INTRODUCCION En menos de 30 años la robótica ha
pasado de ser un mito, propio de la imaginación de algunos
autores literarios, a una realidad imprescindible en el actual
mercado productivo. Tras los primeros albores, tímidos y
de incierto futuro, la robótica experimentó entre
las décadas de los setenta y ochenta un notable auge,
llegando a estos años a lo que muchos consideran su
mayoría de edad, caracterizada por una
estabilización de la demanda y una aceptación y
reconocimiento pleno en la industria. La robótica posee un
reconocido carácter interdisciplinario, participando en
ella diferentes disciplinas básicas y tecnologías
tales como y la teoría de control, la mecánica, la
electrónica, el álgebra matricial y la
informática, entre otras.
CAPITULO 1.ANTECEDENTES HISTORICOS Por siglos el ser humano ha
construido máquinas que imitan las partes del cuerpo
humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a
las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por
sacerdotes, quienes decían que el movimiento de
éstos era inspiración de sus dioses. Los griegos
construyeron estatuas que operaban con sistemas
hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los
adoradores de los templos. Durante los siglos XVII y XVIII en
Europa fueron construidos muñecos mecánicos muy
ingeniosos que tenían algunas características de
robots. En 1772, Pierre Jaquet-Droz (1721-1790) inventó un
escritor automático. En 1805, Henri Maillardert
construyó una muñeca mecánica que era capaz
de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como el
programa para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.
Hubo otras invenciones mecánicas durante la
revolución industrial, muchas de las cuales estaban
dirigidas al sector de la producción textil. Entre ellas
se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la
hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar
mecánico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard
(1801), y otros. El desarrollo en la tecnología,
donde se incluyen las poderosas computadoras electrónicas,
los actuadores de control retroalimentados, transmisión de
potencia a través de engranes, y la tecnología en
sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos
autómatas para desempeñar tareas dentro de la
industria. Son varios los factores que intervienen para
que se desarrollaran los primeros robots en la década de
los 50’s. La investigación en inteligencia
artificial desarrolló maneras de emular el procesamiento
de información humana con computadoras electrónicas
e inventó una variedad de mecanismos para probar sus
teorías.
La palabra “Robot” fue usada por primera vez en el
año 1921, cuando el escritor checo Karel Capek (1890-1938)
estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum’s
Universal Robot (R.U.R). Su origen es la palabra eslava
“Robota”, que se refiere al trabajo realizado de
manera forzada. Pero sin duda alguna, fue el escritor
americano de origen ruso Isaac Asimov (1920-1992) el
máximo impulsor de la palabra robot. En Octubre de 1945
publicó en la revista Galaxy Science Fiction una historia
en la que por primera vez enunció sus tres leyes de la
robótica. : Un robot no puede perjudicar a un
ser humano. Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas
de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en
conflicto con la primera ley. Un robot debe proteger su propia
existencia mientras tal protección no entre en conflicto
con la primera y segunda ley. Se le atribuye a
Asimov la creación del término robotics
(Robótica) y sin lugar a duda, desde su obra literaria, ha
contribuido decisivamente a la divulgación y
difusión de la robótica.
ORIGEN Y DESARROLLO DE LA ROBÓTICA “Robot” se
usa por primera vez en el año 1921 en el teatro nacional
de Praga en la obra Rossum's Universal Robot (R.U.R.), con el
escritor checo Karel Capek; Su origen es robota palabra eslava
que se refiere al trabajo forzado. George Devol, pionero de la
Robótica Industrial, patento en 1948, un manipulador
programable. En 1948 R.C. Goertz del Argonne National Laboratory
desarrolló el primer telemanipulador formado por un
dispositivo mecánico maestro-esclavo. Años
más tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la
tecnología electrónica y del servocontrol
sustituyendo la transmisión mecánica por
eléctrica y desarrollando así el primer tele
manipulador con servocontrol bilateral. Otro pionero fue Ralph
Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo
un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en dos brazos
mecánicos teleoperados mediante un maestro del tipo
denominado exoesqueleto. Junto a la industria nuclear, la
industria submarina comenzó a interesarse por el uso de
los tele manipuladores. (60’S). A este interés se
sumo la industria espacial. (70’S)
La primera patente de un dispositivo robótico se solicito
en Marzo de 1954 por el británico C.W. Kenward. Dicha
patente fue emitida en el Reino Unido en 1957, sin embargo fue
George C. Devol, norteamericano, inventor y autor de varias
patentes, él estableció las bases del robot
industrial moderno, en 1954 Devol ideó un dispositivo de
transferencia programada de artículos que se patento en
Estados Unidos en 1961. En 1956 Joseph F. Engelberger (Director
de ingeniería de la división aeroespacial de la
empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut), junto
con Devol comenzaron a trabajar en la utilización
industrial de sus maquinas, fundando la Consolidated Controls
Corporation, que más tarde se convierte en Unimation
(Universal Automation), instalando su primera maquina Unimate
(1960), en la fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey,
en una aplicación de fundición por
inyección. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron
la construcción de maquinas similares. (Versatran-1963) En
1968 J.F. Engelberger visito Japón y se firmaron acuerdos
con Kawasaki para construir robots tipo Unimate.
Japón: Aventaja a los Estados Unidos gracias a Nissan, que
formo la primera asociación robótica del mundo, la
Asociación de Robótica industrial de Japón
(JIRA) en 1972. en 1974 se formo el Instituto de Robótica
de América (RIA), que en 1984 cambio su nombre por el de
Asociación de Industrias Robóticas, manteniendo las
mismas siglas. (RIA)Europa: En 1973 la firma sueca ASEA construyo
el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, en
1980 se fundo la Federación Internacional de
Robótica (RIF) con sede en Estocolmo Suecia. Los primeros
robots respondían a las configuraciones esférica y
antropomórfica, para uso especial de manipulación.
En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de
Japón, desarrolla el concepto de robot SCARA (Selective
Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con pocos
grados de libertad (3 o 4), un costo limitado y una
configuración orientada al ensamblado de piezas.
Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de
la Robótica Industrial:
DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL ROBOT
Definición de robot industrial: Para los japoneses un
robot industrial es un dispositivo mecánico dotado de
articulaciones móviles destinado a la manipulación,
el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una
mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control.
Para el Occidente. La definición mas aceptada posiblemente
sea la de la Asociación de Industrias Robóticas
(RIA), donde un robot industrial es un manipulador multifuncional
reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o
dispositivos especiales, según trayectorias variables,
programadas para realizar tareas diversas.
Para la Organización Internacional de Estándares
(ISO) un robot industrial es un 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. Una definición establecida por la
Asociación Francesa de Normalización (AFNOR) que
define al manipulador y al robot: Manipulador: mecanismo
formado generalmente por elementos en serie, articulados entre
si, destinado al agarre y desplazamiento de objetos.
Robot: manipulador automático servo controlado,
reprogramable, capaz de posicionar y orientar piezas,
útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias
variables reprogramables, para la ejecución de tareas
variadas. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria
y ocasionalmente de percepción del entorno.
Clasificación de robot industrial La evolución de
la automatización ha dado origen a una serie de tipos de
robots, que se citan a continuación: 1._ Manipuladores:
Sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo
sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus
elementos, de los siguientes modos: Manual: Cuando el
operario controla directamente la tarea del manipulador. De
secuencia fija: Cuando se repite, de forma invariable, el proceso
de trabajo preparado. De secuencia variable: Se pueden alterar
algunas características de los ciclos de trabajo.
Se debe considerar seriamente el empleo de manipuladores cuando
las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.
2._ Robots de repetición o aprendizaje: Son
manipuladores limitados a repetir una secuencia de movimientos,
previamente ejecutada por un operador humano. En este tipo de
robots, el operario en la fase de enseñanza, se vale de
una pistola de programación, o bien, de joystics. La
programación de tipo "gestual". 3.- Robots con
control por computador: Son manipuladores o sistemas
mecánicos multifuncionales, controlados por un computador.
El control por computador dispone de un lenguaje especifico,
compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las
que se confecciona un programa de aplicación utilizando
solo el terminal del computador, no el brazo (Programación
textual), exige la preparación de personal calificado,
capaz de desarrollar programas similares a los de tipo
informático. 4.- Robots inteligentes: Similares a los
anteriores, son capaces de relacionarse con su entorno a
través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto
programable). La visión artificial, el sonido de maquina y
la inteligencia artificial, son las ciencias que más
están estudiando para su aplicación en los robots
inteligentes.
5.- Micro-robots: Educacionales: de entretenimiento o
investigación, existen micro-robots a precio muy
asequible, cuya estructura y funcionamiento son similares a los
de aplicación industrial Clasificación de los
robots según la AFRI.
Otra clasificación del robot industrial, es la entregada
por la IFR (Federación Internacional de Robotica), la cual
distingue entre cuatro tipos de robots: Robot secuencial:
Robot de trayectoria controlable:
Robot adaptativo:
Robot telemanipulado:
La clasificación AFRI (Asociación Francesa de
Robotica Industrial) coincide ampliamente con la establecida por
la IFR (Federación Internacional de Robotica)
Más simple y específica es la clasificación
de los robots según generaciones en la tabla
Clasificación de los robots industriales por
generaciones:
CAPITULO 2.MORFOLOGÍA DEL ROBOT Un robot esta formado por
los siguientes elementos: Estructura mecánica.
Transmisiones. Sistema de Accionamiento. Sistema Sensorial.
Sistema de Control y Elementos Terminales. Aunque los elementos
empleados en los robots no son exclusivos de estos (maquinas
herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologías
semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots
han motivado que en ellos se empleen elementos con
características especificas.
CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS Grados de libertad
(GDL). Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador. Capacidad
de Carga. Exactitud y Repetibilidad. Precisión en la
Repetibilidad. La Resolución del Mando. Velocidad.
LOS BRAZOS DEL ROBOT Articulaciones Típicas:
Esféricas, articulaciones rotatorias a menudo manejadas
por los motores eléctricos o por los cilindros
hidráulicos. Figura 1. Articulación Esférica
o Rotula (3GDL)
Prismático, articulaciones del deslizador en que el
eslabón se apoya en un deslizador lineal, y linealmente
actúa por los tornillos de la pelota y motores o
cilindros. Figura 2 Articulación Prismática
(1GDL)
LOS BRAZOS DEL ROBOT Configuraciones Básicas: El empleo de
diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar
a diferentes configuraciones, con características a tener
en cuenta en el diseño y construcción como en su
aplicación. Las combinaciones más frecuentes son
las explicadas a continuación, donde se atiende
únicamente las primeras articulaciones del robot, que son
las más importantes a la hora de posicionar su extremo en
un punto del espacio.
Configuraciones Básicas: Cartesiano / Rectilíneo:
Esta configuración se usa cuando un espacio de trabajo es
grande y debe cubrirse o cuando la exactitud consiste en la
espera del robot. Figura 3. Diagrama Robot cartesiano. Figura 4.
Robot Cartesiano Real (Seiko XM-3000)
Configuraciones Básicas: Cilíndrico: Este robot
satisface bien a los espacios de trabajo redondos. Figura 5.
Diagrama Robot Cilíndrico. Figura 6. Robot
Cilíndrico Real (Seiko RT-3300)
Configuraciones Básicas: Esférico: Dos junturas de
rotación y una juntura prismática permiten al robot
apuntar en muchas direcciones y entonces extiende la mano a un
poco de distancia radial. Figura 7. Diagrama Robot
Esférico. Figura 8. Robot Esférico Real (Unimate
5000)
Configuraciones Básicas: Angular: Estos tipos de robots,
la mayoría se parecen al brazo humano, con una cintura, el
hombro, el codo, la muñeca. Figura 9. Diagrama Robot
Angular. Figura 10. Robot Angular Real (ABB 1400)
Configuraciones Básicas: Scara: Este robot conforma a las
coordenadas cilíndricas, pero el radio y la
rotación se obtiene por uno o dos eslabones del planar con
las junturas de rotación. Figura 11. Diagrama Robot Scara.
