Brazo Robótico Industrial.
1.0
INTRODUCCIÓN
Robot
industrial.
Durante la evolución de las máquinas
industriales el hombre se a sentido fascinado por las maquinarias y
dispositivos capaces de realizar las actividades de los seres vivos._ De esta
manera tenemos el caso de los Brazos industriales robots y manipuladores los
cuales están considerados entre los robots de más utilidad en la actualidad “Un robot industrial es un
manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas,
herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables,
programadas para realizar tareas diversas. Un robot industrial es un
manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas,
herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables,
programadas para realizar tareas diversas”(González, 2002, p.1). “Se lo
puede definir como el conjunto de elementos electromecánicos e
industriales que propician el movimiento de un elemento terminal, sea para
cumplir una función o solo para manipular un objeto, Su constitución física es
similar a la anatomía de los brazos de un ser humano y por lo general se hace
referencia a los componentes del robot con los nombres de su parte
correspondiente en la extremidad de una persona. Como por ejemplo hombro, codo,
brazo, muñeca, etc” (Ollero, 2001)
Para
involucrarnos con el Brazo robótico industrial hemos tomado muy en cuenta lo
siguiente:
Las
leyes de la robótica industrial indican que :
● Un robot no puede perjudicar a un
ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño.
● Un robot ha de obedecer las órdenes
recibidas por el ser humano,. excepto si
tales órdenes entran en conflicto con la primera Ley.
● Un robot debe proteger su propia
existencia mientras tal protección no esté en conflicto con la primera y
segunda ley (tomado de las leyes impuestas de: las leyes de robótica
industrial).
Fig 1:
Prototipo de un brazo robótico Industrial
2.0
CLASIFICACIÓN.
La
maquinaria para la automatización rígida dio paso al robot con el desarrollo de
controladores rápidos, basados en el microprocesador, así como un empleo de
servos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posición real
de los elementos del robot y establecer el error con la posición deseada. Esta
evolución ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a
continuación:
● Manipuladores.
● Robots de Repetición y Aprendizaje.
● Robots con Control por Computadora.
● Robots Inteligentes.
● Micro-Robots.
2.1 Manipuladores
Son
sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control, que
permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos:
● Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del
manipulador.
● De
secuencia fija:
cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado
previamente.
● De
secuencia variable:
Se pueden alterar algunas características de los ciclos de trabajo.
Existen
muchas operaciones básicas que pueden ser realizadas óptimamente mediante
manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos
dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y
repetitivas(González, 2002, p.1).
2.2 Robots de Repetición o Aprendizaje
Son
manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos,
previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controlador
manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el operario en la
fase de enseñanza, se vale de una pistola de programación con diversos
pulsadores o teclas, o bien, de joystick, o bien utiliza un maniquí, 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"(González, 2002, p.1).
2.3 Robots con control por computador
Son
manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por un
computador, que habitualmente suele ser un microordenador. En este tipo de
robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de la máquina,
cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador dispone
de un lenguaje específico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al
robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicación utilizando
solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programación se le
denomina textual y se crea sin la intervención del manipulador.
Las
grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo
en el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personal
cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo
informático(González, 2002, p.1).
2.4 Robots inteligentes
Son
similares a los del grupo anterior, pero, además, son capaces de relacionarse
con el mundo que les rodea a través de sensores y tomar decisiones en tiempo
real (auto programable).
De momento, son muy poco conocidos
en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los grupos
investigadores por potenciarlos y hacerlos más efectivos, al mismo tiempo que
más asequibles.
La visión artificial, el sonido de
máquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que más están estudiando
para su aplicación en los robots inteligentes(González, 2002, p.1).
2.5 Micro-robots
“Con
fines educacionales, de entretenimiento o investigación, existen numerosos
robots de formación o micro-robots a un precio muy asequible y, cuya estructura
y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial”(González, 2002,
p.1).
3.0 CINEMÁTICA DE UN
BRAZO ROBÓTICO INDUSTRIAL
El
modelo cinemático directo de un robot es el que permite conocer la posición y
orientación final del robot en función de las variables de las articulaciones.
El modelo cinemático inverso es el que permite calcular las variables
articulares del robot en función de la posición y orientación del efector final
deseadas. El modelo cinemático inverso involucra la resolución de sistemas de
ecuaciones no lineales que involucran senos y cosenos. Al momento de resolver
este sistema de ecuaciones se debe primero determinar si existen soluciones
dentro del espacio de trabajo del robot. Existen algunos casos en los que
existe más de una solución aceptable (Ollero, 2001)
Un
manipulador robótico consta de una secuencia de elementos estructurales
rígidos, denominados enlaces o eslabones, conectados entre sí mediante juntas
o'articulaciones, que permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones
consecutivos. (González,
2002, p.1).
