ROBOTICA Código Códi go 299011A_3 299011A_360 60
Acti Ac ti vidad vi dad Final Fin al Diseño de un sist ema robót ico para construcc ión de infraestructuras.
Realizado por: Jho nny B olaño s Zúñig a Cód: Cód: 1462 146220 2003 03 Jorge Martínez Salazar Cód: 94459037 Gonzalo An drés Niño Sajonero Cód : 109621 10962108 0835 35
Universidad Nacional Nacional Abierta y a Distancia – UNAD Escuela de Ciencias Básic as de Tecno Tecno logía log ía e Ingeniería – ECBTI Mayo d e 2017 2017
INTRODUCCION
Desde los primeros desarrollos, la Robótica ha experimentado una sorprendente expansión en el ámbito de la fabricación de diferentes sistemas industriales, especialmente de Diseños de infraestructura. Para ello ha manejado los robots, denominados industriales, de gran popularidad en los ámbitos de diseño que tienen un mercado ampliamente consolidado. En la última década ha aparecido la manera de extenderse en las realizaciones a otros ámbitos, tratando de que los robots realicen tareas distintas de las industriales de producción. Para responder a esta demanda aparece lo que se denomina Robótica de Servicio. Estos robots, son creados para coordinar diferentes actividades en esta área diseño de los países con mayor nivel de desarrollo, define un robot de servicio como un robot que opera de manera automática o semiautomática para realizar servicios útiles al bienestar de los humanos o a su equipamiento, excluyendo las operaciones de fabricación. El nombre surge por la inquietud de la comunidad científica de realizar progresos propuestos a estar a la asistencia de la sociedad, tratando de que ésta muestre y afirme sus resultados. Desde el punto de vista social los centros de investigación especializados en robótica dan una gran actividad en investigació n con este objetivo de realizar mejor resultado.
JUSTIFICACION
El presente trabajo se realiza con un propósito de realizar un proceso que se manejan en la introducción a la robótica como por ejemplo el diseño de un brazo robótico, el cual se podrían utilizar dentro de un sistema presentado para proyectos, clases y evidencias. La elección del tema relativo a diseño, construcción y programación de un sistema mecanizado, que tiene bases en los ciencias y semejanzas de quienes lo realizan. La problemática que se pretende satisfacer, es la necesidad de generar diseños propios u originales de técnicas de brazo robótico, que logra que el ser empleados en diseño de infraestructura.
Objetivo General Diseñar, construir y controlar un brazo robótico para manipulación de objetos, mediante el uso de software de simulación y elementos electromecánicos, para un proyecto de diseño de infraestructura.
Objetivos específicos • • • • • • • •
Realizar un diseño factible de la estructura del brazo robótico. Diseñar y transmitir el diseño a un software de simulación (3D). Conseguir una idea clara de cuál sería el funcionamiento del sistema. Construir el brazo robótico de acuerdo al diseño previo. Utilizar componentes y herramientas enlistadas, montar la estructura. Programar el sistema para que cumpla con un funcionamiento adecuado. Realizar en papel un diagrama de las funciones, lazos, condicionamientos y otras estructuras que se requieren para el funcionamiento. Seleccionar el dispositivo que se usará para el control de la estructura. Programar el dispositivo y simular de ser posible. Realizar las conexiones entre el sistema de control y la estructura, y verificar su funcionamiento.
Antecedentes (robots en const ru cció n de infraestru cturas) La construcción ha experimentado grandes avances en los últimos años, siempre buscando métodos de trabajo más rápidos, económicos y con un acabado de mayor calidad. La introducción de diferentes tipos de robots en la construcción significa un paso muy importante, ya que podríamos conseguir éstas y otras ventajas. Algunos están siendo desarrollados con el fin de aumentar la seguridad de los obreros de la construcción, cuando estos se exponen a situaciones de alto riesgo, como, por ejemplo, en actividades desarrolladas a gran altura, ayudando a reducir los accidentes laborales. La tendencia en la construcción nos lleva hacia modelos de edificación cada vez más industrializados, menos mano de obra, pero más cualificada, con procesos de construcción más cortos, y otras ventajas que resultan en una edificación de calidad y a más bajo coste que con los métodos tradicionales. Los primeros son una familia de brazo-robotrobots destinados a sustituir a los obreros en situaciones de alto riesgo como la inspección de edificios a grandes alturas, por lo que serían de gran utilidad en el campo de la rehabilitación. Dentro de esta familia encontramos los HyDRAS-Ascent e HyDRAS-Ascent II, que funcionan gracias a un motor eléctrico, y CIRCA que lo hace mediante un sistema de aire comprimido. Estos robots tienen forma de serpiente, como vemos en la imagen, y cuentan con sensores y cámaras para poder realizar las inspecciones en la estructura necesarias. (Imagen 1).
