Manipuladores y robots industriales

Robots Industriales

Con el pasar de los tiempos el hombre ha creado herramientas que, con un largo proceso de perfeccionamiento; se han ido modificando hasta obtener unas mejoradas y más eficientes. Igualmente se ha evolucionado en la forma de trabajar y producir un producto. Cada fábrica de producto tiene unas necesidades y un contexto diferente que influyen a la hora de decidirse por el uso de la variedad de alternativas en cuanto a las formas de hacer las cosas y en esta época que se habla de la revolución 4.0 y 5.0 donde la automatización abarca un papel importante en cualquiera de las áreas o departamentos que conforman una empresa por lo cual se decide en el uso de un robot; los principales divididos en manipuladores y colaborativos. Manipuladores Un manipulador es un tipo de robot, multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Este brazo está compuesto por elementos mecánicos con articulaciones entre ellos. En la última unión se posiciona un dispositivo funcional, como una pinza o un “gripper” especial para llevar a cabo las distintas operaciones que se requieran. Figura 1.- Arquitectura de un Robot comparada con el Brazo Humano La utilización de un robot se hace muy común en un gran número de aplicaciones, donde se pretende sustituir a las personas, por lo que el aspecto del robot es muy parecido al brazo humano. Consta de una base que está unido a un cuerpo y un brazo unido al cuerpo. El brazo puede estar descompuesto en antebrazo, brazo, muñeca y mano, tal como se muestra en la figura 1 dicha comparación.

Robots Industriales Los robots industriales se componen de una gran gama de tamaños y configuraciones. Y es así como podemos encontrarnos con varias definiciones. Según la Asociación de La Federación Internacional Industrias de Robótica (RIA, de Robótica (IFR, International Robotic Industry Association), Federation of Robotics) \"un robot industrial es un distingue entre robot industrial manipulador multifuncional reprogramable, capaz de de manipulación y otros robots: \"Por robot industrial mover materias, piezas, de manipulación se entiende herramientas, o dispositivos una máquina de manipulación especiales, según trayectorias automática, reprogramable y variables, programadas para multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar realizar tareas diversas\". 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\".

En la tabla 1 se presentan ejemplos de Robot de acuerdo con su configuración geométrica, estructura cinemática y espacio de trabajo. Configuración Estructura cinemática Espacio de trabajo Ejemplo geométrica cartesianos cilíndrico polar esférico SCARA paralelo Tabla 1. Distintos tipos de robots industriales

Configuraciones morfológicas y parámetros característicos de los robots industriales Según la geometría de su estructura mecánica, un manipulador puede ser: 1. Cartesiano: cuyo posicionamiento en el espacio se lleva a cabo mediante articulaciones lineales. 2. Cilíndrico: con una articulación rotacional sobre una base y articulaciones lineales para el movimiento en altura y en radio. 3. Polar: que cuenta con dos articulaciones rotacionales y una lineal. 4. Esférico (o de brazo articulado): cuenta con tres articulaciones rotacionales. 5. Mixto: que posee varios tipos de articulaciones, combinaciones de las anteriores. Es destacable la configuración SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 6. Paralelo: posee brazos con articulaciones prismáticas o rotacionales concurrentes. Los principales parámetros que caracterizan a los robots industriales son: • Número de grados de libertad. Es el número total de grados de libertad de un robot, dado por la suma de grados de libertad de las articulaciones que lo componen. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 grados de libertad, como las de soldadura, mecanizado y almacenamiento, otras más complejas requieren un número mayor, tal es el caso de las labores de montaje. • Espacio de accesibilidad o espacio (volumen) de trabajo. Es el conjunto de puntos del espacio accesibles al punto terminal (PT), que depende de la configuración geométrica del manipulador. Un punto del espacio se dice totalmente accesible si el PT puede situarse en él en todas las orientaciones que permita la constitución del manipulador y se dice parcialmente accesible si es accesible por el PT pero no en todas las orientaciones posibles. En la figura inferior se aprecia el volumen de trabajo de robots de distintas configuraciones. • Capacidad de posicionamiento del punto terminal. Se concreta en tres magnitudes fundamentales: resolución espacial, precisión y repetibilidad, que miden el grado de exactitud en la realización de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada. • Capacidad de carga. Es el peso que puede transportar el elemento terminal del manipulador. Es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot dependiendo de la tarea a la que se destine. • Velocidad. Es la máxima velocidad que alcanzan el PT y las articulaciones

