Este documento describe los principales subsistemas de un robot, incluyendo el subsistema de movimiento, el subsistema de reconocimiento y el subsistema de control. Explica que el subsistema de movimiento se compone de un manipulador, un efecto final y actuadores, y que el subsistema de reconocimiento utiliza sensores y convertidores analógicos-digitales. También describe que el subsistema de control contiene un controlador digital, convertidores digitales-analógicos y amplificadores.

1. ROBOTICA (2)
Presenta: Dr. Ing. Ángel Francisco Villalpando
Reyna
angelvillalpando82@gmail.com
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2. Normalmente, un robot industrial es serial por
naturaleza, tal como se muestra en las figuras 1.1 y
1.3, por lo que a éstos se les conoce como robots
seriales. Cualquier robot, serial o de otro tipo, consiste
en varios subsistemas, por ejemplo, subsistema de
movimiento, subsistema de reconocimiento, etc
Robots
seriales

3. 2.1 Subsistemas de robots
Como se ilustra en la figura 2.1, un
sistema robótico consiste por lo
general en tres subsistemas:
subsistema de movimiento,
subsistema de reconocimiento y
subsistema de control. Sus
funciones se describen a
continuación.

6. 1) Subsistema de
movimiento El
subsistema de
movimiento es la
estructura física del robot
que realiza un
movimiento deseado
parecido al de los brazos
humanos, tal como se
ilustra en la fi gura 2.2.

8. ii) Subsistema de
reconocimiento El subsistema de
reconocimiento utiliza diferentes
sensores para recabar información
sobre el propio robot, sobre
cualquier objeto que va a ser
manipulado y sobre el ambiente de
trabajo. Basándose en los datos de
los sensores, este subsistema
reconoce el estado del robot, el de
los objetos y el del ambiente de
trabajo.

9. 3) Subsistema de control El subsistema de
de control regula el movimiento del robot
con el fin de lograr una determinada tarea,
usando la información proporcionada por
subsistema de reconocimiento. Puede ser
útil señalar aquí que una persona con una
formación en ingeniería mecánica trabaja
normalmente en el área del subsistema de
movimiento, mientras que personas con
conocimientos en ciencias de la
computación e ingeniería eléctrica se
enfocan en los subsistemas de
reconocimiento y control,
respectivamente.

10. 2.1.1 El Subsistema
de Movimiento

11. a) Manipulador Se trata de la
estructura física, la parte que se está
moviendo. Ésta incluye eslabones
(también llamados “cuerpos”) y
articulaciones (que también se
denominan “pares cinemáticos”),
normalmente conectadas en serie,
como es el caso de los robots que se
muestran en las figuras 1.1 y 1.3,

14. b) Efector final Ésta es la parte instalada en el extremo del manipulador. Es
equivalente a la mano humana. Un efector final podría ser una mano mecánica que
manipula un objeto o que lo sostiene antes de que sea movido por el brazo del
robot. En las fi guras 2.3a) y b) se muestran dos manos típicas. La fi gura 2.3a)
presenta un sujetador sencillo de dos dedos para sujetar objetos sencillos,
mientras que una mano de dedos múltiples, como la de la figura 2.3b), puede
ejecutar tareas más complejas.

16. c) Actuador Los actuadores de un
robot proporcionan el movimiento
para el manipulador y para el
efector final. Se clasifican como
neumáticos, hidráulicos o
eléctricos, según su principio de
operación, lo cual se explica en el
capítulo 3. Observe aquí que un
motor, por ejemplo un motor
eléctrico de CD o CA, que se
acopla a los elementos móviles de
transmisión, es decir engranajes,
etc., es llamado actuador.

17. iv) Transmisión Como lo sugiere
el término, estos elementos
transmiten el movimiento de
motores y de actuadores a los
eslabones del manipulador. En el
caso de motores eléctricos, estos
elementos, junto con el motor
eléctrico, forman un actuador. Los
siguientes son elementos de
transmisión típicos:

18. Tipos de
Transmisión

19. a) Transmisión por banda y
cadena Los accionamientos por
banda se utilizan mucho en la
robótica, especialmente la banda
síncrona, como se muestra en la
figura 2.5a). Sin embargo, su vida
útil es breve, ya que dependen de la
tensión de la banda para producir
agarre a través de la polea. Las
cadenas, por otro lado, como se
muestra en la figura 2.5

21. b) Engranajes Entre todas las
transmisiones mecánicas, los
diferentes tipos de engranajes,
como se muestra en la figura 2.6,
son los más confiables y
duraderos, aunque el juego entre
los dientes tendrá que tomarse
en cuenta cuidadosamente
durante la fase de diseño.

23. c) Mecanismos de eslabones
A fin de reducir el peso y exceso de flexibilidad de los elementos de transmisión arriba
mencionados, se emplean los mecanismos de eslabones de la figura 2.7a). La figura
2.7b) muestra cómo se utiliza un gato de husillo con un arreglo de cuatro barras para
transmitir movimientos.