La construcción de este brazo
poliarticulado se hará usando como referencia planos de modelos realizados
anteriormente por estudiantes y entusiastas de la robótica, tomando de ellos
sus mejores aspectos, para esto se utilizaran materiales de fácil acceso en el
mercado y de bajos costos y sus planos serán de fáciles de comprender por
cualquiera (Romero, s.f.)
3.1 METODOLOGÍA
La
metodología a implementarse en la construcción de este sistema de brazo
robótico automatizado, consiste en 4 etapas.
En primer lugar se encuentra la
etapa de diseño, donde utilizando conocimientos teóricos sobre robótica e
industria, y la relación entre movimiento y transmisión, se realizará un
esquema de la estructura del sistema. En este esquema se definirán los grados
de libertad, movimientos requeridos y dimensiones.
La
segunda etapa consiste en la simulación del sistema en software especializado y
destinado a esclarecer y determinar posibles fallas en el diseño, limitaciones,
precisión y capacidad real de movimiento. En base a los resultados obtenidos en
las simulaciones se modificará el diseño para que cumpla con los objetivos
establecidos.
La
tercera etapa consiste en la implementación física del sistema, es decir, el
armado de la estructura, montaje de piezas, fijación de sistemas de generación
y transmisión de movimiento y pruebas básicas de funcionamiento. En la última
etapa se realiza la automatización del sistema; al programar los comandos
necesarios para que el brazo robótico tenga la capacidad de tomar ciertas decisiones
de funcionamiento. Esto luego de una interacción con el medio en el que esté
ubicado, la cual se realiza a través del uso de sensores, o a través de los
comandos directos enviados de forma remota. Estas decisiones deben considerar
la capacidad del sistema y así no pretender que éste realice movimientos que se
encuentran fuera de su alcance o que sobrepasen sus limitaciones.(Ollero, 2001)
3.2 DISEÑO BÁSICO A REALIZAR
El brazo se diseña para tener cuatro grados de libertad,
como se muestra en la Figura 6, lo cual le permite abarcar un amplio espacio de
trabajo. Los grados de libertad que dispone el robot son: uno en la base de
rotación, otro en la articulación de rotación tipo hombro, un tercero 32 en la
articulación de rotación tipo codo y finalmente una articulación de rotación
tipo muñeca que sirve para darle orientación al actuador final, que para
motivos de prueba es una pinza que permite manipular objetos.
Fig 2: Los
cuatro ejes que posee el brazo automatizado
El brazo se diseña para tener cuatro
grados de libertad, como se muestra en la Figura 1. lo cual le permite abarcar un amplio espacio
de trabajo. Los grados de libertad que dispone el robot son: uno en la base de
rotación, otro en la articulación de rotación tipo hombro, un tercero 32 en la
articulación de rotación tipo codo y finalmente una articulación de rotación
tipo muñeca que sirve para darle orientación al actuador final, que para
motivos de prueba es una pinza que permite manipular objetos. “Sandoval, R.
(2007)” 3.3 SOFTWARE DEL SISTEMA El capítulo de
software abarca todo lo que hace referencia a la parte del control del sistema.
Incluye una comparación entre las opciones de controladores considerados y el
funcionamiento, características y comandos de programación utilizados en el
elemento programable elegido.
4.0 Estructura de los robots
industriales
Un
manipulador robótico consta de una secuencia de elementos estructurales
rígidos, denominados enlaces o eslabones, conectados entre sí mediante juntas o articulaciones,
que permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones
consecutivos.(Alonso,2004)
Fig
3: Elementos estructurales de un robot industrial
Una articulación puede ser:
●
Lineal (deslizante, traslacional o
prismática), si un eslabón desliza sobre un eje solidario al eslabón anterior.
●
Rotacional, en caso de que un eslabón gire en
torno a un eje solidario al eslabón anterior.
