Estructura de un robot industrial Componentes Caractersticas principales Configuraciones morfolgicas del manipulador

ComponentesComo se adelant enEl sistema robtico, un robot est formado por los siguientes elementos: estructura mecnica, transmisiones, actuadores, sensores, elementos terminales y controlador. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (mquinas herramientas y otras muchas mquinas emplean tecnologas semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con caractersticas especficas.La constitucin fsica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatoma de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan trminos como cintura, hombro, brazo, codo, mueca, etc.

Los elementos que forman parte de la totalidad del robot son: manipulador controlador dispositivos de entrada y salida de datos dispositivos especiales

Manipulador

Mecnicamente, es el componente principal. Est formado por una serie de elementos estructurales slidos oeslabonesunidos mediantearticulacionesque permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.

Las partes que conforman el manipulador reciben, entre otros, los nombres de:cuerpo, brazo,muecayactuador final(o elemento terminal). A este ltimo se le conoce habitualmente comoaprehensor, garra, pinzaogripper.

Cada articulacin provee al robot de, al menos, ungrado de libertad. En otras palabras, las articulaciones permiten al manipulador realizar movimientos: Linealesque pueden ser horizontales o verticales.

Angulares (por articulacin)

(En los dos casos lalnea rojarepresenta la trayectoria seguida por el robot).Existen dostipos de articulacinutilizados en las juntas del manipulador: Prismtica /Lineal- junta en la que el eslabn se apoya en un deslizador lineal. Acta linealmente mediante los tornillos sinfn de los motores, o los cilindros. Rotacional- junta giratoria a menudo manejada por los motores elctricos y las transmisiones, o por los cilindros hidrulicos y palancas.

Bsicamente, la orientacin de un eslabn del manipulador se determina mediante los elementosroll,pitchyyaw

A lamuecade un manipulador le corresponden los siguientes movimientos o grados de libertad:giro(hand rotate),elevacin(wrist flex) ydesviacin(wrist rotate) como lo muestra el modelo inferior, aunque cabe hacer notar que existen muecas que no pueden realizar los tres tipos de movimiento.

Elactuador final(gripper) es un dispositivo que se une a la mueca del brazo del robot con la finalidad de activarlo para la realizacin de una tarea especfica. La razn por la que existen distintos tipos de elementos terminales es, precisamente, por las funciones que realizan. Los diversos tipos podemos dividirlos en dos grandes categoras:pinzas y herramientas.Se denominaPunto de Centro de Herramienta(TCP,Tool Center Point) al punto focal de la pinza o herramienta. Por ejemplo, el TCP podra estar en la punta de una antorcha de la soldadura.Controlador

Como su nombre indica, es el que regula cada uno de los movimientos del manipulador, las acciones, clculos y procesado de la informacin. El controlador recibe y enva seales a otras mquinas-herramientas (por medio de seales de entrada/salida) y almacena programas.Existen varios grados de control que son funcin del tipo de parmetros que se regulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de controladores: de posicin: el controlador interviene nicamente en el control de la posicin del elemento terminal; cinemtico: en este caso el control se realiza sobre la posicin y la velocidad; dinmico: adems de regular la velocidad y la posicin, controla las propiedades dinmicas del manipulador y de los elementos asociados a l; adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, adems, se ocupa de controlar la variacin de las caractersticas del manipulador al variar la posicinOtra clasificacin de control es la que distingue entrecontrol en bucle abiertoycontrol en bucle cerrado.El control en bucle abierto da lugar a muchos errores, y aunque es ms simple y econmico que el control en bucle cerrado, no se admite en aplicaciones industriales en las que la exactitud es una cualidad imprescindible. La inmensa mayora de los robots que hoy da se utilizan con fines industriales se controlan mediante un proceso en bucle cerrado, es decir, mediante un bucle derealimentacin. Este control se lleva a cabo con el uso de un sensor de la posicin real del elemento terminal del manipulador. La informacin recibida desde el sensor se compara con el valor inicial deseado y se acta en funcin del error obtenido de forma tal que la posicin real del brazo coincida con la que se haba establecido inicialmente.Dispositivos de entrada y salida

Los ms comunes son:teclado, monitor y caja de comandos (teach pendant).En el dibujo se tiene un controlador(computer module)que enva seales a los motores de cada uno de los ejes del robot y la caja de comandos(teach pendant)la cual sirve para ensearle las posiciones al manipulador del robot.

La siguiente figura muestra unteach pendatpara un tipo de robot industrial.

Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y, a su vez, ver los datos del controlador. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta programas de control, comnmente se utiliza una computadora adicional. Es necesario aclarar que algunos robots nicamente poseen uno de estos componentes. En estos casos, uno de los componentes de entrada y salida permite la realizacin de todas las funciones.Las seales de entrada y salida se obtienen mediante tarjetas electrnicas instaladas en el controlador del robot las cuales le permiten tener comunicacin con otras mquinas-herramientas

Se pueden utilizan estas tarjetas para comunicar al robot, por ejemplo, con las mquinas de control numrico (torno, ...). Estas tarjetas se componen de relevadores, los cuales mandan seales elctricas que despus son interpretadas en un programa de control. Estas seales nos permiten controlar cundo debe entrar el robot a cargar una pieza a la mquina, cuando deben empezar a funcionar la mquina o el robot, etc.Dispositivos especiales

Entre estos se encuentran los ejes que facilitan el movimiento transversal del manipulador y las estaciones de ensamblaje, que son utilizadas para sujetar las distintas piezas de trabajo.En la estacin del robot Move Master EX (Mitsubishi) representada en la figura se pueden encontrar los siguientes dispositivos especiales:A. Estacin de posicin sobre el transportador para la carga/descarga de piezas de trabajo.B. Eje transversal para aumentar el volumen de trabajo del robot.C. Estacin de inspeccin por computadora integrada con el robot.D. Estacin de ensamble.El robot cuenta con seales de entrada/salida para poder realizar la integracin de su funcin incorporando estos elementos.

Principales caractersticas de los RobotsA continuacin se describen las caractersticas ms relevantes propias de los robots y se proporcionan valores concretos de las mismas, para determinados modelos y aplicaciones. Grados de libertad Espacio de trabajo Precisin de los movimientos Capacidad de carga Velocidad Tipo de actuadores ProgramabilidadGrados de libertad (GDL)

Cada uno de los movimientos independientes (giros y desplazamientos) que puede realizar cada articulacin con respecto a la anterior.Son los parmetros que se precisan para determinar la posicin y la orientacin del elemento terminal del manipulador. El nmero de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que lasarticulacionesempleadas suelen ser nicamente de rotacin y prismticas, con un solo grado de libertad cada una, el nmero de GDL del robot suele coincidir con el nmero de articulaciones que lo componen.Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parmetros, tres para definir la posicin y tres para la orientacin, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con l la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisar al menos seis grados de libertad.En la imagen se muestra el esquema de un robot de estructura moderna con 6 GDL; tres de ellos determinan la posicin del aprehensor en el espacio (q1, q2 y q3) y los otros 3, la orientacin del mismo (q4, q5 y q6).Un mayor numero de grados de libertad conlleva un aumento de la flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal. Aunque la mayora de las aplicaciones industriales requieren 6 GDL, como las de la soldadura, mecanizado y paletizacin, otras ms complejas requieren un nmero mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Si se trabaja en un entorno con obstculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le permitir acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstculos, no hubieran llegado conseis grados de libertad. Otra situacin frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando as el volumen del espacio al que puede acceder. Tareas ms sencillas y con movimientos ms limitados, como las de la pintura y paletizacin, suelen exigir 4 o 5 GDL.Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que elrobot es redundante.Observando los movimientos del brazo y de la mueca, podemos determinar el nmero de grados de libertad que presenta un robot. Generalmente, tanto en el brazo como en la mueca, se encuentra un abanico que va desde uno hasta los tres GDL. Los grados de libertad del brazo de un manipulador estn directamente relacionados con suanatoma o configuracin.Espacio (volumen) de trabajo

Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad, definen la zona de trabajo del robot, caracterstica fundamental en las fases de seleccin e implantacin del modelo adecuado.La zona de trabajo se subdivide en reas diferenciadas entre s, por la accesibilidad especifica del elemento terminal (aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente o con el determinado ngulo de inclinacin.Tambin queda restringida la zona de trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.El volumen de trabajo de un robot se refiere nicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su mueca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma en cuenta el actuador final. La razn de ello es que a la mueca del robot se le pueden adaptargrippersde distintos tamaos.Para ilustrar lo que se conoce como volumen de trabajo regularyvolumen de trabajo irregular, tomaremos como modelos varios robots.Elrobot cartesianoy el robot cilndrico presentan volmenes de trabajo regulares. El robot cartesiano genera una figura cbica.

El robot deconfiguracin cilndricapresenta un volumen de trabajo parecido a un cilindro (normalmente este robot no tiene una rotacin de 360)

Por su parte, los robots que poseen unaconfiguracin polar, los de brazo articulado y los modelosSCARApresentan un volumen de trabajo irregular.

Para determinar el volumen de trabajo de un robot industrial, el fabricante generalmente indica un plano con los lmites de movimiento que tiene cada una de las articulaciones del robot, como en el siguiente caso:

Precisin de los movimientos

La precisin de movimiento en un robot industrial depende de tres factores: resolucin espacial exactitud repetibilidadLaresolucin espacialse define como el incremento ms pequeo de movimiento en que el robot puede dividir su volumen de trabajo.

