brazo robotico (paper)
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PAPER DE ROBÓTICATRANSCRIPT
Brazo Robótico.
Larez Jorge, Puesme Margaret, Baza Fadi, Ramírez Jesús, Yegres José. PNF en Instrumentación y Control, Universidad Politécnica Terriorial del Oeste de Sucre.
Cumaná, Venezuela. [email protected], [email protected], [email protected],
Abstracto— Este documento presenta una explicación de lo que
son los brazos robóticos, así como los tipos, su estructura física,
transmisores y reductores, actuadores, sensores internos,
elementos terminales. Con este escrito se pretende dar un aporte
para la concreción de los objetivos planteados en la materia
Robótica, la cual forma parte del currículum de la Ingeniería en
Instrumentación y Control de la Universidad Politécnica
Territorial del Oeste de Sucre “Clodosbaldo Russián”.
Palabras Clave— Autómatas, Brazo, Control, Hardware,
Industrial, Programación, Robot, Robótica, Software.
I. INTRODUCCIÓN
El mundo va en constante cambio, y el hombre, en su afán
de conseguir mayor comodidad y productividad, siempre está
innovando en cuanto a la automatización de los procesos
industriales. Una de estas innovaciones la constituye el campo
de la robótica, la cual es una rama de la tecnología. Su
cometido es la fabricación y utilización de autómatas para
sustituir a las personas, sobre todo en la ejecución de ciertas
tareas tediosas o peligrosas.
II. HISTORIA
A lo largo de la historia, el hombre se ha sentido
fascinado por máquinas y dispositivos capaces de imitar las
funciones y los movimientos de los seres vivos. La
configuración de los primeros robots respondía a la
denominada configuración esférica y antropomórfica, de uso
especialmente valido para la manipulación. En 1982 el
profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japón,
desarrolla en concepto de robot SCARA que busca un robot
con un número reducido de grados de libertad (3 o 4), un coste
limitado y una configuración orientada al ensamblado de
piezas. Los futuros desarrollos de la robótica apuntan a
aumentar su movilidad, destreza y autonomía de sus acciones.
La mayor parte de los robots actuales son con la base
estática, y se utilizan en aplicaciones industriales tales como
ensamblado, soldadura, alimentación de máquinas
herramientas, entre otros. Buena parte de las definiciones y
clasificaciones de robots existentes responde al robot
ampliamente utilizado hasta la fecha, destinado a la
fabricación flexible de series medias y que se conoce como
robot industrial o robot de producción.
III. BRAZO ROBÓTICO
Un brazo robótico es un tipo de brazo mecánico,
normalmente programable, con funciones parecidas a las de
un brazo humano; este puede ser la suma total del mecanismo
o puede ser parte de un robot más complejo. Las partes de
estos manipuladores o brazos son interconectadas a través de
articulaciones que permiten, tanto un movimiento rotacional
(tales como los de un robot articulado), como un movimiento
traslacional o desplazamiento lineal.
Fig. 1. Brazo Robótico
IV. ESTRUCTURA MECÁNICA
Un brazo mecánico está formado por elementos o
eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un
movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.
Los brazos de un Robot, a menudo son categorizados por sus
grados de libertad (por lo general más de seis grados de
libertad). Este número se refiere a un solo eje de rotación de
las articulaciones en el brazo, donde un mayor número indica
una mayor flexibilidad en posicionar una herramienta.
Cuando hablamos de grados de libertad se refiere al
movimiento de un espacio tridimensional, es decir, la
capacidad de moverse hacia delante/atrás, arriba/abajo,
izquierda/derecha (traslación en tres ejes perpendiculares),
combinados con la rotación sobre tres ejes perpendiculares
(Guiñada, Cabeceo, Alabeo). El movimiento a lo largo de
cada uno de los ejes es independiente de los otros, y cada uno
es independiente de la rotación sobre cualquiera de los ejes, el
movimiento de hecho tiene seis grados de libertad.
Fig 2. Articulaciones de un brazo robótico.
V. TIPOS DE BRAZOS ROBÓTICOS
Robot cartesiano: Usado para trabajos de “pick and
place” (tomar y colocar), aplicación de
impermeabilizantes, operaciones de ensamblado,
manipulación de máquinas herramientas y soldadura
por arco. Es un robot cuyo brazo tiene tres
articulaciones prismáticas, cuyos ejes son
coincidentes con los ejes cartesianos.
Robot cilíndrico: Usado para operaciones de
ensamblaje, manipulación de máquinas herramientas,
soldadura por punto, y manipulación en máquinas de
fundición a presión. Es un robot cuyos ejes forman
un sistema de coordenadas cilíndricas.
