U NIVERSIDAD P OLITÉCNICA DE C ARTAGENA
G RADO EN I NGENIERÍA E LECTRÓNICA I NDUSTRIAL Y
A UTOMÁTICA
Trabajo Fin de Grado
A DAPTACIÓN DE UN ROBOT CRS-PLUS PARA SU CONTROL USANDO ARDUINO
Antonio Javier Pérez Rodríguez 26 de septiembre de 2015
Director: Jorge Feliu Batlle
Codirector: José Luis Muñoz Lozano
Agradecimientos
Aunque todo lo que se abarca en esta memoria comprenda todo el trabajo que ha sido lle- vado a cabo por mi, no hubiera sido posible sin la ayuda de ciertas personas que han estado ahí cuando lo necesitaba y no han permitido que mis pilas se agotaran. Por eso me gustaría darles las gracias a mi familia por no cuestionar mi labor e intentar adaptarse a las medidas que he tomado en el desarrollo de éste, a Ana por estar siempre ahí escuchando mis quejas y haciendo que me olvide de los problemas por unos instantes, a mis amigos por divagar junto a mi en los problemas más técnicos y prestarme su ayuda siempre que han podido y de cualquier clase. Y por último agradecer al departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática por su gran ayuda aportada, su material, sus consejos y su paciencia conmigo.
´Indice
1. INTRODUCCIÓN HISTÓRICA 3
2. ESTADO DEL ARTE 11
2.1. Tipos de robots . . . 12
2.2. Morfología del robot industrial . . . 14
2.2.1. Estructura mecánica . . . 15
2.2.2. Transmisiones y reducciones . . . 16
2.2.3. Actuadores [1] . . . 18
2.2.4. Sistema de control . . . 22
2.2.5. Sistemas sensoriales . . . 23
2.2.6. Elementos terminales . . . 25
2.3. Situación actual . . . 27
3. CRS-PLUS 31 3.1. Descripción y equipamiento . . . 31
3.2. Especificaciones . . . 32
3.2.1. Rango de movilidad, dimensiones y peso . . . 32
3.2.2. Alcance . . . 33
3.2.3. Par articulaciónes . . . 34
3.2.4. Velocidades y carga . . . 34
3.2.5. Resolución y repetibilidad . . . 35
3.2.6. Motores . . . 35
3.2.7. Encoders . . . 36
3.2.8. Frenos . . . 36
4. DESARROLLO DEL TRABAJO 39
4.1. Estado del robot . . . 39
4.2. Identificación . . . 40
4.2.1. Frenos . . . 41
4.2.2. Motores . . . 42
4.2.3. Encoders . . . 44
4.3. Fabricación de la PCB . . . 46
4.3.1. Plantemiento del circuito . . . 46
4.3.2. Diseño . . . 49
5. CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE TRABAJO 55
Anexos 58
A. Diseño PCB utilizado 61
Bibliografía 65
´Indice
PR ´ OLOGO
La robótica industrial fue un hito tecnológico en su momento, llegando incluso a formar parte de una revolución industrial. En cualquier gran proceso de producción es impensable no usar robótica para agilizar trabajo, o como mínimo la automatización de estas tareas. La robótica se ha desarrollado tanto en los últimos 60 años que ha llegado a ligarse a nuestras vidas de tal manera que la percibimos como un hecho tan cotidiano como puede ser el soplo del viento.
El inicio de este trabajo de fin de grado lo provocó el estudio de una asignatura relacionada con esta rama de la ciencia que incluía el plan de estudios de mi grado en ingeniería. Se puede ver que la robótica surge de la unión de múltiples ciencias como pueden ser la electrónica y la mecánica, siendo este uno de sus encantos. El uso de la robótica está ampliamente extendido en la industria, pero no siendo este su único campo de acción, pudiendo encontrarla además en medicina, fines bélicos o en lineas de investigación tales como la inteligencia artificial.
Este trabajo de fin de grado tiene como objetivo poner a punto un manipulador robótico CRS-PLUS A255 perteneciente al departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, así co- mo el diseño de una placa de circuito impreso para su alimentación y control, siendo este último realizado por un microcontrolador Arduino y MatLab. En la memoria se comienza con una intro- ducción sobre los antecedentes de la robótica y los autómatas a lo largo de la historia. Después se analiza el estado del arte de la robótica así como los elementos clave para su uso. A continua- ción se especifican las características el robot base con el que se va a trabajar. Luego se describirá todos los procesos llevados a cabo en el desarrollo del trabajo. Y por último se describirán unas conclusiones y futuras lineas de investigación utilizando este trabajo como base.
CAP´ITULO 1
INTRODUCCI ´ ON HIST ´ ORICA
La imagen de máquinas con aspecto humano proviene de numerosas culturas de nuestra historia hace ya decenas de siglos. El ser humano, desde hace siglos, siempre ha tenido la nece- sidad de crear máquinas que sean capaces de realizar tareas de manera independiente. A base de la realización de estos pequeños artefactos poco a poco se va consolidando el concepto de robot.
Robot es una palabra internacional de origen checo, aunque a nosotros la adoptamos del inglés, como numerosos términos en nuestra lengua. Su origen checo proviene del sustantivo robota que significa ’trabajo forzado’ o ’servidumbre’, lo que nos indica las primeras pautas de la finalidad de la robótica, una máquina que satisface ciertas ordenes que le hemos asignado y que está bajo nuestro mandato [2].
La primera vez que se utilizo este término fue en la obra del dramaturgo Karel Capek
’R.U.R: Rossum’s Universal Robots’ de 1920, a la cual, Isaac Asimov, le atribuye el logro de introdu- cir al inglés la palabra checa. En la obra se presentan a robots humanoides creados artificialmente que trabajan en una linea de fabricación. A estos robots humanoides actualmente se les conoce como androides, ya que contienen elementos orgánicos como los seres vivos [3].
Por el año 1300 a.C. Amenhotep manda construir una estatua del rey de Etiopía, Memon.
Dicha estatua emite sonidos al impactar sobre ella los rayos del sol cuando amanecía. Los egipcios fueron una civilización clave para el desarrollo de la robótica tal y como la conocemos, creando automatismos como el reloj de agua y el ábaco. En la mitología de ciertas religiones podemos encontrar indicios de lo que sería la vida artificial como la creación de Adán por Dios en el judeocristianismo, la creación del hombre y la mujer por parte de Prometeo en la mitología griega, los ingenios mecánicos de Vulcano o el Gólem de la cultura hebrea.
En el 500 a.C. King-su Tse, en China inventó una urraca voladora con madera y bambú y un caballo de madera que daba saltos. En la Antigua Grecia, Arquitas de Tarento, un filosofo, matemático y político, considerado también el padre de la ingeniería mecánica, inventó el tornillo y la polea, además de un cohete autopropulsado para fines bélicos y, en el 400 a.C., una paloma de madera que giraba por si sola gracias a un surtidor de agua o vapor que simulaba el vuelo.
Por el 300 a.C. Cresibio inventa un reloj de agua, también llamado clepsidra, y un órgano que emite los sonidos por impulsos de agua. En el 200 a.C. Fión de Bizancio, amigo de Cresibio, crea un autómata acuático y una catapulta acuática. En el libro .Automata"de Herón de Alejandría se muestran diseños de juguetes que funcionaban por la fuerza producida por el giro de aspas de molino o circuitos de agua en ebullición, predecesores de la turbina de vapor. En la Roma imperial se mostraba gran interés por este tipo de artilugios los cuales se exhibían en grandes fiestas. Para el año 335 d.C. es construido un Buda montado en un carro de cuatro ruedas por orden de Hsieh Fec, donde dicho carro se desplazaba sin ayuda. Yéndonos esta vez a la cultura oriental, en el año 700 d.C Huang Kun construye unas figuras humanas y de animales que son capaces de cantar y danzar. En el 770 d.C Yang Wu-Lien contruye un mono que alarga las manos y grita "¡Limosna!", almacenando el beneficio en una bolsa cuando alcanza determinado peso.
