- Resumen
- CIM (Computer Integrated
Manufacturing) - Desarrollo
histórico - Conceptos y
definiciones - Morfología del
robot - Modelo cinemático
directo de los manipuladores - Modelo cinemático
inverso del robot - Velocidades, fuerzas
estáticas y singularidades - Dinámica
- Descripción del
funcionamiento de la estación de
ensamble - Conclusión
- Referencias
bibliográficas
En los últimos años se ha introducido el
concepto
robótica el cual ha venido a revolucionar la automatización de su clasificación
denominada "fija" que consistía en la realización
de la producción automática de piezas,
elementos y productos en
grandes cantidades o de manera repetitiva a su
denominación actual "automatización flexible" que
estriba en adaptar la producción a la demanda de un
mercado en
constante cambio por
medio de un sistema de
producción programable y adaptable como lo es un
robot.
El presente trabajo
propone una estación automatizada para representar de
manera didáctica el proceso de
ensamble que se realiza en la industria.
Dicho proceso será representado mediante el diseño
de un robot de cuatro grados de libertad y un
dispositivo neumático mismos que formaran parte del
CIM-2000 del Instituto Tecnológico de Puebla.
Este proyecto nace de
la inquietud de conformar un SIM (Sistema integrado de manufactura)
más completo que nos permita observar los procesos que
se realizan en la industria. El actual trabajo comprende una
descripción de la operación del
robot dentro del CIM-2000; así como teoría
cinemática y dinámica como parte importante del
diseño mecánico.
Hay una creciente necesidad en la industria de
automatizar procesos para tener una variedad mas amplia de
productos, con diferentes requerimientos tecnológicos,
calidad
mejorada, desarrollo en
menor tiempo y a los
mas bajos costos; esto con
el único fin de satisfacer las necesidades del ser humano.
El ensamble de piezas utilizando robots manipuladores es un tema
que ha trascendido y se ha diversificado en áreas tales
como la industria automotriz, electromecánica y la electrónica (miniaturización) entre
otras. Desde hace 30 años desde la invención del
robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) los robots
industriales han sido "caballos de trabajo" de la manufactura. El
Sistema Integrado de Manufactura del ITP es una
representación de carácter didáctico de los procesos
que se realizan en la industria; al no contemplar el ensamble
dentro de sus operaciones, se
presenta este trabajo que tiene como fin diseñar un
proceso, el cual comprende el diseño de un robot de cuatro
grados de libertad y un dispositivo neumático mismos que
posicionaran y ensamblaran las piezas respectivamente. Se
realizaran cálculos de la cinemática
directa e inversa del robot, así como de su
dinámica. Con la ayuda de un programa CAD se
comprobarán los cálculos realizados de manera
grafica. En la figura 1 se observa el CIM-2000 del
ITP.
Fig. 1 CIM-2000 del Instituto
Tecnológico de Puebla.
CIM (Computer Integrated
Manufacturing).
Un sistema CIM según la definición
de Arthur Andersen & Co., 1986, es: " La aplicación
integrada de conceptos y técnicas
de organización y gestión
de la producción, junto con las nuevas
tecnologías de diseño, fabricación e
información, con el objeto de
diseñar, fabricar y distribuir un producto
acorde a las necesidades de mercado, con una alta calidad,
óptimo nivel de servicio y los
menores costes".
El CIM-2000 del Instituto Tecnológico de Puebla
es un sistema diseñado para la enseñanza del concepto CIM mediante el uso
de diferentes equipos con principios de
funcionamiento diversos (neumático, hidráulico,
eléctrico) controlado por computadoras y
cuya distribución es de tipo celular. El sistema
cuenta con estaciones de:
- Control.
- Neumática de suministro.
- Hidráulica de retiro.
- De procesos.
- Banda transportadora.
- Robot Mitsubishi.
- Fresadora de Control Numérico Computarizado
(CNC – Computer numerical control). - Torno de Control Numérico
Computarizado (CNC – Computer numerical
control). - Mesa de inspección.