Figura 12. Robot Scara Real (Adept A3)
ESTRUCTURA MECANICA DE UN ROBOT Un robot esta formado por los
siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones,
sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y
elementos terminales. Mecánicamente, un robot esta formado
por eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un
movimiento relativo entre cada uno de los eslabones consecutivos.
Para hacer referencia a los elementos que componen el robot, se
usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca
(ver figura 13a y 13b).
Figura 13a. Homólogia entre el Brazo Humano y un Brazo
Robot. Figura 13b. Equivalencia de extremidades en un Brazo
Robot.
Tipos de Actuadores: Los elementos motrices que generan el
movimiento de las articulaciones pueden ser, según la
energía que consuman, de tipo hidráulico,
neumático o eléctrico. Los de tipo
hidráulico se destinan a tareas que requieren una gran
potencia y grandes capacidades de carga. Los neumáticos
tienen una gran velocidad de respuesta, junto a un bajo costo,
pero se están sustituyendo por elementos
eléctricos. Los eléctricos cubren la gama de media
y baja potencia, acaparan el campo de la Robótica, por su
gran precisión en el control de su movimiento y las
ventajas inherentes a la energía eléctrica que
consumen.
Programación del espacio de trabajo: La
programación gestual y textual, controlan diversos
aspectos del funcionamiento del manipulador. Control de la
velocidad y la aceleración. Saltos de programa
condicionales. Temporizaciones y pausas. Edición,
modificación, depuración y ampliación de
programas. Funciones de seguridad. Funciones de
sincronización con otras maquinas. Uso de lenguajes
específicos de Robótica.
Sistemas de Robots Basicos. Los componentes básicos de un
robot son: La estructura mecánica: Los eslabones, base,
etc. Actuadores: Los motores, los cilindros, etc., también
podría incluir los mecanismos para una transmisión,
etc. Control a la Computadora: Esta computadora une con el
usuario las junturas del robot. El extremo de Brazo que labora
con herramienta (EOAT): La programación que proporciona el
usuario se diseña para las tareas
específicas.
Carga Util. Las consideraciones Estáticas: La gravedad
(Causa desviación descendente del brazo y sistemas de
apoyo). Manejo a menudo de cubiertas (traen lentitud “la
repercusión negativa”). El trabajo de la juntura
(Miembros rotatorios largos se tuercen bajo la carga). Los
efectos termales (la temperatura modifica las
dimensiónales en el manipulador).
Carga Util. Las consideraciones Dinamicas: La aceleración
efectúa: las fuerzas inerciales pueden llevar a la
desviación en los miembros estructurales. Repetibilidad:
Esto significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto
repetidamente, no siempre se detendrá en la misma
posición. La exactitud: Esto es determinado por la
resolución del espacio de trabajo. Tiempo de
establecimiento: Es el tiempo requerido por el robot, para estar
dentro de una distancia dada a la última posición.
Control de la Resolución: Es el cambio más
pequeño que puede medirse por los sensores de la
regeneración, a causa del actuador. Las coordenadas: Las
coordenadas son una combinación de la posición del
origen y la orientación de los eslabones.
Capitulo 3: Introducción al control de robots En este
capitulo se estudiarán las diversas formas de control de
actuadores robóticos a partir de las técnicas y
métodos de modelización, en concreto, usando la
formulación de Laplace aplicada a sistemas lineales.
Diagrama de bloques para el control de un motor CC
Técnicas de control clásico sobre motores
C.C.
Amplificador de potencia que alimenta al motor Función de
Transferencia del Motor La Kp: es la constante de
realimentación de posición. La Kg: es la constante
del tacómetro que relaciona la velocidad angular medida
con la señal que éste genera.
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
LA VERSIÓN DE DESCARGA