ROBÓTICA INDUSTRIAL. Tema 1 Fundamentos de la Robótica

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1 ROBÓTICA INDUSTRIAL Tema 1 Fundamentos de la Robótica Robot El término "robot" se debe a Karel Capek, quien lo utilizó en 1917 por primera vez, para denominar a unas máquinas construidas por el hombre y dotadas de inteligencia. Deriva de "robotnik" que define al esclavo de trabajo. Según el Instituto Norteamericano de Robótica RIA: Manipulador multifuncional y programable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programados y variables que permiten llevar a cabo diversas tareas. (Definición no aceptada por Japón). Manipulador: mecanismo generalmente compuesto por elementos en serie, articulados uno con respecto al otro, cuyo objetivo es coger y desplazar objetos según varios grados de libertad. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 2

2 Automatización y Robótica La robótica es la parte de la automatización industrial que combina las máquinas-herramienta con la informática. La robótica se encarga del diseño, fabricación y utilización de máquinas automáticas programables con el fin de realizar tareas repetitivas como el ensamble de automóviles, componentes, etc. y otras actividades. La robótica se ocupa de todo lo concerniente a los robots: Control de motores Mecanismos automáticos neumáticos Sensores Sistemas de cómputos Etc. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 3 Tipos de automatización Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 4

3 Evolución de la robótica (I) Siglo XVIII Vaucanson construyó varios músicos de tamaño humano. En 1805 Maillardet construyó una muñeca mécánica, que mediante una programación a base de levas, era capaz de dibujar. Durante el siglo XIX, con la revolución industrial se construyen diversas máquinas automáticas relacionadas con la producción textil (hiladoras y telares). A finales de los 40 se trabaja en el campo de la telequérica (utilización de manipuladores remotos), para la manipulación de sustancias peligrosas. A principios de los 50 aparece el control numérico (CN). Máquinas-herramienta controladas mediante programas escrito en tarjetas perforadas. En los años 60 se instala el primer robot comercial en la Ford, el Unimate. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 5 Evolución de la robótica (II) En los 70 con la aparición de la informática se comienzan a desarrollar lenguajes para robots (WAVE, VAL,..) En la década de los 80 se trabaja en la impulsión directa mediante motores eléctricos, en la utilización de robots para líneas de fabricación flexible y en la programación gráfica de robots fuera de línea. En los 90 la investigación se orienta hacia la utilización de sensores para visión y tacto (Interacción con el entorno). En la actualidad se avanza hacia controladores basados en inteligencia artificial (Adaptación al entorno mediante sistemas de aprendizaje). Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 6

4 Anatomía del robot La anatomía del robot se refiere a la construcción física del cuerpo, brazo y muñeca de la máquina. Las articulaciones del cuerpo y del brazo se emplean para situar el efector final y las articulaciones de la muñeca se utilizan para orientar dicho efector final. A los movimientos de las articulaciones individuales de estas dos categorías se denominan grados de libertad Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 7 Efectores finales El efector final representa el elemento que está unido a la muñeca. Es la herramienta que permite que el robot realice una operación particular. Elementos de sujeción: Pinza Ventosa Electroimán Herramientas terminales: Pinza de soldadura por puntos Sopletes para soldadura o corte Cucharón para colada Atornillador Fresa-lija Pistola de pintura Cañón láser para corte o inspección Cañón de agua a presión Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 8

5 Tipos de articulaciones Lineal (L): movimiento deslizante o de traslación. Giratorias Rotacional (R): el eje de rotación es perpendicular a los ejes de las dos uniones. De torsión (T): el eje de rotación es paralelo a los ejes de las dos uniones. De revolución (V): la unión de entrada es paralela al eje de rotación y la de salida es perpendicular a dicho eje. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 9 Configuraciones de robots (I) Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 10

6 Configuraciones de robots (II) Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 11 Plan de notaciones de las articulaciones Configuraciones de robots (brazo y cuerpo): la notación comienza con la articulación más próxima a la base hasta llegar a la que se conecta a la muñeca Polar TRL Cilíndrica TLL LTL LVL Cartesiano LLL Brazo articulado TRR VVR Configuraciones de robots (muñeca): la notación comienza con la articulación más próxima a la interfaz del brazo hasta llegar a la placa de montaje del efector final De dos ejes (típica) :RT De tres ejes (típica) :TRT Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 12

