introduccion ROBOTICA

Robtica y sus Aplicaciones. Guiovanny Suarez Rivera.

ROBOTICA Y SUS APLICACIONES

Guiovanny Surez Rivera

Primera Edicin

2010


ROBOTICA Y SUS APLICACIONES

PRIMERA EDICIN

MEDELLN, 2010.


RESEA HISTRICA

En la antigedad, el hombre creaba artefactos capaces de realizar tareas diarias y comunes para

los hombres, que le facilitaron las labores cotidianas, entre estos artefactos podemos mencionar:

La rueda, utilizada como medio de transporte o como herramienta.

Fig. 1 Rueda fabricada en piedra

Los engranajes, utilizados en diversas aplicaciones como por ejemplo en la fabricacin de relojes y cajas musicales.

Fig. 2 Relojes y cajas musicales siglos XVII y XVIII


La catapulta, como arma de guerra en el Imperio Romano.

Fig. 3 Catapulta Romana

El molino, como moledor de granos.

Fig. 4 Molino de agua


Tteres, que solo realizaban movimientos repetitivos y servan para divertir a los reyes o grandes gobernantes.

Fig. 5 Autmata de Jaquet - Droz

En el ao 85 D.C. en Grecia se crean los autmatas, siendo los ms representativos la fuente de

pjaros cantores de Hern de Alejandra.

Fig. 6 Fuente de Pjaros Cantores de Hern de Alejandra


En la edad media se crea el gallo de Estranburgo en 1352.

Fig. 7 Gallo de Estranburgo

En la edad del renacimiento, se cuenta con el Len Mecnico de Leonardo Davinci en 1499.

Fig. 8 Len Mecnico de Leonardo Davinci

El len original no pudo ser recuperado, pero el maestro Renato Boaretto ha recreado el animal

mecnico gracias a descripciones escritas en la poca y a dibujos de los mecanismos que se han

conservado.

Otro de los grandes inventos de este gran ingeniero de la poca del Renacimiento, fue el Robot

Davinciano. Este autmata es capaz de mover cuello y brazos con suficiente soltura como para

resultar indistinguible de un humano con armadura. La idea de Leonardo era crear un ejrcito de

soldados robots.


Fig. 9 Robot Davinciano

En los siglos XVIII y XIX, aparecen los muecos flautistas de Jacques Vaucanson, as como el

pato de Vaucanson en 1738.

Fig. 10 Pato de Vaucanson


En 1770 se crea el escriba, organista, dibujante de Jaquet Droz.

Fig. 11 Escribas de Jaquet Droz

En 1921 es usada por primera vez la palabra Checa Robot, por el escritor checo Karel Capek en

uno de sus libros Rossum`s Universal Robot, el cual fue llevado al teatro.

Fig.12 Obra literaria Rossum`s Universal Robot

Aos mas tarde esta palabra fue retomada por diversos escritores de ciencia ficcin, entre los que

ms se destaco fue Isaac Asimov, quien se dio a la tarea de difundir en sus obras esta palabra.

Una de sus obras ms representativas fue Robot AL76 Goes Astray y Runaroud en las que utiliz la palabra robot y robtica; y con ello contribuyo a la divulgacin y difusin de la

robtica, logrando despertar el inters por esta nueva disciplina por parte de las industrias y los

investigadores. En su ltima obra, en 1945, formulo las 3 leyes de la robtica:


Fig. 13 Escritor Isaac Asimov y su obra literaria ms conocida I, Robot

1. Un robot no puede daar a un ser humano o, por inaccin, permitir que un ser humano resulte daado.

2. Un robot debe obedecer las rdenes dadas por los seres humanos excepto cuando tales ordenes entre en conflicto con la primera ley.

3. Un robot debe proteger su propia existencia hasta donde esta proteccin no entre en conflicto con la primera y segunda ley.

Adicional a estas leyes se enunci una cuarta Ley, conocida como la ley cero, la cual dice:

Un robot no puede lastimar a la humanidad o por falta de accin, permitir que la humanidad sufra dao. Siendo esta una ley mas general que la primera ley.

Ya con el apogeo industrial y la necesidad de encontrar soluciones rpidas y efectivas a los

problemas de manufactura, se inicia con la era de la robotizacin industrial.

