magnético. Los sensores ópticos, sin embargo, pueden detectar la reflexión del rayo de luz procedente del emisor sobre el objeto. (Guadalajara, Sensores Internos, 1995)
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1.6
Elementos Terminales
Para las aplicaciones industriales, las capacidades del robot básico deben aumentarse por medio de dispositivos adicionales. Podríamos denominar a estos dispositivos como los periféricos del robot, incluyen el herramental que se une a la muñeca del robot y a los sistemas sensores que permiten al robot interactuar con su entorno.
Configuración de estructuras. En robótica, el término de efector final se utiliza para describir la mano o herramienta que está unida a la muñeca. El efector final representa el herramental especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación particular. Este herramental especial debe diseñarse específicamente para la aplicación. Los efectores finales pueden dividirse en dos categorías: pinzas y herramientas. Las pinzas se utilizarían para tomar un objeto, normalmente la pieza de trabajo, y sujetarlo durante el ciclo de trabajo del robot. Hay una diversidad de métodos de sujeción que pueden utilizarse, además de los métodos mecánicos obvios de agarrar la pieza entre dos o más dedos. Estos métodos suplementarios incluyen el empleo de casquetes de sujeción, imanes, ganchos, y cucharas. Una herramienta se utilizaría como efector final en aplicaciones en donde se exija al robot realizar alguna operación en la pieza de trabajo. Estas aplicaciones incluyen la soldadura por puntos, la soldadura por arco, a la pintura por pulverización y las operaciones de taladro. En cada caso, la herramienta particular está unida a la muñeca del robot para realizar la operación. Se puede establecer una clasificación de los elementos terminales atendiendo así si se trata de un elemento de sujeción o de una herramienta. Los primeros se pueden clasificar según el sistema de sujeción empleado.
Herramientas terminales para robots. Tipo de herramienta Pinza soldadura por puntos Soplete soldadura de arco Cucharón para colada Atornillador Fresa-lija Pistola de pintura Cañón láser Cañón de agua a presión
Comentarios Dos electrodos que se cierran sobre la pieza de soldar Aportan el flujo de electrodo que se funde Para trabajos de fundición Suelen incluir la alimentación de tornillos Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc. Por pulverización de la pintura Para corte de materiales, soldadura o inspección Para corte de materiales
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Los elementos de sujeción se utilizan para agarrar y sostener los objetos y se suelen denominar pinzas. Se distingue entre las que utilizan dispositivos de agarre mecánico y las que utilizan algún otro tipo de dispositivo (ventosas, pinzas magnéticas, adhesivas, ganchos, etc.) En la elección o diseño de una pinza se han de tener en cuenta diversos factores. Entre los que afectan al tipo de objeto y de manipulación a realizar destacan el peso, la forma, el tamaño del objeto y la fuerza que es necesario ejercer y mantener para sujetarlo. Entre los parámetros de la pinza cabe destacar su peso (que afecta a las inercias del robot), el equipo de accionamiento y la capacidad de control. El accionamiento neumático es el más utilizado por ofrecer mayores ventajas en simplicidad, precio y fiabilidad, aunque presenta dificultades de control de posiciones intermedias. En ocasiones se utilizan accionamientos de tipo eléctrico.
Tipos de sujeción Pinzas de presión Desplazamiento angular Desplazamiento lineal
Accionamiento
Uso
Neumático o eléctrico
Transporte y manipulación de piezas sobre las que no importe presionar
Pinza de enganche
Neumático o eléctrico
Ventosas de vacío
Neumático
Electroimán
Eléctrico
Piezas de grandes dimensiones o sobre las que no se puede ejercer presión. Cuerpos con superficie lisa poco porosa (cristal, plástico, etc.) Piezas ferromagnéticas.
En la pinza se suelen situar sensores para detectar el estado de la misma (abierto o cerrado). Se pueden incorporar a la pinza otro tipo de sensores para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que incorporen datos geométricos de los objetos, detectores de proximidad, sensores fuerza par, etc. Existen ciertos elementos comerciales que sirven de base para la pinza, siendo posible a partir de ellos diseñar efectores validos para cada aplicación concreta. Sin embargo, en otras ocasiones el efector debe ser desarrollado íntegramente, constituyendo un coste un porcentaje importante dentro del total de la aplicación. En muchas ocasiones el robot ha de realizar operaciones que no consisten en manipular objetos, si no que implica el uso de una herramienta. Aparte de estos elementos de sujeción y herramientas más o menos convencionales, existen interesantes desarrollos e investigaciones, Página 23 de 31
muchos de ellos orientados a la manipulación de objetos complicados y delicados. Por ejemplo pinzas dotadas de tacto. (Guadalajara, Elementos Terminales, 1995) Tipo de herramienta Pinza soldadura por puntos Soplete soldadura al arco Cucharón para colada Atornillador Fresa-lija Pistola de pintura Cañón láser Cañón de agua a presión
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Comentarios Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldar. Aportan el flujo de electrodo que se funde. Para trabajos de fundición. Suelen incluir la alimentación de tornillos. Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc. Por pulverización de la pintura. Para corte de material, soldadura o inspección. Para corte de materiales.
