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Robotica generalidades
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- 2. 2 1 GENERALIDADES DEROBOTICA 1.1 Introducción La Robótica es un campo multidisciplinario complejo en el cual intervienen diversas áreas tecnológicas y especialidades de Ingeniería, como Ing. Mecánica, Ing. Electrónica, Ing. Automática, Ing. Informática, Procesamiento de señales, Inteligencia artificial, etc. haciendo uso de las ciencias básicas teóricas y aplicadas. Un robot manipulador es un dispositivo físico en el que se integran una variedad de componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos, elementos motrices y sensoriales, incorpora un sistema multiprocesador el cual contiene la arquitectura informática con los algoritmos de control en tiempo real para el movimiento, percepción del entorno y programación de operaciones y en muchos casos incorpora un sistema de comunicación. En la figura 1.1 se muestra el esquema integrado de un robot con su entorno. Sistema de Control Actuadores Sensores internos Visión Tacto Audición Proximidad Otros Percepción del entorno Figura 1.1. Sistema de un robot y su interacción con el entorno.
- 3. 3 1.2 Definición deun robot La mayoría de los robots manipuladores industriales son esencialmente brazos articulados. Según la definición que da el “ROBOT INSTITUTE OF AMERICA” (RIA): “Un robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variados, programados para la ejecución tareas de distintas”. 1.3 Componentes de un robot Un robot Industrial es un sistema complejo que generalmente está constituido por diversos componentes de distinta naturaleza que depende generalmente de la aplicación de cada robot. Los componentes más resaltantes de un robot de forma básica se describen a continuación: Arquitectura mecánica La arquitectura o estructura mecánica de un robot está compuesta por diversos eslabones y articulaciones de formas variadas y de distinto tipo de material que conforman una cadena estructural abierta, cerrada o ramificada, en la mayoría de robots manipuladores está constituida por una cadena cinemática eslabonar abierta, es decir fija en un extremo y móvil en el otro. Para realizar los desplazamientos espaciales se utilizan dispositivos de transmisión de energía, como diversas clases de engranajes, poleas, fajas, tornillos sin fin, cremalleras, etc., diversas clases de rodamientos, para reducir los efectos friccionales, etc. En la arquitectura mecánica normalmente se distinguen el “brazo” articulado para el posicionamiento, la “muñeca” que debe ser flexible que permita una orientación deseada y el órgano terminal o efector final, el cual puede ser intercambiable, o modular, empleando pinzas, herramientas de cualquier tipo o diversos dispositivos específicos para realizar distintas tareas. El efector final va adherido al extremo móvil del robot. Elementos Actuadores Los actuadores son elementos motrices que generan las torsiones o fuerzas según sea el tipo de articulación, necesarias para accionar la estructura mecánica desplazando relativamente los eslabones del robot en el espacio según la operación que se requiera
- 4. 4 realizar. Los actuadoresde un robot deben ser seleccionados según la aplicación, eficiencia, precisión y/o potencia desarrolladas, los cuales pueden ser de tecnologías diversas como: Actuadores hidráulicos que pueden ser cilindros y motores, normalmente para desarrollar altas potencias. Actuadores neumáticas que pueden ser cilindros o motores, normalmente para desarrollar medianas potencias. Actuadores eléctricos son diversos, normalmente para desarrollar bajas, medianas y altas potencias. Los actuadores eléctricos mayormente son los más utilizados en Robótica y su clasificación es muy variada que pueden ser motores de corriente directa DC de distinta potencia, motores de corriente alterna AC que puede ser monofásicos o trifásicos, motores de conmutación electrónica que a su vez son motores de pasos o motores sin escobillas, éstos motores se vienen utilizando actualmente en la activación de las articulaciones de los robots para alcanzar altas precisiones. Elementos Sensores Los sensores o transductores transforman distintos tipos de variables físicas en variables eléctricas y permiten obtener las magnitudes de dichas variables de forma proporcional en magnitudes eléctricas. Los sensores que se utilizan en Robótica son diversos, de distinta clase, elaborados de distinta naturaleza, de distinta precisión según sea la aplicación del robot; pero básicamente se pueden clasificar en sensores internos y sensores externos. Los sensores internos son dispositivos que permiten captar normalmente las magnitudes de posición, velocidad y del esfuerzo de las articulaciones del robot en tiempo real para determinar y controlar la posición y orientación deseadas del efector final en el tiempo respecto de un determinado sistema de coordenadas espaciales utilizadas como sistemas de referencia. Los sensores externos se utilizan para captar las condiciones exteriores del robot y la percepción del entorno de operación del manipulador y éstos pueden ser de alcance, de proximidad, de contacto, de color, de temperatura, de sonido y hasta cámaras de adquisición de imágenes para obtener una descripción precisa de la geometría de los
- 5. 5 objetos incluidos enla escena de operación. La utilización de los sensores externos depende mucho de las aplicaciones del robot. Sistema de conversión de energía La unidad de conversión de energía permite transformar la forma de la energía eléctrica en energía útil y necesaria normalmente para energizar a los elementos motores usando diversos dispositivos electrónicos para la elaboración de los amplificadores de potencia. Esta unidad también incluye dispositivos adecuados y necesarios adecuar la señal del controlador del sistema y convertirlo en un nivel de potencia suficientemente necesaria utilizadas como señales de control del sistema. Sistema de control El sistema de control tiene por objetivo conducir y gobernar al robot para realizar una trayectoria espacial en el tiempo y en el espacio a partir de la información procedente de los transductores internos y de los puntos de consigna de la trayectoria deseada, ejecutando algoritmos de control establecidos mediante un procesador o sistema de procesadores digitales para realizar alguna tarea específica reaccionando ante los cambios del entorno mediante los sensores externos, tomando algún tipo de decisión o autonomía. El sistema de control de un robot se puede analizar y descomponer funcionalmente en niveles según su estructura jerárquica. En el nivel interior de control se realizan las tareas de servocontrol y supervisión de las articulaciones con la mayor precisión posible. La mayoría de robots industriales en la actualidad emplean servomecanismos con realimentación de posición y velocidad que permiten generar señales de control sobre los actuadores de las articulaciones utilizando diversa estrategias de control. El segundo nivel se ocupa de la generación de trayectorias para la evolución del efector final al desplazarse de una posición a otra. El generador de trayectorias debe suministrar a los servomecanismos las referencias deseadas para conseguir la evolución deseada del efector final del robot a partir de la especificación del movimiento deseado. Los niveles superiores de control se ocupan de la interpretación de los programas de operación, comunicación con el operador, comunicación con otros robots, percepción sensorial y planificación de tareas.