En el ao 1948 surgen los primeros robots industriales tele manipuladores de Goertz, fabricados

por la empresa Argonne Nacional Laboratory.


Fig. 14 Ray Goertz operando el primer Robot Telemanipulado

Para 1958 Generic Electric desarrolla un robot para el traslado de piezas peligrosas, conocido

como el Handy Man de Mosher, pero 2 aos antes se haba creado el primer robot industrial para desplazamiento de piezas del tipo manipulador, de la empresa Devol-Engel-Berger fundan

Unimation.

Fig. 15 Primer Robot Industrial y su creador George Devol


Debido a esta acelerada difusin de la robtica industrial, surgieron varias asociaciones de

robtica, siendo las ms representativas las siguientes:

JIRA: Asociacin Japonesa de Robots Industriales (1972)

RIA: Asociacin Americana de Robtica Industrial (1974)

En 1973 aparece en el mercado el primer robot con accionamiento totalmente elctrico, bautizado

como el IRB6 ASEA.

Fig. 16 Robot IRB 6 ASEA

En 1982 es fabricado por el profesor Makino de la universidad Yamanashi de Japn, el robot

SCARA (Selective Compliance Assembly Robot ARM).

Fig. 17 Robot SCARA


Fig. 18 Hiroshi Makino, Inventor robot SCARA

Para la era contempornea, en 1995 ya se contaba con 600.000 robots de diferentes tipos, unos

para tareas industriales y no industriales (de servicio) aplicables estos ltimos en la medicina, el

espacio, la construccin, la minera, entre otras. As mismo se innov en los robots Tele

manipuladores con el avance en la electrnica, utilizando medios inalmbricos y la telemtica, as

como tambin la realidad virtual.

Fig.19 Primer Robot enfermero. Desarrollo del centro RIKEN


Fig. 20 Robotnaut 2. Desarrollo de NASA

Fig. 21 Robot Teleoperado para Demoliciones


Fig. 22 Robots Industriales en ensamble Automotriz

Surge una nueva gama de robots que simulan la apariencia humana como lo son los androides y

la animal, estos ltimos conocidos como zoomrficos, ambos muy utilizados para fines

comerciales y de entretenimiento.

Fig. 23 Animatronics Tiranosaurio Fig. 24 Alvaro Villa. Colombiano

Constructor de Animatronics


A partir del ao 2000 surgen nuevos adelantos en la fsica del estado slido, y a partir de ella se

crean unas nuevas criaturas robticas llamadas Nanobots, utilizados para fines mdicos.

Fig. 25 Simulacin de nanobot

Fig. 26 Nanobot tipo insecto

Surge una nueva y mejorada lnea de androides a travs de la empresa Honda, con la creacin del

Androide ASIMO, as como implementacin de nuevos algoritmos de la inteligencia Artificial en

robots que simulan los comportamientos de los seres humanos, y que pueden aprender.


Fig. 27 ASIMOV en Robocup

Todo este acelerado auge de la robtica condujo a una clasificacin estndar internacional de la

robtica, por parte de las asociaciones de la robtica en el mundo, dando cada uno de ellos una

definicin de robot y su correspondiente clasificacin.

Fig. 28 Robocup 2010. Singapure


Fig. 29 Matrimonio con robots en el futuro

Las fantasas que fueron parte de pelculas como Blade Runer o el hombre Bicentenario podran

convertirse en realidad en el ao 2050, segn pronstico de un Cientfico Ingls. Segn David

Levy, investigador de Inteligencia Artificial, consider que para esa fecha existirn androides

idnticos a los humanos, capaces de moverse, hablar y hasta excitarse, incluso pronostic que la

humanidad asistir a matrimonios de humanos con robots, algo que al principio puede ser bizarro.


ROBOT

Definiciones generales

Su definicin no es nica y a veces resulta contradictoria, ya que de ella se tienen diferentes definiciones generales y especficas. Entre ellas tenemos:

Ingenio mecnico, controlado electrnicamente, capaz de moverse y de ejecutar de forma automtica acciones diversas, siguiendo un programa establecido.

Maquina controlada por computadora y programada para moverse, manipular objetos y realizar trabajos a la vez que interaccionan con su entorno.

Definiciones especficas

JIRA: Maquina capaz de realizar movimientos verstiles, parecidos a los de nuestras

extremidades superiores, con cierta capacidad sensorial, de reconocimiento y capaces de

controlar su comportamiento.