7 Volumen de trabajo Es el espacio dentro del cual el robot puede manipular el extremo de la muñeca. El efector final se considera una adición al robot básico y no debe considerarse para el volumen de trabajo. Viene determinado por las características físicas: Configuración física Tamaños de los componentes del cuerpo, brazo y muñeca Los límites de los movimientos de las articulaciones Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 13 Sistemas de impulsión El sistema de impulsión proporciona al robot la capacidad para desplazar su cuerpo, brazo y muñeca a través de cables, poleas, cadenas, engranajes, etc. El sistema de impulsión determina la velocidad de los movimientos, la resistencia mecánica y su rendimiento dinámico. Su clasificación se realiza según el tipo de energía utilizado: Impulsión hidráulica Permiten una gran capacidad de carga Tiene una precisa regulación de velocidad Se utiliza cuando el tamaño del equipo es muy grande Impulsión eléctrica Es la que más se utiliza, por su fácil control La precisión de los movimientos es mayor que con otros sitemas Los robots electricos tienden a ser más pequeños además de permitir un funcionamiento con baterías Utilizan generalmente motores paso a paso o servomotores de CC. Impulsión neumática Emplea el aire comprimido como fuente de energía Los movimientos son rápidos pero de no mucha precisión. Músculos eléctricos Aparecidos recientemente en el mercado Se basan en un metal especial llamado Nitinol, sensible a la temperatura. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 14

8 Sistemas de coordenadas Coordenadas de articulación La posición del efector final se define por los valores de la variable de articulación (ángulos y extensiones) El número de valores de variable de articulación es igual al número de articulaciones. Coordenadas cartesianas Sistema de tres ejes perpendiculares (X, Y, Z) con el 0 situado en el centro de la base del robot. Cada punto que toma el efector final se define por tres valores que corresponden a las proyecciones de ese punto sobre los ejes X, Y y Z. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 15 Sistemas de control (I) De secuencia limitada Utilizan finales de carrera o topes mecánicos para indicar las posiciones relativas de las articulaciones Los movimientos se realizan mediante algún sistema secuenciador. No se considera programación Las aplicaciones típicas son de coger y situar De reproducción Mediante una unidad de control se enseñan (almacenan en memoria) al robot las posiciones o movimientos y luego el los repite bajo su propio control. Utilizan alguna forma de servocontrol para asegurar las posiciones almacenadas Se clasifican en dos categorías: Con control punto a punto (PTP) No almacenan la trayectoria, solo los puntos por los que pasa Se utilizan para carga y descarga y para soldadura por puntos Con control de trayectoria continua (CP) Almacenan los puntos inicial y final y el tipo de trayectoria La unidad de control debe calcular los puntos intermedios Se utilizan en pulverización (pintura), soldadura por arco o corte. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 16

9 Sistemas de control (II) Inteligentes Añaden a la capacidad de reproducir un ciclo de movimiento almacenado, la capacidad de interactuar con el entorno mediante la utilización de sensores. Exigen la utilización de un computador digital como controlador. Pueden modificar su ciclo programado y tomar decisiones lógicas en función de los datos recibidos de los sensores. Se suelen programar mediante lenguajes simbólicos sobre una computadora. Las aplicaciones pueden ser cualquiera de las que permiten los otro sistemas de control y otras más complejas según el tipo de sensor utilizado: presión, temperatura, tamaño, forma (visión artificial), etc. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 17 Rendimiento dinámico Velocidad de respuesta La capacidad de un robot para desplazarse a la siguiente posición en un breve espacio de tiempo. Es una función del sistema de control empleado. Estabilidad Es una medida de las oscilaciones durante el movimiento o al final del movimiento del brazo del robot. La estabilidad de mejora añadiendo elementos amortiguadores al diseño del robot. La velocidad de respuesta y la estabilidad son características opuestas, por lo que es necesario buscar soluciones de compromiso. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 18

