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  1. 1. 5.4 Robots industriales Imagen tomada de proton.ucting.udg.mx/materias/robotica/Entre los robots considerados de más utilidad en la actualidad se encuentranlos robots industriales o manipuladores. Existen ciertas dificultades a la horade establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. Laprimera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés yel euro-americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así,mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivomecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, elmercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad,sobre todo en lo relativo al control. En segundo lugar, y centrándose ya en elconcepto occidental, aunque existe una idea común acerca de lo que es unrobot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de determinar unadefinición formal. Además, la evolución de la robótica ha ido obligando adiferentes actualizaciones de su definición.La definición mas comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociaciónde Industrias de Robótica (RIA, Robotic Industry Association), según la cual:"Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capazde mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, segúntrayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas"Esta definición, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la OrganizaciónInternacional de Estándares (ISO) que define al robot industrial como:"Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad,capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especialessegún trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas"Se incluye en esta definición la necesidad de que el robot tenga varios gradosde libertad. Una definición más completa es la establecida por la AsociaciónFrancesa de Normalización (AFNOR), que define primero el manipulador y,basándose en dicha definición, el robot: De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  2. 2. Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie,articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Esmultifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humanoo mediante dispositivo lógico.Robot: manipulador automático servo-controlado, reprogramable,polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivosespeciales, siguiendo trayectoria variables reprogramables, para la ejecuciónde tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazosterminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo dememoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso esel de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sincambios permanentes en su material.Por ultimo, la Federación Internacional de Robótica (IFR, InternationalFederation of Robotics) distingue entre robot industrial de manipulación yotros robots:"Por robot industrial de manipulación se entiende una maquina demanipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejesque pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivosespeciales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas dela producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento"En esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y lamultifunción se consiguen sin modificaciones físicas del robot.Común en todas las definiciones anteriores es la aceptación del robotindustrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y queincorpora un control más o menos complejo. Un sistema robotizado, encambio, es un concepto más amplio. Engloba todos aquellos dispositivos querealizan tareas de forma automática en sustitución de un ser humano y quepueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto ultimo lo masfrecuente.1. Estructura de los robots industrialesUn manipulador robótico consta de una secuencia de elementos estructuralesrígidos, denominados enlaces o eslabones, conectados entre sí mediantejuntas o articulaciones, que permiten el movimiento relativo de cada doseslabones consecutivos. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  3. 3. Elementos estructurales de un robot industrialUna 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. a) b) Distintos tipos de articulaciones de un robot: a) lineal, b) rotacionalesEl conjunto de eslabones y articulaciones se denomina cadena cinemática. Sedice que una cadena cinemática es abierta si cada eslabón se conectamediante articulaciones exclusivamente al anterior y al siguiente,exceptuando el primero, que se suele fijar a un soporte, y el último, cuyoextremo final queda libre. A éste se puede conectar un elemento terminal oactuador final: una herramienta especial que permite al robot de uso generalrealizar una aplicación particular, que debe diseñarse específicamente paradicha 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 desujeción de la misma. Punto terminal de un manipulador De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  4. 4. Los elementos terminales pueden dividirse en dos categorías: pinzas (gripper) herramientasLas pinzas se utilizan para tomar un objeto, normalmente la pieza de trabajo,y sujetarlo durante el ciclo de trabajo del robot. Hay una diversidad demétodos de sujeción que pueden utilizarse, además de los métodos mecánicosobvios de agarre de la pieza entre dos o más dedos. Estos métodossuplementarios incluyen el empleo de casquillos de sujeción, imanes,ganchos, y cucharas.Una herramienta se utiliza como actuador final en aplicaciones en donde seexija al robot realizar alguna operación sobre la pieza de trabajo. Estasaplicaciones incluyen la soldadura por puntos, la soldadura por arco, lapintura por pulverización y las operaciones de taladro. En cada caso, laherramienta particular está unida a la muñeca del robot para realizar laoperación.A los manipuladores robóticos se les suele denominar también brazos derobot por la analogía que se puede establecer, en muchos casos, con lasextremidades superiores del cuerpo humano. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  5. 5. Semejanza de un brazo manipulador con la anatomía humanaSe denomina grado de libertad (g.d.l.) a cada una de las coordenadasindependientes que son necesarias para describir el estado del sistemamecánico del robot (posición y orientación en el espacio de sus elementos).Normalmente, en cadenas cinemáticas abiertas, cada par eslabón-articulacióntiene un solo grado de libertad, ya sea de rotación o de traslación. Pero unaarticulación podría tener dos o más g.d.l. que operan sobre ejes que se cortanentre sí. Distintos grados de libertad de un brazo de robot De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  6. 6. Para describir y controlar el estado de un brazo de robot es precisodeterminar: La posición del punto terminal (o de cualquier otro punto) respecto de un sistema de coordenadas externo y fijo, denominado el sistema mundo. El movimiento del brazo cuando los elementos actuadores aplican sus fuerzas y momentos.El análisis desde el punto de vista mecánico de un robot se puede efectuaratendiendo exclusivamente a sus movimientos (estudio cinemático) oatendiendo además a las fuerzas y momentos que actúan sobre sus partes(estudio dinámico) debidas a los elementos actuadores y a la cargatransportada por el elemento terminal.2. Configuraciones morfológicas y parámetros característicosde los robots industrialesSegún 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 De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  7. 