Imagen 1. Robot CIRCA
INVISO es un sistema desarrollado en España con el cual se pueden realizar diferentes tareas en fachadas, tales como pintar, colocar paneles, o aplicación de poliuretano proyectado. Por tanto, es un sistema versátil y que puede serlo aún más gracias a que por su sistema de funcionamiento por railes se le podrían incorporar otras utilidades. (Imagen 2)
Imagen 2. Robot INVISO
Aunque es más bien una máquina de obra civil, esta máquina viene de Europa, concretamente de la firma holandesa Vanku BV. Sorprende la facilidad y suavidad con la que esta máquina va colocando los adoquines emparejados sobre el suelo. Da la sensación de que está extendiendo una alfombra más de que esté pavimentando una calle. La máquina Tiger Stone viene en tres modelos, los anchos de 4,5 y 6 metros, alcanzando hasta un rendimiento de 400 m2 por día. Aunque bajo mi punto de vista, la calidad en el trabajo que supone para los operarios poder colocar adoquines de pie, en lugar de estar agachados durante toda una jornada de trabajo, es sin lugar a dudas el mayor avance con este tipo de maquinaria. (Imagen 3).
Imagen 3. Robot Tiger Stone
Desde China llega este tipo de maquinaria que fabrica XINGTAI GREATCITY COMPANY. Se trata de una máquina que realiza los enfoscados de morteros en paredes convencionales, pudiendo ajustar el espesor del mismo. Su rendimiento está en torno a los 50 m2/h, un rendimiento más que interesante, llegando hasta una altura de aplicación de más de 4,00 m. (Imagen 4).
Imagen 4. Robot XJFQ1000
Llama mucho la atención el ver como se siguen construyendo los edificios, prácticamente igual que hace 50 años. Aunque si es verdad que los medios auxiliares han cambiado notablemente, el trabajo último de puesta en obra de los materiales ha cambiado muy poco. La robotización o mecanización de cualquier proceso constructivo en edificación es nulo. A pesar de que la construcción ha sido uno de los principales motores de la economía en los últimos años, la realidad es que se ha invertido poco en I+D en este tema.
1. Elementos a usar en la const rucci ón del sistema robótico: Estructur a Mecánica Como se adelantó en el sistema robótico, un robot está formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, actuadores, sensores, elementos terminales y controlador. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (máquinas herramientas y otras muchas máquinas emplean tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características específicas. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cintura, hombro, brazo, codo, muñeca, etc.
Los elementos que forman parte de la totalidad del robot son:
manipulador controlador dispositivos de entrada y salida de datos dispositivos especiales
ACTUADORES El actuador final (gripper) es un dispositivo que se une a la muñeca del brazo del robot con la finalidad de activarlo para la realización de una tarea específica. La razón por la que existen distintos tipos de elementos terminales es, precisamente, por las funciones que realizan. Los diversos tipos podemos dividirlos en dos grandes categorías: pinzas y herramientas. Se denomina Punto de Centro de Herramienta (TCP, Tool Center Point) al punto focal de la pinza o herramienta. Por ejemplo, el TCP podría estar en la punta de una antorcha de la soldadura.
Controlador Como su nombre indica, es el que regula cada uno de los movimientos del manipulador, las acciones, cálculos y procesado de la información. El controlador recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas. Existen varios grados de control que son función del tipo de parámetros que se regulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de controladores: • de posición: el controlador interviene únicamente en el control de la posición del elemento terminal; • cinemático: en este caso el control se realiza sobre la posición y la velocidad; • dinámico: además de regular la velocidad y la posición, controla las propiedades dinámicas del manipulador y de los elementos asociados a él; • adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, además, se ocupa de controlar la variación de las características del manipulador al variar la posición. SENSORES La mano robótica tiene integradas sensores de presión que le dicen al ordenador como de fuerte está presionando un objeto determinado. Esto impide que el robot deje caer o rompa lo que está llevando. Otros dispositivos pueden ser destornilladores, dispersores de pintura o sopletes. Los robots industriales están diseñados para hacer exactamente la misma cosa en un entorno controlado, una y otra vez. Por ejemplo, en las cadenas de producción se usan para realizar una tarea concreta cuando un producto llega a ese punto de la cadena, como puede ser poner una tapa a un envase o atornillar un objeto. Para enseñarle a realizar su trabajo, un programador debe guiar el brazo a través de los movimientos. El robot almacena la secuencia exacta de movimiento en su memoria, y lo hace una y otra vez cuando es necesario. La mayoría de los robots industriales trabajan en líneas de ensamblaje poniendo todas las piezas de coches y máquinas juntas. Los robots pueden hacer este tipo de trabajo de una forma más eficiente que los humanos, porque son mucho más precisos. Siempre hacen la tarea de una forma exacta sin variaciones, ajustan tuercas y tornillo con la misma fuerza y no se cansan, sin importar las horas que lleven trabajando. Existen robots de este tipo dedicados exclusivamente a la industria de los ordenadores, los cuales tienen una increíble precisión para manejar diminutos microchips. En la siguiente parte del artículo veremos como son los robots móviles y las posibilidades que tienen.