RIA: Manipulador multifuncional y reprogramable, diseado para mover cargas, materiales,

piezas, herramientas y dispositivos especiales, segn variadas trayectorias, programados para

realizar diferentes tareas.

OSI: Maquina formada por un mecanismo que posee varios grados de libertad; a menudo da la

apariencia de uno o ms brazos que terminan en una mueca, una pieza de trabajo o un

dispositivo de inspeccin. Posee una unidad de control con memoria y en algunos casos sensores

y dispositivos de adaptacin para extraer informacin de su medio ambiente. Estas mquinas de

propsitos mltiples se disean para llevar a cabo funciones repetitivas fcilmente modificables.

De lo anterior podemos decir que la ROBTICA, es un conjunto de disciplinas que convergen

a un objetivo: cumplir las aspiraciones de suministrar al hombre de un mecanismo que lo

libere de actividades tediosas y/o peligrosas y que est a su servicio con un grado de autonoma

y dependencia


Veamos entonces cuales serian algunas de esas disciplinas convergentes:

Fig. 30 Disciplinas convergentes en la Robtica

1. CLASIFICACIN GENERAL DE LOS ROBOTS

Robots Manipuladores

Estos a su vez pueden ser:

Robots de servicio o de intervencin: son dispositivos electromecnicos mviles o estacionarios, dotados de uno o varios brazos mecnicos, controlados por ordenador o

que realizan tareas de servicio, se conocen tambin como robots no industriales. Dentro

de esta categora estn los robots utilizados como ayuda a discapacitados (silla

robotizada, robot enfermero), robots de laboratorio (inspeccin, traslado de muestras

biolgicas o qumicas), los robots didcticos, robots utilizados en operaciones de alto

riesgo (desactivacin de explosivos, traslado de material radioactivo) y los robots de

exploracin submarina, entre otros. La justificacin de su uso se fundamenta en razones

Informtica

Diseo

Psicologa

Inteligencia

Artificial

RNS, Fuzzy SES

Mecnica

Electrnica

Religin

Filosofa

Leyes

Teora

Control

Medicina

Mecatrnica

ROBTICA


de ndole social, quedando las razones de tipo econmico relegadas a un segundo

plano.

Robots industriales: estos se clasifican con base en diferentes criterios, entre ellos est la clasificacin de la AFRI (Asociacin Francesa de Robtica Industrial) y de la IFR

(Federacin Internacional de Robtica). La justificacin de su uso se fundamenta en

razones de ndole productivos, quedando las razones de tipo econmico en un primer

plano. Estos a su vez se clasifican en Tipos, Generaciones y Clases.

Segn la Asociacin Francesa de Robtica Industrial - AFRI:

Tipo A: manipuladores con control manual o telemando.

Tipo B: manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacin mediante fines de carrera o topes; control por PLC, accionamiento neumtico, elctrico o hidrulico.

Tipo C: robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimientos sobre su entorno.

Tipo D: robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funcin de stos.

Segn la International Federation of Robotics, IFR:

Primera Generacin: repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones de su entorno.

Segunda Generacin: adquiere informacin limitada de su entorno y acta en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visin) y detectar esfuerzos y adaptar sus

movimientos en consecuencia.

Tercera Generacin: su programacin se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee capacidad para planificacin automtica de tareas.

De acuerdo a sus funciones:

Clase 1: coger y dejar.

Clase 2: seguir trayectoria.

Clase 3: montaje de detalles.

Haciendo un paralelo entre estas dos clasificaciones se obtiene:

Primera Generacin Tipo C Clase 2 Segunda Generacin Tipo D Tercera Generacin Tipo B


De acuerdo al aprendizaje:

Robots manuales: el movimiento de sus elementos es controlado por el hombre.

Robots autnomos de secuencia fija: permiten gobernar el movimiento de sus elementos en forma autnoma, pero no es posible alterar sus operaciones o secuencias

de operacin.

Robots autnomos de secuencia variable: a diferencia del anterior, es posible alterar algunas de las caractersticas de los ciclos de trabajo.

Robots Programables: Pueden ser programados mediante programas especficos o mediante un proceso de aprendizaje en el cual un operador ensea inicialmente una

secuencia de movimientos, el sistema los memoriza y se limita a repetirlo

indefinidamente.