Tipos y Características de Robots
Tipos de configuraciones: Cuando se habla de la configuración de un robot, se habla de la forma física que se le ha dado al brazo del robot. El brazo del manipulador puede presentar cuatro configuraciones clásicas: la cartesiana, la cilíndrica, la polar y la angular, las cuales serán explicadas a continuación. NOTA: R =
Rotacional
P = Prismática
1) Configuración cartesiana (PPP): Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de libertad, los cuales corresponden a los movimientos localizados en los ejes X, Y y Z. Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base en interpolaciones lineales. Interpolación, en este caso, significa el tipo de trayectoria que realiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto y otro. A la trayectoria realizada en línea recta se le conoce como interpolación lineal y a la trayectoria hecha de acuerdo con el tipo de movimientos que tienen sus articulaciones se le llama interpolación por articulación.
2) Configuración cilíndrica (RPP): Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea, que presenta tres grados de libertad. Página 24 de 31
El robot de configuración cilíndrica está diseñado para ejecutar los movimientos conocidos como interpolación lineal e interpolación por articulación. La interpolación por articulación se lleva a cabo por medio de la primera articulación, ya que ésta puede realizar un movimiento rotacional.
3) Configuración polar o esférica (RRP): Tiene varias articulaciones. Cada una de ellas puede realizar un movimiento distinto: rotacional, angular y lineal. Este robot utiliza la interpolación por articulación para moverse en sus dos primeras articulaciones y la interpolación lineal para la extensión y retracción.
4) Configuración angular (o de brazo articulado)/ Articulado/ Articulado esférico/ Antropomórfico/ Rotación (RRR): Presenta una articulación con movimiento rotacional y dos angulares. Aunque el brazo articulado puede realizar el movimiento llamado interpolación lineal (para lo cual requiere mover simultáneamente dos o tres de sus articulaciones), el movimiento natural es el de interpolación por articulación, tanto rotacional como angular.
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Además de las cuatro configuraciones clásicas mencionadas, existen otras configuraciones llamadas no clásicas. El ejemplo más común de una configuración no clásica lo representa el robot tipo SCARA (RRP). Este brazo puede realizar movimientos horizontales de mayor alcance debido a sus dos articulaciones rotacionales. El robot de configuración SCARA también puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercera articulación). Ejemplo de un robot SCARA:
Características de los Robots Elementos de la posición: La herramienta, sin tener en cuenta la orientación, puede moverse a varias posiciones en el espacio. Se satisfacen las varias geometrías del robot a las geometrías de trabajo diferentes. 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 capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg y 0.9Kg. La capacidad de carga es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot, según la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es común precisar capacidades de carga superiores a los 50kg. Repetibilidad: El mecanismo del robot tendrá alguna variación natural en él. Esto significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto repetidamente, no siempre se detendrá a la misma posición. Se considera que Repetibilidad es +/- 3 veces la desviación normal de la posición, o donde 99.5% de toda la caída de dimensiones de repetibilidad. Esta figura variará encima del espacio, especialmente cerca de los límites del espacio de trabajo, pero los fabricantes darán un solo valor en las especificaciones. Exactitud: Esto es determinado por la resolución del espacio de trabajo. Si el robot se ordena para viajar a un punto en el espacio, estará apagado a menudo por alguna cantidad, la distancia máxima debe ser considerada la exactitud. Éste es un efecto de un sistema del mando que no es necesariamente continuo. Tiempo de establecimiento: Durante un movimiento, el robot se mueve rápidamente, pero los acercamientos del robot a la posición final reducen la velocidad. El tiempo de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una distancia dada de la última posición. Página 26 de 31
Control de la Resolución: Éste es el cambio más pequeño que puede medirse por los sensores de regeneración, a causa del actuador, quien es más grande. Si una juntura rotatoria tiene un encoder que mide cada 0.01 grados de rotación, y un motor servo de paseo directo se usa para manejar la juntura, con una resolución de 0.5 grados, entonces la resolución del mando es aproximadamente 0.5 grados (el peor caso puede ser 0.5+0.01). Coordenadas: El robot se puede mover, por consiguiente es necesario definir las posiciones. Nota: las coordenadas son una combinación de la posición de origen y la orientación de los eslabones.
Punto Central de la Herramienta (TCP): Se localiza en la herramienta del robot. Típicamente el TCP se usa al referirse a la posición de los robots, así como al punto focal de la herramienta. En el TCP pueden especificarse las coordenadas dependiendo del tipo de robot (cartesiano, cilíndrico, esférico, etc.).