- Sistema de Manufactura flexible (FMS), constituido
por:
Para conocer la historia de la
robótica que es tema central de este trabajo se
mencionarán sus inicios de manera general; así como
algunos conceptos fundamentales con el fin de que el lector se
familiarice con ellos y comprenda más fácilmente el
presente trabajo.
La palabra robot se introdujo en la lengua inglesa
en 1921 con el drama R.U.R. de Karel (Rossum Universal Robots).
En este trabajo, los robots son máquinas
que se asemejan con los seres humanos, pero que trabajan sin
descanso. Inicialmente, los robots se fabricaron como ayudas para
sustituir a los operarios humanos, pero posteriormente los robots
se vuelven contra sus creadores, aniquilando a toda raza humana.
La obra de Capek es en gran medida responsable de algunas de las
creencias populares mantenidas acerca de los robots en nuestros
tiempos incluyendo la perfección de los robots como
máquinas humanoides dotadas de inteligencia y
personalidades individuales. Esta imagen se
reforzó aún más con la película
alemana de robots Metrópolis, de 1926, con el robot
andador eléctrico y su perro "sparko", representada en
1939 en la feria mundial de Nueva York, y más
recientemente por el robot C3PO, protagonista en la
película de 1927, "La guerra de las
galaxias". Ciertamente los robots industriales modernos parecen
primitivos cuando se comparan con las expectativas creadas por
los medios de
comunicación durante las pasadas
décadas.
Los primeros trabajos que condujeron a los robots
industriales de hoy día se remontan al periodo que
siguió inmediatamente a la segunda guerra
mundial. Durante los años finales de la década
de los cuarenta, comenzaron programas de
investigación en Oak Ridge y Argonne
National Laboratories para desarrollar manipuladores
mecánicos controlados de forma remota para manejar
materiales
radiactivos. Estos sistemas eran del
tipo "maestro-esclavo", diseñados para reproducir
finalmente los movimientos de la mano y brazos realizados por un
operario humano. El manipulador maestro era guiado por el usuario
a través de una secuencia de movimientos, mientras que el
manipulador esclavo duplicaba a la unidad maestra tan
fidedignamente tal y como le era posible. Posteriormente se
añadió la realimentación de fuerza
acoplando mecánicamente el movimiento de
las unidades maestro-esclavo de forma que el operador
podía sentir las fuerzas que se desarrollaban entre el
manipulador esclavo y su entorno. A mediados de los cincuentas,
el acoplo mecánico se sustituyo por sistemas
eléctricos e hidráulicos.
El trabajo
sobre manipuladores maestro-esclavo fue seguido
rápidamente por sistemas más sofisticados capaces
de operaciones repetitivas autónomas. A mediados de los
años cincuenta, George C. Devol desarrolló un
dispositivo de transferencia articulada, un manipulador cuya
operación podía ser programada y que podía
seguir una secuencia de pasos y movimientos determinados por las
instrucciones en el programa. Posteriores desarrollos de este
concepto de Devol y Joseph F. Engelberger condujo al primer robot
industrial, introducido por Unimation Inc. en 1959.
Aunque los robots programados ofrecían una
herramienta de fabricación nueva y potente, aun
podía mejorarse mediante el uso de una
realimentación sensorial.
Al comienzo de los años sesenta, H. A. Ernst
publicó el
desarrollo de una mano mecánica controlada por computador con
sensores
táctiles. El sistema manipulativo consistía en un
manipulador ANL, modelo 8 con 6
grados de libertad, controlado por una computadora
TX-O. Este programa de investigación posteriormente
evolucionó añadiéndole una cámara de
televisión
para comenzar la investigación sobre la percepción
de la máquina.
A finales de los setenta McCarthy y sus colegas en el
Stanford Artificial Intelligence Laboratory publicaron el
desarrollo de una computadora con manos, ojos y oídos (es
decir, manipuladores, cámaras de TV y micrófonos).