Robots Inteligentes: son manipuladores o sistemas mecnicos multifuncionales controlados por computador, capaces de relacionarse con su entorno y reaccionan ante

sus modificaciones, para ello requiere del concurso de sus sistemas de anlisis y control,

de sensores adecuados, de control de esfuerzos, de seguimiento de trayectorias, de

reconocimiento de imgenes etc.

De acuerdo al Control de su Trayectoria:

Control de trayectoria Punto a Punto: con ste el robot es programado para realizar una pausa en cada punto, para planear el prximo paso en una trayectoria

predeterminada. Este tipo de control ofrece mayor precisin en trminos de

repetibilidad.

Control de trayectoria Continua: el resultado de este tipo de control es un movimiento ms suave a lo largo de la trayectoria definida, pero se disminuye la

mxima velocidad posible en los recorridos.

De acuerdo a sus sistemas coordenados:

Esta clasificacin depende de los eslabones que corresponden a los cuerpos rgidos que

conforman el manipulador y de las articulaciones que son aquellas partes del manipulador

que permiten el movimiento de los eslabones que lo conforman. Estas articulaciones pueden

ser de diferentes tipos en la robtica:


Prismticas (Deslizantes), identificadas con la letra P o D.

Fig. 31 Articulacin Prismtica o Deslizante

De revolucin (de revoluta, rotativas), identificadas con la letra R.

Fig. 32 Articulacin Rotacional o de Revolucin

Existen otros tipos de articulaciones menos comunes en la robtica de manipuladores como

son:

Fig. 33 Otros tipos de articulaciones


Par helicoidal o de tornillo. Aqu son posibles un movimiento de rotacin y otro de

traslacin, que estn relacionados entre s por el paso de la rosca. En consecuencia, aunque

el movimiento relativo queda definido por dos parmetros, slo tienen un grado de libertad.

Par cilndrico. Aunque tambin hay un movimiento de rotacin y otro de traslacin, son

independientes uno del otro, por lo que tiene dos grados de libertad.

Par plano. Es poco frecuente en mecanismos. Tiene tres grados de libertad, que

corresponden a dos desplazamientos lineales y un giro.

Par esfrico. Se llama tambin articulacin de rtula. Permite la rotacin alrededor de cada

uno de los tres ejes coordenados, por lo que tienen tres grados de libertad. Es ms utilizada

en robots humanoides y zoomrficos.

El empleo de estas diferentes combinaciones de articulaciones en un brazo robot implica

diferentes tipos de configuraciones a saber:

1- CARTESIANA

Volumen de Trabajo Terico = L3

Fig. 34 Robot Cartesiano


Tiene tres ejes perpendiculares, por lo que posee 3 movimientos lineales prismticos, por lo

que su configuracin es PPP o 3P. Genera una figura tipo prisma al combinarse sus tres

movimientos, por lo que su volumen de trabajo es regular. Como desventaja tiene que

requiere de un espacio muy grande para trabajar y un gran porcentaje de este espacio no est

incluido dentro de su volumen de trabajo, es decir, no es posible acceder a todo este espacio

con el efector final del robot.

2- CILINDRICA

Fig. 35 Robot Cilndrico

Volumen de Trabajo Terico = 9L3

Tiene 2 ejes prismticos ortogonales entre s, montados sobre una base giratoria. Esta

configuracin se conoce como RPP o R2P, su volumen o entorno de trabajo generado

corresponde a una porcin de cilindro si su giro de la base es


3- POLAR ESFRICA

Fig. 36 Robot Esfrico

Volumen de Trabajo Terico= 29L3

Tiene 2 ejes rotacionales y 1 prismtico. Esta configuracin se conoce como RRP o 2RP. El

alcance de un punto en el espacio se logra mediante un brazo telescpico que se extiende y se

retrae a lo largo de su eje, montado sobre una base giratoria con 2 ejes rotacionales

independientes. Como desventaja presenta grandes vacos en su volumen de trabajo.

4- ROBOT DE BRAZO ARTICULADO, ANTROPOMRFICO ANGULAR.

