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ROBOTS ANTROPOMÓRFICOS Francisco Araujo
[email protected] Luis Ayala
[email protected] Cristhian Bermeo
[email protected] Universidad Politécnica Salesiana Robótica
documento to se da a conocer conocer,, en primera primera Resumen—En este documen instancia instancia los conceptos conceptos generales de los Robots Robots Antropomórfi Antropomórficos, cos, tales como su forma, forma, característica característicass principales, principales, aplicaciones, aplicaciones, etc. Como segunda segunda parte parte se realiza realiza la selecció selección n de un modelo modelo comerci comercial al de un Robot Robot Antrop Antropomó omórfico rfico para así analiza analizarr los puntos mencionados anteriormente. Index Terms—robot,
antropomórficos, articulaciones.
I. INTRODUCC INTRODUCCIÓN IÓN Realizando un pequeño análisis sobre la Robótica industrial, vemos vemos como como durant durantee estos estos últim últimos os años años se ha produc producido ido una gran entrada de Robots a las fábricas o industrias con el objetivo principal de mejorar la producción y calidad de los productos o ya sea para trabajar en ambientes nocivos y Figura 1. Ejemplo Ejemplo de Robot Robot Antropo Antropomórfi mórfico. co. [3] peligrosos para el ser humano. Con la ayuda de la mecánica y Figura la electrónica se han podido diseñar diferentes configuraciones de robots robots para para la ind indust ustria ria.. La palabr palabraa Antrop Antropomó omórfic rficoo es II-A. Número y tipo de Articulaciones. Como se dijo anteriormente este robot tiene o está formado aplicada a cualquier cosa que tenga el aspecto físico parecido ejes rotaci rotaciona onales les llamado llamadoss tambié tambiénn 3G o RRR, RRR, el al del ser humano, los Robots Antropomórficos se asemejan por 3 ejes primer eje básicamente básicamente es perpendicu perpendicular lar al piso, piso, los otros al ser humano principalmente en la parte del hombro, brazo primer dos perpendiculares al primero y paralelos entre sí, estos 3 y muñeca, que le sirven básicamente para ponerse en una posición en el espacio y orientarse para realizar un deter- se utilizan para posicionar al robot en un determinado lugar minado minado trabajo. trabajo. Esta configurac configuración ión de Robots Robots industri industriales ales del espacio. [4] ayuda mucho en tareas pesadas y repetitivas, aprovechando la variedad de movimientos que posee.
II. II. DESARR DESARROLL OLLO O Robots Antropomórficos también llamados manipuladores de codo, robots angulares, etc. Una configuración de este tipo posee 3 articulaciones de posicionamiento y por general 3 articulaciones de orientación, es decir para el efector final, también llamado pinza o gripper. [3]
Figura Figura 2. Articulac Articulacione ioness de un Robot Robot Antropomó Antropomórfico rfico.. [4]
En las Figura 1 podemos ver un ejemplo de robot antropomórfico:
Esta configuración presenta una gran maniobrabilidad, accesibilidad a lugares con obstáculos, una característica muy
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importante es que son muy rápidos y permiten la realización de trayectorias difíciles. [4]
II-B. Grados de Libertad.
Se conoce como grados de libertad o GDL al número mínimo de variables necesarias para describir la distribución de velocidades en el sistema. [5] En el caso del robot antropomórfico se tienen generalmente 5 o 6 grados de libertad, tres por lo menos usados para definir la posición y mínimo dos para la orientación de la pinza. [2]
Figura 4. Volumen de Trabajo Robot Antropomórfico. [4]
II-D. Lenguaje de Programación. EJES 1-3 4-6
DESCRIPCIÓN Ejes principales Ejes de la muñeca
FUNCIONALIDA Posicionamiento Orientación
Cuadro I D ESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS EJES EN UN R OBOT A NTROPOMÓRFICO . [2]
Un tema importante es el lenguaje de programación de robots industriales. No existe como tal alguna normalización o estándar para la programación de los robots, es decir que cada fabricante ha realizado sus propios métodos o técnicas. [2] En el Cuadro II se da a conocer algunos lenguajes de programación y sistemas operativos utilizados:
En la Figura 3 podemos apreciar un ejemplo de los brazos del robot y sus grados de libertad:
No. 1 2 3 4 5 6
Empresa ABB Epson FANUC MITSUBISHI Kawasaki KUKA
Lenguaje de Programación Rapid SPEL+ TPE MELFEA Kawasaki AS KRL
Sistemas Operativos Windows XP Windows XP Propio RT ToolBox Propio Windows XP
Cuadro II L ENGUAJES DE P ROGRAMACIÓN Y S ISTEMAS O PERATIVOS . [2]
II-E. Aplicaciones
Figura 3. Brazos y Grados de Libertad de un Robot Antropomórfico. [2]
II-C. Volumen de Trabajo.
