ROBOTICA INDUSTRIAL paper ensayo

ROBOTICA INDUSTRIAL

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ROBOTICA INDUSTRIAL Efren Espinoza Espinoza,, Milton Milton Saquisili, Saquisili, UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

 Resumen—El conocimiento y la concepción popular del robot comienz comienza a con las histori historias as de ciencia ciencia ficción ficción (Blade (Blade Runner Runner y Gueras de las estrellas). En 1921 el escritor checo Karel Capek utilizo por primera vez el termino robot en su drama Rossum Univer Universal sal Robots Robots.. La palabr palabra a robot robot dervia dervia del checo checo robota robota (labor (labor tediosa tediosa o servil servil)[ )[1 1]. Poste Posterior riormen mente te Isaac Isaac Asimov Asimov otro otro escritor de ciencia ficción fue el primero en utilizar el termino robotic roboticss para para referir referirse se a la tecnolo tecnología gía del robot. robot. La definic definición ión más actual de un robot robot seria: seria: maquin maquina a o ingenio ingenio electróni electrónico co programable capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas solo a humanos  Index Terms—robotica,

I.

2) Sistemas Sistemas Lazo Lazo Cerrado Instrumentación ón Electronica b) Subsistema de Instrumentaci 1) Sensores Sensores 2) Actuadore Actuadoress En lo que respecta a nuestro estudio analizaremos el Subsistema de Instrumentación Electronica, este subsistema se puede apreciar en la figura1: figura 1:

industrial, robots

I NTRODUCCION

E

N los robots industriales de instrumentacion y mediante las definic definicion iones es antes antes analiz analizada adass se puede puede decir decir que un robot robot es una entida entidad d virtua virtuall o mecan mecanica ica artific artificial ial,, esto esto hace resumen a un sistema electromecanico, que por todo su principio de funcionamiento este sistema pretende reemplazar las funciones, labores humanos. Segun la RIA (Asociación de Industria Robóticas); un robot industrial es: Un robot industrial industrial es un manipulad manipulador or multifun multifuncion cional al reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. [ 1] En el campo de la ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con varias narraciones relativas a robots, siendo en 1939, a él se atrib atribuye uye el acuñam acuñamien iento to del términ término o Robóti Robótica. ca. En su obra, la imagen de robot que aparece es el de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y son: 1. Un robo robott no pued puedee actu actuar ar cont contra ra un ser ser huma humano no o, mediante la inacción, que un ser humano sufra daños. 2. Un robot debe de obedec obedecer er las ordene ordeness dadas dadas por los seres seres humano humanos, s, salvo salvo que estén en conflic conflictos tos con la primera ley. 3. Un robot robot debe prote proteger ger su propia propia existe existenci ncia, a, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes. Un sistema robotico enfocada a la instrumentación esta compuesto por subsitemas como veremos a continuación: 1. Sistema Sistema Robotic Robotico o Sistema de Contro Controll a) Sistema 1) Sistemas Sistemas Lazo Abierto Abierto Efren Espinoza, Estudiante 10mo ciclo de la UPS, Cuenca, Ecuador, e-mail: [email protected]. Milton Saquisili, Estudiante 10mo ciclo de la UPS, Cuenca, Ecuador, email: [email protected].

Figura Figura 1.

Esquema Esquema instrument instrumentación ación Electron Electronica ica

II.

ROBOT DE CONTROL DE M OVIMIENTO

Al hablar de robots de control de movimiento básicamente estamos haciendo referencia a dos grandes grupos como son los robots manipuladores y los propiamente dichos robots de control de movimientos. Dicho Dicho esto esto cabe cabe recalc recalcar ar dos grande grandess rseñas rseñas histor historica icass que fundamentaro fundamentaron n la evoluci evolucion on de los mismos y hacemos hacemos referencia al primer brazo articulado (o manipulador) que fue construido por Harold Roselund, de la compañia Devilviss en 1938. Ahora hacemos referencia a George Devol que es considerado el padre del robot, ya que en 1946 invento un aparato mecanico que permitiera repetir una secuencia de movimientos a una maquina herramienta[2 herramienta[ 2]  II-A.

Robot de Movimiento

Por la necesidad de moverse en terrenos duros y complicados llenos de obstaculos peligros para la vida humana, nace la vision de la construccion de un robot de control de movimientos. Desde el punto de vista autonomos los robots moviles tienen como prescedentes los dispositivios electromecanicos, tales como los denominados micro-mouse [1] [1] Como principal objetivo de este robot seria la navegación automati automatica, ca, los cuales cuales engloban engloban tareas tareas de planificaci planificación, ón, perpercepcion y control. Los robots de control de movimientos tipo vehículos con ruedas emplean el sistema Ackerman, el mismo que se ilustra en la figura 2.

