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• Mery Vargas

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL

ROBOTS INDUSTRIALES Ing. Byron Lima

ROBOT INDUSTRIAL Algunas definiciones: Organización Internacional de Estándares (ISO): (ISO): Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas. Federación Internacional de Robótica (IFR): (IFR): Máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.

CLASIFICACIÓN DE LOS ROBOTS INDUSTRIALES Desde el punto de Vista Industrial Robots Manipuladores Robots de repetición o aprendizaje Robots con control por computador Robots inteligentes Micro-robots

Según las generaciones Primera Generación Segunda Generación Tercera Generación

CLASIFICACIÓN SEGÚN PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL Robots Manipuladores: Manipuladores: son sistemas mecánicos multifuncionales cuyo sencillo sistema de control permite gobernar el movimiento de sus elementos. Pueden operar en los siguientes modos: Manual: Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador. De secuencia fija: fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado previamente. De secuencia variable: variable: Se pueden alterar algunas características de los ciclos de trabajo. Existen muchas operaciones básicas que pueden ser realizadas óptimamente mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas

CLASIFICACIÓN SEGÚN PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL Robots de repetición o aprendizaje: aprendizaje: son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. Son los más conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual".

CLASIFICACIÓN SEGÚN PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL Robots con control por computador: computador Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un micro-ordenador. En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador dispone de un lenguaje específico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicación utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programación se le denomina textual y se crea sin la intervención del manipulador.36 Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personal calificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informático.

CLASIFICACIÓN SEGÚN PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL Robots inteligentes: inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, además, son capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son conocidos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarles y hacerles más efectivos, al mismo tiempo que más asequibles. La visión artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que más están estudiando para su aplicación en los robots inteligentes.

CLASIFICACIÓN SEGÚN PUNTO DE VISTA INDUSTRIAL MicroMicro-robots: robots: con fines educacionales, de entretenimiento o investigación, existen numerosos robots de formación o microrobots a un precio muy asequible y, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SUS GENERACIONES 1º Generación: Repite la tarea Generación: programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones del espacio. 2º Generación: Generación: Adquiere información limitada de su entorno y actúa en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia. 3º Generación: Generación: Su programación se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee la capacidad para la planificación automática de sus tareas.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Grados de libertad Morfología Espacio de trabajo Alcance máximo Precisión de los movimientos Resolución espacial Exactitud Repetibilidad Capacidad de carga Velocidad y Aceleración Seguridad Métodos de Programación Sensores y actuadores

GRADOS DE LIBERTAD Cada uno de los movimientos independientes (giros y desplazamientos) que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. Estos parámetros se precisan para determinar la posición y la orientación del elemento terminal del manipulador. Para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo se precisarán al menos seis grados de libertad.

Brazo en 3D - 7 GDL

GRADOS DE LIBERTAD

Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante. redundante.

MORFOLOGÍA La estructura del manipulador y la relación entre sus elementos proporcionan una configuración mecánica, que da origen al establecimiento de los parámetros que hay que conocer para definir la posición y orientación del elemento terminal. Configuraciones clásicas: Cartesiana / Rectilínea Cilíndrica Esférica / Polar Angular / Brazo articulado Configuración no clásica: SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)

CONFIGURACIÓN CARTESIANA El posicionado se hace en el espacio de trabajo con las articulaciones prismáticas. Esta configuración se usa bien cuando un espacio de trabajo es grande y debe cubrirse. 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 (trayectorias en línea recta).

CONFIGURACIÓN CILÍNDRICA El robot tiene un movimiento de rotación sobre una base, una articulación prismática para la altura, y una prismática 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. Puede ejecutar los movimientos conocidos como interpolación lineal e interpolación por articulación (De acuerdo a los movimientos de las articulaciones).

CONFIGURACIÓN ESFÉRICA Dos juntas de rotación y una prismática 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 interpolación por articulación para moverse en sus dos primeras articulaciones y la interpolación lineal para la extensión y retracción.

CONFIGURACIÓN ANGULAR El robot usa 3 juntas de rotación para posicionarse. Generalmente, el volumen de trabajo es esférico. Presenta una articulación con movimiento rotacional y dos angulares. Aunque el brazo articulado puede realizar el movimiento llamado interpolación lineal (para lo cual requiere mover simultáneamente dos o tres de sus articulaciones), el movimiento natural es el de interpolación por articulación, tanto rotacional como angular.