Fig. 37 Robot Antropomrfico

Volumen de Trabajo Terico = 33L3


Dotado de articulaciones rotacionales. Se le denomina antropomrfico por ser el que ms se

asemeja al brazo humano. Presenta algunos vacos en su volumen de trabajo, son los que tienen

mejores caractersticas de acceso con el efector final a la mayora de los puntos comprendidos en

su universo de trabajo. Por ser todas sus articulaciones de rotacin, presenta mayores

inconvenientes en la compensacin de cargos e inercias de rotacin, por lo que a medida que se

aumenta la longitud del brazo, los errores de posicionamiento tienden tambin a aumentar,

adems como los actuadores se ubican en las articulaciones, se requiere mayor compensacin de

cargas. La precisin en la base no es tan crtica como en las articulaciones.

5- ROBOT SCARA.

Fig. 38 Robot SCARA

Volumen de Trabajo Terico = 12.5L3


Es una versin especial del brazo articulado, una combinacin de las configuraciones esfrica y

cilndrica. Sus articulaciones de hombro y de codo giran alrededor de ejes verticales, permitiendo

giros en un plano horizontal. Esta configuracin proporciona rigidez en la direccin vertical, pero

flexibilidad en el plano horizontal, la cual lo hace ideal para tareas de montaje.

Las estructuras son menos afectadas cuando son sometidas a cargas gravitacionales y fuerzas

centrifugas, lo que si ocurrira si los ejes fueran horizontales. Su principal tarea es la de tomar y

dejar. (Pick and Place).

ROBOTS MVILES

Estos pueden desplazarse usando ruedas, patas y usualmente se mueven en dos dimensiones, sin

embargo existen otros que navegan en el agua y vuelan, que se clasifican como robots mviles de

3D siendo estos los ms difciles de controlar.

CLASIFICACION

De acuerdo al medio en el cual se desempean:

1. Acuticos: son aquellos robots submarinos de investigacin utilizados por las fuerzas navales y los investigadores cientficos.

Fig. 39 Robot Acutico

2. Terrestres: Utilizados en navegacin sobre terreno solido, como los robots de exploracin en volcanes en otros planetas como el enviado a Marte, Robot Spirit.


Fig. 40 Robot Terrestre de Exploracin

3. Robots Voladores: Utilizados como de reconocimiento y espas en los campos de batalla en la produccin de pelculas.

Fig. 41 Robot Volador de reconocimiento


De acuerdo a su sistema de locomocin:

1. Deslizante. Serpiente.

Fig. 42 Robot Serpiente ACM-R5

2. Rodante.

Fig. 43 Robot Ruber NASA


3. Caminadora. Bpeda, Multibpeda.

Fig. 44 Caminadoras Bpeda y Multibpeda

4. Rulante. Orugas.

Fig. 45 Robot tipo Oruga para seguridad perimetral


Segn el Grado de Autonoma:

1. Robots Mviles Autnomos: Tienen la capacidad para responder a situaciones cambiantes, ambiguas o impredecibles, sin la necesidad de la intervencin humana.

2. Robots Teleoperados: Operados a distancia. Las tareas de percepcin del entorno, planificacin y manipulacin compleja son realizadas por humanos.

Segn el Sistema de Guiado:

1. Vehculos de Guiado Automtico (AGV): Se desplazan por rutas prefijadas, marcadas con cables guas, imanes, patrones pticos, etc.

2. Vehculos Autnomos (AV): Generan sus movimientos automticamente ayudados por la informacin que sus sensores proporcionan.

OTROS TIPOS DE ROBOTS

ANDROIDES: Robots con los cuales se intenta reproducir total o parcialmente la forma y el

comportamiento cinemtico del ser humano.

Fig.46 Robot ASIMO-Honda


ZOOMRFICOS: Robots con los que trata de reproducir la forma y los comportamientos de los

animales.

Fig.47 Robot AIBO Fig. 48 Robot Hexpodo

HBRIDOS: Son combinaciones de los anteriormente expuestos, como por ejemplo un robot

mvil con un brazo antropomrfico.

Fig.49 Robot Humanoide sobre plataforma mvil


EXOESQUELETOS: Con ellos lo se que pretende es hacer ms fcil la vida de las personas con discapacidad fsica y aumentar el rendimiento de los militares en la zona de batalla.

