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Introducción a la robótica

Enviado por Pablo Turmero





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INTRODUCCION En menos de 30 años la robótica ha pasado de ser un mito, propio de la imaginación de algunos autores literarios, a una realidad imprescindible en el actual mercado productivo. Tras los primeros albores, tímidos y de incierto futuro, la robótica experimentó entre las décadas de los setenta y ochenta un notable auge, llegando a estos años a lo que muchos consideran su mayoría de edad, caracterizada por una estabilización de la demanda y una aceptación y reconocimiento pleno en la industria. La robótica posee un reconocido carácter interdisciplinario, participando en ella diferentes disciplinas básicas y tecnologías tales como y la teoría de control, la mecánica, la electrónica, el álgebra matricial y la informática, entre otras.

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CAPITULO 1. ANTECEDENTES HISTORICOS Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes decían que el movimiento de éstos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots. En 1772, Pierre Jaquet-Droz (1721-1790) inventó un escritor automático. En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como el programa para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.  

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Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución industrial, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard (1801), y otros.   El desarrollo en la tecnología, donde se incluyen las poderosas computadoras electrónicas, los actuadores de control retroalimentados, transmisión de potencia a través de engranes, y la tecnología en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos autómatas para desempeñar tareas dentro de la industria.   Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la década de los 50’s. La investigación en inteligencia artificial desarrolló maneras de emular el procesamiento de información humana con computadoras electrónicas e inventó una variedad de mecanismos para probar sus teorías.

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La palabra “Robot” fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor checo Karel Capek (1890-1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum’s Universal Robot (R.U.R). Su origen es la palabra eslava “Robota”, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada.   Pero sin duda alguna, fue el escritor americano de origen ruso Isaac Asimov (1920-1992) el máximo impulsor de la palabra robot. En Octubre de 1945 publicó en la revista Galaxy Science Fiction una historia en la que por primera vez enunció sus tres leyes de la robótica. :    Un robot no puede perjudicar a un ser humano. Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera y segunda ley.     Se le atribuye a Asimov la creación del término robotics (Robótica) y sin lugar a duda, desde su obra literaria, ha contribuido decisivamente a la divulgación y difusión de la robótica.

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ORIGEN Y DESARROLLO DE LA ROBÓTICA “Robot” se usa por primera vez en el año 1921 en el teatro nacional de Praga en la obra Rossum's Universal Robot (R.U.R.), con el escritor checo Karel Capek; Su origen es robota palabra eslava que se refiere al trabajo forzado. George Devol, pionero de la Robótica Industrial, patento en 1948, un manipulador programable. En 1948 R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrolló el primer telemanipulador formado por un dispositivo mecánico maestro-esclavo. Años más tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnología electrónica y del servocontrol sustituyendo la transmisión mecánica por eléctrica y desarrollando así el primer tele manipulador con servocontrol bilateral. Otro pionero fue Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en dos brazos mecánicos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto. Junto a la industria nuclear, la industria submarina comenzó a interesarse por el uso de los tele manipuladores. (60’S). A este interés se sumo la industria espacial. (70’S)  

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La primera patente de un dispositivo robótico se solicito en Marzo de 1954 por el británico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en el Reino Unido en 1957, sin embargo fue George C. Devol, norteamericano, inventor y autor de varias patentes, él estableció las bases del robot industrial moderno, en 1954 Devol ideó un dispositivo de transferencia programada de artículos que se patento en Estados Unidos en 1961. En 1956 Joseph F. Engelberger (Director de ingeniería de la división aeroespacial de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut), junto con Devol comenzaron a trabajar en la utilización industrial de sus maquinas, fundando la Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en Unimation (Universal Automation), instalando su primera maquina Unimate (1960), en la fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicación de fundición por inyección. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construcción de maquinas similares. (Versatran-1963) En 1968 J.F. Engelberger visito Japón y se firmaron acuerdos con Kawasaki para construir robots tipo Unimate.