CONFIGURACIÓN ANGULAR Posee ciertas antropomórficas, es características basadas humana.

características decir, con en la figura

CONFIGURACIÓN SCARA Similar al de configuración cilíndrica, pero el radio y la rotación 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 configuración SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) también puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercera articulación).

TIPOS DE MOVIMIENTOS Lineales

Por articulación

Nótese que estos movimientos tienen al menos 1 grado de libertad.

ALCANCE MÁXIMO El alcance máximo es la medida desde el centro del robot en la mayor extensión del brazo. Este varía con cada modelo de robot. Alcance del robot se relaciona comúnmente como el espacio de trabajo y describe la gama operativa del robot industrial. El número de ejes y diseño pueden afectar drásticamente el máximo alcance. Los robots cilíndricos tienen una envoltura de trabajo en la forma de un cilindro y los robots polar o articulado brazo-extender su campo de trabajo en la forma de una esfera. Mientras robots de seis ejes generalmente tienen la flexibilidad necesaria para un largo alcance, algunos de los envolventes más grandes de trabajo son creados por dedicados 4-eje robots de paletización.

ESPACIO DE TRABAJO El espacio o volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca, no teniéndose en cuenta el efector final, ya que a la muñeca del robot se le pueden adaptar herramientas de distintos tamaños. Se puede distinguir el volumen de trabajo regular y volumen de trabajo irregular.

ESPACIO DE TRABAJO El robot cartesiano y el robot cilíndrico presentan volúmenes de trabajo regulares. El robot cartesiano genera una figura cúbica. El robot de configuración cilíndrica presenta un volumen de trabajo parecido a un cilindro (normalmente este robot no tiene una rotación de 360° por efectos de cableado)

ESPACIO DE TRABAJO Por su parte, los robots que poseen una configuración esférica, los de brazo articulado y los modelos SCARA presentan un volumen de trabajo irregular.

Esférico

SCARA

Polar

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

PRECISIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Resolución Espacial La resolución espacial se define como el incremento más pequeño de movimiento en que el robot puede dividir su volumen de trabajo.

P1 – P2 representa el menor incremento con el que se puede mover el robot a partir de P1. En cada intersección de líneas se encuentra un punto "direccionable", es decir un punto que puede ser alcanzado por el robot. Distancia entre dos puntos adyacentes. Estos puntos están típicamente separados por un milímetro o menos, dependiendo del tipo de robot.

PRECISIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Resolución Espacial Básicamente depende de los sistemas que controlan la resolución y las inexactitudes mecánicas. Sistema de Control porque, es el medio para controlar todos los incrementos individuales de una articulación. Los controladores dividen el intervalo total de movimiento para una junta particular en incrementos individuales Las inexactitudes mecánicas se relacionan con la calidad de los componentes que conforman las uniones y las articulaciones. Holgura de engranajes, tensión de poleas, fugas varias, etc.

PRECISIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Exactitud Capacidad de un robot para situar el extremo de su muñeca en un punto señalado dentro del volumen de trabajo. Mide la distancia entre la posición especificada, y la posición real del actuador terminal del robot. Mantiene una relación directa con la resolución espacial. 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 irá haciendo menor. Las cargas más pesadas reducen la exactitud.

Brazo Articulado

Pieza de Trabajo

PRECISIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Repetibilidad Capacidad del robot de regresar al punto programado las veces que sean necesarias. Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repetición de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se deba realizar, la precisión en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor. Ejemplos: En ensamblaje de piezas < ±0.1 mm. Soldadura, pintura y manipulación de piezas, entre 1 y 3 mm. Operaciones de mecanizado < 1mm.

Punto de Retorno

Punto de Programado

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 industriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. Es un parámetro importante en la selección de un robot, según la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es común tener > 50kg.

Carga

VELOCIDAD Y ACELERACIÓN Para lograr tiempos mínimos de trabajo o ciclos de fabricación, las aceleraciones y velocidades de desplazamiento de la mano (y las rótu1as) del robot deberían ser altas. Pero ello complica y encarece el diseño del manipulador y la operación. Por ejemplo, una alta velocidad en la trayectoria requiere estructuras más livianas (onerosas) o cortas (poco alcance) o motores más potentes (mayor costo y peso) y dificulta el alcanzar la posición deseada con velocidad y aceleración nulas (frenos más caros). Es un dato considerable a la hora de elegir un robot industrial. En soldadura y manipulación de piezas es aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja.

