La robotica

Introducción

Hay muchos trabajos que las personas no les gusta hacer, sea ya por ser aburrido o bien peligroso, siempre se va a tratar de evitar para no hacerlo. La solución más práctica era obligar a alguien para que hiciera el trabajo, esto se le llama esclavitud y se usaba prácticamente en todo el mundo bajo la política de que el fuerte y el poder dominan al débil.

Ahora los robots son ideales para trabajos que requieren movimientos repetitivos y precisos. Una ventaja para las empresas es que los humanos necesitan descansos, salarios, comida, dormir, y una área segura para trabajar, los robots no. La fatiga y aburrimiento de los humanos afectan directamente a la producción de una compañía, los robots nunca se aburren por lo tanto su trabajo va a ser el mismo desde que abra la compañía a las 8:00 AM hasta las 6:00PM.

El noventa por ciento de robots trabajan en fábricas, y más de la mitad hacen automóviles. Las compañías de carros son tan altamente automatizadas que la mayoría de los humanos supervisan o mantienen los robots y otras máquinas.

Otro tipo de trabajo para un robot es barajar, dividir, hacer, etc. en fábricas de comidas. Por ejemplo, en una fábrica de chocolates los robots arman las cajas de chocolates. ¿Cómo lo hacen? Son guiados por un sistema de visión, un brazo robótico que localiza cada pieza de chocolate y de forma gentil sin dañar al producto lo separa y divide

Robótica

El término robótica procede de la palabra robot. La robótica es, por lo tanto, la ciencia o rama de la ciencia que se ocupa del estudio, desarrollo y aplicaciones de los robots.

Otra definición de robótica es el diseño, fabricación y utilización de máquinas automáticas programables con el fin de realizar tareas repetitivas como el ensamble de automóviles, aparatos, etc. y otras actividades. Básicamente, la robótica se ocupa de todo lo concerniente a los robots, lo cual incluye el control de motores, mecanismos automáticos neumáticos, sensores, sistemas de cómputos, etc.

La robótica es una disciplina, con sus propios problemas, sus fundamentos y sus leyes. Tiene dos vertientes: teórica y práctica. En el aspecto teórico se aúnan las aportaciones de la automática, la informática y la inteligencia artificial. Por el lado práctico o tecnológico hay aspectos de construcción (mecánica, electrónica), y de gestión (control, programación). La robótica presenta por lo tanto un marcado carácter interdisciplinario.

En la robótica se aúnan para un mismo fin varias disciplinas afines, pero diferentes, como la Mecánica, la Electrónica, la Automática, la Informática, etc. El término robótica se le atribuye a Isaac Asimov. Los tres principios o leyes de la robótica según Asimov son:

Un robot no puede lastimar ni permitir que sea lastimado ningún ser humano.

El robot debe obedecer a todas las órdenes de los humanos, excepto las que contraigan la primera ley.

El robot debe autoprotegerse, salvo que para hacerlo entre en conflicto con la primera o segunda ley.

Robots

Los robots son dispositivos compuestos de sensores que reciben datos de entrada y que pueden estar conectados a la computadora. Esta, al recibir la información de entrada, ordena al robot que efectúe una determinada acción. Puede ser que los propios robots dispongan de microprocesadores que reciben el input de los sensores y que estos microprocesadores ordenen al robot la ejecución de las acciones para las cuales está concebido. En este último caso, el propio robot es a su vez una computadora.

Robot industrial: Nace de la unión de una estructura mecánica articulada y de un sistema electrónico de control en el que se integra una computadora. Esto permite la programación y control de los movimientos a efectuar por el robot y la memorización de las diversas secuencias de trabajo, por lo que le da al robot una gran flexibilidad y posibilita su adaptación a muy diversas tareas y medios de trabajo.

Un robot industrial es, por su propia naturaleza, un nuevo tipo de maquinaria que proporciona una flexibilidad doble:

a) Flexibilidad mecánica, proporcionada por estar constituido por un sistema mecánico articulado que puede variar la posición de su extremo libre en el espacio, adoptando además una orientación espacial deseada.

b) Flexibilidad de programación, debida a que su configuración espacial está controlada por un computador, y por lo tanto puede ser cambiada fácilmente con solo cambiar el programa.