En el año 1050 el príncipe hindú Bhoja escribe el "Samarangana-Sutradhara", donde se recogen instrucciones de como se construyen unas máquinas capaces de actuar por si solas, a las que llama yantras. Siendo los arabes unos grandes pensadores inventores del reloj y diversos automatismos con el fin de facilitar tareas, en el siglo XII Al-Jazari, un importante constructor de relojes de agua, construye ciertos autómatas musicales impulsados por agua que son capaces de realizar tareas en la cocina.
El reloj podría considerarse como la máquina más perfecta de la antigüedad, llegandolo a tomar como un automatismo y posiblemente el primer invento que daría paso a la robótica. Esta idea se fortifica si pensamos en esos relojes que al llegar una hora en punto hace que se muevan algunas figuras. Unos ejemplos de esto podrían ser el reloj de la catedral de Munich y el reloj del Ánker de Viena. En Estrasburgo, en su catedral, hubo un gallo que movía las alas y el pico al dar las horas. Y en España, el Papamoscas de la catedral de Burgos, que consta de un hombre mecánico que se mueve con los cambios horarios y fue construido en el siglo XVI, y aun sigue funcionando en la actualidad.
(a) Gallo de Estrasburgo (b) Papamoscas de la catedral de Burgos Figura 1.1.
En la Edad Media, también podemos encontrar autómatas importantes, como el hombre de hierro de Alberto Magno o la cabeza parlante de Roger Bacon. El constructor de la rueda perpetua", Villard d’Honnecourt, escribió en 1235 un libro con bocetos que incluía secciones de dispositivos mecánicos antropomórficos, como un ángel autómata. Leonardo Da Vinci (1452 - 1519) construyo para el Rey de Francia, Luis XII, un león mecánico que se abría el pecho con una garra y mostraba el escudo de armas real. Como el gran genio que fue del Renacimiento, Leonardo Da Vinci también construyó un caballero capaz de moverse e incorporarse que podría relacionarse con el canon del hombre de Vitruvio. Por el año 1500 diseñó una maquina de cálculo, predecesora de la que Blaise Pascal inventaría un siglo después, siendo de esta forma el inicio de la robótica desde el punto de vista computacional. En el siglo XVI Hans Bullmann fabricó una pequeña orquesta de autómatas y en 1533 Johann Müller, conocido como Regiomontanus, construyó en Nuremburg varios pájaros de metal y madera.
En la España del siglo XVI Juanelo Turriano contruye el "Hombre de Palo", un monje autómata capaz de andar y mover la cabeza. Salomón de Camus construyó un coche en miniatura con caballos, lacayos y una dama en su interior que se movían de forma armónica. Incluso el filosofo René Descartes construyó en 1640 un autómata en memoria de su hija, al que llamo "mon fill Francine". En el siglo XVII empezó a abogarse por el uso del cálculo binario para el desarrollo de autómatas de la mano de von Leibniz, asentando las primeras bases de la computación actual.
Los materiales que se utilizaban para llevar a cabo los primeros autómatas eran, sobre todo, la madera (para realizar partes moviles), hierro (para estructuras fuertes), cobre (para partes más delicadas, debido a su alta maleabilidad), cuero (para hacer cable, recubrir superficies o hacer citas de poleas) y otro tipo de tejidos. La energía que se le suministraba a estas máquinas para que realizaran movimientos era la fuerza directa. Casi siempre los autómatas se asemejaban a la forma humana y de este modo se les llegó a incluir en labores humanas para hacer el trabajo del
hombre menos costoso. Esta incursión del mecanicismo en el entorno hizo que se concibiese la anatomía del cuerpo humano de forma mecánica, como se llega explicar en De Humanis Corporis de Andrés Vesalio (1514-1564).
El desarrollo de la inteligencia artificial fue paralelo a la invención de los autómatas que conocemos hoy en día. En 1614, el matemático escoces, John Napier, da a conocer los logaritmos simplificando así los cálculos, convirtiendo las multiplicaciones en sumas, las potencias en pro- ductos y las divisiones en restas, ayudando así a agilizar el computo. En 1623 Wilhelm Schickard construyó el primer mecanismo de cálculo automático, cuya funcionalidad era la de sumar y restar números de hasta 6 cifras y tenía la capacidad de usar un avisador acústico para informar que se había rebasado la capacidad de cálculo. En 1642 se inventa la pascalina, considerada la primera calculadora y cuyo nombre se debe a su inventor, Blaise Pascal (1623-1662). Charles Babbage (1791-1871), fue un matemático inglés y catedrático de Cambridge, él cual desarrolló una máquina para calcular tablas matemáticas que llamo Máquina de Diferencias. Fue en 1834 cuando Charles Babbage, trabajando en la mejora de su máquina, cuando vislumbro la idea de una máquina analítica capaz de hacer operaciones de propósito general de forma automática.
Dicho autómata tendría la capacidad de hacer más de 70 operaciones por minuto y almacenar 1000 números de 50 cifras, pero debido a la dificultades de llevarla a la práctica debido a las limitaciones tecnológicas de la época no pudo realizarse y paso a llamarse "La locura de Babbage".
Los hallazgos matemáticos son clave para el desarrollo y avance de la robótica, como los modelos matemáticos de George Boole (1815-1864), como son el álgebra de Boole que permitieron pasar de la robótica clásica a la moderna. Uno de los más famosos y completos androides de la historia lo construyó Jacques Vaucanson (1709-1782), un inventor e ingeniero francés [4]. El invento trataba de un autómata flautista que tocaba melodías barrocas y lo fue presentando por las cortes europeas de la época, Figura 1.2(a). El androide realizaba la digitación sobre la flauta y seguía la partitura con sus ojos. También logró obtener más fama al construir un pato mecánico de más de 400 piezas que graznaba, se le podía alimentar y era capaz de hacer la digestión, Figura 1.2(b).
Otro francés, Jean-Frédéric Leschot, relojero de profesión, se especializó en la fabricación de prótesis para miembros amputados, aunque el pionero en este campo fue Ambroise Paré. Pero estas prótesis no solo cubrían el aspecto estético, sino que tenían cierto grado de funcionalidad, sobre todo en brazos y en piernas. Llego a realizar encargos para gente noble, como la baronesa Strakham de Francfort. En 1783 el abate Mical, presentó en la academia de París dos cabezas metálicas parlantes, que lograban articular palabras y decir frases como: .Elrey da la paz a Europa 2
"La paz cubre al rey de gloria". En España podemos encontrar las cabezas de Tábara (Zamora), que avisaba a toda la villa si había algún judío, gritando: "judaeus adest"; o la cabeza del Marqués de Villena. Incluso en el capitulo LXII de la segunda parte del Quijote se habla de un cráneo
(a) Esquema del ”Flautista”. (b) El ”Pato”de Jacques Vaucanson.
Figura 1.2.
metálico parlante. Antoine Favre, inventor de la caja de música en 1796, aporto dos grandes concepto de la robótica: la repetición de tareas preprogramadas y la precisión ofrecida por el mecanismo formado por el cilindro con resaltes o un disco con perforaciones, que fue clave para el desarrollo del telar de Jacquard, el censo de Hollerith en el siglo XIX y las tarjetas perforadas que llevaron las primeras computadoras de IBM.
Pero quizá, de todos estos inventos, el autómata más famoso de la historia es .el turco", creado por el ingeniero Johann Wolfgang Ritter von Kempelen de Hungría en 1769. El artefacto era un dispositivo enteramente mecánico que tenía el aspecto de una figura humana vestida con largas ropas y un turbante. El autómata fue diseñado para jugar al ajedrez por ello también llevaba incorporada una mesa con un tablero con dicho juego. Se enfrento a importantes personajes de la historia en esa época, como Napoleon Bonaparte, al emperador José II o la zarina Catalina II de Rusia, los cuales todos fueron derrotados. Nadie sabía como funcionaba, por lo tanto ignoraban que dentro de la máquina, oculto dentro de un cajón, se hallaba el campeón de ajedrez Johann Allgaier, Figura 1.3. A Kempelen jamás le descubrieron y hoy día siguen siendo un misterio ciertos aspectos de la máquina. Kempelen también construyó otros ingenios como una máquina parlante, y otros .ajedrecistas", Ajeeb y Mephisto, al final del siglo XIX. Durante toda esta época se utilizaban todos estos artefactos para el entretenimiento, y se mostraban al público en ferias y circos. Solo después de la revolución industrial, se les empezó a dar un uso más productivo.
