La robotica

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

Autor:

Jordanoz Folk