Robótica Industrial

Resumen

La Robótica Industrial, en sí, es un gran
ámbito de estudio, en este documento se presentan algunas
generalidades sobre el tema, tales como definiciones
básicas, características, partes que conforman un
robot industrial y algunas aplicaciones. Además se da una
breve introducción en cuanto a los modelos
cinemáticos y dinámicos para un robot cualquiera,
por lo tanto se tendrá un concepto básico para
poder entrar al análisis y estudio completo sobre la
Matemática del Robot.

Palabras Clave: Torque, Automatización, Grados de
Libertad, Potencia, Trabajo.

Abstract. – The Industrial Robotics, in itself,
is a great environment of study, in this paper some generalities
on the subject, such as basic definitions, characteristics, parts
that make up an industrial robot and some applications are
presented. Also gives a brief introduction about the kinematic
and dynamic models for any robot, therefore have a basic concept
to enter the analysis and complete study of Math
Robot.

Introducción

A lo largo de la historia del ser humano, el hombre ha
venido creando herramientas y artefactos que lo ayudan a realizar
tareas que tal vez para el solo resulte complicado y/o peligroso;
y así se llego a grandes inventos de maquinas que tienen
varias ventajas entre ellas: maximizar costos, reducir riesgos
para obreros, disminuir tiempos de operación,
producción en serie etc.

Como se ve, los robots juegan un papel fundamental en el
desarrollo de empresas y en la creación de nuevas
tecnológicas. El robot industrial es la unión de
una parte mecánica con una parte electrónica que a
su vez funciona como dispositivo de control principal; dentro de
este mecanismos existen otros, que a su vez ayudan

Existen varios robots industriales en la actualidad con
diferentes grados de liberta, fuerza, precisión etc. Tal
vez para el lector le resulte nuevo el concepto de grados de
libertad, pero esto simplemente indica el numero de movimientos
posibles que puede ejecutar un robot.

Desarrollo

Resulta interesante el observar la analógica que
se hace de un brazo robótico con la anatomía de un
brazo humano.

• Analogía: Brazo
  Humano-Brazo Robot

Antes que nada, es conveniente dar un concepto sobre lo
que significa un Robot Industrial, en el mundo existen varias
definiciones, las cuales son aceptadas por diferentes personas,
pero tal vez la más clara y aceptada a nivel mundial es la
definición dada por la Asociación Internacional de
Estándares (ISO): "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" [1].

Es conveniente realizar una clasificación de los
diferentes tipos de robots industriales.

• 1. Tipo A. Manipuladores: son robots
  multifuncionales con sistemas mecánicos
  básicos, por lo que deben ser utilizados en tareas
  sencillas y repetitivas, pueden ser controlados por una o
  más personas mediante control remoto, y cuenta con
  tres o cuatro grados de libertad.

• 2. Tipo B. Computarizados de
  precisión por controlador lógico programable
  (PLC): es un manipulador pre ajustable que cuenta con
  sensores de regulación, por lo tanto tienen mayor
  precisión y fuerza, se regulan mediante un PLC y tiene
  4 grados de liberta.

• 3. Tipo C. Computarizados por CNC: robot
  programable con trayectoria continúa, son equipos
  más avanzados programados por CNC, con mayor fuerza y
  realizan trabajos más exigentes, posee seis grados de
  libertad.

• 4. Tipo D. Sensoriales: robot que
  mediante sensores adquiere información de su entorno y
  es capaza de adaptarse a las condiciones del mismo. Poseen
  seis grados de libertad con una precisión de ±
  0,04 mm.

Los elementos que forman parte de la totalidad del robot
son:

• 1. Manipulador: es el elemento
  mecánicamente más importante, formado por
  varios eslabones unidos mediante articulaciones que permiten
  el movimiento de los mismos.

• 2. Controlador: es el que regula cada uno de
  los movimientos del manipulador, las acciones,
  cálculos y procesamiento de la
  información.

• 3. Dispositivos de entrada y salida de datos:
  permiten ingresar y leer información presente en los
  controladores.

• Elementos de un Robot
  Industrial

Para ya entrar en lleno a lo que se refiere a un robot
industrial primero debe conocerse las diferentes formas
físicas que puede tener el brazo robótico, a lo
cual se conoce como configuraciones para robots
industriales.

Otro parámetro importante para distinguir a
nuestro robot industrial es por el volumen de trabajo del
mismo, el cual nos indica las dimensiones de los elementos del
manipulador, junto con los grados de libertad, para poder
determinar este parámetro por lo general el fabricante
indica un plano con los límites del movimiento que tiene
cada una de las articulaciones del robot.

• Configuración Cartesiana: posee tres
  grados de liberta con movimientos lineales, los cuales
  corresponden a los tres ejes X, Y y Z. Los movimientos que
  realiza este tipo de robot los hace mediante interpolaciones
  lineales. Presenta volúmenes de trabajo
  regulares.

• Configuración Cartesiana
  con su Volumen de Trabajo

• Configuración Cilíndrica: posee
  tres grados de libertad con dos movimientos lineales y dos de
  rotación, por lo tanto los movimientos se basan en
  interpolación lineal e interpolación por
  articulación. Presenta un volumen de trabajo parecido
  a un cilindro.

• Configuración
  Cilíndrica con su Volumen de Trabajo

• Configuración Polar: posee tres grados
  de libertad con movimientos de rotación y uno lineal,
  utiliza la interpolación por articulación para
  sus dos primeros movimientos y la lineal para movimientos de
  extensión. Volumen de trabajo irregular.

• Configuración Polar con su
  Volumen de Trabajo

• Configuración Angular: posee una
  articulación con movimientos rotacionales y dos
  angulares. El movimiento se basa en interpolación por
  articulación. El volumen de trabajo es irregular, por
  lo que suele revisar el plano del robot

• Configuración
  Angular

Modelos
Cinemáticos del Robot

Como se mencionaba al principio se van a observar
algunas características básicas de los robots
industriales, ahora se hará un estudio muy rápido
de los movimientos del robot con respecto a un eje de referencia
sin considerar las fuerzas externas que actúan sobre el
sistema.

• 1. Cinemática Directa: Sirve
  para determinar la posición y orientación del
  extremo del robot con respecto a un sistema de coordenadas
  que se toma como referencia y se conoce los valores de las
  articulaciones y los parámetros geométricos de
  los elementos del robot.

• 2. Cinemática Inversa: La
  cinemática inversa resuelve la configuración
  que debe adoptar un robot para una posición y
  orientación del extremo conocidas.

Matriz de Transformación Homogénea: "sirve
para transformar un vector expresado en coordenadas
homogéneas con respecto a un sistema OUVW a su
expresión en OXYZ." [2]

• Matriz de Traslación
  – Sistemas OUVW y OXYZ

Modelo Dinámico

Estudia la relación entre las fuerzas que
actúan sobre un cuerpo y el movimiento que generan. Dicho
modelo ayuda a relacionar varios parámetros sobre el
robot:

• La localización del robot definida por sus
  variables articulares, coordenadas de localización,
  velocidad y aceleración.

• Fuerzas y pares aplicados en las
  articulaciones.

• Los parámetros dimensionales del
  robot.

La obtención de dicho modelo suele ser muy
complejo y tedioso que aumenta con el número de grados de
libertar, pero al mismo tiempo muy necesario si se
desea:

• Simular el movimiento del robot.

• Diseño y evaluación de la estructura
  mecánica del robot.

• Dimensionamiento de los actuadores.

• Diseño y evaluación del control
  dinámico del robot.

Para poder obtener el modelo dinámico se puede
utilizar algunos algoritmos, tales como:

• Algoritmo computacional para el modelado
  dinámico de Lagrange- Euler.