En 1801, Joseph Marie Jacquard, hace un aporte fundamental a la robótica programando los movimientos de las máquinas de su empresa textil, haciendo que funcionen de manera
Figura 1.3.:Replica de ”el turco”.
automatica. Esto se hacía con tarjetas de cartón perforadas y dependiendo de las disposición de las perforaciones que estas llevaba ejecutaría una tarea u otra. Años después este metodo sería adoptado como sistema de programación de las primeras computadoras de IBM. En el mismo año, C. Spencer, invenó una máquina que producía tornillos, tuercas y arandelas de tamaño y vaso variable mediante el intercambio de las guías que poseía la máquina para funcionar. El físico André-Marie Ampère dio paso a las ciencias ciberneticas en 1834, estableciendo los principios del gobierno de las máquinas. Nikola Tesla (1856-1943), padre de la corriente alterna e inventor del motor AC (unidad fundamental para la construcción de robots en la actualidad), creo en 1898 un barco teledirgido que enseño al mundo en Nueva York. Este fue para muchos el primer robot y sirvió de patente para un torpedo de uso militar, el Teautomation. En 1891 Thomas Alva Edison (1847-1931), además de sus aportaciones para el diseño de la lampara incandescente y el gramófono, diseñó varios autómatas, como una muñeca parlante.
En 1906 se desarrolló uno de los elementos claves para que la electrónica de hoy tuviera su forma, cuyas técnicas son necesarias para la robótica que conocemos ahora. El hallazgo fue una bombilla incandescente con tres terminales a la que se le conoció como triodo. Esta fue desa- rrollada por Lee de Forest (1873-1961) y fue una mejora de un invento anterior de Sir Ambrose Flemming, el diodo. En 1936, un hombre demostró que las máquinas podrían aprender y a la humanidad llegó el concepto de inteligencia artificial. Este hombre fue Alan Turing, y participo en la II Guerra Mundial en el proyecto Colossus; una máquina capaza de descifrar los mensajes encriptados que utilizaban los alemanes para comunicarse cuya máquina que los generaba era Enigma. En 1947 se dio a conocer el test de Turing, fue publicado en el libro "Maquinaria Inteli- gente", y este citaba: Si no podemos distinguir entre un interlocutor vivo y una máquina, ésta puede ser considerada inteligente. En los laboratorios Bell los físicos Walter Brattain, William Shockley y John Bardeen desarrollán en 1947 el transistor, cuyo funcionamiento es muy similar al del triodo pero
su consumo en ínfimo y es más pequeño, reduciendo el drásticamente los diseños electrónicos.
El mismo año se creo en Estados Unidos la que es considerada la primera computadora digital experimental: ENIAC. Y el ultimo acontecimiento que contribuyó a la robótica y al desarrollo de autómatas fue el circuito integrado en 1958. Lo levó acabo en Texas Instruments y contenía en la placa 6 transistores. [5][6].
Y de este modo, con el paso del tiempo y los avances científicos que este conlleva, ya se tenían los ingredientes necesarios para el desarrollo de la robótica moderna, y así, poder hacer de su uso más que un entretenimiento o realizar una simple tarea. Gracias a la consolidación y el perfecto ensamblaje entre de las tres grandes ramas científicas, que son la mecánica, la electrónica y la computación, la robótica puede ser encontrada en el amplio uso de la industria, en servicios a la sociedad o en el hogar.
CAP´ITULO 2
ESTADO DEL ARTE
Después de haber realizado un breve paseó por la historia y ver las incursiones de los autó- matas y la robótica en ella, vamos hacer un repaso del estado actual en el que se encuentra la ro- bótica a día de hoy. Para empezar, la robótica se puede definir como una rama de ciencia aplicada que aplica técnicas de computación al diseño de aparatos mecánicos que sirven para desempeñar tareas y poder sustituir a personas en estos trabajos, sobretodo en el ámbito industrial. La robó- tica surgió aproximadamente en los años sesenta, despertando un interés que aun hoy sigue en aumento. El auge de la Robótica y la gran incursión que ha tenido en la sociedad y en la industria se debe a la investigación de numerosos campos en esta ciencia [7].
Ahora, concretamente podemos definir un robot como un manipulador automático servo controlado, reprogramable, polivalente (apropiado), capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables programables, para la ejecución de diversas tareas, utilizando para ello una unidad de procesamiento central, una memoria y la posibilidad de usar dispositivos de percepción de entorno [7]. Otras definiciones que podemos aceptar son la de la Asociación de Industrias de Robótica (RIA, Robotic Industry Association):
”Un robot industriales un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar diversos trabajos". Otra definición más formal es la de IFR (International Federation of Robotics): "Por robot industrial de manipulación se entiende una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materiales, piezas, herramientas
o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento" [8].
Pero al final, los robots son dispositivos que disponen de sensores para obtener datos de en- trada y que están conectados a un ordenador, que al recibir dichos datos ejecute unas determina- das acciones. En lugar de un ordenador, actualmente los robot tienen incorporados procesadores que se encargan de ejecutar las acciones en función de la información recogida por los sensores, pudiendo considerar esos robots como ordenadores. Se investiga para que los robots sean más parecidos a los humanos y que tengan una mayor inteligencia, pero mientras esto aun se desa- rrolla, la mayor parte de los robots están destinados al entorno industrial, ya sea en ensamblaje, pintar estructuras, soldar o transportar piezas o herramientas. Empleando robots en la industria se ahorra la necesidad de tener técnicos y se obtiene mejoras en otros aspectos [9]:
Productividad: utilizando robots en los procesos de soldadura, pintura, ensamblaje, control de calidad, almacenaje, manipulación de productos, etc. se reduce drásticamente el tiempo que se necesita para completar una solo de estas tareas, aumentándose así la productividad y reduciéndose los costes.
Flexibilidad: en la actualidad los sistemas robotizados que se construyen son flexibles, enten- diéndose por flexible a tener la capacidad de adaptarse a la fabricación de una familia de productos sin necesidad de parar la producción o modificarla.
Calidad: tanto como en la calidad del producto final debido a la repetibilidad y al control de la productividad o los propios sistemas diseñados para analizar el producto y medir su calidad mediante sensores de alta precisión.
Seguridad laboral: para aportarle la máxima seguridad a los operarios, los robots se pueden en- cargar de tareas que supongan algún riegos para las personas, como soldar, cargar elementos pesados, manipular sustancias peligrosas o a altas temperaturas, o adentrarse en entornos perjudiciales para la salud, minando así los accidentes laborales [8].
2.1. Tipos de robots
Dentro de la robótica podemos encontrar distintas ramas a las que orientar esta ciencia, como pueden ser los androides, la robótica movil, médica, zoomorfica, etc. En el caso que nos ocupa nos centraremos en la robótica industrial, la cual también se divide internamente según la estructura y el tipo de robot:
2.1. Tipos de robots
Manipuladores: son sistemas mecánicos con un sencillo lazo de control para controlar los ele- mentos de sus articulaciones y que pueden ser movidos de diversas formas:
Manual: es un operario el que se encarga directamente del control del manipulador.
De secuencia fija: se repite el proceso de forma inalterada de la forma en la que se haya descrito previamente.
De secuencia variable: los ciclos de trabajo pueden variar a criterio del manipulador.
Estos sistemas pueden realizar tareas sencillas con alta precisión, por lo que es una gran ventaja si se usan para realizar trabajos repetitivos y monótonos.
Robots de repetición: son sistemas que se limitan a repetir una secuencia de movimientos pre- viamente realizada por un operario usando algún tipo de dispositivo. Este dispositivo puede ser un teclado, un mando con joysticks y botones o que se desplace directamente la articula- ción del robot. Estos son los robots más presentes en la industria y este tipo de programación utilizada se denomina "de guiado".
Robots de control por computador: Son o sistemas mecánicos no específicos para una tarea, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microcontrolador. Para este tipo de robots el operario no interactua fisicamente con el sistema en el momento de progra- marlo. Como su control es mediante un computador la programación se hace en un lenguaje específico (también puede ser un lenguaje más general), compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se pueden desarrollar un programa a ejecutar a través de una consola o un ordenador. Este tipo de programación es de tipo textual y no es necesario interactuar con el robot para llevarla a cabo.