Robot esférico / Robot polar, tal como el Unimate:
Usados en la manipulación en máquinas
herramientas, soldadura por punto, fundición a
presión, máquinas de desbarbado, soldadura por gas
y por arco. Es un robot cuyos ejes forman un sistema
polar de coordenadas.
Robot SCARA: Usado para trabajos de “pick and
place” (tomar y colocar), aplicación de
impermeabilizantes, operaciones de ensamblado y
manipulación de máquinas herramientas. Es un robot
que tiene dos articulaciones rotatorias paralelas para
proporcionar elasticidad en un plano.
Robot articulado: Usado para operaciones de
ensamblaje, fundición a presión, máquinas de
desbarbado, soldadura a gas, soldadura por arco, y
pintado en spray. Es un robot cuyo brazo tiene como
mínimo tres articulaciones rotatorias.
Robot paralelo: Uno de los usos es la plataforma
móvil que manipula las cabinas de los simuladores de
vuelo. Es un robot cuyos brazos tienen articulaciones
prismáticas o rotatorias concurrentes.
Robot Antropomórfico: Similar a la mano robótica
de Luke Skywalker que se le coloca al final de The
Empire Strikes Back. Se le da forma para que pueda
sustituir a una mano humana, con dedos
independientes incluidos el pulgar.
Fig. 3 Configuraciones más comunes de los brazos robóticos.
VI. TRANSMISORES Y REDUCTORES
Las transmisiones son los elementos encargados de
transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las
articulaciones. Se incluirán junto con las transmisiones a los
reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la
salida del actuador a los valores adecuados para el
movimiento de los elementos del robot.
Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones
elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su
momento de inercia. Por estos motivos se procura que los
actuadores, por lo general pesados, estén lo más cerca posible
de la base del robot. Esta circunstancia obliga a utilizar
sistemas de transmisión que trasladen el movimiento hasta las
articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del
robot. Asimismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para
convertir movimiento circular en lineal o viceversa, lo que en
ocasiones puede ser necesario.
La misión de los reductores es adaptar par y velocidad de
la salida del actuador a los valores adecuados para el
movimiento de los eslabones del brazo robótico.
En la Fig. 4 se muestran los distintos tipos de transmisiones
usadas frecuentemente.
Fig. 4. Transmisiones utilizadas en los robots.
VII. ACTUADORES
Los actuadores tienen por misión generar el movimiento
de los elementos del robot según las órdenes dadas por la
unidad de control. Los actuadores utilizados en robótica
pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica.
Cada uno de estos sistemas presenta características diferentes,
siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de
actuador más conveniente.
Las características a considerar son entre otras:
Potencia
Controlabilidad
Peso y volumen
Precisión
Velocidad
Mantenimiento
Coste
Existen tres tipos de actuadores:
A. Actuadores Neumáticos:
En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 19
bar. Existen dos tipos de actuadores neumáticos: cilindros
neumáticos y motores neumáticos. Normalmente, con los
cilindros neumáticos solo se persigue un posicionamiento en
los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. En
los motores neumáticos se consigue el movimiento de
rotación de un eje mediante aire a presión.
Los actuadores neumáticos debido a la compresibilidad del
aire, no consiguen una buena precisión de posicionamiento.
Sin embargo, su sencillez y robustez hacen adecuados su uso
en aquellos casos en los que sea suficiente posicionamiento en
dos situaciones diferentes (todo o nada).
B. Actuadores Hidráulicos:
Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente
en mucho de los neumáticos. En ellos, en vez de aire se
utilizan aceites minerales a una presión comprendida entre los
50 y 100 bar, llegándose a superar los 300 bar. Por otra parte,
este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas
estáticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar
cargas, como el peso o una presión ejercida sobre una
superficie, sin aporte de energía. También es destacable su
elevaba capacidad de carga y relación potencia-peso, así como
sus características de auto lubricación y robustez.
C. Actuadores Eléctricos:
Las características de control, sencillez y precisión de los
accionamiento eléctricos ha hecho que sean los más usados en
los robot industriales actuales. En los cuales encontramos tres
tipos:
1) Motores de Corriente continua (DC): Controlados por
inducido, Controlados por excitación.
2) Motores de Corriente Alterna (AC): Síncronos y
Asíncronos
3) Motores Paso a Paso.