Existen numerosas aplicaciones dentro de la industria para esta configuración: Ensamblado Soldadura Carga y descarga Corte y pulido Paletizado y empacado Pintura
Un concepto básico de volumen de trabajo según los propios fabricantes de robots es el espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca. [1] Por obvias razones este espacio está definido por el tamaño de sus eslabones, lo cual quiere decir que es distinto para cada robot. [2] El volumen de trabajo de un robot antropomórfico es parecido a una esfera, lo cual indica que se puede obtener una gran área de trabajo. [2]
Figura 5. Aplicación para soldadura. [3]
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Figura 6. Aplicación para Paletizado y empacado. [3]
Figura 8. Robot KUKA KR16-2. [6]
Gracias a la robótica y los sistemas de control se puede obtener mayor precisión en los procesos, es por eso que estos diseños son la mejor decisión. [6] II-I. Grados de Libertad. Figura 7. Aplicación para pintura. [3]
Estos sistemas tienen 6 grados de libertad, como se indico anteriormente en la Figura 3, ahí se puede observar los GDL tanto para el posicionamiento como para la orientación del robot.
II-F. Ventajas Hay muchas ventajas que se pueden enumerar para estos robots: II-J. Arquitectura básica de un sistema robótico KUKA. Mejora el acceso con el efector final Maniobrabilidad Esta sección se divide en 4 partes, indicadas en la Figura Se asemeja al brazo humano (tareas repetitivas y pesadas) 9: Variación de la posición y orientación (muchos grados de libertad) [4] II-G. Desventajas Así mismo tenemos algunas desventajas: Desplazamiento de personal Conllevan una alta inversión inicial. Modelo matemático complejo, ya que posee muchas variables articulares (5 o 6). II-H. Robot KUKA KR 16-2. En este caso seleccionamos un modelo de robot del fabricante KUKA, que posee muchas aplicaciones en la industria, así como también se indica información técnica del sistema.
Gracias a la flexibilidad y versatilidad, estos modelos de robots son muy solicitados en la industria, con una capacidad de carga de 6 o 16 kg. En fábricas donde se desea ahorrar espacio y dinero, estos sistemas son los adecuados. Tiene ventajas importantes tales como una elevada seguridad en la planificación e inversión, posibilidad de instalarlos en distintas posiciones, escaso mantenimiento y larga vida útil, paradas mucho más cortas, rápida puesta en servicio. [6]
Figura 9. Arquitectura de un sistema robótico KUKA. [2]
1. Robot – KUKA KR 16-2 2. Cables de unión - Transmiten señales del controlador hacia el robot y viceversa. 3. Unidad de control del robot - Contiene circuitos eléctricos y electrónicos de control, potencia, seguridad y comunicaciones. 4. Unidad de programación - Ligado a la versión y características del software y es la interfaz directa con el usuario. [2]
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II-K. Volumen de trabajo.
Según los documentos que brinda el fabricante, en este caso KUKA, el volumen de trabajo se da a conocer con dos gráficos, el primero es una vista lateral del robot y el otro una vista superior, indicando las medidas y ángulos correspondientes, como se observa en la Figura 10 y 11 respectivamente.
Ejes
Rango de Movimiento [*]
Velocidad [*/s]
1 2 3 4 5 6
±185 +35 a -155 +154 a -130 ±350 ±130 ±350
156 156 156 330 330 615
Cuadro IV R ANGO DE M OVIMIENTO Y VELOCIDADES R OBOT KUKA KR 16-2. [6]
Como podemos analizar el robot es muy rápido en cada uno de sus ejes.
II-M. Especificaciones mecánicas. ITEM Cargas Zona de Trabajo Figura 10. Vista Lateral del área de trabajo Robot KUKA KR 16-2. [6]
En el siguiente Cuadro vemos las longitudes de cada parte indicada por el fabricante:
Otros
DESCRIPCION Carga Carga Adicional Max. alcance Numero de ejes Repetitividad Peso de Montaje Unidades de Control
VALOR 16 kg 10kg 1610mm 6 +/-0.05mm Suelo, techo KR C4
Cuadro V E SPECIFICACIONES MECÁNICAS R OBOT KUKA KR 16-2 [6]
II-N. Aplicaciones
Cuadro III M EDIDAS DE CADA PARTE DEL ÁREA DE TRABAJO . [6]
Figura 11. Vista superior del área de trabajo Robot KUKA KR 16-2. [6]
II-L. Especificaciones de movimiento y velocidad.