Fig. 50 Exoesqueleto para rehabilitacin Fig. 51 Exoesqueleto Militar

NANOBOTS: Actualmente se encuentran en etapa de investigacin y desarrollo.

Son nano-mquinas, tambin llamados nanite, aparato mecnico o electromecnico cuyas

dimensiones son medidas en manmetros (millonsima parte de un milmetro, o unidades de

10^ (-9) metros). Se utilizaran para controlar el colesterol y el ritmo cardiaco, mostrar

informacin sobre el cuerpo humano y las enfermedades en la medicina. En la parte Militar

para el Espionaje.

Por ejemplo, Nanobots introducidos a nuestro flujo sanguneo podran complementar nuestro

sistema inmunolgico, as como buscar y destruir patgenos, clulas cancerosas y otros agentes

causantes de enfermedades.

Fig. 52 Nanobot en Desarrollo


ESTRUCTURA GENERAL DE LOS ROBOTS

Elementos que intervienen en la configuracin de un robot.

Fig. 53 Elementos de una configuracin general de los robots

Usuario: Es quien define la tarea, en la robtica industrial este papel lo desempea un operario. En la robtica de servicio dicha tarea es definida por el sistema de control

central, el cual se comunica con el robot y lo supervisa.

Entorno: Se constituye por todo el sistema externo al robot, se clasifica en:

Segn el grado de conocimiento previo: Conocido, desconocido y parcialmente conocido.

Segn el grado de su estado en el tiempo: Estticos o Dinmicos.

Robot: Corresponde al Hardware y Software se conforma de:

Estructura Hardware: corresponde a la estructura mecnica, sistema de accionamiento,

transmisiones y reducciones; sistema sensorial; elementos terminales; sistema electrnico

de control.

Estructura Software: Se compone de los sistemas de control, de procesamiento

sensorial, y de acondicionamiento de potencia.


En resumen podemos decir que el objetivo general de la robtica es sintetizar algunos aspectos

de la funcin animal (seres humanos y seres vivos) por medio de mecanismos, sensores,

actuadores y computadoras. Para el logro de este objetivo se requiere multitud de ideas

provenientes de diferentes campos, ya que no es comn que un solo individuo domine todos los

campos de la robtica. Por todo esto la robtica se divide en cuatro campos o reas principales, a

saber:

1. Manipulacin mecnica.

2. Locomocin.

3. Visin computacional.

4. Inteligencia artificial

En la manipulacin mecnica se tienen varios campos clsicos; siendo los ms relevantes la

mecnica, la teora del control y la ciencia computacional. Para este curso se abarcar la

geometra de los manipuladores, rea de la mecnica.

Lo que diferencia a un robot industrial de una mquina autmata es la sofisticacin de la

capacidad de programacin, ya que el primero puede programarse para realizar una amplia

variedad de aplicaciones y el segundo est limitado a una sola clase de tarea, por la cual es

considerado de automatizacin fija.

En la manipulacin mecnica, la ingeniera mecnica contribuye con metodologas para el

estudio de mquinas en situaciones estticas y dinmicas. Las matemticas proveen herramientas

para describir los movimientos espaciales y dems atributos de los manipuladores. La teora del

control proporciona herramientas para disear y evaluar algoritmos para realizar los movimientos

deseados y aplicaciones de fuerza. Las tcnicas de la Ingeniera elctrica se aplican en el diseo

de sensores e interfaces para robots industriales y la ciencia computacional contribuye con la base

para programar estos dispositivos para realizar la tarea deseada.

Definicin General de Robot

Sntesis de un importante bagaje de conocimientos cientfico-tcnicas, adecuadamente

conjuntadas para dar como resultado un dispositivo destinado a mejorar la produccin y la

calidad de vida.


MORFOLOGIA DEL ROBOT

Para un robot manipulador, su morfologa se compone de:

Estructura mecnica

Trasmisiones y Reductores

Sistemas de accionamiento (Actuadores)

Sistema Sensorial

Sistema de potencia y control

Elementos Terminales (Efector Final, herramienta, gripper, etc.)

Fig. 54 Morfologa Robot Antropomrfico

Estructura Mecnica: Mecnicamente un robot est conformado por una serie de eslabones

(partes rgidas) que se unen mediante articulaciones ( partes mviles) que facilitan el movimiento

entre cada dos eslabones consecutivos. En la figura por ejemplo podemos ver que el eslabn cero

(nombre dado a la base) se une mediante la articulacin uno al eslabn uno, por lo cual entre los

eslabones 0 y 1 se genera un movimiento rotacional.