Demostraron un sistema que reconocía mensajes hablados,
"veía" bloques distribuidos sobre una mesa y los
manipulaba de acuerdo con instrucciones. Durante los años
setenta se centro un gran esfuerzo de investigación sobre
el uso de sensores externos para facilitar las operaciones
manipulativas. En Stanford, Bolles y Paul 
utilizando
realimentación tanto visual como de fuerza, demostraron
que un brazo Stanford controlado por computadora efectuaba el
montaje de bombas de
agua de
automóviles.
Hoy en día se ve la
robótica como un trabajo mucho más amplio, que
trata temas además de la investigación y el
desarrollo de una serie de áreas interdisciplinarias, con
la cinemática, dinámica, planificación de sistemas, control,
sensores, lenguajes de
programación e inteligencia de
máquina.
ROBOT. La definición técnica adoptada por
el Instituto Norteamericano de Robótica y aceptada
internacionalmente es la siguiente: "Un robot es un manipulador
multifuncional reprogramable, diseñado para mover
materiales, piezas, herramientas o
dispositivos especiales mediante movimientos programados y
variables que
permiten realizar diversas tareas". Suelen tener forma de brazo
articulado, en cuyo extremo incorporan elementos de
sujeción o herramientas. Realizan tareas repetitivas en
industrias de
automoción, fabricación mecánica
o electrónica, en las que se emplean para
montar y mover piezas o componentes, ajustarlos, soldar, pintar,
etcétera.
Una vez comprendido el concepto de robot podemos avanzar
hacia la definición de la ciencia que
estudia este tipo de dispositivos, la cual se denomina
"Robótica" y ha evolucionado rápidamente en estos
últimos años.
Podríamos aproximarnos a una definición de
Robótica como:
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.
Las características básicas de la estructura de
los robots están formadas por los tipos de articulaciones y
configuraciones clásicas de brazos de robots industriales.
Los robots manipuladores son esencialmente, brazos articulados.
De forma más precisa, un manipulador industrial
convencional es una cadena cinemática abierta formada por
un conjunto de eslabones o elementos de la cadena
interrelacionados mediante articulaciones o pares
cinemáticas como lo esquematiza la figura 2. Las
articulaciones permiten el movimiento relativo entre los
sucesivos eslabones.
Fig. 2 Cadena cinemática
abierta.
Tipos de articulaciones.
Existen diferentes tipos de articulaciones. Las
más utilizadas en robótica son las que se indican
en la figura 3.
Fig. 3 Tipos de articulaciones
robóticas.
La articulación de rotación suministra un
grado de libertad consistente en una rotación alrededor
del eje de la articulación. Está
articulación es, con diferencia, la más
empleada.
En la articulación prismática el grado de
libertad consiste en una traslación a lo largo del eje de
la articulación.
En la articulación cilíndrica existen dos
grados de libertad: una rotación y una
traslación.
La articulación planar está caracterizada
por el movimiento de desplazamiento en un plano, existiendo por
lo tanto, dos grados de libertad.
Por último, la articulación
esférica combina tres giros en tres direcciones
perpendiculares en el espacio.
Los grados de libertad son el número de
parámetros independientes que fijan la situación
del órgano terminal. El número de grados de
libertad suele coincidir con el número de eslabones de la
cadena cinemática.
Estructuras básicas.
La estructura típica de un manipulador consiste
en un brazo compuesto por elementos con articulaciones entre
ellos. En el último enlace se coloca un órgano
terminal o efector final tal como una pinza o un dispositivo
especial para realizar operaciones.
Se consideran, en primer lugar, las estructuras
más utilizadas como brazo de un robot manipulador. Estas
estructuras tienen diferentes propiedades en cuanto a espacio de
trabajo y accesibilidad a posiciones determinadas. En la figura 4
se muestran cuatro configuraciones básicas.
Fig. 4 Estructuras básicas de
manipuladores.
El espacio de trabajo es el conjunto de puntos en los
que puede situarse el efector final del manipulador. Corresponde
al volumen encerrado
por las superficies que determinan los puntos a los que accede el
manipulador con su estructura totalmente extendida y totalmente
plegada.