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Podemos apreciar que la rueda delantera interior gira a un ángulo ángulo ligerame ligeramente nte superior superior al exterior exterior,, esto esta empleado empleado para eliminar eliminar el deslizami deslizamiento ento.. De igual igual menera menera se observa observa que las prolongaciones de los ejes de las dos ruedas delanteras intersecan en un punto sobre la prolongación del eje de las ruedas traseras. Por ultimo el lugar de los puntos trazados sobre el suelo por los centros de los neumáticos son circunferencias concéntricas con centro el eje de rotación p1[ 1].

Figura Figura 3.

Figura Figura 2.

Sistema Sistema Ackerman Ackerman

Componen Componentes tes Basicos Basicos de un sistema sistema de robot robot

Por lo general estos robots, principalmente los brazos manipuladores tienen 5 o 6 grados de libertad, los mismos que 3 pertenecen al cotrol del brazo y los restantes al de la mano: Las configraciones mas usadas son: Cartesiana, Cilindrica, Esferica y Articulada.[1 Articulada.[ 1] Los robots manipuladores segun los tipos de articulaciones se clasifican en lo siguiente: 1. 2. 3. 4.

Configurac Configuración ión cilindrica cilindrica Configurac Configuracion ion polar o esferica esferica Configurac Configuracion ion Angular Angular Configurac Configuración ión Scara Scara

Las cuales vemos en la Figura 4.  II-B.

Robot Manipulador 

Dicho Dicho robot para operar operar individua individualmen lmente te necesita necesita como minimos los siguientes componentes.

1. El brazo (robot): (robot): el mismo que esta constituid constituido o por un sistema compuesto de articulaciones, actuadores y sensores de posicion, los mismos que marcan la diferencia en el sistema propio de control 2. La sigu siguie ient ntee part partee y lo comp comple leme ment ntar ario io a esto esto es el controlad controlador or,, generalm generalmente ente basado en un sistema sistema programa gramable ble,, recept receptor or de señale señaless de inform informaci acion on de los sensores antes mencionados, listos para reaccionar con la emision de comandos a la parte depotencia que realizara el control de movimiento (manipulacion)

A contin continuac uacion ion en la figura figura3 3 se muestra un sistema sistema basico de un robot manipulador el cual tiene un sistema de control con retroalimentacion visual a traves de la camara una unidad de potencia para el movimiento mecanico y por su puesto el brazo manipulador.

Figura Figura 4.

Configura Configuracion ciones es de los Robot Robotss

 Robots de repetición repetición o de aprendizaje: aprendizaje: Estos son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controla controlador dor manual o un disposit dispositiv ivo o auxiliar auxiliar.. En este tipo tipo de robots robots,, el operar operario io en la fase fase de enseña enseñanza nza,, se vale vale de una pistol pistolaa de progra programac mación ión con dive diverso rsoss pulsad pulsadore oress o

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teclas teclas,, o bien, bien, de joysti joysticks cks,, o bien bien utiliz utilizaa un maniq maniquí, uí, o a veces, desplaza directamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los más conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual". III.

G RADOS DE L IBERTAD

Mediante esta denominación, se conoce al grupo de parámetros metros usados usados para determinar determinar la posición posición y la orientaci orientación ón del elemento terminal del manipulador. Además los grados de libertad, pueden ser los posibles movimientos básicos como son los giros y desplazamientos independientes. Para determinar el número de grados de libertad, se toma en cuenta el número de elementos del brazo y de las articulaciones que posee el robot, com podemos ver en la Figura 5.

por articula articulación ción.. La interpol interpolació ación n por articula articulación ción se lleva lleva a cabo cabo por medio de la primer primeraa articu articulac lación ión,, ya que ésta puede puede realizar realizar un movimien movimiento to rotaciona rotacional. l. La posición se especifica de forma natural en coordenadas cilíndricas. 3. Configurac Configuración ión esférica esférica (RRP) Tiene Tiene varias varias articula articulaciociones, nes, cada cada una de ellas ellas puede puede realiz realizar ar un movim movimien iento to distinto distinto:: rotacion rotacional, al, angular angular y lineal. lineal. Este robot utiliza utiliza la interpol interpolación ación por articula articulación ción para moverse moverse en sus dos primeras articulaciones y la interpolación lineal para la exten extensió sión n y retrac retracció ción. n. En este este caso caso las varia variable bless articula articulares res expresan expresan la posición posición del extremo extremo del tercer tercer enlace en coordenadas polares. 4. Configurac Configuración ión articular articular o de brazo de revoluci revolución ón (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. 5. Configu Configurac ración ión SCARA SCARA Esta Esta configu configurac ración ión está está espeespecialment cialmentee diseñada diseñada para realizar realizar tareas tareas de montaje montaje en un plano. plano. Está Está consti constitui tuida da por dos articu articulac lacion iones es de rotaci rotación ón con respecto respecto a dos ejes parale paralelos los,, y una de desplazam desplazamient iento o en sentido sentido perpendicu perpendicular lar al plano. plano. Es el más indicado para trabajar trabajar sobre superficies superficies planas horizontales, como el montaje y soladura de precisión. V.