El
conjunto de eslabones y articulaciones se denomina cadena cinemática. Se dice que una cadena cinemática es abierta si
cada eslabón se conecta mediante articulaciones exclusivamente al anterior y al
siguiente, exceptuando el primero, que se suele fijar a un soporte, y el
último, cuyo extremo final queda libre. A éste se puede conectar un elemento terminal o actuador final: una herramienta
especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación
particular, que debe diseñarse específicamente para dicha aplicación: una
herramienta de sujeción, de soldadura, de pintura, etc. El punto más
significativo del elemento terminal se denomina punto terminal (PT). En
el caso de una pinza, el punto terminal vendría a ser el centro de sujeción de
la misma.(Blanco,2004)
Los elementos terminales pueden
dividirse en dos categorías:
●
pinzas (gripper)
●
herramientas
4.1
Configuraciones morfológicas y parámetros característicos
de
los robots industriales
Según
la geometría de su estructura mecánica, un manipulador puede ser:
● Cartesiano,
cuyo posicionamiento en el espacio se lleva a cabo mediante articulaciones
lineales.
● Cilíndrico,
con una articulación rotacional sobre una base y articulaciones lineales para
el movimiento en altura y en radio.
● Polar, que cuenta con dos
articulaciones rotacionales y una lineal.
● Esférico (o de brazo articulado),
con tres articulaciones rotacionales.
● Mixto, que posee varios
tipos de articulaciones, combinaciones de las anteriores. Es destacable la
configuración SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)
● Paralelo,
posee brazos con articulaciones prismáticas o rotacionales concurrentes.
Los
principales parámetros que caracterizan a los robots industriales son:
● Número de grados de libertad.
Es el número total de grados de libertad de un robot, dado por la suma de
g.d.l. de las articulaciones que lo componen. Aunque la mayoría de las
aplicaciones industriales requieren 6 g.d.l., como las de soldadura, mecanizado
y almacenamiento, otras más complejas requieren un número mayor, tal es el caso
de las labores de montaje.
● Espacio de accesibilidad o espacio
(volumen) de trabajo. Es el conjunto de puntos del espacio
accesibles al punto terminal, que depende de la configuración geométrica del
manipulador.
Un
punto del espacio se dice totalmente accesible si el PT puede situarse en él en
todas las orientaciones que permita la constitución del manipulador y se dice
parcialmente accesible si es accesible por el PT pero no en todas las
orientaciones posibles. En la figura inferior se aprecia el volumen de trabajo
de robots de distintas configuraciones.
● Capacidad de posicionamiento del punto
terminal. Se concreta en tres magnitudes fundamentales:
resolución espacial, precisión y repetibilidad, que miden el grado de exactitud
en la realización de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea
programada.
● Capacidad de carga.
Es el peso que puede transportar el elemento terminal del manipulador. Es una
de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot
dependiendo de la tarea a la que se destine.
● Velocidad.
Es la máxima velocidad que alcanzan el PT y las articulaciones.
5.0 DESARROLLO Y FUNCIONAMIENTO DEL BRAZO
INDUSTRIAL
La
construcción de un sistema automatizado contempla el uso de mecanismos tales como:
engranes, poleas, motores, servomotores, Sensores, actuadores, fuentes de
suministro de voltaje, equipo de cómputo, tarjetas de adquisición de datos,
etc. Mediante este diseño se logrará motivar a los alumnos para que colaboren
en un proceso de planeación y construcción; es decir se llevará a la práctica
la aplicación de los conocimientos obtenidos en las asignaturas del plan de
estudios de la carrera. De manera directa se contempla que se apliquen los
conocimientos de las asignaturas: Electricidad y Electrónica, taller de
investigación, Gestión y Administración de proyectos, Mecatrónica, Dibujo
Industrial entre otras. La descripción de funcionamiento motriz del robot se
encuentra descrita a continuación.
5.1 MOVIMIENTOS A REALIZARSE
Primer movimiento
El giro que realiza la base se había pensado fuera de 180º aproximadamente. Se
logró que este alcanzara un giro de 270° teniendo como tope dos pulsadores que
apagan automáticamente el motor de la base; esto con la finalidad de evitar
daños a los mecanismos
Segundo movimiento
El segundo movimiento que habrá de efectuar el brazo robot corresponde al
situado entre la base y el brazo, el movimiento es vertical dando un giro de
entre 0º y 90º aproximadamente teniendo como tope dos pulsadores que apagan
automáticamente el segundo motor.
Tercer movimiento
El tercer movimiento del robot se da a través del balanceo del brazo del robot,
existe una analogía al movimiento del segundo motor.
●
El resto de los movimientos realizados
con el comportamiento del robot están relacionados con la muñeca y el efector
final del brazo, se ha contemplado entre sus herramientas construir una pinza
con un sistema de detección de presión, una pinza para soldadura o corte y una
ventosa neumática.
Brazo Robotic o Industrial by Edwin Granda on Scribd