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Velocidad: Se refiere a la velocidad máxima que es lograble por el TCP, o por las junturas individuales. Este número no es exacto en la mayoría de los robots, y variará encima del espacio de trabajo como la geometría del robot cambia (y de los efectos dinámicos). El número reflejará a menudo la velocidad máxima más segura posible. Algunos robots permiten la tasa de velocidad máxima (100%) para ser aprobado, pero debe tenerse gran cuidado. (Guadalajara, Estructura Mecánica de un Robot, 1995)
1.8
Grados de Libertad y Espacio de Trabajo (Workspace)
Articulaciones/ Joints/ Junturas Las junturas son los acoplamientos movibles entre los eslabones, estos:
Producen movimiento rotacional o lineal de traslación. Si producen movimiento rotacional se denominan articulaciones rotacionales. Si producen movimiento lineal se denominan articulaciones prismáticas o lineales.
Eslabón/ Link Los eslabones son los miembros estructurales sólidos de un robot. Está formado por una barra metálica acoplada mecánicamente al rotor y al estator de un motor.
Grados de Libertad (GDL) Cada articulación provee al robot de al menos un ‘grado de libertad’ , o bien, cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina ‘grado de libertad’ (GDL). El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos. Los GDL son los parámetros que se precisan para determinar la posición y la orientación del elemento terminal del manipulador. También se pueden definir los grados de libertad, como los posibles movimientos básicos (giratorios y de desplazamiento) independientes. En la imagen se muestra el esquema de un robot de estructura moderna con 6 grados de libertad; tres de ellos determinan la posición en el espacio del aprehensor y los otros 3, la orientación del mismo. Un mayor número de grados de libertad conlleva un aumento de la flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 grados de libertad, como las de la soldadura, mecanizado y paletización, otras más complejas reciben un número mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Tareas más sencillas y con movimientos más limitados, como las de la pintura y paletización, suelen exigir 4 o 5 grados de libertad.
El espacio de trabajo (Workspace) El robot tiende a tener una geometría fija, y limitada. El espacio de trabajo es el límite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano (como una grúa Página 28 de 31
arriba) los espacios de trabajo podrían ser un cuadrado, para los robots más sofisticados los espacios podrían ser de una forma esférica. (Guadalajara, Estructura Mecánica de un Robot, 1995)
1.9
Aplicaciones Generales
La principal aplicación de los robots tiene lugar en la industria, donde es habitual la repetición de tareas, como la fabricación en serie de piezas y maquinaria, lo que obliga a realizar todas exactamente iguales. Un robot está programado para realizar los mismos movimientos y con la misma precisión, por lo que es perfecto para aplicaciones industriales. Aunque prácticamente todos los campos de la industria son susceptibles de emplear robots para determinadas operaciones o trabajos, solo se van a describir las aplicaciones más comunes:
Almacenamiento, carga y descarga de objetos. Casi todas las empresas industriales necesitan un espacio para almacenar las materias primas y los productos elaborados. Cuanto mayor sea el trabajo de almacenamiento, más justificado está el uso de sistemas automáticos que clasifican y almacenan estos elementos. Estos sistemas combinan una estructura tridimensional de baldas y estanterías, en las que los objetos son colocados siguiendo un patrón de clasificación. Cada una de las ubicaciones es memorizada en un sistema informático, que es el que ordena a determinados robots móviles la inserción o extracción de los objetos, con una simple orden que contenga el código de ubicación del material.
Operaciones industriales de mecanización. En industrias de automoción y fabricación de maquinaria en serie, los robots son de enorme utilidad en operaciones como: Ensamble y soldadura de piezas. Recubrimientos y aplicación de pintura. Realización de taladros, remachado. Operaciones de atornillado o enroscado. Fabricación de piezas torneadas. Corte de piezas mediante sierra o láser.
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Inspecciones en lugares inaccesibles. En ocasiones es necesario realizar tareas de limpieza y mantenimiento en lugares como tubos de aire acondicionado, alcantarillas, etc. Para ello se utilizan robots dotados de un sistema de tracción adecuado a los que se les incorpora una cámara. Así se puede obtener una visión del recorrido que sigue el robot.
Manipulación de residuos tóxicos o peligrosos. Las industrias que generan residuos altamente tóxicos, como las industrias químicas o las que trabajan con material radiactivo, requieren la utilización de robots para el traslado y manipulación de este tipo de materiales, ya que no es posible que una persona opere en estos ambientes de trabajo. Manipuladores en la industria alimentaria. Es cada vez mayor la utilización de robots dedicados a los trabajos de poda de arbustos y árboles, recolectores de fruta, preparadores y cortadores de animales en piezas en la industria cárnica, etc. Limpieza de ríos y puertos. Este tipo de trabajos requiere robots que se sumerjan en el fondo fluvial o marino. También suelen incorporar, además de medios submarinos de impulsión, cámaras de observación para visualizar desde el centro de control del robot. (Kalipedia)
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