7. 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.Configuración Estructura Espacio de Ejemplo geométrica cinemática trabajo cartesianos tipo cantilever tipo pórtico cilíndrico De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  8. 8. polar esférico SCARA paraleloConfiguraciones geométricas, estructura cinemática, espacio de accesibilidad y ejemplos de robots industriales De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  9. 9. CLASIFICACIÓN DEL ROBOT INDUSTRIAL La maquinaria para la automatización rígida dio paso al robot con eldesarrollo de controladores rápidos, basados en el microprocesador, asícomo un empleo de servos en bucle cerrado, que permiten establecer conexactitud la posición real de los elementos del robot y establecer el errorcon la posición deseada. Esta evolución ha dado origen a una serie de tiposde robots, que se citan a continuación:1. Manipuladores: Son sistemas mecánicos multifunciónales, con un sencillo sistema decontrol, que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de lossiguientes modos:Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea delmanipulador. De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso detrabajo preparado previamente. De secuencia variable: Se pueden alterar algunas características de losciclos de trabajo. Existen muchas operaciones básicas que pueden ser realizadasóptimamente mediante manipuladores, por lo que se debe considerarseriamente el empleo de estos dispositivos, cuando las funciones de trabajosean sencillas y repetitivas. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  10. 10. 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 joystics, o bien utiliza un maniquí, o a veces, desplaza directamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los mas conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual".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 elelemento de la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. Elcontrol por computador dispone de un lenguaje especifico, compuesto porvarias instrucciones adaptadas al robot, con las que se puede confeccionarun programa de aplicación utilizando solo el terminal del computador, no elbrazo. A esta programación se le denomina textual y se crea sin laintervención del manipulador. Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que sevayan imponiendo en el mercado rápidamente, lo que exige la preparaciónurgente de personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares alos de tipo informático. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  11. 11. 4. Robots inteligentes Son similares a los del grupo anterior, pero, además, son capaces derelacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y tomardecisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentranen fase experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores porpotenciarles y hacerles más efectivos, al mismo tiempo que más asequibles. La visión artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, sonlas ciencias que más están estudiando para su aplicación en los robotsinteligentes.5. Micro-robots Con fines educacionales, de entretenimiento o investigación, existennumerosos robots de formación o micro-robots a un precio muy asequible y,cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicaciónindustrial. Clasificación de los robots según la AFRI.Tipo A Manipulador con control manual o telemando. Manipulador automático con ciclos preajustados; regulaciónTipo B mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico. Robot programable con trayectoria continua o punto aTipo C punto. Carece de conocimiento sobre su entorno. Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptandoTipo D su tarea en función de estos. (AFRI) Asociación Francesa de Robótica Industrial.La IFR distingue entre cuatro tipos de robots: 1. Robot secuencial. 2. Robot de trayectoria controlable. 3. Robot adaptativo. 4. Robot tele manipulado. Clasificación de los robots industriales en generaciones.1° Repite la tarea programada secuencialmente. No toma enGeneración. cuenta las posibles alteraciones de su entorno. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  12. 12. Adquiere información limitada de su entorno y actúa en2° consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectarGeneración. esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia. Su programación se realiza mediante el empleo de un3° lenguaje natural. Posee la capacidad para la planificaciónGeneración. automática de sus tareas. Clasificación de los robots según T.M.Knasel. Grado de Usos masGeneración Nombre Tipo de Control movilidad frecuentes Manipulación,1 (1982) Pick & place Fines de carrera, aprendizaje Ninguno servicio de maquinas Servocontrol, Trayectoria Desplazamiento Soldadura,2 (1984) Servo continua, progr. condicional por vía pintura Servos de precisión, visión, Ensamblado,3 (1989) Ensamblado Guiado por vía tacto, Desbardado Construcción,4 (2000) Móvil Sensores inteligentes Patas, Ruedas Mantenimiento Controlados con técnicas de Andante, Militar,5 (2010) Especiales IA Saltarín Espacial Por último y con el fin de dar una visión del posible futuro, sepresentaron en forma clasificada, buena parte de los diversos tipos derobots que se puedan encontrar hoy en día. Todos los robots representadosexisten en la actualidad, aunque los casos mas futuristas están en estadode desarrollo en los centros de investigación de robótica. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  13. 13. Clasificación del robot industrial 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:ManipuladoresRobots de repetición y aprendizajeRobots con control por computadorRobots inteligentes Micro-robots 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. Robots de repetición y 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 joystics, o bien utiliza un maniquí, o a veces, desplaza directamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los mas conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual". De: Juan Manuel Gamboa Meléndez
  14. 14. Robots con control por computadorSon manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por uncomputador, que habitualmente suele ser un microordenador.En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de lamaquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computadordispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas alrobot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicación utilizando solo elterminal del computador, no el brazo. A esta programación se le denomina textual y secrea sin la intervención del manipulador.Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendoen el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personalcualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informáticoRobots inteligentesSon similares a los del grupo anterior, pero, además, son capaces de relacionarse conel mundo que les rodea a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (autoprogramable).De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en faseexperimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarles yhacerles más efectivos, al mismo tiempo que más asequibles.La visión artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las ciencias quemás están estudiando para su aplicación en los robots inteligentes. De: Juan Manuel Gamboa Meléndez

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