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Japón: Aventaja a los Estados Unidos gracias a Nissan, que formo la primera asociación robótica del mundo, la Asociación de Robótica industrial de Japón (JIRA) en 1972. en 1974 se formo el Instituto de Robótica de América (RIA), que en 1984 cambio su nombre por el de Asociación de Industrias Robóticas, manteniendo las mismas siglas. (RIA)Europa: En 1973 la firma sueca ASEA construyo el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, en 1980 se fundo la Federación Internacional de Robótica (RIF) con sede en Estocolmo Suecia. Los primeros robots respondían a las configuraciones esférica y antropomórfica, para uso especial de manipulación. En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japón, desarrolla el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con pocos grados de libertad (3 o 4), un costo limitado y una configuración orientada al ensamblado de piezas.    

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Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robótica Industrial: 

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DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL ROBOT Definición de robot industrial: Para los japoneses un robot industrial es un dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control.   Para el Occidente. La definición mas aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA), donde un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.  

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Para la Organización Internacional de Estándares (ISO) un robot industrial es un 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.   Una definición establecida por la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR) que define al manipulador y al robot:   Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre si, destinado al agarre y desplazamiento de objetos.   Robot: manipulador automático servo controlado, reprogramable, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno.    

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Clasificación de robot industrial La evolución de la automatización ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuación: 1._ Manipuladores: Sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos:   Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador. De secuencia fija: Cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado. De secuencia variable: Se pueden alterar algunas características de los ciclos de trabajo.   Se debe considerar seriamente el empleo de manipuladores cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.  

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2._ Robots de repetición o aprendizaje:   Son manipuladores limitados a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano. En este tipo de robots, el operario en la fase de enseñanza, se vale de una pistola de programación, o bien, de joystics. La programación de tipo "gestual". 3.- Robots con control por computador: Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por un computador. El control por computador dispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se confecciona un programa de aplicación utilizando solo el terminal del computador, no el brazo (Programación textual), exige la preparación de personal calificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informático. 4.- Robots inteligentes: Similares a los anteriores, son capaces de relacionarse con su entorno a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto programable). 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.        

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5.- Micro-robots: Educacionales: de entretenimiento o investigación, existen micro-robots a precio muy asequible, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial Clasificación de los robots según la AFRI.

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Otra clasificación del robot industrial, es la entregada por la IFR (Federación Internacional de Robotica), la cual distingue entre cuatro tipos de robots: Robot secuencial:

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Robot de trayectoria controlable:

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Robot adaptativo:

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Robot telemanipulado:

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La clasificación AFRI (Asociación Francesa de Robotica Industrial) coincide ampliamente con la establecida por la IFR (Federación Internacional de Robotica)

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Más simple y específica es la clasificación de los robots según generaciones en la tabla    Clasificación de los robots industriales por generaciones:

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CAPITULO 2. MORFOLOGÍA DEL ROBOT Un robot esta formado por los siguientes elementos: Estructura mecánica. Transmisiones. Sistema de Accionamiento. Sistema Sensorial. Sistema de Control y Elementos Terminales. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características especificas.

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CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS Grados de libertad (GDL). Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador. Capacidad de Carga. Exactitud y Repetibilidad. Precisión en la Repetibilidad. La Resolución del Mando. Velocidad.

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LOS BRAZOS DEL ROBOT Articulaciones Típicas: Esféricas, articulaciones rotatorias a menudo manejadas por los motores eléctricos o por los cilindros hidráulicos. Figura 1. Articulación Esférica o Rotula (3GDL)

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Prismático, articulaciones del deslizador en que el eslabón se apoya en un deslizador lineal, y linealmente actúa por los tornillos de la pelota y motores o cilindros. Figura 2 Articulación Prismática (1GDL)

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LOS BRAZOS DEL ROBOT Configuraciones Básicas: El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con características a tener en cuenta en el diseño y construcción como en su aplicación. Las combinaciones más frecuentes son las explicadas a continuación, donde se atiende únicamente las primeras articulaciones del robot, que son las más importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto del espacio.