SISTEMAS DE C ONTROL

Estos sistemas de control tiene tres funciones: Figura Figura 5.

Grados Grados de de libertad libertad

Los grados de libertad vienen determinados, por la posición de los eleme elemento ntoss móvile móviless del robot, robot, que se pueden pueden indica indicarr como grados de movilidad. Asi Asi los los grad grados os de movi movili lida dad, d, defin definen en a el núme número ro de elementos motores con los que cuenta una máquina, en casos partic particula ulares res,, esta esta misma misma definic definición ión se usa para para indica indicarr los grados de libertad, pero sin olvidar que estos dos conceptos son diferentes. I V.

CONFIGURACIONES INDUSTRIALES

En el mayor de los casos los robots se usan en las tareas de fabricación y de ensamble, como manejo de material, soldadura por arco y de punto, montajes de piezas, pintura de espray, carga carga y descarg descargaa de maquinas maquinas controla controladas das numéricam numéricamente ente,, exploraciones espaciales y submarinas, investigación de brazos protésicos y en el manejo de materiales peligrosos. 1. Configurac Configuración ión cartesiana cartesiana (PPP) Posee tres movimientos movimientos lineal lineales, es, los cuales cuales corres correspon ponden den a los movim movimien ientos tos localizados en los ejes X, Y y Z. La especificación de posición de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas (x,y,z).[3] (x,y,z).[ 3] 2. Configuración cilíndrica cilíndrica (RPP) Puede Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional. El robot de configuración cilíndrica está diseñado para ejecutar los movimientos conocidos como interpolación lineal e interpolación

1. Dirigir Dirigir al sistema de potencia potencia para que mueva al manipulador en una forma predeterminada. 2. Almacenar Almacenar,, uno varios varios programas, programas, así como la informainformación recogida durante el proceso mismo del programa. 3. Permitir Permitir la comunicaci comunicación, ón, ingreso y egreso de datos, en forma de teclados, pantallas, medios magnéticos. En general se suele hacer una división entre sistemas convencionales y servo controlados. También suele clasificarse a los controladores según su nivel tecnológico (bajo, medio, alto y adaptativo). Los controladores de robots de alta tecnología cuentan con más memoria, interfaz de comunicación computacional, coprocesadores y sensores inteligentes, de visión o tacto. Además de esto, los programas pueden ser modificados rápidamente. Los robots adaptativos son sistemas de alta tecnología con mayor capacidad sensorial y de interfaz. El nivel de inteligencia de esta tecnología es mayor, permitiendo su programación en forma adaptativa. [3] [3] El uso de controladores CNC en robots presenta variadas ventaja ventajass en relación relación con su complemen complementaci tación ón con sistemas sistemas CAD/CAM. A través de estos últimos se puede definir el radio de acción del robot y sus tareas de forma eficiente, generando el código para el control numérico del robot. VI.

SENSOR

Se conoce conoce al sensor sensor como como el dispos dispositi itivo vo capaz capaz de transtransformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de

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instrume instrumentaci ntación, ón, en magnitude magnitudess eléctric eléctricas. as. Las variabl variables es de instrumentación dependen del tipo de sensor, su función como dispositi dispositivos vos periféricos periféricos en una célula célula de trabajo trabajo robótica robótica es permitir que las actividades del robot se coordinen con otras actividades en la célula. Pueden ser: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Sensores Sensores táctile táctiless Sensores Sensores de contacto. contacto. Sensores Sensores de proximidad proximidad y alcance alcance Amperíme Amperímetro. tro. Detectore Detectoress de corrient corrientee parásita parásitass (sensores (sensores de proximiproximidad). Interrup Interruptor tor de contacto contacto eléctrico eléctrico (sensor de contacto) contacto).. Sensor Sensor de infrarroj infrarrojos os (sensor de proximidad). proximidad). Interrup Interruptor tor de límite límite (sensor de contacto). contacto). Transformador Transformador diferencial diferencial de variable lineal lineal Microinterruptor Microinterruptor (sensor de de contacto). Ohmetro Ohmetro Sensores Sensores fotométr fotométricos icos (sensor de proximida proximidad, d, varios) varios).. Acelerómetros piezoeléctricos. piezoeléctricos. Transduc Transductore toress de presión. presión. Pirómetr Pirómetro o de radiación radiación (sensor (sensor de proximid proximidad). ad). Calibrado Calibradorr de tensión tensión (sensor (sensor de fuerza). fuerza). Termistor Termistor.. Termopar Termopar.. Interrup Interruptores tores de vacío vacío (sensor de proximida proximidad). d). Sensores Sensores de visión (sistema (sistema de visión). visión). V II.