SEGURIDAD Los robots industriales tienen partes móviles de gran peso y velocidad y se debe establecer medidas apropiadas de seguridad para los operarios y otras personas y equipos.

PROGRAMACIÓN La programación del robot se realiza para enseñarle su ciclo de trabajo. Una gran parte del programa se refiere a la trayectoria del movimiento que el robot debe ejecutar para mover piezas o herramientas desde una posición del espacio de trabajo a otra. Estos movimientos se suelen enseñar mostrando el movimiento al robot y registrándolo dentro de su memoria. Sin embargo, existen otras partes del programa que no se refieren a ningún movimiento del brazo. Entre éstas se incluyen la interpretación de sensores, la actuación del efector final y algunas de estas otras actividades se enseñan mejor mediante la programación del robot utilizando un lenguaje de computadora Se pueden distinguir dos tipos: programación gestual y programación textual. textual La programación gestual consiste en forzar al brazo del robot a desplazarse a través de la secuencia de movimiento requerida y registrar los movimientos de la memoria del controlador. Podemos distinguir dos tipos: Programación por aprendizaje directo. Programación mediante un dispositivo de enseñanza.

PROGRAMACIÓN GESTUAL Programación por aprendizaje directo. directo. En el aprendizaje directo, el punto final del brazo se traslada con ayuda de un dispositivo especial colocado en su muñeca, o utilizando un brazo maestro o maniquí, sobre el que se efectúan los desplazamientos que, tras ser memorizados, serán repetidos por el manipulador. La técnica de aprendizaje directo se utiliza, extensamente, en labores de pintura. El operario conduce la muñeca del manipulador o del brazo maestro, determinando los tramos a recorrer y aquellos en los que la pistola debe expulsar una cierta cantidad de pintura. Con esta programación, los operarios sin conocimientos de "software", pero con experiencia en el trabajo a desarrollar, pueden preparar los programas eficazmente. La programación por aprendizaje directo tiene pocas posibilidades de edición, ya que, para generar una trayectoria continua, es preciso almacenar o definir una gran cantidad de puntos, cuya reducción origina discontinuidades. El "software" se organiza, aquí, en forma de intérprete

PROGRAMACIÓN GESTUAL Programación mediante un dispositivo de enseñanza. enseñanza. La programación, usando un dispositivo de enseñanza, consiste en determinar las acciones y movimientos del brazo manipulador, a través de un elemento especial para este cometido. En este caso, las operaciones ordenadas se sincronizan para conformar el programa de trabajo. El dispositivo de enseñanza suele estar constituido por botones, teclas, pulsadores, luces indicadoras, ejes giratorios o "joystick". Dependiendo del algoritmo de control que se utilice, el robot pasa por los puntos finales de la trayectoria enseñada. Hay que tener en cuenta que los dispositivos de enseñanza modernos no sólo permiten controlar los movimientos de las articulaciones del manipulador, sino que pueden, también, generar funciones auxiliares, como: - Selección de velocidades - Generación de retardos - Señalización del estado de los sensores - Borrado y modificación de los puntos de trabajo - Funciones especiales

PROGRAMACIÓN GESTUAL Programación mediante un dispositivo de enseñanza. enseñanza. Al igual que con la programación directa, en la que se emplea un elemento de enseñanza, el usuario no necesita conocer ningún lenguaje de programación. Simplemente, debe habituarse al empleo de los elementos que constituyen el dispositivo de enseñanza. De esta forma, se pueden editar programas, aunque como es lógico, muy simples. La estructura del "software" es del tipo intérprete; sin embargo, el sistema operativo que controla el procesador puede poseer rutinas específicas, que suponen la posibilidad de realizar operaciones muy eficientes.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL Los métodos de programación textual utilizan un lenguaje similar al ingles para establecer la lógica y la secuencia del ciclo de trabajo. Una terminal de computadora se utiliza para introducir las instrucciones del programa en el controlador, pero también se emplea una caja de control para definir las posiciones de los diversos puntos en el espacio de trabajo. Algunos lenguajes textuales para robots: WAVE – 1973 (Experimental) AL – 1974 (Universidad de Stanford) VAL – 1979 (Comercial) AUTOPASS, AML – 1982 (IBM) VAL II – 1984 RAIL, MCL (Usados en Robótica y soldadura de arco) La mayoría de los lenguajes de robot implantados actualmente utilizan una combinación de programación textual y programación a través de un control de mandos.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL