- Robótica
- Robots
- Análisis de la
necesidad de un robot - Denavit
Hartenberg - Cinemática del
robot - Jacobiano
- Bibliografía
1.
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
2.
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.
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.
4.
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.
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.
6.
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
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.
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.
Henry Mendiburu Díaz
Ingeniero Electrónico