En el Cuadro IV podemos observar los rangos de movimiento y velocidades de cada eje:
A continuación daremos a conocer dos de las múltiples aplicaciones del Robot KUKA KR 16-2. II-N1. ROBOTS KUKA KR16 SE OCUPAN DE LA SOL DADURA DE COMPONENTES DE AUTOMÓVIL EN LA EMPRESA AL-KO: El AL-KO Kober Group desarrolla y fabrica productos innovadores para la industria automovilística y aeronáutica y los sectores de la jardinería en el tiempo libre. [7]
Figura 12. Robot KUKA KR 16-2 en la industria AL-KO Kober Group. [7]
II-N2. KUKA ROBOTER SE AGARRA A UNA BOTELLA: En la empresa RPC Verpackungen Kutenholz, el robot agarra las botellas de plástico desde la cinta transportadora y las coloca en un cajón. [8]
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Figura 13. Robot KUKA KR 16-2 en la industria RPC Verpackungen Kutenholz. [8]
III. CONCLUSIONES Los robots industriales en general, han logrado un gran éxito mejorando los procesos y realizando trabajos pesados y repetitivos. El robot antropomórfico con sus múltiples grados de libertad puede realizar trayectorias complejas pese a los obstáculos que se tengan, haciendo que se adapten en muchos lugares. Posee una buena área de trabajo que depende generalmente de la geometría de cada unos de sus eslabones, por lo general estos robots no son pequeños por decirlo así, lo cual quiere decir que el volumen de trabajo que se tiene es bastante aceptable para muchas tareas. En el caso de cualquier robot industrial, el fabricante especifica toda la información en sus documentos, tales como volumen de trabajo, dimensiones, posiciones de ejes, velocidades y mucho mas, por lo tanto el cliente puede analizar qué sistema le conviene más para su empresa. R EFERENCIAS [1] Maestría en Automatización y Control Industrial Nelson Sotomayor, MSc. HTTP://CIECFIE.EPN.EDU.EC/MATERIAL/4TONIVEL/ROBOTICA/ROBOTICA.PDF [2] INTEFAZ DE CONTROL PARA UN BRAZO ROBOT ARTICULADO BASADO EN SOFTWARE DE DESARROLLO INTEGRAL, RODRIGO ESCANDON CUEVA HTTP://DSPACE.UPS.EDU.EC/BITSTREAM/123456789 /4646/1/UPS-CT002637.PDF [3] ROBOTS MOVILES Y ANTROPOMORFICOS, LUIS JAVIER AGUILAR CRUZ HTTP://WWW.SLIDESHARE.NET/LUISAGUILARCRUZ/ROBOTS-MVILES-Y-ANTROPOMRFICOS [4] BRAZO ARTICULADO (ROBOT RRR) HTTP://WWW.BUENASTAREAS.COM/ENSAYOS/BRAZOARTICULADO-ROBOT-RRR/1902454.HTML [5] ASIGNATURA DE SISTEMAS MECANICOS, MECANISMOS I HTTPS://WWW5.UVA.ES/GUIA_DOCENTE/UPLOADS/2012/448/42437/1/DOCUMENTO1.PDF [6] ROBOT KUKA KR 16-2 HTTP://WWW.KUKAROBOTICS.COM/ES/PRODUCTS/INDUSTRIAL_ROBOTS/LOW/KR16_2/START.HTM [7] ROBOTS KUKA KR16 SE OCUPAN DE LA SOLDADURA DE COMPONENTES DE AUTOMÓVIL EN LA EMPRESA AL-KO HTTP://WWW.KUKAROBOTICS.COM/ES/SOLUTIONS/SOLUTIONS_SEARCH/L_2014_AL-K.HTM [8] KUKA ROBOTER SE AGARRA A UNA BOTELLA HTTP://WWW.KUKAROBOTICS.COM/ES/SOLUTIONS/SOLUTIONS_SEARCH/LR351_KUKA_ROBOTS_TAKE_TO_THE_BOTTLE.HTM