• Algoritmo computacional para el modelado
  dinámico de Newton – Euler.

• Modelado dinámico por variables de
  estado

• Modelado dinámico en el espacio de la
  tarea

• Aplicaciones
  Básicas de los Robots Industriales

• Carga y Descarga

Al ya tener unos concepto sobre los robots industriales
podemos tratar sobre sus aplicaciones y donde son
comúnmente utilizados.

El implementar un robot industrial dependerá
plenamente de la decisión de la empresa, la cual
deberá ser tomada la confrontar ventajas y desventajas del
mismo. Para lo cual se suelen tener presentes algunas pautas para
esta decisión:

• El grado de complejidad de la tarea.

• La repetitividad de la tarea.

• Velocidad de la tarea.

• Utilización: dependiendo del número de
  tareas que se realizan en una fábrica, si este
  número supera los 25 millones de tareas al año,
  se estaría tratando de la posibilidad de maquinaria
  automática.

• Costos: la inversión a corto y largo
  plazo.

• Aceptación: es importante que el robot sea
  aceptado por los demás empleados, para lograr una
  buena complementación factor
  humano-maquina.

Teniendo en cuenta todos los puntos anteriores, y tomar
la decisión sobre la instalación de un robot para
la industria podemos ver algunos casos concretos de trabajo de
los mismos:

• 1. Manipulación en moldeado de
  plásticos.

• 2. Soldadura: Punto, por arco, alógena,
  laser, etc.

• 3. Aplicación de Materiales: pintura,
  adhesivos, etc.

• 4. Mecanización: carga y descarga,
  corte, rectificado, etc.

• 5. Montaje: mecánico, superficial,
  etc.

• 6. Medición e inspección de
  calidad.

• 7. Formación, enseñanza e
  investigación.

• Soldadura de
  Materiales

Conclusiones

El trabajo desarrollado abarcó algunas ideas
básicas en cuanto a un robot industrial se refiere, en
rasgos generales se trato sobre como reconocer los diferentes
tipos de robots existentes en el mercado, cabe recalcar que en la
actualidad existen otros muchos modelos o configuraciones sobre
estos robots, lo que se deja para otro tema de estudio. Los
modelos para poder estudiar al robot incluye un análisis
matemático profundo el cual para muchos será muy
tedioso e incluso aburrido, pero solamente los verdaderos
apasionados por la robótica serán capaces de asumir
este reto.

En la actualidad los robots industriales han mejorado el
tiempo de trabajo y calidad de algunos productos en las grandes
fabricas, aun mas también han ayudado al hombre en algunas
tareas que son de alto peligro, dejando el trabajo a un brazo
mecánico, pero esto también nos lleva a crearnos
otras preguntas en la cabeza, ¿reemplazara la mano
robótica a la del hombre?, ¿se convertirá el
hombre en un sedentario viviendo de maquinas?, tal vez sean
preguntas que cada uno de nosotros nos debamos
responder.

Resulta interesante el pensar que cuando éramos
niños imaginábamos un robot y jugamos con nuestra
mente en ser uno de ellos, ahora ya, con un poco más de
experiencia nos damos cuenta que seguimos jugando con nuestra
mente para poder hacer realidad esas ideas de crear un robot, y
la ingeniería con sus grandes y asombras
matemáticas es uno de los caminos que nos ayudan a hacer
realidad este sueño, basta con darnos cuenta la
complejidad que resulta obtener el modelo dinámico del
robot para poder decir: "como seria esto posible sin un
conocimiento cálculo, dinámica, etc.".

Referencias

• [1] Barrientos, A., Peñin, L. y otros,
  "Fundamentos de Robótica," Universidad
  Politécnica de Madrid, McGraw-Hill Internacional de
  España S.A., 1997

• [2] Minchala, I.,"Fundamentos de
  Robótica Industrial," Ingeniería de
  Aplicaciones, 2009.