Estos robots con este tipo de programación se abren paso en la industria provocando que se requiera más personal cualificado para su correcta programación.
Robots inteligentes: Similares a los del grupo anterior, pero la gran diferencia de éstos es que poseen sensores que recogen información de su alrededor y les permite tomar decisiones en tiempo real reprogramando su trayectoria.
Los robots de esta tipología aun no han hecho mucha mella en el mercado, sobretodo porque todavía hay muchas lineas de investigación que trabajan con ellos. Las ciencias en las que se investiga para el desarrollo de estas maquinas son: la visión artificial, el sonido máquina y la inteligencia artificial.
1aGeneraci ´on Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones de su entorno.
2aGeneraci ´on
Adquiere informaci ´on limitada de su entorno y act ´ua en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visi ´on) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia.
3aGeneraci ´on
Su programaci ´on se realiza mediante el empleo de un len- guaje natural. Posee la capacidad para la planificaci ´on au- tom´atica de sus tareas.
Tabla 2.1.:Clasificaci ´on de robots industriales en generaciones.
Tipo A Manipulador con control manual o telemando.
Tipo B
Manipulador autom´atico con ciclos preajustados; regulacion mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumatico, electrico o hidraulico.
Tipo C Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno.
Tipo D Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funci ´on de estos.
Tabla 2.2.:Clasificaci ´on de los robots seg ´un la AFRI (Asociaci ´on Francesa de Rob ´otica Industrial).
Existen otras formas de clasificar los tipos de robots industriales independientemente si ya llevan tiempo implantados en grandes fábricas o estén en vías de desarrollo. Podemos encontrar, por ejmplo, clasificaciones en basadas en la generación de los robots, la clasificación de robots según la AFRI (Asociación Francesa de Robótica Industrial) o la clasificación según T.M. Knasel [10].
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
Los elementos que conforman el robot industrial se pueden dividir en: estructura mecáni- ca, transmisiones, sistemas de accionamiento, sistema de control, sistema sensorial y elementos terminales. Dichos elementos no son específicos para esta ciencia, ya que se pueden ver en otros aspectos de la ingeniería, pero las altas prestaciones de los robots han causado que dichos elemen- tos que en ellos se utilizan tengan características especificas [10].
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
Generaci ´on Nombre Tipo de Control Grado de
movilidad Usos frecuentes 1a(1982) Pick & place Fines de carrera,
aprendizaje Ninguno Manipulaci ´on, ser- vicio de maquinas
2a(1984) Servo
Servocontrol, trayectoria con- tinua, prog.
condicional
Desplazamiento
por v´ıa Soldadura, pintura
3a(1989) Ensamblado
Servos de preci- si ´on, visi ´on, tac- to,
Guiado por v´ıa Ensamblado, des- bardado
4a(2000) M ´ovil Sensores inteli-
gentes Patas, ruedas Construcci ´on, man- tenimiento
5a(2010) Especiales Controlados con t´ecnicas de IA
Andante,
saltar´ın Militar, espacial Tabla 2.3.:Clasificaci ´on de los robots seg ´un T.M. Knasel.
2.2.1. Estructura mec ´anica
La estructura de un robot está compuesta por unos elementos fijos llamados eslabones y otros a los que van unidos que son las articulaciones que permiten que un eslabón haga un mo- vimiento relativo respecto a otro. En la mayoría de casos los robots industriales guardan cierta similitud con la morfología del brazo humano por lo que en numerosas ocasiones las partes del robot se les llama cuerpo, brazo, codo y muñeca. Los movimientos que pueden llegar a realizar cada articulación puede ser desplazamiento, giro o la combinación de los dos. Normalmente las más utilizadas en robots son articulaciones prismáticas y de rotación.
Un parámetro importante que tiene cada articulación es lo que se denomina grado de liber- tad(GDL), que nos indica el número de movimientos que puede hacer una articulación respecto a la anterior. El número de GDL de un robot es la suma total de los GDL de todas las articulaciones que posee. Normalmente el número de GDL de un robot coincide con el número de articulacio- nes que tenga, habiendo un GDL por cada articulación. Dependiendo de como se dispongan y se combinen las distintas articulaciones de un robot obtenemos ciertas características que se tendrán en cuenta en el diseño de éste y en la aplicación a la que será destinado. Dichas configuraciones están recogidas en la Figura 2.1, siendo las 3 primeras las más generalizadas.
Si se pretende que un robot posicione un elemento en el espacio y lo oriente de una deter- minada manera se necesitan 6 parametros, 3 para la posición y otros 3 para la orientación. Por lo tanto un robot que posicione y oriente un objeto (o una herramienta) en el espacio de cualquier manera, necesita 6 GDL.
Figura 2.1.:Configuraciones frecuentes de robots industriales.
Existen casos en los que el robot tiene más de 6 GDL, pudiendo así llegar a posiciones de difícil acceso en el caso de que se encuentre en un entorno con obstáculos y 6 GDL no sean suficien- tes. En ocasiones se le añade un GDL al robot, siendo este un carril por el que se pueda desplazar y aumentar el volumen del espacio de trabajo. Si el robot supera los 6 GDL para el desarrollo de un tarea se le considera redundante.
2.2.2. Transmisiones y reducciones
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los ac- tuadores hasta las articulaciones. También debemos mencionar los reductores, que se encargan de la adaptación del par y la velocidad de la salida del actuador para que los elementos del robot se muevan de una forma deseada.
Transmisiones: Los movimientos que realiza el extremo de un robot están bajo unas acelera- ciones muy elevados, por lo tanto, es de vital importancia reducir todo lo posible su momento de inercia. Así mismo, la distancia entre de la carga al actuador influye directamente al par estático que este debe superar, procurando colocar los actuadores de más peso lo más cerca posible de la base del robot. Esta es la principal causa que hace necesaria el uso de transmisiones de movimien- to en las articulaciones, haciendo hincapié en las más alejadas de la base.
Existen transmisiones que nos permiten transformar el movimiento circular en uno lineal o a la inversa, lo cual es necesario en múltiples ocasiones. En la Tabla 2.4 vienen recogidas las principales transmisiones, así como sus transformaciones y características. Se puede utilizar cualquier transmisión para las articulaciones de un robot, pero siempre es preferible que sea pequeña y de poco peso, gran rendimiento y que no presente juegos u holguras considerables. El
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
Figura 2.2.:Robot industrial Kuka KR 30-3 de 6 GDL.
tipo de transmisión más utilizado es el que tanto el movimiento de entrada como el de salida es circular (engranajes, correas dentadas, cadenas, ...). Es importante a la hora de elegir el tipo de transmisión tener en cuenta que ésta no afecte al movimiento y que soporte pares elevados entre grandes distancias.
Entrada-Salida Denominaci ´on Ventajas Inconvenientes
Circular-Circular
Engranaje Correa dentada
Cadena Paralelogramo
Cable
Pares altos Distancia grande Distancia grande
- -
Holguras - Ruido Giro limitado Deformabilidad Circular-Lineal Tornillo sin fin
Cremallera
Poca holgura Holgura media
Rozamiento Rozamiento Lineal-Circular Paral. articulado
Cremallera
-
Holgura media
Control dificil Rozamiento Tabla 2.4.:Sistemas de transmisi ´on comunes para robots.
Reductores: En el caso de los reductores si que existen cierto sistemas diseñados solo para ro- bótica. Esto es debido porque a dichos reductores se les exige más ya que los robots industriales necesitan altas prestaciones en cuanto velocidad y precisión en el posicionamiento. Para poder elegir un reductor adecuado se debe tener en cuenta que su tamaño no sea grande, que pese lo mínimo, que tenga buen rendimiento, bajo rozamiento y bajo momento de inercia. Otros paráme-
Caracter´ısticas Valores t´ıpicos Relaci ´on de reducci ´on 50 - 300
Peso y tama ˜no 0.1 - 30 kg
Momento de inercia 10−4kg m2
Velocidades de entrada m´axima 6000 - 7000 rpm
Par de salida nominal 5700 Nm
Par de salida m´aximo 7900 Nm
Juego angular 0 - 2 ”
Rigidez torsional 100 - 2000 Nm/rad
Rendimiento 85 % - 98 %
Tabla 2.5.:Caracter´ısticas de reductores para rob ´otica.
tros interesantes a tener en cuenta es que la estructura del reductor pueda soportar grandes pares puntuales en los arranques y las paradas de los motores, así como el juego angular (o backlash), definido como el ángulo que gira el eje de salida cuando se cambia su sentido sin que llegue a gi- rar el eje de entrada. En la Tabla2.5 podemos ver los rangos de características para los principales reductores en robótica.