Por otra parte, todos los puntos del espacio de trabajo
no tienen la misma accesibilidad. Los puntos de accesibilidad
mínima son los que las superficies que delimitan el
espacio de trabajo ya que a ellos solo puede llegarse con una
única orientación.
Configuración cartesiana.
La configuración tiene tres articulaciones
prismáticas (3D o estructura PPP). Esta
configuración es bastante usual en estructuras
industriales, tales como pórticos, empleadas para el
transporte de
cargas voluminosas. La especificación de posición
de un punto se efectúa mediante las coordenadas
cartesianas 
.
Los valores
que deben tomar las variables articulares corresponden
directamente a las coordenadas que toma el extremo del brazo.
Esta configuración no resulta adecuada para acceder a
puntos situados en espacios relativamente cerrados y su volumen
de trabajo es pequeño cuando se compara con el que puede
obtenerse con otras configuraciones.
Configuración
cilíndrica.
Esta configuración tiene dos articulaciones
prismáticas y una de rotación (2D, 1G). La primera
articulación es normalmente de rotación (estructura
RPP). La posición se especifica de forma natural en
coordenadas cilíndricas. Esta configuración puedes
ser de interés en
una célula
flexible, con el robot situado en el centro de la célula
sirviendo a diversas máquinas dispuestas radialmente a su
alrededor. El volumen de trabajo de esta estructura RPP (o de la
PRP), suponiendo un radio de giro de
360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el de un toro de
sección cuadrada de radio interior L y radio exterior 2L.
Se demuestra que el volumen resultante es: 
.
Configuración polar o
esférica.
Está configuración se caracteriza por dos
articulaciones de rotación y una prismática (2G, 1D
o estructura RRP). En este caso las variables articulares
expresan la posición del extremo del tercer enlace en
coordenadas polares.
En un manipulador con tres enlaces de longitud L, el
volumen de trabajo de esta estructura, suponiendo un radio de
giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el que
existe entre una esfera de radio 2L y otra concéntrica de
radio L. Por consiguiente el volumen es 
.
Configuración angular.
Esta configuración es una estructura con tres
articulaciones de rotación (3G o RRR). La posición
del extremo final se especifica de forma natural en coordenadas
angulares.
La estructura tiene un mejor acceso a espacios cerrados
y es fácil desde el punto de vista constructivo. Es muy
empleada en robots manipuladores industriales, especialmente en
tareas de manipulación que tengan una cierta complejidad.
La configuración angular es la más utilizada en
educación
y actividades de investigación y desarrollo. En esta
estructura es posible conseguir un gran volumen de trabajo. Si la
longitud de sus tres enlaces es de L, suponiendo un radio de giro
de 360 grados, el volumen de trabajo sería el de una
esfera de radio 2L, es decir 
.
Configuración SCARA.
Esta configuración está especialmente
diseñada para realizar tareas de montaje en un plano.
Está constituida por dos articulaciones de rotación
con respecto a dos ejes paralelos, y una de desplazamiento en
sentido perpendicular al plano. El volumen de trabajo de este
robot, suponiendo segmentos de longitud L, un radio de giro de
360 grados y un rango de desplazamiento de L es de 
.
Para llevar a cabo los cálculos y de esta forma
asegurar su correcto funcionamiento del robot en cuanto a la
cinemática y dinámica se refiere, se toma en
consideración la siguiente teoría que tiene por
objeto crear las bases de un modelo matemático del
sistema.
MODELO
CINEMÁTICO DIRECTO DE LOS MANIPULADORES.
La cinemática es la ciencia del
movimiento que trata a éste sin importarle las fuerzas que
lo causan. Dentro de la cinemática se estudia la
posición, la velocidad,
aceleración y todas las derivadas de las
variables de posición de mayor orden con respecto al
tiempo o cualquier otra variable. El estudio de la
cinemática de los manipuladores se refiere a todas las
propiedades geométricas y basadas en el tiempo del
movimiento.