VIII. SENSORES INTERNOS.
Para conseguir que un robot realice su tarea con la
adecuada precisión, velocidad e inteligencia, será preciso que
tenga conocimiento tanto de su propio estado como del estado
de su entorno. La información relacionada con su estado
(fundamentalmente la posición de sus articulaciones) la
consigue con los denominados sensores internos, mientras que
la que se refiere al estado de su entorno, se adquiere con los
sensores externos.
Tipos de sensores internos de robot:
Sensores de posición: para el control de posición
angular se emplean fundamentalmente los
denominados encoders y resolvers. Los
potenciómetros dan bajas prestaciones por lo que no
se emplean salvo en contadas ocasiones (robot
educacionales, ejes de poca importancia).
Normalmente los sensores de posición se acoplan al
eje del motor. Considerando que en la mayor parte de
los casos entre el eje del motor y el de la articulación
se sitúa un reductor de relación N, cada movimiento
de la articulación se verá multiplicado por N al ser
medido por el sensor. Este aumentara a su resolución
multiplicado por N.
Sensores de velocidad: la captación de la velocidad
se hace necesaria para mejorar el comportamiento
dinámico de los actuadores del robot. La información
de la velocidad de velocidad de movimiento de cada
actuador (que tras el reductor es la de giro de la
articulación) se realimenta a un bucle de control
analógico implementado en el propio accionador del
elemento motor.
Sensores de presencia: este tipo de sensor es capaz de
detectar la presencia de un objeto dentro de un radio
de acción determinado. Esta detección puede hacerse
con o sin objeto. En el segundo caso se utilizan
diferentes principios físicos para detectar la
presencia, dando lugar a los diferentes tipos de
captadores. En el caso de detección con contacto, se
trata siempre de un interruptor, normalmente abierto
o normalmente cerrado según interese, actuado
mecánicamente a través de un vástago u otro
dispositivo. Los detectores de presencia se utilizan en
robótica principalmente como auxiliares de los
detectores de posición, para indicar los límites de
movimientos de las articulaciones y permitir localizar
la posición de referencia de cero de estos en el caso
de que sean incrementales.
IX. ELEMENTOS TERMINALES.
Los elementos terminales, también llamados efectores
finales, son los encargados de interaccionar directamente con
el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de
aprehensión como herramientas. Los primeros se pueden
clasificar según el sistema de sujeción empleado. Los
elementos de sujeción se utilizan para agarrar y sostener los
objetos y se suelen denominar pinzas. Estas se distinguen
entre las que utilizan dispositivos mecánicos y las que utilizan
algún otro tipo de dispositivos (ventosas, pinzas magnéticas,
adhesivas, ganchos, etc.). Para la elección o diseño de una
pinza se han de tener en cuenta diversos factores. Entre los
que afectan al tipo de objeto y de manipulación a realizar
destacan el peso, la forma, el tamaño del objeto y la fuerza
que es necesario ejercer y mantener para sujetarlo. El
accionamiento neumático es el más utilizado por ofrecer
mayores ventajas en simplicidad, precio y fiabilidad, aunque
presenta dificultades de control de posiciones intermedias. En
ocasiones utilizan accionamiento de tipo eléctrico.
X. CONCLUSIONES.
Las empresas modernas utilizan robots industriales en
aquellos centros de trabajo donde prevalezcan situaciones de
peligro para los trabajadores por la naturaleza del proceso. Por
ejemplo: El proceso de fundición en matriz; implica un
considerable peligro si salpica el metal caliente durante el
inyectado en la cavidad del dado. Una de las aplicaciones
originales para el desarrollo de robots industriales fue la
fabricación en matriz.
Por lo tanto, el uso de robots en las empresas se va
haciendo necesario a medida de que el mundo empresarial va
a pasos agigantados en lo que a la tecnología se refiere. Por
otra parte para poder ofrecer calidad y bajos precios hay que
disminuir la mayoría de costos de la empresa, en donde los
robots industriales juegan un papel importante, ya que tienen
una gran capacidad de producción con un costo muy bajo.
El uso de robots en las operaciones de las empresas que
puedan ocasionar daños al hombre es aún más justificado, ya
que se mejora la calidad de vida del personal. Además el uso
de robots industriales proporciona calidad consistentemente
repetible con una capacidad de producción predecible y con
poca obsolescencia de capital.
XI. REFERENCIAS
[1]Automática Industrial.
https://automaticaindustrial.wordpress.com/robotica/programa
cion-de-robot/
[2] La Enciclopedia Del Estudiante: Tomo 04, Tecnología e
Informática. Editorial Santillana (2006).
[3]Robot Industrial.
http://es.wikipedia.org/wiki/Robot_industria
[4]Visual Basic. http://es.wikipedia.org/wiki/Visual_Basic