10 Precisión de movimiento (I) Resolución espacial Se define como el más pequeño incremento de movimiento en el que el robot puede dividir su volumen de trabajo. Depende de: La resolución del sistema de control de posición Las inexactitudes mecánicas del robot (holguras, flexiones, distensiones de transmisión, etc.) que degradan la resolución del sistema de control. Exactitud La exactitud global es la capacidad para situar el extremo de la muñeca en el punto de destino deseado dentro del volumen de trabajo. Si se ignoran la inexactitudes mecánicas se puede definir como la mitad de la resolución del sistema de control. La exactitud real varía dentro del volumen de trabajo (brazo extendido mayores errores), por lo que se establecen mapas de error. La carga también influye en la exactitud, pues provoca mayores desviaciones de las uniones mecánicas. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 19 Precisión de movimiento (II) Repetitibilidad Es la capacidad del robot para situar su efector final en un punto del espacio programado con anterioridad. La repetitibilidad y la exactitud son aspectos diferentes de la precisión La exactitud está relacionada con la capacidad para programar un punto de destino determinado La repetitibilidad se refiere a la capacidad del robot para volver al punto programado cuando se le ordena. El error de repetitibilidad es una variable aleatoria y constituye una distribución estadística. Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 20

11 Otras características Velocidad de movimiento Determina la rapidez con que el robot puede realizar un ciclo de trabajo determinado. Existe una relación inversa entre la exactitud y la velocidad de los movimientos del robot. La velocidad óptima para un ciclo de producción depende de: La exactitud con la que debe situarse el extremo de la muñeca El peso del objeto que se manipula La distancia a recorrer Capacidad de transporte de carga Está determinada por el tamaño, la configuración, la construcción y el sistema de impulsión del robot. Esta capacidad se especifica bajo la condición de que el brazo del robot esté en su posición más débil (brazo extendido al máximo) Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 21 Sensores robóticos Los sensores permiten al robot interactuar con el medio, tanto para conocer su propio estado, sensores internos (posición y velocidad de los ejes y articulaciones), como el estado del entorno, sensores externos (táctiles, de proximidad y alcance, visión artificial). Los sensores pretenden en cierta forma imitar los sentidos que tienen los seres vivos. Se pueden dividir en las siguientes categorías: Sensores de presencia: finales de carrera, inductivos, capacitivos, efecto hall, ópticos y ultrasónicos. Sensores de posición y velocidad: potenciómetros, tacómetros y encoders. Sensores táctiles: microinterruptores y galgas extensométricas. Sensores de proximidad y alcance: infrarrojos, ultrasónicos, electromagnéticos. Visión artificial Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 22

12 Programación del robot Se define como la enseñanza de la tarea que debe realizar el robot. Engloba la trayectoria que debe seguir, el control del efector final y la respuesta a las señales de los sensores. Existen dos métodos básicos: Programación gestual Consiste en forzar el brazo del robot a desplazarse a través de la secuencia de movimientos requerida, almacenando los puntos mediante una caja de control. Para la reproducción de trayectorias, se le enseñan los extremos y el control calcula los puntos intermedios en función del tipo de trayectoria. Se utilizan para programar robots de reproducción Programación textual Mediante una computadora y un lenguaje de alto nivel se escribe la secuencia que el robot deberá seguir, pudiendo realizar cálculos y tomar decisiones lógicas en función de los datos procedentes de los sensores. La programación se realiza off-line, sin interferir en el trabajo del robot. Se utiliza en los llamados robots inteligentes Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 23 Aplicaciones Transferencia de material Mover una pieza de una posición a otra. Se puede complicar si la pieza está en movimiento Carga/descarga de máquinas Fundición y moldeado Forjado, mecanizado y estampación Operaciones de apilatamiento y paletización Operaciones de procesamiento Soldadura por puntos Soldadura de arco continuo Recubrimiento al spray Torneado y fresado Corte por chorro de agua o láser Ensamblaje e inspección Sistemas de montaje en serie Inspección mecánica (dimensiones) y control de calidad (ensayos de fiabilidad) Visión artificial (ej.: inspección de PCB) Robótica Industrial Tema1: Fundamentos de Robótica 24

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