Para explicar con mayor precisin el trmino resolucin espacial tomemos el siguiente ejemplo:

En el dibujo anterior supongamos que utilizando elteach pendantmovemos el robot de P1 al P2. P2-P1 representa el menor incremento con el que se puede mover el robot a partir de P1. Si vemos estos incrementos en un plano se vera como una cuadricula. En cada interseccin de lneas se encuentra un punto "direccionable", es decir un punto que puede ser alcanzado por el robot. De esta forma la resolucin espacial puede definirse tambin como la distancia entre dos puntos adyacentes (en la figura la distancia entre puntos est muy exagerada a efectos de explicar el trmino). Estos puntos estn tpicamente separados por un milmetro o menos, dependiendo del tipo de robot.La resolucin espacial depende de dos factores: lossistemas que controlan la resoluciny lasinexactitudes mecnicas.Depende delcontrol del sistemaporque ste, precisamente, es el medio para controlar todos los incrementos individuales de una articulacin. Los controladores dividen el intervalo total de movimiento para una junta particular en incrementos individuales (resolucin de control o de mando). La habilidad de dividir el rango de la junta en incrementos depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando. El nmero de incrementos separados e identificables para un eje particular es: 2n. Por ejemplo, en un robot con n=8 la resolucin de mando puede dividir el intervalo del movimiento en 256 posiciones discretas. As, la resolucin de mando es:intervalo de movimiento/256. Los incrementos casi siempre son uniformes.Las inexactitudes mecnicasse encuentran estrechamente relacionadas con la calidad de los componentes que conforman las uniones y las articulaciones. Como ejemplos de inexactitudes mecnicas pueden citarse la holgura de los engranajes, las tensiones en las poleas, las fugas de fluidos, etctera.

Laexactitudse refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo de su mueca en un punto sealado dentro del volumen de trabajo. Mide la distancia entre la posicin especificada, y la posicin real del actuador terminal del robot. Mantiene una relacin directa con la resolucin espacial, es decir, con la capacidad del control del robot de dividir en incrementos muy pequeos el volumen de trabajo.

En el siguiente dibujo, si quisiramos mover el robot exactamente al punto donde se encuentra la pieza de trabajo, el robot solamente podra acercarse al objeto posicionndose en el punto direccionable ms prximo. En otras palabras, no podra colocarse exactamente en la posicin requerida.

Un robot presenta una mayor exactitud cuando su brazo opera cerca de la base. A medida que el brazo se aleja de la base, la exactitud se ir haciendo menor. Esto se debe a que las inexactitudes mecnicas se incrementan al ser extendido el brazo. Otro factor que afecta a la exactitud es el peso de la carga; las cargas ms pesadas reducen la exactitud (al incrementar las inexactitudes mecnicas). El peso de la carga tambin afecta la velocidad de los movimientos del brazo y la resistencia mecnica.Si las inexactitudes mecnicas son despreciables la Exactitud = resolucin de mando/2

Larepetibilidad, se refiere a la capacidad del robot de regresar al punto programado las veces que sean necesarias. Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repeticin de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada.

En el dibujo anterior al robot se le indic mediante un comando de programacin que regresara al puntoPP(punto programado). El robot se puede colocar en el punto de regreso (PR) o en otro punto de regreso que tenga la misma distancia haciaPP. En el dibujo la diferencia entre los puntosPPyPRest muy exagerada. Dependiendo del trabajo que se deba realizar, la precisin en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor. As por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha caracterstica ha de ser menor a 0.1 mm. En soldadura, pintura y manipulacin de piezas, la precisin en la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3 mm y en las operaciones de mecanizado, la precisin ha de ser menor de 1mm.La repetibilidad de punto es a menudo ms pequea que la exactitud.

Comentarios: Los errores al azar (friccin, torcimiento estructural, la dilatacin trmica, ...), que aumentan conforme el robot opera e impiden al robot volver a la misma situacin exacta, pueden asociarse a una distribucin de probabilidad sobre cada punto.