Estructura de los robots industriales Un manipulador robótico consta de una secuencia de elementos estructurales rígidos, denominados enlaces o eslabones, conectados entre sí mediante juntas o articulaciones, que permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones consecutivos. Figura 2.- Elementos estructurales de un robot industrial Una articulación puede ser: • Lineal (deslizante, traslacional o prismática), si un eslabón desliza sobre un eje solidario al eslabón anterior. • Rotacional, en caso de que un eslabón gire en torno a un eje solidario al eslabón anterior. Figura 3.- Distintos tipos de articulaciones de un robot: a) lineal, b) rotacionales El conjunto de eslabones y articulaciones se denomina cadena cinemática. Se dice que una cadena cinemática es abierta si cada eslabón se conecta mediante articulaciones exclusivamente al anterior y al siguiente, exceptuando el primero, que se suele fijar a un soporte, y el último, cuyo extremo final queda libre. A éste se puede conectar un elemento terminal o actuador final: una herramienta especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación particular, que debe diseñarse específicamente para dicha aplicación: una herramienta de sujeción, de soldadura, de pintura, etc. El punto más significativo del elemento terminal se denomina punto terminal (PT). En el caso de una pinza, el punto terminal vendría a ser el centro de sujeción de esta.

Los elementos terminales pueden dividirse en dos categorías: • Pinzas (gripper) • Herramientas Figura 4. Punto terminal de un manipulador Las pinzas se utilizan para tomar un objeto, normalmente la pieza de trabajo, y sujetarlo durante el ciclo de trabajo del robot. Hay una diversidad de métodos de sujeción que pueden utilizarse, además de los métodos mecánicos obvios de agarre de la pieza entre dos o más dedos. Estos métodos suplementarios incluyen el empleo de casquillos de sujeción, imanes, ganchos, y cucharas. Figura 5.- Pinzas Cucharas, Ganchos Una herramienta se utiliza como actuador final en aplicaciones en donde se exija al robot realizar alguna operación sobre la pieza de trabajo. Estas aplicaciones incluyen la soldadura por puntos, la soldadura por arco, la pintura por pulverización y las operaciones de taladro. En cada caso, la herramienta particular está unida a la muñeca del robot para realizar la operación. Para describir y controlar el estado de un brazo de robot es preciso determinar: • La posición del punto terminal (o de cualquier otro punto) respecto de un sistema de coordenadas externo y fijo, denominado el sistema mundo. • El movimiento del brazo cuando los elementos actuadores aplican sus fuerzas y momentos. El análisis desde el punto de vista mecánico de un robot se puede efectuar atendiendo exclusivamente a sus movimientos (estudio cinemático) o atendiendo además a las fuerzas y momentos que actúan sobre sus partes (estudio dinámico) debidas a los elementos actuadores y a la carga transportada por el elemento terminal.

Clasificación por funcionalidad. Atendiendo a su aspecto físico y a su funcionalidad, pueden clasificarse en: Poli articulados. Son robots sedentarios, o sea que no se pueden desplazar, están diseñados para mover sus brazos y herramientas en un determinado espacio de trabajo. En este grupo se encuentran los manipuladores y algunos robots industriales. Figura 6.- Robot poliarticulado Móviles. Son robots con gran capacidad Figura 7.- Robot móvil de desplazamiento, acoplados a carros Figura 8.- Robot Asimo o plataformas. Estos robots aseguran el transporte de un sitio a otro de piezas. Están dotados de un cierto grado de inteligencia, lo que les permite sortear obstáculos. Androides. Son robots que intentan reproducir la forma y los movimientos del ser humano. En la actualidad son poco evolucionados y con poca utilidad práctica.

Nanorobots. Son pequeños robots Figura 9.- Nano Robots capaces de cosas sorprendentes. Existen algunos que viajan por la sangre Figura 10.- Robot que emula la morfología de un y son capaces de inyectar la cantidad perro. precisa de droga en una célula. Se trata de robots experimentales. Figura 11.- Robot -tarjeta - ordenador Zoomórficos. Se caracterizan por imitar el sistema de locomoción de algunos seres vivos. Se encuentran en pleno desarrollo y se utilizan para desplazarse sobre superficies accidentadas y con numerosos obstáculos. Su aplicación práctica tiene bastante interés en la exploración de otros planetas, así como el estudio de volcanes, y entornos de difícil acceso Robot Controlado por ordenador. El ordenador se ha convertido en una de las herramientas básicas, a la hora de controlar sistemas automáticos y robots. La versatilidad, facilidad para reprogramarlos y un entorno gráfico amigable son algunas de las características que los hacen ideales para esta tarea. Sólo es necesario una tarjeta controladora conectada al ordenador que hace de interfaz de enlace con el sistema automático o el robot y un software (programa) instalado en el ordenador que sea capaz de controlar la tarjeta, y con ello el robot. Algunos lenguajes como el C++, Visual C, etc. Son capaces de interactuar con este tipo de tarjetas, pero los fabricantes de tarjetas o robots tienen lenguajes específicos, que presentan ventajas de simplicidad y un entorno gráfico muy amigable.