2.2.3. Actuadores [1]
Los actuadores son los elementos del robot encargados de proporcionar movimiento a la estructura mecánica a partir de las ordenas dadas por la unidad de control. Los principales ac- tuadores que se pueden encontrar clasificados por la energía que utilizan, son los hidráulicos, neumáticos y eléctricos. No todas las clases de actuadores se emplean para lo mismo, dependien- do de la aplicación del robot y de su diseño se emplearan unos u otros.
Actuadores hidraulicos: Los actuadores hidráulicos utilizan la fuerza de un fluido a presión, normalmente aceite, para que las partes del robot tengan movimiento. Los actuadores de tipo hidraulico se utilizan para robots de gran tamaño que necesitan más velocidad y ofrecen más resistencia mecánica. Se suelen utilizar estos actuadores cuando el robot está destinado a traba- jar con cargas pesadas. Las ventajas que podemos observar en este tipo de actuadores son: alta potencia, mayor exactitud, amplio rango de velocidades.
La fuerza es ejercida por la presión del fluido a un embolo que se encuentra en un compar- timento hermético. Éste, se encuentra unido a un vástago y que se mueve linealmente de acuerdo con la presión aplicada. Los cálculos para la fuerza en cilindros hidráulicos son los mismos que
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
para cilindros neumáticos, pero la hidráulica produce más potencia. De igual manera, podemos encontrar cilindros de simple y doble efecto, y los elementos de control son muy semejantes a los de neumática.Dichos actuadores también son muy comunes en maquinarias pesadas para obras civiles.
Para que funcione esta tecnología es fundamental que haya una bomba que envíe el líquido a presión por medio de tuberías. Pero las principales desventajas que presentan es la gran cantidad de espacio que suelen ocupar y alto mantenimiento que deben tener, haciendo que los actuadores electrico y neumáticos sean los más utilizados en la industria.
Actuadores el ´ectricos: Como su nombre indica, la generación de movimiento se hace median- te la aplicación de energía eléctrica. Suelen estar destinados en robots medianos al no requerir elevada potencia. Este tipo de actuadores proporcionan más exactitud y ofrecen mayor repetibi- lidad. Son los que más presentes se encuentran en la industria debido a su bajo coste y el menor espacio que necesitan, siendo ideales para robots con tareas de alta precisión.
Los actuadores eléctricos más utilizados son los servomotores y los motores paso a paso. Los motores paso a paso son más utilizados cuando el robots pequeños, ya sea para fines educativos o en laboratorios automatizados. El funcionamiento de este motor se basa en pequeños incrementos de movimiento angular a la salida provocados por pulsos eléctricos en la entrada. Son ideales para trabajos ligeros, ya que cargas con demasiado peso pueden perder exactitud.
Los servomotores de corriente continua proporcionan un excelente control con un manteni- miento mínimo. Si se controla la tensión y la intensidad que se le aplica al motor se puede hacer un control del par de torsión de este. Las principales ventajas que este presenta es el par de torsión elevado que ofrece, su tamaño reducido, poca carga y un comportamiento de velocidad lineal, lo cual lo hace más sencillo de controlar computacionalmente.
Los actuadores de solenoide utilizan el principio de inducción magnética para producir un movimiento mecánico. La principal ventaja de este actuador es que el movimiento se produce ins- tantáneamente a la inyección de corriente a través de él. Pero sin embargo su tamaño es demasiado grande para la fuera que puedes llegar a producir. Para el caso de un actuador de solenoide lineal, cuando se carga la bobina del actuador, el campo magnético que genera, provoca que el embolo que tiene se deslice por ella y por consiguiente el vástago unido a ella se mueva linealmente. Al dejar de aplicar energía el resorte que incorpora obliga al actuador a volver a su estado inicial.
No solo se utilizan los actuadores como elementos finales para producir un movimiento del robot, sino que también hay elementos de control eléctricos que forman que se añaden en el diseño de este:
Figura 2.3.:Secci ´on de un actuador de solenoide lineal.
Contactores: son actuadores intermediarios entre el circuito de control y el circuito de poten- cia. Mediante inducción magnética, al excitar el contactor, se desplaza un elemento mecánico que permite conmutar entre varios circuitos y manejar corrientes elevadas.
Relé: son mecanismos electromagnéticos que permiten conmutar uno o varios contactos eléc- tricos, gracias a la corriente de control que pase por sus terminales.
También podemos encontrar elementos eléctricos que nos permiten proteger la circuitería de nuestro robot:
Disyuntor: son interruptores automáticos encargados de cortar la corriente eléctrica y aislar- la de los circuitos de control. Se instalan en serie en las lineas de potencia y están diseñados para que cuando se sobrepase una intensidad máxima se abra el circuito.
Relé térmico: Su función es la de proteger los motores de sobre-corrientes. Se encargan de abrir el circuito de potencia al transcurrir un tiempo cuando está expuesto a intensidades no muy elevadas pero si perjudiciales para los elementos eléctricos.
Actuadores neum ´aticos: Los actuadores neumáticos obtiene su energía de aire procedente de un compresor que suele estar entre 5 - 10 bar. Cuando los robots son pequeños suelen tener ac- tuadores neumáticos, y sus tareas son normalmente las de recoger y posicionar elementos. Los actuadores neumáticos abarcan desde los cilindros lineales hasta los motores neumáticos. El uso de neumática reduce mucho el coste pero hace más difícil el control del sistema, ya sea veloci- dad o posición, ya que el aire es un fluido muy compresible por ser un gas. El principal elemento neumático más utilizado son los cilindros, en los cuales podemos encontrar de varios tipos:
Cilindro o pistones neumáticos: el movimiento se transmite mediante el desplazamiento de
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
un pistón dentro de un cilindro que está sometido a presión. Las partes principales de un cilindro son el compartimento, el embolo y el vástago.
Cilindro de doble vástago: posee vástagos en ambos extremos.
Cilindro tándem: son dos cilindros acoplados mecánicamente que están sometidos a presión y la fuerza resultante es la suma de las otras.
Cilindro multiposicional: son dos cilindros acoplados mecánicamente con diferentes longi- tudes, lo cual permite tener cuatro posiciones con dos señales de control.
Cilindro de impacto: Es un cilindro que contiene una cámara donde se va acumulando el aire y aumentando su presión hasta el punto que ésta es liberada al embolo y el vástago sale rápidamente produciendo un impacto.
Cilindro de giro: Este cilindro posee un acoplamiento mecánico que produce un movimiento circular a partir de uno lineal, la salida del vástago.
Dentro de estos tipos de cilindros podemos encontrar de simple efecto, que solo se le aplica presión en un sentido para que salga el vástago y un resorte se encarga de su retroceso cuando deja de aplicarse presión, y de doble efecto, que es necesario aplicar presión en ambos lados del cilindro para alternar entre sus dos posiciones.
Dentro de los actuadores neumáticos podemos encontrar motores de aire comprimido, que se encargan de transformar la presión del aire en movimiento mecánico giratorio. Una de sus más extendidas aplicaciones fuera de la robótica es para el cierre de tuberías de líquidos.
Para el control de circuitos neumáticos podemos encontrar elementos tales como:
Electroválvulas: son aparatos que permiten convertir las señales eléctricas de control en mo- vimiento para alterar la posición de válvulas y de este modo se alimente de aire a presión otra etapa del circuito o cortar el paso de este.
Reguladores de caudal: con estos dispositivos podemos controlar la velocidad del vástago de los cilindros impidiendo así que actúen de forma instantánea.
De la misma manera que los circuitos con contactores eléctricos necesitaban protecciones, los circuitos neumáticos también necesitan dispositivos para controlar que sus funciones no corran peligro.
PP PP
PP PP
PP Caract.