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Configuraciones Básicas: Cartesiano / Rectilíneo: Esta configuración se usa cuando un espacio de trabajo es grande y debe cubrirse o cuando la exactitud consiste en la espera del robot. Figura 3. Diagrama Robot cartesiano. Figura 4. Robot Cartesiano Real (Seiko XM-3000)

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Configuraciones Básicas: Cilíndrico: Este robot satisface bien a los espacios de trabajo redondos. Figura 5. Diagrama Robot Cilíndrico. Figura 6. Robot Cilíndrico Real (Seiko RT-3300)

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Configuraciones Básicas: Esférico: Dos junturas de rotación y una juntura prismática permiten al robot apuntar en muchas direcciones y entonces extiende la mano a un poco de distancia radial. Figura 7. Diagrama Robot Esférico. Figura 8. Robot Esférico Real (Unimate 5000)

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Configuraciones Básicas: Angular: Estos tipos de robots, la mayoría se parecen al brazo humano, con una cintura, el hombro, el codo, la muñeca. Figura 9. Diagrama Robot Angular. Figura 10. Robot Angular Real (ABB 1400)

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Configuraciones Básicas: Scara: Este robot conforma a las coordenadas cilíndricas, pero el radio y la rotación se obtiene por uno o dos eslabones del planar con las junturas de rotación. Figura 11. Diagrama Robot Scara. Figura 12. Robot Scara Real (Adept A3)

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ESTRUCTURA MECANICA DE UN ROBOT Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos terminales. Mecánicamente, un robot esta formado por eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada uno de los eslabones consecutivos. Para hacer referencia a los elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca (ver figura 13a y 13b).

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Figura 13a. Homólogia entre el Brazo Humano y un Brazo Robot. Figura 13b. Equivalencia de extremidades en un Brazo Robot.

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Tipos de Actuadores: Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser, según la energía que consuman, de tipo hidráulico, neumático o eléctrico. Los de tipo hidráulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y grandes capacidades de carga. Los neumáticos tienen una gran velocidad de respuesta, junto a un bajo costo, pero se están sustituyendo por elementos eléctricos. Los eléctricos cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el campo de la Robótica, por su gran precisión en el control de su movimiento y las ventajas inherentes a la energía eléctrica que consumen.

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Programación del espacio de trabajo: La programación gestual y textual, controlan diversos aspectos del funcionamiento del manipulador. Control de la velocidad y la aceleración. Saltos de programa condicionales. Temporizaciones y pausas. Edición, modificación, depuración y ampliación de programas. Funciones de seguridad. Funciones de sincronización con otras maquinas. Uso de lenguajes específicos de Robótica.

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Sistemas de Robots Basicos. Los componentes básicos de un robot son: La estructura mecánica: Los eslabones, base, etc. Actuadores: Los motores, los cilindros, etc., también podría incluir los mecanismos para una transmisión, etc. Control a la Computadora: Esta computadora une con el usuario las junturas del robot. El extremo de Brazo que labora con herramienta (EOAT): La programación que proporciona el usuario se diseña para las tareas específicas.

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Carga Util. Las consideraciones Estáticas: La gravedad (Causa desviación descendente del brazo y sistemas de apoyo). Manejo a menudo de cubiertas (traen lentitud “la repercusión negativa”). El trabajo de la juntura (Miembros rotatorios largos se tuercen bajo la carga). Los efectos termales (la temperatura modifica las dimensiónales en el manipulador).

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Carga Util. Las consideraciones Dinamicas: La aceleración efectúa: las fuerzas inerciales pueden llevar a la desviación en los miembros estructurales. Repetibilidad: Esto significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto repetidamente, no siempre se detendrá en la misma posición. La exactitud: Esto es determinado por la resolución del espacio de trabajo. Tiempo de establecimiento: Es el tiempo requerido por el robot, para estar dentro de una distancia dada a la última posición. Control de la Resolución: Es el cambio más pequeño que puede medirse por los sensores de la regeneración, a causa del actuador. Las coordenadas: Las coordenadas son una combinación de la posición del origen y la orientación de los eslabones.

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Capitulo 3: Introducción al control de robots En este capitulo se estudiarán las diversas formas de control de actuadores robóticos a partir de las técnicas y métodos de modelización, en concreto, usando la formulación de Laplace aplicada a sistemas lineales.

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Diagrama de bloques para el control de un motor CC Técnicas de control clásico sobre motores C.C.

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Amplificador de potencia que alimenta al motor Función de Transferencia del Motor La Kp: es la constante de realimentación de posición. La Kg: es la constante del tacómetro que relaciona la velocidad angular medida con la señal que éste genera.

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