- 6. 6 El movimiento espacialde un robot se describe mediante un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales continuas acopladas dinámicamente. Los esquemas de control de un robot se basan en formulaciones analíticas de estrategias de control de variables físicas que determinan el desarrollo de las trayectorias espaciales. Estos métodos deberán ser suficientemente exactos para que el movimiento resultante sea lo más preciso posible, esto se consigue seleccionando la técnica apropiada de control y así obtener un rendimiento eficaz en el control de trayectorias espaciales. Arquitectura Electrónica La arquitectura electrónica de un robot industrial consiste normalmente en un sistema multiprocesador interconectado, normalmente un microprocesador por cada articulación y para procesar los algoritmos de control de trayectorias espaciales del robot se suele utilizar un computador central de alta velocidad de procesamiento. Además de incorporar microprocesadores la arquitectura electrónica está elaborada a base de dispositivos microelectrónicos, que incorporan dispositivos de diversos tipos de memoria, dispositivos programables de control de entrada/salida, dispositivos controladores de tiempos que pueden ser temporizadores, contadores, osciladores, controladores de interrupciones. El computador central de preferencia es un computador industrial de alta velocidad y gran capacidad almacenamiento y de procesamiento numérico capaz de procesar los algoritmos de control y permitir la simulación gráfica, las tareas programadas, la interpolación y generación de trayectorias con un sistema operativo de tiempo real, además debe incorporar buses de comunicación de alta velocidad y fidelidad que interconecten todos los procesadores mediante protocolos de comunicación segura y efectiva. El sistema electrónico debe incluir también conversores de señal analógica a digital de alta velocidad y alta resolución para digitalizar todas las variables físicas captadas por los sensores internos y externos, digitalizar señal de video, etc. así como conversores de señal digital a señal analógica para transmitir las señales de mando a los actuadores del robot. 1.4 Especificaciones de un robot Las especificaciones de los robots corresponden a las características que los robots deben cumplir para tener un buen desempeño y eficiencia, por lo general son:
- 7. 7 Espacio de trabajo.El espacio o volumen de trabajo se constituye por todas las posiciones del espacio accesible por el extremo del efector final del robot. El espacio de trabajo depende básicamente de la configuración mecánica del robot. Grado de libertad. Es cada uno de los movimientos independientes que puede realizar una articulación de un robot con respecto a la anterior. Resolución espacial. La resolución espacial se define como el incremento más pequeño de movimiento que puede ejecutar el órgano terminal de un robot. Exactitud. La exactitud se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo del efector final en un punto señalado dentro del volumen de trabajo. Repetibilidad. La repetibilidad viene ha ser el radio de la esfera que abarcan los puntos alcanzados por el efector final del robot, tras sucesivos movimientos al ir al mismo punto de destino programado con iguales condiciones de operación. 1.5 Estructuras básicas de robots industriales La estructura típica de un manipulador consiste en un brazo compuesto por elementos articulares entre sí, mediante articulaciones lineales o prismáticas y angulares o rotacionales. En el último enlace se coloca el órgano terminal o efector final. El espacio de trabajo es el conjunto de puntos en los que se puede situar o fijar el efector final del manipulador. Para poder acceder a todo punto en el espacio de trabajo se necesitan tres articulaciones o ejes (ejes mayores) y para orientar al efector final en cualquier dirección espacial se necesitan tres articulaciones o ejes más (ejes menores). Estas estructuras tienen diferentes propiedades en cuanto a su espacio de trabajo y accesibilidad a determinadas posiciones espaciales. En la figura 1.2 se muestran cuatro configuraciones básicas de manipuladores de tres ejes de posicionamiento: cartesiana, cilíndrica, esférica y angular. Estas estructuras a su vez se pueden clasificar en otras.
- 8. 8 Figura 1.2. Configuracionesbásicas de los manipuladores.