La movilidad del manipulador es el resultado de una serie de movimientos elementales, independientes entre sí, denominados grados de libertad del robot.

Los beneficios que se obtienen al implementar un robot de este tipo son:

– Reducción de la labor.

– Incremento de utilización de las máquinas.

– Flexibilidad productiva.

– Mejoramiento de la calidad.

– Disminución de pasos en el proceso de producción.

– Mejoramiento de las condiciones de trabajo, reducción de riesgos personales.

– Mayor productividad.

– Ahorro de materia prima y energía.

– Flexibilidad total.

Análisis de la necesidad de un robot

Cuando la longitud total de la línea de un proceso es lo más corta posible y los puntos de almacenamiento son los menos posible, el propósito de instalación de un Robot es la manipulación de piezas no muy disímiles entre sí. Para considerar la factibilidad de su instalación debe responderse a una serie de preguntas, a saber:

1. ¿Cuál es la producción anual de la pieza en particular o piezas?

2. ¿Pueden estas piezas almacenarse?

3. ¿Cuál es el tiempo disponible para el manipuleo?

4. ¿Puede un nuevo Layout de máquinas dar alojamiento al Robot?

5. ¿Hay lugar disponible en la máquina o máquinas que intervienen en el proceso para alojar la mano del Robot y la pieza?

6. ¿Qué dotación de personal de operación y supervisión será necesaria?

7. ¿Es la inversión posible?

Cada pregunta es entendida a continuación:

Producción Annual : Cuando se deben producir piezas variadas, estas deben ser de características similares y la producción de cada lote como mínimo debe ocupar un período de tiempo razonable.

Almacenamiento : Para la obtención de un flujo automático de material se deben almacenar piezas antes y después del grupo de máquinas que serán servidas por el Robot. Las piezas pueden almacenarse en transportadores paso a paso, o en cajas de nivel regulable. Las plataformas inclinadas, alimentación y salida por gravedad, suelen emplearse en casos sencillos. El tamaño del almacén depende de la tasa de producción. El operador que inspecciona las piezas puede llenar y vaciar las cajas de almacenamiento.

Tiempo de Manipuleo : El tiempo de maniobra requerido es determinado por la longitud total del camino y la máxima velocidad del Robot. La mayoría de los Robots neumáticos, hidráulicos y eléctricos tienen velocidades máximas aproximadas a los 0,7 metros por segundo y desplazamientos angulares de 90º por segundo. Sin embargo cuando se trata de un Robot neumático debe tenerse presente que la variación de velocidad con la carga es muy grande; y esto es particularmente importante cuando un Robot de este tipo está equipado con dos manos, ya que en el momento en que estas estén ocupadas la carga será el doble. El tiempo anual de manipuleo puede ser calculado, cuando se compara el Robot con la labor total en igual período, pero no es posible hacerlo mediante la comparación con el tiempo de manipulación de una sola pieza.

Layout de Máquinas : Básicamente el layout puede ser circular o lineal. En una disposición circular un Robot sirve a varias máquinas sin que las piezas se acumulen entre ellas. En un layout lineal cada Robot sirve a una máquina en la línea y las piezas van siendo reunidas en transportadores entre máquinas. Un transportador de almacenamiento debe ser capaz de tomar el total de la producción de una máquina durante el cambio de herramienta. En esta disposición la producción es mayor que en el sistema circular. Muchos layouts requieren versiones especiales de Robots con grados de libertad adicionales demandadas por el proceso.

Accesibilidad : La mano del Robot está diseñada generalmente para un movimiento de entrada lateral, para lo cual es necesario disponer de espacios entre la herramienta y el punto de trabajo.

Dotación de Operación y Supervisión :La inspección visual de las piezas es manual en la mayoría de los casos. Las cajas de almacenamiento deben ser llenadas y vaciadas. 4 o 5 Robots que demanden estas tareas adicionales pueden ser supervisados por un solo hombre. La implementación de un Robot en un proceso productivo, tiene como objetivo fundamental disminuir los costos de producción mediante un mejor aprovechamiento de la capacidad productiva ya instalada.

Costo de Implementación : El costo de esta Implementación está compuesto por los siguientes ítems:

– El Robot.