Tipos
Neum´aticos Hidr´aulicos El´ectricos
Energ´ıa Aire a presi ´on (5 - 10 bar)
Aceite mineral
(50 - 100 bar) Corriente el´ectrica
Opciones Cilindros
Motor neum´atico
Cilindros Motor hidr´aulico
Motor paso a paso Servomotor
Motor AC
Ventajas
Baratos R´apidos Sencillos Robustos
R´apidos
Alta relaci ´on potencia-peso Auto-lubricantes Alta capacidad de carga Estables con cargas est´aticas
Precisos Fiables F´acil control Sencilla instalaci ´on
Silenciosos
Desventajas
Dif´ıcil control Instalaci ´on compleja
Ruidoso
Dif´ıcil mantenimiento Instalaci ´on compleja
Frecuentes fugas Caros
Potencia limitada
Tabla 2.6.:Principales caracter´ısticas de los actuadores para robots.
Manómetros: son instrumentos que nos indican la presión a la que circula el aire en el pun- to en el que ha sido instalado. La presión viene dada en bares y en neumática es común encontrarla en torno a las 5 ó 6 bar.
Unidad de mantenimiento: se instala inmediatamente después del compresor de aire y nos permite tener controlada la humedad del aire, regular su presión y lubricar el fluido para así, no dañar ningún elemento del sistema.
En la Tabla 2.6 podemos ver de una manera más sencilla y resumida las principales ca- racterísticas, opciones, ventajas y desventajas que tienen los tipos de actuadores anteriormente comentados.
2.2.4. Sistema de control
Los sistemas de control en robótica desempeñan un papel fundamental en cualquier proceso que vaya a ser automatizado y que por tanto, involucre robots. Algunos de los sistemas de control más utilizados en robótica industrial se describen a continuación.
Control cinem ´atico: La cinemática, es una rama de la mecánica clásica que estudia el movi- miento de cualquier cuerpo (cambios de posición), sin hacer incisos en las causas que han provo-
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
cado dicho movimiento y solo centrándose en el estudio de la trayectoria en función del tiempo.
Por lo tanto la finalidad del control cinemático es establecer las trayectorias que ha de seguir cada articulación que posee el robot para llevar a cabo una tarea. Se debe tener en cuenta las restric- ciones físicas de los accionamientos y actuadores del robot para que el control sea lo más exacto posible. Gracias al control cinemático se pueden generar referencias articulares para el control dinámico a partir de las trayectorias articulares generadas y teniendo en cuenta las restricciones físicas antes comentadas.
Control PID: El control proporcional-integral-derivativo, más conocido como PID, es un sistema de control alimentado en lazo cerrado muy utilizado en la industria. Este controlador se encarga de calcular un error como la diferencia entre una variable de un proceso y el punto de funciona- miento deseado. Una vez calculado ese error, el controlador se encarga de minimizarlo mediante ajustes en la entrada de control. Una de las ventajas de este controlador es que se puede mejorar el rendimiento dinámico utilizando dos PID juntos. Esta disposición se denomina Control PID cascada. . En el ´ control en cascada hay dos PIDs dispuestos con un PID para controlar el punto de consigna de otro. Uno de los controladores PID sería un controlador de lazo exterior, que con- trolaría la variable principal, y el otro controlador, que sería de lazo interno lee como referencia la salida del controlador externo y permite hacer cambiar los parámetros de manera más rápida.
Control difuso (Fuzzy): La lógica difusa o heurística se fundamenta en la diferenciabilidad de la relatividad de los datos obtenidos. Esta lógica coge dos valores aleatorios y los relaciona en- tre sí. Pudiendo así atribuirle el apelativo de alto a una persona que mida dos metros si se toma previamente que alguien bajo es alguien que mida un metro. Estos valores están contextualiza- dos y referidos a una métrica lineal. La lógica difusa se utiliza cuando el proceso a controlar es un muy complejo y no existe un modelo matemático preciso para describirlo, para procesos no lineales y cuando los conocimientos no están estrictamente definidos. No es recomendable usarla si se conoce un modelo matemático completo de un sistema, el sistema es lineal o no tiene solu- ción. Las principales ventajas de los controladores basados en lógica difusa son la alta velocidad de respuesta y su precisión y disminuye la transición de puntos críticos del entorno a controlar.
Esto quiere decir que si se tiene de refrigeración que se pone en marcha al llegar la temperatura ambiente a 30oy la temperatura está oscilando entre 29-30, el controlador no activaría el sistema y desactivaría constantemente y se aprendería a mantener una temperatura estable sin los continuos encendidos y apagados y ahorrando mucha energía [11].
2.2.5. Sistemas sensoriales
Los sensores son dispositivos que miden cantidades físicas como pueden ser distancias, temperatura, sonido, luz, etc. Gracias a los sensores podemos dotar a los robots de "sentidos"para
que recojan información del entorno que les rodea e interactuar con él [12].
Desde los inicios en el campo de la robótica, la complejidad de los robots ha ido en aumento, pudiendo ver dichas máquinas en distintos entornos. Esta implantación en numerosos lugares es debida al uso de captadores en la estructura del robot, siendo estos captadores los elementos que forman el sistema sensorial.
El avance en la robótica va íntimamente unido con el desarrollo de nuevos sensores que permitan medir nuevas magnitudes físicas que antes no se podían o mejorando los sensores ya existentes haciéndolos más precisos y fiables. Las características que deben ser consideradas a lo hora de elegir un sensor son el campo de visión, el rango de operación, exactitud y resolución, velocidad de muestreo, potencia, sensibilidad, robustez, peso y tamaño. Los sensores pueden ser clasificados como:
SENSORES INTERNOS
Sensores de presencia: nos permiten detectar objetos dentro de un radio de acción de- terminado. La detección se puede hace por contacto físico o sin él. Los sensores sin contacto utilizan diversos principios físicos que dan nombre al sensor (capacitivo, in- ductivo, ...). Si hay contacto físico, el sensor no es más que un interruptor normalmente abierto o normalmente cerrado que actúa mecánicamente. Estos sensores se utilizan en robótica como auxiliares de los detectores de posición proporcionando a los sistemas limites de trabajo en las articulaciones y poder posicionar el robot a su estado inicial en el caso de que sea incremental.
Sensores de posición: para tener un control de la posición angular de las articulaciones lo más usado son los encoders y resolvers. También pueden utilizarse potenciómetros, pero debido a sus bajas prestaciones, su uso se limita a pequeños sistemas educacionales o de poca potencia.
Sensores de Velocidad: la velocidad del robot es una variable importante a tener en cuen- ta para mejorar el modelo dinámico del robot. La información de velocidad captada se realimenta normalmente a un bucle de control analógico implementado en el propio ac- cionador del elemento motor. En la mayoría de las ocasiones el control de la velocidad de los actuadores debe ser llevado a la unidad de control del robot.
SENSORES EXTERNOS
Sensores de presencia: estos sensores, a diferencia de los internos, nos suelen dar una salida digital, indicándonos sí se encuentra o no un objeto dentro de un rango de dis- tancia fijado. Esta sensorización está destinada en robótica para las tareas de agarrar
2.2. Morfolog´ıa del robot industrial
objetos o evitar obstáculos.
Sensores inductivos: están basados en la variación de la inductancia en presencia de un objeto metálico. Es uno de los sensores de proximidad más usados en la industria.
Sensores capacitivos: los sensores capacitivos son capaces de detectar tanto materiales sólidos como líquidos. En función del tipo de material y de su estado, el sensor variará su respuesta. Están basados en la detección de un cambio en la capacidad, provocado por la presencia de un objeto cerca del sensor.
Sensores ópticos: los sensores de proximidad ópticos son similares a los sensores de ul- trasonidos, ya que pueden detectar la presencia de un objeto si este refleja la señal que el sensor envía, siendo normalmente algún tipo de luz. También hay tipos cuya detec- ción se basa en la no detección de señal en un receptor debido a que hay un obstáculo entre él y el emisor.
SENSORES DE CONTACTO
Estos sensores se utilizan en robótica para obtener información sobre el contacto del objeto con el manipulador. Esto es útil para controlar la fuerza ejercida por la herramienta sobre el objeto.
Sensores binarios: este tipo de sensores se utilizan como interruptores, ofreciéndonos solo dos estados, 1 ó 0, siendo útiles para indicar si se encuentra la presencia de un determi- nado objeto y así poder continuar con su tarea.
