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Introducción a la robótica




Enviado por henrymd



    1. Robótica
    2. Robots
    3. Análisis de la
      necesidad de un robot
    4. Denavit
      Hartenberg
    5. Cinemática del
      robot
    6. Jacobiano
    7. 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.

    3.
    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.

    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.

    5. 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.

    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

    7.
    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.

    8.
    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.

     

    Henry Mendiburu Díaz

    Ingeniero Electrónico

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