– Las herramientas de la mano.

– Posible modificación de la máquina o máquina-herramienta y herramientas.

– Posible alteración del layout existente.

– Equipos periféricos, transportadores, cajas de almacenamiento.

– Dispositivos de fijación y señalización.

– Costo del trabajo de instalación.

– Entrenamiento del personal para operación y mantenimiento.

– Puesta en marcha y puesta a punto.

Denavit Hartenberg

A partir de las tres reglas básicas para establecer el sistema de coordenadas ortonormal para cada cuerpo y de la interpretación geométrica de los parámetros de articulación y cuerpo, se deriva el siguiente procedimiento para obtener los sistemas de coordenadas de un robot:

Paso 1: Se localizan los ejes z0…zn-1 según los ejes de la articulación 1…n.

Paso 2: Se establece el sistema de la base, 0. El origen o0 se sitúa en cualquier punto del eje z0. Los ejes x0 e y0 han de ser tales que el sistema sea dextrógiro.

Desde i=1,…,n-1, se realizan los pasos 3 a 5.

Paso 3: Localizar oi donde la normal común a zi y zi-1 intersecta con zi. Si zi y zi-1 intersectan, oi se localiza en la intersección. Si son paralelos se localiza en la articulación i+1.

Paso 4: Se establece xi a lo largo de la normal común entre zi-1 y zi o, en la dirección normal al plano zi-1-zi si los dos ejes intersectan.

Paso 5: Se establece yi para que el sistema sea dextrógiro.

Paso 6: Se establece el sistema del órgano terminal: zn se sitúa en la dirección de zn-1; xn tiene que ser normal a zn-1 y zn; yn tiene que ser tal que el sistema sea dextrógiro.

Paso 7: Se crea una tabla con los parámetros D-H:

ai = Distancia desde la intersección de xi y zi-1 hasta oi, a lo largo de xi.

di = Distancia desde oi-1 a la intersección de xi y zi-1, a lo largo de zi-1.

ai = Angulo entre zi-1 y zi medido alrededor de xi.

qi = Angulo entre xi-1 y xi alrededor de zi-1.

Cinemática del robot

Estudio de su movimiento con respecto a un sistema de referencia

– Descripción analítica del movimiento espacial en función del tiempo

– Relaciones localización del extremo del robot- valores articulares

Problema cinemático directo: Determinar la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los ángulos de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot

Problema cinemático inverso: Determinar la configuración que debe adoptar el robot para una posición y orientación del extremo conocidas

Modelo diferencial (matriz Jacobiana): Relaciones entre las velocidades de movimiento de las articulaciones y las del extremo del robot

Jacobiano

Matemáticamente las ecuaciones cinemáticas directas definen una función entre el espacio cartesiano de posiciones y orientaciones y el espacio de las articulaciones. Las relaciones de velocidad se determinan por el Jacobiano de esta función.

El Jacobiano es una matriz que se puede ver como la versión vectorial de la derivada de una función escalar. El Jacobiano es importante en el análisis y control del movimiento de un robot (planificación y ejecución de trayectorias suaves, determinación de configuraciones singulares, ejecución de movimientos coordinados, derivación de ecuaciones dinámicas).

El Jacobiano permite conocer el área de trabajo del robot, y determinar las singularidades.

Singularidades

1.- Representan configuraciones desde las que no se puede alcanzar algunas direcciones.

2.- Corresponden a puntos en el espacio de trabajo del manipulador inalcanzables al hacer pequeñas modificaciones en los parámetros de la articulación (longitud, desplazamientos).

3.- Cerca de singularidades o no hay solución al problema cinemático inverso o hay infinitas soluciones.

4.- En la vecindad de una singularidad, pequeñas velocidades en el espacio operacional pueden producir grandes velocidades en el espacio de articulaciones.

Bibliografía

Lewis, Frank L. Abdallah, C. T. Dawson, D. M. (1993). Control of robot manipulators

New York : Macmillan

Mark Spong F.L. Lewis C.T. Abdallah (1993). Robot Control. Dynamic, Motion Planning and Analysis. New York, IEEE

Rembold, Ulrichn (1990). Robot technology and applications . New York : Marcel Dekker.

Autor:

Jordanoz Folk