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)

Fig 4: Punto terminal de un manipulador

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.

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