2. Modelo cinemático dir ecto o inverso del sist ema robót ico, incluyendo el análisi s matemático apoyado en las matrices de transform ación. Para la elaboración de sistema robótico se utilizó el modelo cinemático inverso, En base a las 6 transformaciones de los vínculos:
= 1 00 01 − = 2 00 00] = 3 00 00 10 01 0 0 0 1
Se pone la dependencia en
Se invierte
del lado izquierdo de la ecuación:
:
De las ecuaciones de posición se utiliza una simple técnica en la que se multiplica cada lado de la ecuación de transformación por una inversa que es regularmente usada para separar las variables de salida en la búsqueda de una ecuación con solución. Tomando los elementos (2,4) de los dos lados de la ecuación obtenemos:
+ = 4
Para resolver trigonométricas.
estas
Sustituyendo (5) en (4)
ecuaciones
necesitamos
= ∗, 5 = ∗ = √ + 6 =2(, )
algunas
relaciones
= 7 = 8 =2(, )2, ±√ + 9 + = + , = + + 10 Manipulando trigonométricamente:
Ahora conocemos dos posibles soluciones de y esto nos da la oportunidad de poder tomar los elementos (1,4) y (3,4) de la ecuación (3) e igualamos ambos lados.
Si elevamos al cuadrado (10) y (4) y sumamos las ecuaciones resultantes podemos obtener
Donde
= 11 + + = 12 2
Ahora que la dependencia de de la ecuación (11) ha sido removida se puede resolver aplicando los mismos criterios que se usaron para resolver (4) ya que poseen una forma similar y por tanto se obtiene
= 2, 2,±√ + 13 −= 14
Por lo tanto tenemos también dos posibles soluciones para . Si ahora volvemos a tomar en cuenta a (1) podemos escribir el lado izquierdo en función de solo lo que conocemos y .
o como:
0 0
] = 15 00 1 0 0 0 1
De donde la ecuación (15) se tiene ya de la cinemática directa. Ahora tomamos los elementos (1,4) y (2,4) y los igualamos con los elementos correspondientes en (15) y obtenemos:
+ + = = 16
= ++ ++ 17 = +++ + + 18 . =2[ + ) , + + = 20 Estas ecuaciones pueden ser simultáneamente resueltas para
y
.
Los denominadores son iguales y positivos, por tanto resolvemos para la suma
de
(
]
Obteniendo los valores resultan cuatro posibles valores de combinaciones de y , por tanto Se obtienen
Siempre y cuando
≠ 0, podremos resolver para
(19)
debido a las
de la siguiente manera:
=2 +, + − = 21 − ++ +++] 0 0 0 1 + + = + + = 22 =2, − − =
Se elige arbitrariamente y, cuando se calcule calculará acorde con ello.
posteriormente, se
Se puede escribir la ecuación (3) de modo que todo el lado izquierdo sea una función solamente de variables conocidas y
En donde
se da mediante
Y mediante la ecuación. Igualando los elementos (1,3) y (3,3) de ambos lados de la ecuación (21) obtenemos
Por lo tanto podemos resolver para
En donde
se obtienen mediante la ecuación (22)
Aplicando el mismo método calculamos como sigue:
y escribimos la ecuación (2)
Igualando los elementos (3,1) y (1,1) de ambos lados de la ecuación (21) obtenemos
=2, = + + , = + +. +
En donde
Debido a los signos positivo y negativo que aparecen en las ecuaciones (9) y (13), estas cuatro soluciones. Además, hay cuatro soluciones adicionales que se obtienen volteando la muñeca del manipulador. Para cada una de las cuatro soluciones calculadas antes, obtenemos la solución inversa mediante.
′ = + 180°, ′ = ′ = +180°.
Una vez que se han calculado las ocho soluciones, habrá que descartar algunas de ellas (o incluso todas) debido a violaciones en los límites de las articulaciones. De cualquier solución válida restante, generalmente se selecciona la más cercana a la configuración actual del manipulador.
3. Programa que simule el proc eso de Construcc ión de un puente elevado de 4 carriles. El archivo de la simulación se encuentra en el siguiente link para su descarga. https://drive.google.com/open?id=0B8JjZ_IYeXh7T1RjcjU1S0JFbUU
CONCLUSIONES La mano humana es una excelente herramienta, posee una gran flexibilidad y destreza lo cual permite realizar innumerables acciones gracias a su función esencial: la presión. Posee un sin número de funcionalidades que le otorgan múltiples acciones, posiciones y movimientos. Existe un modelo matemático para la mano humana que consiste en seis sistemas cartesianos de referencia los cuales se usan para definir la posición y orientación de los tendones y para describir la configuración de las articulaciones, como todo lo anterior podemos concluir que el brazo robótico es un simulación de la mano humana, que permite validar la consistencia y el estudio de la física del robot y comprobó que existen mejoras en cuanto a los avances que tiene la robótica en estos momentos, además nos muestra que existen ya avances en los cuales está incluida que en este caso se ven reflejadas en el diseño de infraestructura.
REFLEXIONES Dentro de toda la oleada tecnológica que se vive en el mundo, que está abarcando desde nano chips y aparatos de tamaños ínfimos, se está haciendo cada vez más recurrente el uso de los aparatos que automaticen tareas, denominados robots, los cuales han venido precisamente a eso en la mayoría de los casos donde se emplean. para entender más a profundidad el tema, la rae, define la robótica como la “técnica que aplica la informática al diseño y empleo de aparatos que, en sustitución de personas, realizan operaciones o trabajos, por lo general en instalaciones industriales”. por lo tanto, se puede afirmar que lo que se busca es facilitar operaciones que son complejas para el ser humano y donde puede llegar a existir un margen de error muy alto. además, otro aspecto sobre el que hay que pensar es en que los robots son máquinas, por lo tanto, una buena programación de estos dispositivos puede llevarnos a perfeccionar una tarea repetitiva que puede ir desde una intervención quirúrgica hasta la manufactura de un automóvil, teniendo presente y claro que la tarea que se pretende automatizar con el robot siempre saldrá igual y perfectamente realizada, esto reduce muchísimo el error humano que es muy probable y común que suceda. Un asunto positivo de la robótica aplicada a negocios y empresas y hablando desde la perspectiva de un administrador de empresa, es el aspecto monetario ¿por qué? porque analizando la situación del mercado laboral, puede ser que la tarea que realizan varios miembros del personal la puede realizar un robot, entonces al tenerlo, se sabe que adquirirlo puede representar un costo muy significativo para la empresa, pero también hay que pensar a futuro, el robot no cobra un salario semanal o mensual, lo más que puede costar es el mantenimiento del mismo; un robot no necesita póliza de seguros para protegerle en el trabajo, esto quiere decir que a la larga el robot podría “pagarse solo” y eliminar gastos como pagos de salarios y seguros. el aspecto negativo del párrafo anterior es obvio y es digno de reflexionar, ya que la robótica a la larga llega a sustituir personal, lo que significa un despido de funcionarios y una situación familiar para ellos en decadencia. quizá la salvación para algunos es que les permitan ser operarios del robot y así no perder el puesto, pero no todos tendrán esa suerte, por lo tanto, como casi todo en el campo de la innovación y tecnología, la robótica es un arma de dos filos, el bueno para el administrador de una empresa y el malo para aquel que es víctima de la arrasadora ola tecnológica que vivimos y que crece exponencialmente. por otro lado, se puede mencionar su importante incidencia en el campo de la medicina, ya que se encuentran desde prótesis robóticas, hasta equipo avanzado que permite realizar operaciones sin que los médicos puedan tener un contacto directo. lo anterior, según sus creadores y algunos doctores es muy preciso, daña menos cantidad de tejido, reduce la estadía en los hospitales, así como el temor a las operaciones y
minimiza el tiempo de recuperación, estas son solo algunos de los beneficios que se pueden obtener en esta área. sin embargo, existe la posibilidad de error a causa de una mala configuración, un cálculo equivocado, poca experiencia de los médicos con dichas tecnologías, entre otros fallos que podrían presentarse. en el sector de la educación, estas prácticas han llevado a generar un mayor interés en los estudiantes, ya que pueden aplicar los conocimientos mientras los aprenden, desarrollando además destrezas lógicas, motoras y de análisis en alumnos de todas las edades. sin embargo, aún no se conocen todos los impactos que se podrían presentar al modificar la estructura de la educación.
REFERENCIAS
Barrientos, A., Peñin, L. F., Balaguer, C., &Aracil, R. (2007). Fundamentos de robótica . Segunda Edición. Pag 483 a 575. McGraw-Hill, Interamericana de España. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reader.action?docID= 10566097
Correa, A. (2005). Sistemas robóticos teleoperados. Universidad Militar Nueva Granada. Recuperado de: http://www.redalyc.org/pdf/911/91101505.pdf http://www.structuralia.com/mx/noticias-mx/24-construccion/10001801robots-en-la-construccion http://a2estudio.es/blog/2014/09/08/robotizacion-mecanizacionconstruccion/ http://a2estudio.es/blog/2014/09/08/robotizacion-mecanizacionconstruccion/