C ONCLUSIONES

La robótica especificamente en el campo industrial se caracteriz racterizaa por su gran extensión extensión,, y con un notable notable constante constante engrandecimiento engrandecimiento tanto en sus aplicaciones, especificaciones y los alcances tecnologicos de hoy en dia. Al ser la predisposición posición de funcionam funcionamient iento o autónomo autónomo la robótica robótica industria industriall es dependiente del control automatico, puesto que los robots son diseña diseñados dos para para funcio funcionar nar de manera manera autono autonoma, ma, sin la necesidad de ningun control extra o humano. Las caracteristicas antropomórficas son vitales en las actividades que los robots industriales deben de desarrollar siendo asi que ah despla desplazad zado o de manera manera significa significati tiva va la mano mano de obra artesanal, y cada día se requiere un mejoramiento en las máquinas, optimización de la eficiencia, para desarrollar con rapidez, precisión y calidad los trabajos encomendados a esas máquinas o robots industriales. En el impacto de la sociedad, se va observando que el robot ocupa ocupa el espaci espacio o del hombre hombre en las fábricas fábricas,, con venta ventajas jas significativas para el empleador o dueño de la empresa, que ve como sus productos se multiplican y optimiza los gastos extras que se requería para sus empleados. En su control, los robots poseen poseen sistemas sistemas microproc microprocesado esados, s, que permiten permiten el correcto correcto proces procesami amient ento o de la inform informaci ación ón que proviene proviene a su vez vez de sensores sensores estrate estrategicam gicamente ente colocados colocados,, los cuales cuales permiten permiten la ejecución correcta de la acción encomendada a ese robot. La relaci relación ón del costo de los mecanism mecanismos os y su manten manteniimiento, vienen a ser parte esencial en las vias de desarrollo de esa empresa empresa,, ya que su manten mantenimi imient ento o es vital, vital, con la particularidad de una constante supervisión, de esto tambien

depende depende su capacida capacidad d de reacción reacción,, depediendo depediendo directamente directamente de sus sensores y actuadores, que funcionarán en cada uno de las uniones de los actuadores Segun Segun el avanc avancee la tecnol tecnologí ogíaa se desarr desarroll ollaa robots robots industrial dustriales, es, mas flexibles, flexibles, con una capacidad capacidad más grande de realizac realización ión de activida actividades, des, agragando agragando versatilida versatilidad d a sus diseños, seños, los mismo que se desarrol desarrollan lan por el replante replanteamie amiento nto de modelados, estudios de campo mas especificos, basandose en los resultados resultados y experien experiencias cias obtenidas obtenidas por esos robots, robots, ademas de un mejoramiento de sus sistemas de control y por ende mejoramiento en su eficiencia. En el sector Industrial de la robótica, se ah logrado varios objeti objetivo voss en el mejora mejorami mient ento o de la automa automatiz tizaci ación ón de los procesos de fabricación y producción, siendo asi que los grados de libertad en las máquinas brindan el mejor desenpeño, además de un menor riesgo en la planta, y un adaptamiento casi perfecto a la necesidad del productor. Pero la tendencia de hoy en dia es la total automatización de las fábricas en donde no se necesite o no sea prioritario el uso de la mano del hombre, y con los métodos de comunicación la tendencia de hoy es poder comandar a esos robots desde cualquier parte del mundo, usando la tecnologia de los servicios de datos de internet. R EFERENCIAS [1] A. O. Baturone, “Robótica: Manipuladores Manipuladores y robots móviles,” 2001. [2] [2] R. I. Madrig Madrigal al and E. V. Idiart Idiarte, e, Robots industriales industriales manipuladores manipuladores . Edicions UPC, 2002. ˘  [3] J. M. ANGULO Usategu Usategui, i, â AIJRobotica Practica. TecnologIa TecnologIa y Aplica˙. Paraninf cionesâ A˘  I  Paraninfo. o. Mexic Mexico, o, 1995. 1995.