Los robots consisten en un conjunto de eslabones
conectados mediante articulaciones que permiten el movimiento
relativo entre los eslabones vecinos. El número de grados
de libertad que un robot posee es el número de variables
de posición independientes que deberían ser
especificadas para localizar todas las partes del mecanismo. En
el caso de los robots industriales el número de grados de
libertad suele equivaler al número de articulaciones
siempre y cuando cada articulación tenga un solo grado de
libertad. Al final de la cadena de eslabones del robot se
encuentra el órgano terminal. Dependiendo de la
aplicación del robot, el órgano terminal puede ser
una pinza, un soldador, un electroimán o un gripper como
en este caso.
Generalmente se describe la posición del robot
dando una descripción del marco de la herramienta, la cual
esta unida al órgano terminal, relativo al marco de la
base, el cual está a su vez unido a la base fija del
robot.
El modelo cinemático directo es el problema
geométrico que calcular la posición y
orientación del efector final del robot. Dados una serie
de ángulos entre las articulaciones, el problema
cinemática directo calcula la posición y
orientación del marco de referencia del efector final con
respecto al marco de la base.
MODELO
CINEMÁTICO INVERSO DEL ROBOT.
Dada la posición y orientación del efector
final del robot, el problema cinemático inverso consiste
en calcular todos los posibles conjuntos de
ángulos entre las articulaciones que podrían usarse
para obtener la posición y orientación
deseada.
El problema cinemático inverso es más
complicado que la cinemática directa ya que las ecuaciones no
son lineales, sus soluciones no
son siempre fáciles o incluso posibles en una forma
cerrada. También surge la existencia de una o de diversas
soluciones. La existencia o no de la solución lo define el
espacio de trabajo de un robot dado. La ausencia de una
solución significa que el robot no puede alcanzar la
posición y orientación deseada porque se encuentra
fuera del espacio de trabajo del robot o fuera de los rangos
permisibles de cada una de sus articulaciones.
VELOCIDADES, FUERZAS
ESTÁTICAS Y SINGULARIDADES.
Además de tratar problemas de
posicionamiento estáticos debemos analizar
los robots en movimiento.
Cuando se analiza la velocidad de un mecanismo es
conveniente definir una matriz llamada
el Jacobiano del manipulador. El jacobiano establece una
aplicación entre las velocidades del espacio de
articulaciones y las velocidades del espacio cartesiano. En
ciertos puntos (llamados singularidades) está
aplicación no es invertible.
Muchas veces los robots que no se mueven en el espacio,
simplemente aplican una fuerza estática
sobre alguna pieza o superficie de trabajo. En este caso se nos
proporciona una fuerza de contacto y un momento de aquí
que la matriz Jacobiana nos ayuda a encontrar la
solución
La dinámica es un campo de las ciencias
dedicado al estudio de las fuerzas requeridas para producir el
movimiento. Para acelerar un robot desde el reposo y finalmente
desacelerarlo hasta una completa posición de reposo, los
actuadotes articulares (motores
eléctricos, actuadotes hidráulicos y
neumáticos, deben aplicar un conjunto complejo de funciones de
par.
Un método
para controlar que un robot siga un camino determinado consiste
en calcular estas funciones de par usando las ecuaciones
dinámicas del robot. Un segundo uso de las ecuaciones
dinámicas del movimiento es en la simulación. Reformulando las ecuaciones
dinámicas de forma que la aceleración se calcule
como una función
del par actuador, es posible simular cómo un robot se
movería bajo la aplicación de un conjunto de pares
del actuador.
DESCRIPCIÓN DEL
FUNCIONAMIENTO DE LA ESTACIÓN DE ENSAMBLE.