Fig. 55 Cadena Cinemtica General

Grado de Libertad (GDL DOF)

Corresponde a cada uno de los movimientos independientes libres que puede realizar cada

articulacin respecto a la anterior.

Una articulacin rotacional simblicamente se representa:

Fig. 56 Representacin para una articulacin Rotacional

Una articulacin prismtica simblicamente se representa:

Fig. 57 Representacin para una articulacin Prismtica


Fig.58 Representacin simplificada de un Robot Cilndrico con mueca de 3 GDL

La gran mayora de los robots manipuladores industriales se asemejan a la anatoma del brazo

humano, Veamos:

Fig.59 Comparativo brazo humano Brazo Antropomrfico


Cuando una articulacin tiene un solo GDL se denomina Par Lineal. Si una articulacin posee

ms de 1 GDL, como es el caso la articulacin del hombro humano, se asume como si se tratara

de varias articulaciones diferentes, unidas por eslabones de longitud nula (cero).

Fig. 60 Representacin equivalente a una articulacin de 3 GDL

Fig. 61 Grados de Libertad en el cuerpo humano


La configuracin de la estructura mecnica de los robots industriales no busca una rplica

humana, sino funcional. Los robots manipuladores son, esencialmente, brazos articulados.

En la siguiente tabla se pueden observar las similitudes entre el brazo humano y el brazo robtico

Brazo Humano Brazo Robtico

Huesos Eslabones

Msculos Accionadores o motores

Tendones Transmisiones

Nervios Cables de seal

Tabla 1.


CADENA CINEMTICA

Corresponde a la serie de eslabones unidos por articulaciones.

Tipos de Cadenas Cinemticas:

1. Cerrada: Cuando desde cualquier eslabn se puede llegar a cualquier otro mediante al

menos 2 caminos. En la figura vemos un ejemplo de ella.

Fig. 62 Cadena Cinemtica Cerrada

Por ejemplo para ir del eslabn cero (E0) hasta el eslabn tres (E3) podemos utilizar el camino

que recorre los eslabones E1 y E2 el camino que recorre el eslabn cuatro (E4).

2. Abierta: Cuando slo hay un camino posible para llegar a un eslabn desde cualquier

otro. La figura muestra un ejemplo de ella.

Fig. 63 Cadena Cinemtica Abierta


3. Mixta: Corresponde a la combinacin de la cadena cinemtica abierta con la cadena cinemtica cerrada.

Fig. 64 Cadena Cinemtica Mixta

Formula de Grubler. Sirve para determinar el nmero de grados de libertad (GDL) de una

cadena cinemtica. Esta se define como:

Siendo; Numero de GDL del espacio de trabajo, tpicamente en el plano (espacio

bidimensional) y en el espacio (tridimensional).

Fig. 65 Sistema XY Fig. 66 Sistema XYZ


n: Nmero de eslabones (incluyendo el fijo o base)

J: Nmero de articulaciones

: GDL permitidos a la articulacin i

Ejemplo 1: Para las cadenas cinemticas mostradas en las figuras a y b, encuentre el # GDL

utilizando la formula de Grubler, y determine el tipo de cadena cinemtica.

Fig. a Fig. b

Sln. La figura a corresponde a una cadena cinemtica abierta, para la cual se tiene que se tiene

que; por ser un brazo planar, sea sus movimientos se generan en un solo plano. Para la

figura b, tambin el valor de = 3. En la tabla 2 se resumen las variables para cada cadena

cinemtica

VARIABLES Fig. a Fig. b

3 3

n 5 5

J 4 5

fi f1:1,f2:1,f3:1, f4:1 f1:1,f2:1,f3:1,f4:1,f5:1

Tabla 2.