Sensores analógicos: Son dispositivos de contacto cuya salida es proporcional a la fuer- za de entrada que se le aplica. Un dispositivo simple sería el de una varilla acoplada a un eje con un resorte, donde la varilla estaría perpendicular al eje. Al producir un desplazamiento en la varilla mediante una fuerza, el eje giraría proporcionalmente a dicha fuerza. El aumento de la constante elástica del resorte proporciona la fuerza que corresponde a un desplazamiento dado. Esta información puede ser recogida por un potenciómetro.
2.2.6. Elementos terminales
Los elementos terminales son las partes del robot que se encargan de interaccionar con el entorno, ya sean elementos para el agarre o herramientas. Aunque el robot se haya diseñado para que desempeñe numerosos tipos de tareas y que se adapte a múltiples entornos, esto no ocurre con los elementos terminales, ya que en la mayoría de casos los elementos terminales son especí-
ficamente diseñados para un tipo de trabajo.
Los elementos terminales se pueden clasificar atendiendo a si se trata de una herramienta o un elemento de sujeción. Las herramientas son clasificadas en función de su labor, ya sea solda- dura, pintura, remachadora, taladradora, etc. Los elementos de sujeción se clasifican según sea el medio con el que se hace la sujeción como pinzas, vació, magnético, etc.
Dentro de las pinzas las pueden haber de agarre mecánico o que utilicen otro tipo de dis- positivo, como puede ser ventosas o adhesivas. A la hora de elegir una pinza se debe tener en cuenta la tarea a la que va a estar destinada. Una vez hecho se destaca a tener presente el peso de la herramienta, el tamaño, la forma, la fuerza que es capaz de ejercer y de mantener. Se debe atender también al tipo de accionamiento y su capacidad para ser controlada. Las pinzas más uti- lizadas son las neumáticas, debido a su simplicidad y fiabilidad aunque se dificulta su control en posiciones intermedias entre abierta y cerrada, en ese caso se suele usar pinzas con accionamiento eléctrico.
Figura 2.4.:Pinza rob ´otica de accionamiento neum´atico
Normalmente las pinzas incorporan unos sensores que proporcionan cual es su estado, abierta o cerrada. También puede incorporar otros tipo de sensores, como los de proximidad para poder detectar la distancia de un objeto o de visión artificial para poder obtener datos geométricos.
En muchas aplicaciones la aplicaciones no se basan en manipular objetos, sino que se requie- re el uso de una herramienta. Hay herramientas de todo tipo que se pueden acoplar al extremo del robot, por eso en ocasiones se complementa al robot con un dispositivo de cambio automático para que este puede hacer uso de ellas sin interrumpir su trabajo.
Dentro del entorno de la investigación podemos encontrar herramientas más complejas pa- ra poder manipular objetos delicados y complicados. Estos elementos terminales puede ser, por
2.3. Situaci ´on actual
ejemplo, pinzas con tacto o herramientas con falanges similares a la mano humana.
2.3. Situaci ´ on actual
La robótica moderna ha evolucionado mucho desde que inicio su andadura en 1954 con el Ünimate"destinado a la fundición de General Motors. Desde eso momento esta rama de la ciencia y la ingeniería ha sufrido un constante desarrollo, haciendo que la compra de sistemas robotizados pase de ser una inversión arriesgada a que sean elementos indispensables a lo hora de automatizar cualquier proceso en la actualidad.
Aunque la apariencia de los robots industriales no ha cambiado mucho, el verdadero cam- bio se hace notar en los elementos mecánicos y de control, ya que en estos campos han habido importantes avances. Las principales mejoras que se pueden observar en los robots actuales es su gran robustez, su repetibilidad y la disminución de la dificultad de la programación.
La robótica cada vez está reduciendo más su coste y siendo más barata y pequeña debido al avance del diseño microelectrónico empleado para el control de estos. Incluso se simulan los diseños de robótica en entornos virtuales antes de construirlos para evitar errores o proponer mejoras.
Actualmente, podemos encontrar robots realizando tareas en plantas de manufactura, mon- taje y embalaje, en transporte, en exploraciones terrestres, en el ejercito, en medicina, en el espacio y como no, en laboratorios de investigación. Japón es el país que hace más hincapié en el cuida- do del hogar mediante robots destinado sobretodo a personas con limitaciones físicas y la tercera edad. Además de encontrar robótica en el sector educativo y servicios, también los podemos en- contrar en otros sectores con amplias lineas de investigación.
Usos médicos Compañías como Computer Motion e Intuitive Surgical han logrado grandes avances en la robótica, consiguiendo hace unos años la probación de Estados Unidos, Eu- ropa y Asia para que sus robots puedan participar en cirugías de invasión mínima. Coputer Motion fue absorbida por Intuitive Surgical y juntas desarrollaron el robot quirúrgico Da Vinci, Figura2.5, pudiendo encontrar 800 unidades de este robot en el mundo desempeñan- do labores en cirugía general, pediatría, urología, ginecología, pediatría, etc.
También muestran una gran presencia los robots en laboratorios para la automatización de éstos. La labor que realizan es sobre todo de transporte y almacenaje de muestras biológicas y cultivos desde algún instrumento a otro [13].
Modelos de vuelo Ademas de los archiconocidos drones de la actualidad, los desarrollos más
prematuros que podemos encontrar son robots alados y otros diseños basados en el biomi- metismo. Las tecnologías en desarrollo que se pueden encontrar utilizadas para estos mo- delos, por ejemplo, son los nanomotores y cables inteligentes que simplifican el diseño de locomoción, y la mejora de giroscopios para la estabilidad de la nave.
Modelos militares Un campo con gran desarrollo pero muy oculto debido a la confidencialidad y motivado por el desarrollo de sistemas para el espionaje militar. Entre éxitos militares conocidos podemos encontrar bombas inteligentes, vehículos aéreos no tripulados, y robots destinados para la retirada de minas.
Figura 2.5.:Robot m´edico Da Vinci.
Los avances en informática y electrónica de accionamientos durante los últimos 30 años ha determinado la evolución de la robótica hacia un incremento de sus capacidades u prestaciones.
Las tendencias en el desarrollo de la robótica se siguen manteniendo después de 3 décadas, cu- yos campos abordados fueron descritos por Joseph Engelberger en 1980 los cuales quedan aquí resumidos:
La utilización de nuevos diseños mecánicos y materiales más rigidos y ligeros para la cons- trucción de la estructura del robot y en los accionamientos.
El desarrollo y aplicación de técnicas de control encaminadas a la mejora de prestaciones (Control multiarticular por desacoplo del modelo, Control adaptativo), que permiten el la aplicación de técnicas de accionamiento directo, así como el uso de teorías de control más
2.3. Situaci ´on actual
actuales como la lógica difusa o la redes neuronales.
Dotar los sistemas con sistemas de perfección más sofisticados permitiendo el control me- diante técnicas de inteligencia artificial que hagan al robot menos dependiente. Por consi- guiente los lenguajes de programación para robots mejoraran su capacidad de entendimien- to.
Actualmente algunos de estos objetivos se puede decir que se han alcanzado, al menos a nivel experimental y en algunos casos han sido implantados en robots industriales comercializa- dos, como es el caso de materiales, sensores y accionamientos. Por el contrario, la autonomía del robot en la toma de decisiones debe ser más fiable para crear sistemas completamente autónomos, por lo que no están implantados en procesos productivos y quedan reservados solo para seguir investigando. Par suplir la falta de desarrollo en la autonomía se ha mejorado mucho en las pres- taciones de los robots (precisión, pretibilidad, resolución, ...). Atendiendo a la implantación del control adaptativo, queda restringido a pequeños movimientos de acomodación y no altamente automatizados.
Mientras el desarrollo sigue en proceso, la robótica debe seguir funcionando con los asen- tados conocimientos actuales, asegurando que todos los elementos que interaccionan con el robot son manipulados perfectamente, haciendo uso en ocasiones de elementos en el entorno que faci- liten el trabajo al robot, haciendo que sea lo más versátil posible, sin forzar la necesidad de diseño para una aplicación muy concreta [14].