En todos estos Robots podremos notar el uso de una serie de dispositivos que se han estudiado en los módulos anteriores por lo que no se revisarán a detalle, tales como: Sensores: Constituyen el sistema de percepción del robot. Esto es, facilitan la información del mundo real para que los robots la interpreten. Actuadores: Son los encargados de realizar movimientos o cualquier tipo de actuación sobre el robot o sus herramientas. Los actuadores suelen ser de tres tipos, eléctricos, neumáticos o hidráulicos. Entre los cuales tenemos Sistema de impulsión del robot: Pueden utilizar motores eléctricos, servomotores, cilindros hidráulicos o neumáticos, u otros. Con ellos movemos las distintas partes del robot. Trayectorias para las tareas del robot: Para realizar una tarea determinada el robot debe moverse desde un punto inicial a uno final. Este movimiento puede ser realizado según infinitas trayectorias espaciales. De todas ellas hay algunas que, bien por su sencillez de implementación por parte del control cinemático o bien por su utilidad y aplicación a diversas tareas, son las que en la práctica incorporan los robots comerciales. De este modo, puede encontrarse que los robots dispongan de trayectorias punto a punto, coordinadas y continuas, las cuales se describen a continuación: • Trayectorias Punto a Punto: En este tipo de trayectorias cada articulación evoluciona desde su posición inicial a la final sin realizar consideración alguna sobre el estado o evolución de las demás articulaciones. Normalmente, cada actuador trata de llevar a su articulación al punto de destino en el menor tiempo posible, pudiéndose distinguir dos casos: movimiento eje a eje y movimiento simultáneo de ejes. • Trayectorias Coordinadas o Isócronas: Para evitar que algunos actuadores trabajen forzando sus velocidades y aceleraciones, teniendo que esperar después la conclusión del movimiento de la articulación más lenta, puede hacerse un cálculo previo, averiguando cuál es esta articulación y qué tiempo invertirá. Se ralentizará entonces el movimiento del resto de los ejes para que inviertan el mismo tiempo en su movimiento, acabando todos ellos simultáneamente. Se tiene así que todas las articulaciones se coordinan comenzando y acabando su movimiento a la vez, adaptándose todas a la más lenta. El tiempo total invertido en el movimiento es el menor posible y no se piden aceleraciones y velocidades elevadas a los actuadores de manera inútil. Desde el punto de vista del usuario la trayectoria que describe el extremo del robot no es significativa, siendo ésta impredecible, aunque como es obvio, un conocimiento del modelo y control cinemático del robot permitiría su cálculo. • Trayectorias Continuas: Cuando se pretende que la trayectoria que siga el extremo del robot sea conocida por el usuario (trayectoria en el espacio cartesiano o de la tarea), es preciso calcular de manera continua las trayectorias articulares.

Típicamente, las trayectorias que el usuario pretende que el robot describa son trayectorias en línea recta o en arco de círculo. El resultado será que cada articulación sigue un movimiento aparentemente caótico con posibles cambios de dirección y velocidad y sin coordinación con el resto de las articulaciones. Sin embargo, el resultado conjunto será que el extremo del robot describirá la trayectoria deseada. Estas trayectorias deben ser planeadas y ejecutadas en el espacio cartesiano y para su configuración y generación de la trayectoria deseada se requiere de un software para calcular los puntos de movimiento del robot en un espacio de trabajo dado.

Conclusión Los robots manipuladores son una herramienta que trae beneficios a las empresas ya que es capaz de realizar las actividades que les indique el humano, evitando que sus trabajadores se hagan daño con algo o simplemente permite que se sostenga algo con precisión y equilibrio. Además de utilizar herramientas comunes para hacer del trabajo de forma sencilla y rápida. Existen diferentes empresas fabricantes de robots de los diferentes tipos mencionados para ser reprogramados, polivalentes, servo controlados, entre otros. Estos robots son creados con la finalidad de realizar tareas sumamente difíciles y peligrosas. Solo así logran resguardar la integridad física de los humanos en el entorno laboral. Buscando la migración de la Industria 4.0 a la Industria 5.0. La fabricación de los robots lleva a una serie de cálculos y estudios en profundidad que requieren personal calificado para su diseño y construcción y seguramente un robot para su ensamblaje. La adaptación de los humanos a los robots se acerca cada día más no solo en el mundo industrial sino también en la vida cotidiana.

Bibliografía Alonso, J., Blanco, S., González, V. , Pascual, S., y Rodriguez, A. (2004). Tecnologías de la Información y de la Comunicación. Editorial Ra-Ma. González, V. (2003). Control y Robótica. Curso provincial. CFIE Valladolid II. Federación internacional de Robótica. Industrial Robots. Robótica. Universidad de Guadalajara. México. García Moreno, E. (2020). Automatización de procesos industriales: robótica y automática. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. https://elibro-net.eu1.proxy.openathens.net/es/lc/anahuac/titulos/129686