Utilizando la frmula de Grubler, , se tiene que:

Para la cadena cinemtica de la figura a: NGDL = 3(4-5-1) + f1+f2+f3+ f4= 3(0)+1+1+1+1 =4

Para la cadena cinemtica de la figura b:

NGDL = 3(5-5-1) + f1+f2+f3+f4+f5 = 3(-1)+1+1+1+1+1=2


NOTA: En la gran mayora de los casos los robots manipuladores son cadenas cinemticas

abiertas con articulaciones de tipo rotacional o prismtica con 1 solo GDL cada una, por lo que

es sencillo hallar el NGDL del robot, pues este coincide con el numero de articulaciones que lo

componen, si y solo s cada articulacin tiene 1 GDL, caso que no aplica para robots con cadena

cinemtica cerrada como lo son los robots paralelos.

Resumiendo

Para una cadena cinemtica abierta:

El nmero de GDL es igual al nmero de articulaciones, si y slo s, cada articulacin tienen 1 Grado de Libertad (GDL).

El nmero de GDL es igual al nmero de eslabones 1, si y slo s, cada articulacin tienen 1 Grado de Libertad (GDL).

El nmero de GDL es igual a la sumatoria de los grados de Libertad presentes en cada

articulacin, o sea, es igual a

El factor , siempre ser igual a cero.

las tres primeras articulaciones son las ms importantes a la hora de posicionar el extremo del robot en un punto del espacio y las tres ltimas (en el caso de que las tuviese) son las

ms importantes a la hora de orientar el extremo del robot.

Los robots con cadena cinemtica cerrada (paralelos) son menos utilizados, y su anlisis es

diferente a los de cadena cinemtica abierta.

En la figura se puede ver una representacin de un robot paralelo conocido como plataforma de

Stewart - Gouth

Fig. 67 Robot Paralelo Stewart - Gouth


En la actualidad los robots de estructura angular o articular ocupan el 45% de la poblacin de

robots, seguidos de la cartesiana y SCARA. Los de estructura esfrica y cilndrica prcticamente

se encuentran en desuso.

Para posicionar y orientar un cuerpo cualquiera en el espacio son necesarios 6 parmetros, 3 para

definir la posicin y 3 para la orientacin, as que para que un robot logre posicionar y orientar su

extremo (pieza o herramienta) de cualquier modo en el espacio, se requiere de al menos 6 GDL.

En la prctica algunos robots industriales tienen 4 5 GDL, suficientes para llevar a cabo la tarea

encomendada. Hay casos en que el entorno cuenta con muchos obstculos para lo cual se requiere

dotar el robot con GDL adicionales para aumentar su maniobrabilidad. Otra tcnica que se utiliza

para aumentar el volumen de trabajo es adicionar 1 GDL al robot, utilizando una articulacin

prismtica en la base del robot. El adicionar una ms GDL a un robot industrial tanto para

aumentar su maniobrabilidad o su volumen de trabajo los hace llamar Robot Redundantes.

Tambin se vienen utilizando otras tcnicas como son alimentadores por gravedad o los

giratorios, los cuales lo que hacen es facilitarle a la herramienta del robot el contacto con la

aplicacin sin tener qu adicionarle ms Grados de Libertad.

Fig. 68 Alimentador por gravedad (piezas cuadradas y cilndricas)


Fig. 69 Disco giratorio alimentador Fig. 70 Carro con desplazamiento rectilneo, sobre el

cual se ubica la base del robot para aumentar el

volumen de trabajo

El volumen de trabajo, est formado por las posiciones dentro del espacio considerado que son

potencialmente alcanzables por el extremo del robot.

Fig. 71 Volumen de trabajo Robot Cartesiano Fig.72 Volumen de trabajo Robot Cilndrico


Fig. 73 Volumen de trabajo robot Esfrico Fig. 74 Volumen de trabajo robot SCARA

Fig. 75 Volumen de trabajo robot antropomrfico


Dentro del mbito de la Robtica Industrial, existen diferentes formas de modificar y/o aumentar

el volumen de trabajo de un robot industrial manipulador, entre ellas se tienen como posibilidades

el utilizar una articulacin tipo prismtica en la base del brazo, el adicionar ms articulaciones,

dar ms elongacin a los eslabones, utilizar alimentadores por gravedad o circulares. Por ejemplo

en las figuras 76 y 77 podemos apreciar celdas de manufactura flexible con partes de lo antes

mencionado.

Fig.76 CMF con bandas transportadoras, alimentadores circulares y por gravedad.

Fig. 77 Robot articulado montado sobre una articulacin prismtica

introduccion ROBOTICA

Documents

Transcript of introduccion ROBOTICA