25. 2.1.2 Subsistema de
Reconocimiento

26. 2.1.2 Subsistema de reconocimiento
El elemento más importante en el
subsistema de reconocimiento es el
sensor, el cual puede compararse con
nuestros ojos o nuestra nariz.. A fin de
procesar la señal detectada, en su
mayoría análoga, por medio de un
controlador digital, se requiere un
convertidor analógico digital (Analog-
to-Digital Converter, ADC). De esta
manera, un subsistema de
reconocimiento consiste normalmente
en los siguientes dos elementos

27. a) Sensores La mayoría de los
sensores son esencialmente
transductores, que convierten la forma
de una señal en otra. Por ejemplo, el
ojo humano convierte patrones de luz
en señales eléctricas. Los sensores
forman parte de una de varias áreas
generales: visión, tacto, detección de
rango y proximidad, navegación,
reconocimiento del habla, etc. Cada
una de estas áreas es en sí un área
de investigación individual

28. b) Convertidor analógico digital (ADC) Este
dispositivo electrónico se comunica con los sensores
y con el controlador del robot. Por ejemplo, el ADC
convierte el voltaje creado por una deformación
unitaria en una galga extensométrica en una señal
digital, es decir, 0 o 1, de manera que el controlador
digital del robot pueda procesar esta información.
Físicamente se ve como cualquiera otra tarjeta de
interface de computadora dentro de la unidad de
procesamiento central (CPU), como se muestra en la
figura 2.8.

29. 2.1.3 Subsistema de Control

30. a) Controlador digital El controlador
digital es un dispositivo electrónico
especial que tiene un CPU, memoria y, a
veces, un disco duro para almacenar los
datos programados. En sistemas de
robótica, estos componentes se
mantienen dentro de una caja sellada
que se denomina controlador, como
puede verse en la figura 2.9b). Se usa
para controlar los movimientos del
manipulador y del efector final. Un
controlador de robot es como un
supervisor en una fábrica.

31. Los lenguajes de programación
pueden ser los mismos que se
usan en la computación, es decir,
BASIC, Fortran, C y C++. Para los
robots comerciales, sin embargo,
los lenguajes son generalmente
distintos. Por ejemplo, Fanuc de
Japón usa el lenguaje de
programación de robots “Karel”.
Esto sirve principalmente para la
introducción de características
específicas en los sistemas
robóticos con el fi n de que se
distingan los productos.

32. b) Convertidor digital analógico (DAC)
Un DAC convierte la señal digital del
controlador del robot en una señal
análoga para accionar los actuadores;
por ejemplo, un motor eléctrico de CD.
El controlador digital también está
acoplado a un DAC para reconvertir su
señal en una señal análoga equivalente,
es decir, el voltaje eléctrico para el motor
de CD. La apariencia física de un DAC
se muestra en la figura 2.10

33. c) Amplificador Puesto que los
comandos de control del
controlador digital convertidos en
señales análogas por el ADC son
muy débiles, requieren de
amplificación para realmente
accionar los motores eléctricos del
manipulador de robot.

34. 2.2 Clasificación de robots por aplicación
Este método de clasificación se vuelve más
relevante, pues cada vez más robots se
están diseñando para servir en tareas
específicas. Por ejemplo, muchos robots
están diseñados para trabajos de ensamble y
no serán muy fácilmente adaptables para
otras aplicaciones. Éstos se denominan
“robots de ensamble”. Para la soldadura de
costura, el equipo de soldadura con sus
unidades de manejo de materiales, sus
mesas giratorias, etc., juntas como una
unidad integral.

35. 2.3 Clasificación de robots por sistema de
coordenadas
A esta clasificación también se le conoce como
clasificación por la configuración del brazo y por el
volumen geométrico de trabajo. Este método,
clasifica al robot sin tomar en cuenta al efector
final. Indica el volumen de coordenadas
alcanzables por un punto en el efector final, en vez
de sus orientaciones. Existen cuatro tipos
fundamentales: Cartesiano, cilíndrico, esférico o
polar y articulado o de revoluta.

36. i) Cartesiano Cuando el brazo de un
robot se mueve de modo rectilíneo, es
decir, en las direcciones de las
coordenadas x, y y z del sistema de
coordenadas cartesianas rectangulares
diestras, como se ve en la figura 2.11a),
se le llama tipo cartesiano o rectangular.
El robot asociado se conoce entonces
como robot cartesiano. Se llama a los
movimientos desplazamiento x, altura o
elevación y y alcance z del brazo.