CAP´ITULO 3
CRS-PLUS
3.1. Descripci ´ on y equipamiento
El CRS-PLUS modelo A255 es un brazo robótico articulado con 5 ejes, dotando al robot de 5 GDL. Esto permite que el robot pueda mover y orientar una pinza u otra herramienta por un espacio mediante coordenadas cartesianas definidas por X, Y, X, rotación-X, rotación-Y y rotación- X.
Este robot se comercializaba con el brazo A255 y el controlador C500C. Este controlador incorporaba el sistema operativo CROS-500C y los programas de éste se escribían en el lenguaje RAPL-3.
La programación de este se puede realizar en su consola o introduciendo el código del pro- grama en el lenguaje recientemente comentado. Cuando el robot no esté en uso se puede modificar su código usando un ordenador o mediante las herramientas avanzadas a través de su consola.
El A255 está diseñado para automatizar laboratorios, testar productos, ensamblaje, manipu- lación de materiales, fines educativos e investigación y otras tareas.
Los distribuidores de CRS también tenían una serie de elementos terminales para este mo-
Figura 3.1.:Robot CRS-PLUS A255
delo del robot, los cuales una pinza con accionamiento basado en un servomotor y su adaptador, una pinza de accionamiento neumático y su adaptador, y unas finas laminas a modo de dedos pa- ra usarlas con el servomotor. El entorno de programción del robot es Robcomm3 para el controlador C500C y el software POLARA para ordenador [15][16].
3.2. Especificaciones
3.2.1. Rango de movilidad, dimensiones y peso
Los rangos de movilidad del brazo dependen de las dimensiones de cada parte del brazo y la movilidad que puede permitir cada articulación. Todas estas medidas determinan el tamaño y forma del espacio de trabajo.
Peso (aproximado) kg
Brazo 17
Tabla 3.1.:Peso del brazo
Articulaci ´on Eje Rango de movilidad
Cadera 1 +175oa -175o
Hombro 2 +110oa 0o
Codo 3 0oa -125o
Cabeceo mu ˜neca 4 110oa -110o
Giro mu ˜neca 5 180oa -180o
Tabla 3.2.:Movilidad articulaciones
3.2. Especificaciones
En la Tabla3.2 podemos ver los rangos de grados de cada articulación. Se remarca que el rango del codo (articulación 3) depende de las posiciones del hombro (articulación 2) y del cabeceo de la muñeca (articulación 4).
Secci ´on Dimensiones (mm)
Superficie de la base hasta el hombro 254.0
Hombro hasta codo 254.0
Codo hasta articulaci ´on mu ˜neca 254.0 Articulaci ´on mu ˜neca hasta superficie
de herramienta 50.8
Tabla 3.3.:Medidas de las articulaciones
(a) Movilidad articulaciones desde la 2 hasta 5.
(b) Movilidad articulaci ´on 1 (cadera).
Figura 3.2.
3.2.2. Alcance
El máximo alcance donde puede llegar el extremo del brazo se calcula horizontalmente des- de la articulación 2 (hombro) hacia fuera, y verticalmente desde la superficie de la base hacia arriba. El robot puede alcanzar puntos que se encuentren por debajo de su base.
M´aximo alcance (hasta superficie herramienta) mm Desde el hombro hacia afuera (horizontal) 558.8 Desde la base del robot hacia arriba (vertical) 812.8 Desde la base del robot hacia abajo (vertical) 50.8
Tabla 3.4.:Alcance m´aximo del A255
3.2.3. Par articulaci ´ones
Articulacion Eje Par (N·m)
Cadera 1 6.4
Hombro 2 6.4
Codo 3 6.4
Cabeceo Mu ˜neca 4 1.4
Giro Mu ˜neca 5 0.71
Tabla 3.5.:Par nominal de las articulaciones
3.2.4. Velocidades y carga
El ciclo estándar pick and place se realiza en 1.8 segundos. La máxima velocidad para movi- mientos compuestos interpolados por las articulaciones es de 3.210 m/s mientras que para movi- mientos con trayectorias lineales es de 0.508 m/s.
Articulaci ´on Eje pulsos/ms Reducci ´on Velocidad m´axima (grados/s)
Cadera 1 42 72:1 210
Hombro 2 42 72:1 210
Codo 3 42 72:1 210
Cabeceo Mu ˜neca 4 30 16:1 675
Giro Mu ˜neca 5 30 8:1 1350
Tabla 3.6.:Velocidades m´aximas de cada articulaci ´on.
La cantidad de masa que puede manipular el brazo robot depende de la velocidad con la que se mueva éste, siendo la carga nominal de 1 kg para el 100 % de la velocidad y la carga máxima de 2 kg para un 80 % de la velocidad máxima posible. En la carga se debe de tener en cuenta el peso de la herramienta que se vaya a utilizar.
3.2. Especificaciones
3.2.5. Resoluci ´on y repetibilidad
La resolución se mide por los incrementos más pequeños de movimiento o distancia que pueden ser detectados o controlados. La resolución del brazo depende de la distancia entre el centro de la superficie de la herramienta y el centro de gravedad de la carga útil.
Distancia axial con superficie de la herramienta Distancia (mm) Resoluci ´on (mm)
0.00 0.0711
50.80 0.0914
101.60 0.1118
152.40 0.1295
203.20 0.1499
254.00 0.1702
Tabla 3.7.:Resoluci ´on variando la distancia axial con en centro de la superficie de la herramienta.
Distancia radial con superficie de la herramienta Distancia (mm) Resoluci ´on (mm)
0.00 0.0508
50.80 0.0914
101.60 0.1295
152.40 0.1702
203.20 0.2108
254.00 0.2515
Tabla 3.8.:Resoluci ´on variando la distancia radial con el centro de la superficie de la herramienta.
La repetibilidad es la habilidad de repetir el mismo movimiento o lograr pasar por los mis- mos puntos cuando se presentan las mismas señales de control. La capacidad de repetibilidad del brazo robot es de ± 0.05 mm.
3.2.6. Motores
Los motores que porta el CRS-PLUS A255 con el que estamos trabajando pertenecen a Cleve- land Machine Controls, y cuyas caracteristicas y datos quedan recogidos en las siguientes tablas.
MOTORES Cadera Hombro Codo Cabeceo Mu ˜neca
Giro Mu ˜neca
Modelo ME2110-
055E
ME2110- 057E
ME2110- 057E
ME2110- 057E
ME2110- 057E
Serie 1053885 1050850 1053933 1050843 1050842
C ´odigo 9403 9351 9403 9351 9351
Cust. R-MYR-
ME2110
R-MTR- M62110
R-MTR- M62110
R-MTR- M62110
R-MTR- M62110 Tabla 3.9.:Datos del fabricante de los motores.
Vmax (V) Imax (A)
35 2
Tabla 3.10.:Voltaje e intensidad m´axima de los motores.
3.2.7. Encoders
Cada motor de las articulaciones viene con un encoder incremental de tipo óptico para poder llevar a cabo el control de éstos. Los enconders tienen una resolución de 1000 pulsos por vuelta y una alimentación de 5 V y corriente de 0.8 A. Los encoders están dotados de 3 señales: A, B y Z. La señal A se activa cuando se produce la variación mínima de giro en el motor. La señal B es igual que la A solo que está desfasada de ésta π/2, gracias a esto podemos concretar el sentido de giro de la articulación observando cual es la que se activa primero. La señal Z se activa cuando el encoder ha realizado una vuelta completa. Los datos del fabricante quedan recogidos en la tabla siguiente.
Encoders Cadera Hombro Codo Cabeceo
Mu ˜neca
Giro Mu ˜neca Modelo 1DM-1000-
5L37AS
1DM-1000- 5L37AS
21DM- 1000- 5L3AS
1DM-1000- 5L37AS
21DM- 1000- 5L3AS
Serie 1051326 1054027 1051302 1051307
C ´odigo 9351 9351 9351 9351 9404
Tabla 3.11.:Datos del fabricante de los encoders.
3.2.8. Frenos
El modelos A255 dispone de unos frenos eléctricos con accionamientos por solenoide que permiten al robot mantener una posición si este es desconectado o no realiza ningún movimiento.
3.2. Especificaciones
Dichos frenos trabajan al mismo voltaje e intensidad máxima que los motores del robot, 35 V y 2 A.
Estos frenos se encuentran en todas las articulaciones salvo en la articulación 1, que se corresponde con la cadera.