• [3] Cepyme Aragón, "Guía
  Técnica de Seguridad en Robótica", Gobierno de
  Aragón, Dpto. de Economía, Hacienda y
  Empleo.

• [4] Mg. Velásquez Costa, J.,
  "Aplicación Industrial de la Robótica",
  Universidad de San Martín de Porres, Facultad de
  Ingeniería y Arquitectura, 2012.

• [5] Romeo A., "Introducción a la
  Robótica Industrial", Escuela de Ingeniería y
  Arquitectura de la Universidad de Zaragoza.

• [6] Barea R., "Introducción a la
  Robótica", Universidad de Alcala. Departamento de
  Electrónica.

• [7] Yebra Pérez J., Lagos
  Fernández N., "Mini proyecto de Robótica",
  Universidad Politécnica de Cataluña, Diciembre
  2012.

• [8] Vázquez, Rolando,
  Presentación curso "Robótica
  Industrial". Colombia, 2009.

• [9] Sotomayor N, "Robótica Industrial",
  Escuela Politécnica Nacional, Dpto. de
  Automatización y Control Industrial, Septiembre
  2009.

• [10] Gamboa Meléndez J., "Robots
  Industriales", Universidad de Guadalajara, Centro
  Universitario de Ciencias Exactas e
  Ingenierías.

• [11] Tecnologías de la
  Información y de la Comunicación.
  Capítulo 6, Programación y control de procesos.
  Juan A. Alonso, Santiago Blanco A., Santiago Blanco S.,
  Roberto escribano, Víctor R. González, Santiago
  Pascual, Amor Rodríguez. Editorial Ra-Ma
  2004.

• [12] Laurent S., "Robots Manipuladores",
  Universidad San Francisco de Quito, Dpto. de
  Ingeniería Mecánica del Colegio de Ciencias e
  Ingeniería.

• [13] Velásquez J. A., "La
  Robótica y sus Beneficios", Docente en la Universidad
  Ricardo Palma, Laboratorio CIM, Lima, Perú.

• [14] Caparroso I, O,. Avilés O,.
  Hernández J,. "Una Introducción a la
  Robótica Industrial", Revista de la Facultad de
  Ingeniería de Mecánica de la Universidad
  Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia,
  1999.

• [15] Tecnologías de la
  Información y de la Comunicación.
  Capítulo 6, Programación y control de procesos.
  Juan A. Alonso, Santiago Blanco A., Santiago Blanco S.,
  Roberto escribano, Víctor R. González, Santiago
  Pascual, Amor Rodríguez. Editorial Ra-Ma
  2004.

• [16] San Juan T, "Robots Manipuladores y su
  Importancia en la Industria", Escuela de Ingeniería,
  Universidad del Valle de México, Mayo 2011.

• [17] Rojas I,. "Introducción a la
  Robótica", Escuela de Ingeniería Industrial,
  Universidad del Mar, Chile.

• [18] Arias M. "Robótica Industrial",
  Ingeniería Mecatrónica, Escuela de
  Ingeniería de Antioquia.

• [19] Rojas J., Mahla I., Muñoz G.,
  Castro D,. "Diseño de un Robot Cartesiano para
  Aplicaciones Industriales", Revista Facultad de
  Ingeniería, U.T.A Chile, Vol. 11 Nº 2, 2003, pp.
  11-16.

• [20]  Control y Robótica. Tema:
  Fundamentos de robótica. Curso provincial. CFIE
  Valladolid II. Víctor R. González.
  Asesoría de Tecnología y FP.

• [21] Arhila J., Suell Max., "Estudio y
  Moldeamiento del Robot KUKA KR 6", Rev. Fac. Ing. Univ.
  Antioquia N.º 46 pp. 132-144. Diciembre,
  2008.

Autor:

Quizhpi Mateo.

Universidad Politécnica Salesiana,
Facultad de Ingeniería Eléctrica, Cuenca,
Ecuador.