37. ii) Cilíndrico Cuando el brazo de un robot tiene
una articulación de revoluta y dos prismáticas, es
decir, si la primera articulación prismática del tipo
cartesiano, figura 2.11a), es reemplazada por una
articulación de revoluta con su eje girado 90°
respecto al eje z, los puntos que puede alcanzar
pueden ser convenientemente especifi cados con
coordenadas cilíndricas, es decir, ángulo q, altura y
y radio z,

38. iii) Esférico o polar Cuando el brazo de un robot es capaz de cambiar su
configuración moviendo sus dos articulaciones de revoluta y su articulación
prismática, es decir, cuando la segunda articulación prismática a lo largo de la altura
y del tipo cilíndrico es reemplazada por una articulación de revoluta con su eje
girado 90° respecto al eje z Su volumen de trabajo es indicado en la figura 2.13b).

39. iv) Articulado o de revoluta Cuando un brazo de robot consiste en eslabones
conectados por articulaciones de revoluta, es decir, cuando la tercera articulación
prismática también es reemplazada por otra articulación de revoluta con su eje
girado 90° respecto al eje z, se le llama brazo unido articulado o de revoluta. Este
caso se muestra en la figura 2.14a). Su volumen esférico de trabajo se muestra en
la fi gura 2.14b) donde su superfi cie interna es difícil de determinar

40. 2.4 Clasificación de robots por su
sistema de potencia
Los robots son accionados por energía
eléctrica o por energía de fluidos. Esta
última categoría está subdividida en
sistemas neumáticos e hidráulicos. Hoy
en día, el método de accionamiento más
común es la energía eléctrica mediante
el uso de varios tipos de motores, por
ejemplo, el motor de pasos, servo CD y
servo CA sin escobillas. Los robots
neumáticos se utilizan en trabajos de
ensamble ligero o embalaje, pero por lo
regular no son convenientes para tareas
pesadas o donde se necesite control de
velocidad

41. 2.5 Clasificación de robots por el método de control
En este caso, el término control puede sígnica dos cosas: una es su estrategia de
control de movimientos, es decir, si un robot está servocontrolado o no, y la otra es cómo
se logra la trayectoria de movimiento, es decir, de punto a punto o de manera continua

42. a) Servocontrolado/no servocontrolado Los
robots son servocontrolados (ciclo cerrado) o no
servocontrolados (ciclo abierto). Con el fin de
aprovechar las ventajas completas del control
digital o por microprocesador, lograr una buena
precisión en condiciones de carga pesada y
llevar a cabo tareas complejas con seguridad, se
requiere el servocontrol completo. En este
método de control, se transmiten comandos a los
actuadores de los brazos para mover cada eje
únicamente con la cantidad necesaria

43. Los robots neumáticos normalmente no son
servocontrolados. En este caso, se transmite una señal
de comando y se supone que el brazo del robot alcanza
su posición deseada. El no servocontrol es apropiado
cuando sólo se requiere el control de posición de
cargas ligeras. Sin embargo, si se ha de controlar
velocidad, aceleración y par de torsión, o si el movimiento
contra cargas pesadas es necesario, entonces el no
servocontrol usualmente no es posible.
La mayoría de los robots industriales de la actualidad
utilizan el servocontrol.

44. b) Control de trayectoria En un
control de trayectoria punto a punto,
el brazo del robot se mueve desde
un punto deseado hasta el siguiente
sin considerar la trayectoria que se
toma entre ellos. La trayectoria real
que se toma podrá ser el resultado
de una combinación de movimientos
de eslabones del brazo, calculada
para proporcionar el tiempo mínimo
de viaje entre los puntos.

45. El control punto a punto se usa extensamente en el ensamble, en el paletizado y en la
carga/descarga de máquinas-herramientas. En un control de trayectoria continua, el robot se
mueve a lo largo de una trayectoria continua con orientaciones específi cas, por ejemplo, en
soldadura, donde la señal de los sensores en las articulaciones es constantemente monitoreada
por el controlador del robot. Un problema de control de esta índole se denomina problema de
planeación de trayectoria.

46. 2.6 Clasificación de robots por método de
programación
Los robots industriales pueden ser programados por
diferentes medios. Pueden programarse, por ejemplo,
online u offline. Los métodos online requieren el uso
directo del robot y utilizan un teach pendant (caja de
enseñanza) para la programación punto a punto, así
como brazos de esclavo o un accesorio de empuñadura
de pistola para la programación de trayectoria continua.

47. Los robots más recientes tienen la posibilidad de programación offline, es
decir, el robot puede seguir trabajando en una tarea particular, mientras se
prepara un programa para una nueva tarea en una terminal de
computación, utilizando el lenguaje de programación del robot, por
ejemplo, VAL, ALU u otros.

48. Actividad
Basándose en búsquedas en la web, conteste las siguientes preguntas:
2.13 Mencione algunos fabricantes de robots y sus lenguajes de programación
de robots.
2.14 ¿Cuáles son las relaciones de engranaje que se usan normalmente en
robots industriales?
2.15 Busque algunas aplicaciones industriales donde se utilizan robots Gantry.
2.16 Mencione algunas industrias que emplean robots SCARA así como la
razón.
2.17 ¿Cuáles son los precios normales de los robots industriales que se usan
para la soldadura de carrocerías de automóviles