La estación de ensamble estará formada por
un robot de cuatro grados de libertad de configuración
SCARA. Los robots SCARA son unidades articuladas que hacen la
tarea de tomar y colocar (pick and place). Este tipo de robot
combina dos puntos de pivote uno que cubre el eje x-y dentro de
un plano de referencia y otro que se desplaza cubriendo un
área en el eje z; a diferencia de un robot SCARA comercial
el robot propuesto presentará su desplazamiento del eje z
en el eslabón próximo a la base ya que los robots
comerciales tienen este desplazamiento en su eslabón
próximo al efector final, esto con el objeto de situar la
tenaza como efector final, así mismo un dispositivo
auxiliar de ensamble (dos pistones neumáticos, cuatro
guías mecánicas) y una mesa de trabajo serán
parte complementaria de la estación. Este proceso
formará parte del SIM dado que empleará el mismo
sistema de alimentación el cual utiliza una banda
transportadora de vagones. Los vagones transportan plantillas que
contienen la materia prima
a ensamblar proveniente de la estación de manufactura
flexible donde las piezas se maquinan para su correcto ensamble.
Las piezas a ensamblar son 3 prismáticas de aluminio o
acrílico con dimensiones, 77 x 50 x 19 mm. Como se
muestra en la
figura 5.
Fig. 5 Pieza prismática de
acrílico.
Las piezas a ensamblar presentarán un maquinado
de tal manera que nos permitirán realizar un ensamble
deslizando una pieza en el interior de la otra en una de sus
caras frontales con la ayuda de los dispositivos
neumáticos tal y como se muestra en la figura
6.
Fig. 6 Forma de las piezas a
ensamblar.
Los pasos para las tareas de ensamble de la
estación son:
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú
superiorFig. 7 Robot transportando la pieza
No 1- El robot sujetará la pieza número 1
proveniente de la banda transportadora para situarla en el
dispositivo de ensamble.Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superiorFig. 8 Robot colocando la pieza
No 2 - El manipulador sujetará la pieza 2 para
situarla en las guías mecánicas las cuales
estarán posicionadas en la misma dirección de uno de los pistones
neumáticos. - El actuador se accionará para realizar el
primer ensamble por presión, finalmente el manipulador
repetirá esta operación con la pieza 3,
quedando unidas de esta forma las tres piezas para ser
retiradas y colocadas en el vagón que las
conducirá a la estación de descarga, donde el
robot de esta estación descargará la pieza
ensamblada.
Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
Fig. 9 Actuadores neumáticos
realizando ensamble de las piezas No 2 y No
3.
Las piezas unidas quedarán como se muestra en la
figura 10.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú
superior
Fig. 10 Ensamble final de
piezas.
El presente trabajo comprende un resumen del marco
teórico, y una idea general del ensamble a realizar
así como del tipo de robot a diseñar, en lo
consecuente se diseñará el robot en base a los
requerimientos de operación establecidos, dibujarlo en
el programa Mechanical Desktop así como la
comprobación de los resultados de los
cálculos.
Joe Portelli, Flexibility and agility robots to
acomódate current and future product
production.
Industrial Robots: Fast, nimble at 30,Control
Engineering,Barrington
Nov 2002, Gary A Mintchell.
Antonio Barrientos, Luis F Peñin, Fundamentos de
Robotica
1997,Madrid
España.
Eduardo Lebano Pérez "Determinación del
estado de
flexibilidad e integración del FMS del CIM-2000 del
Instituto Tecnologico de Puebla, 2002, México.
Aníbal Ollero Baturone, Robótica
Manipuladores y robots móviles 2001, Barcelona
España.
K. S. Fu, R.C. González, C.S.G. Lee. Robotica:
Control, detección, visión e inteligencia, Madrid
España.
http://www.maloka.org/colombia/cachivaches.htm.
http://www.ucsc.cl/~kdt/procesos/donwload/doc/cim.doc
http://www.isa.uma.es/personal/antonio/Robotica/Tema1%20-%20Introduccion.pdf.
Nomely Gijón Yescas
Estudiante de la maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica.
Instituto Tecnológico de Puebla.
M.C. Sergio Javier Torres
Méndez
Instituto Tecnológico de Puebla. Av.
Tecnológico No 420 Col Maravillas