En una situacin mecnica perfecta, la exactitud y la resolucin del mando se determinaran como a continuacin:

Puntos significativos para la determinacin de la precisin:

Capacidad de carga

El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes, incluyendo el peso de la propia garra.En modelos de robots indstriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de carga es una de las caractersticas que ms se tienen en cuenta en la seleccin de un robot, segn la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es comn precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.Velocidad

Se refiere a la velocidad mxima alcanzable por elTCPo por las articulaciones. En muchas ocasiones, una velocidad de trabajo elevada, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por lo que esta magnitud se valora considerablemente en la eleccin del mismo.En tareas de soldadura y manipulacin de piezas es muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja.Tipo de actuadores

Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser, segn la energa que consuman, de tipo olehidrulico, neumtico o elctrico.Los actuadores de tipo olehidrulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energa que emplean, se construyen con mecnica de precisin y su coste es elevado. Los robots hidrulicos se disean formando un conjunto compacto la central hidrulica, la cabina electrnica de control y el brazo del manipulador.La energa neumtica dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta junto a un bajo coste, pero su empleo est siendo sustituido por elementos elctricos.Los motores elctricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el campo de la Robtica, por su gran precisin en el control de su movimiento y las ventajas inherentes a la energa elctrica que consumen.Programabilidad

La inclusin del controlador de tipo microelectrnica en los robots industriales, permite la programacin del robot de muy diversas formas.En general, los modernos sistemas de robots admiten la programacin manual, mediante un modulo de programacin.Las programaciones gestual y textual, controlan diversos aspectos del funcionamiento del manipulador:- Control de la velocidad y la aceleracin.- Saltos de programa condicionales.- Temporizaciones y pausas.- Edicin, modificacin, depuracin y ampliacin de programas.- Funciones de seguridad.- Funciones de sincronizacin con otras maquinas.- Uso de lenguajes especficos de Robtica.

Tipos de configuraciones morfolgicasLa estructura del manipulador y la relacin entre sus elementos proporcionan una configuracin mecnica, que da origen al establecimiento de los parmetros que hay que conocer para definir la posicin y orientacin del elemento terminal. Fundamentalmente, existen cuatro estructuras clsicas en los manipuladores, que se relacionan con los correspondientes modelos de coordenadas en el espacio y que se citan a continuacin: cartesianas, cilndricas, esfricas, angulares.As, elbrazo del manipuladorpuede presentar cuatro configuraciones clsicas: cartesiana cilndrica esfrica de brazo articulado,y una no clsica: SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm).El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con caractersticas a tener en cuenta tanto en el diseo y construccin del robot como en su aplicacin. Las combinaciones ms frecuentes son con tres articulaciones, que son las ms importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto en el espacio. A continuacin se presentan las caractersticas principales de las configuraciones del brazo manipulador.Cartesiana / Rectilnea-El posicionando se hace en el espacio de trabajo con las articulaciones prismticas. Esta configuracin se usa bien cuando un espacio de trabajo es grande y debe cubrirse, o cuando la exactitud consiste en la espera del robot. Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de libertad, los cuales corresponden a los movimientos localizados en los ejes X, Y y Z.Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base en interpolaciones lineales. Interpolacin, en este caso, significa el tipo de trayectoria que realiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto y otro. A la trayectoria realizada en lnea recta se le conoce como interpolacin lineal y a la trayectoria hecha de acuerdo con el tipo de movimientos que tienen sus articulaciones se le llama interpolacin por articulacin.

Cilndrica- El robot tiene un movimiento de rotacin sobre una base, una articulacin prismtica para la altura, y una prismtica para el radio. Este robot ajusta bien a los espacios de trabajo redondos. Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea, que presenta tres grados de libertad.

Este robot est diseado para ejecutar los movimientos conocidos como interpolacin lineal e interpolacin por articulacin. La interpolacin por articulacin se lleva a cabo por medio de la primera articulacin, ya que sta puede realizar un movimiento rotacional.

Esfrica / Polar- Dos juntas de rotacin y una prismtica permiten al robot apuntar en muchas direcciones, y extender la mano a un poco de distancia radial. Los movimientos son: rotacional, angular y lineal.Este robot utiliza la interpolacin por articulacin para moverse en sus dos primeras articulaciones y la interpolacin lineal para la extensin y retraccin.

de Brazo articulado / Articulacin esfrica / Articulacin coordinada / Rotacin / Angular- El robot usa 3 juntas de rotacin para posicionarse. Generalmente, el volumen de trabajo es esfrico. Estos tipos de robot se parecen al brazo humano, con una cintura, el hombro, el codo, la mueca. Presenta una articulacin con movimiento rotacional y dos angulares. Aunque el brazo articulado puede realizar el movimiento llamado interpolacin lineal (para lo cual requiere mover simultneamente dos o tres de sus articulaciones), el movimiento natural es el de interpolacin por articulacin, tanto rotacional como angular.

SCARA- Similar al de configuracin cilndrica, pero el radio y la rotacin se obtiene por uno o dos eslabones. Este brazo puede realizar movimientos horizontales de mayor alcance debido a sus dos articulaciones rotacionales. El robot de configuracinSCARAtambin puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercera articulacin).