Estructura, Movimiento y Grados de libertad

ROBOTS

ESTRUCTURA

Partes comunes:

1. Manipulador o brazo mecánico. 

2. Controlador. 

3. Elementos motrices o actuadores. 

4. Terminal, herramienta o aprehensor. 

5. Sensores de información.

Al robot industrial se le engloba dentro de la arquitectura de la célula de fabricación flexible, en la que se combinan diversos dispositivos que configuran un núcleo básico de producción.

1. MANIPULADOR

El conjunto de elementos mecánicos que propician el movimiento del elemento terminal, que dependiendo de la tarea que tiene que realizar el robot, se montará al final de brazo del robot un útil especializado o uno de propósito general: garras, herramientas, pinzas de soldadura, etc. Dentro de la estructura interna del manipulador se alojan los elementos motrices, engranajes y transmisiones que soportan el movimiento de las cuatro partes que suelen conformar el brazo:

a) Base o pedestal de fijación. 

b) Cuerpo.

c) Brazo.

d) Antebrazo.

Los cuatro elementos rígidos del brazo están relacionados entre sí mediante articulaciones, las cuales pueden ser giratorias, cuando el movimiento permitido es el de rotación o prismáticas, en las que existe un movimiento de traslación entre los elementos que relacionan.

En el epígrafe de más abajo, después de haber descrito cada una de las partes de un robot, podremos encontrar los GRADOS DE LIBERTAD, que detalla con más profundidad el movimiento de estos artefactos.

A continuación un esquema simple (FIG.3):

 

2. CONTROLADOR

Recibe este nombre el dispositivo que se encarga de regular el movimiento de los elementos del manipulador y todo tipo de acciones, cálculos y procesados de información, que se realiza.

El controlador del robot realiza generalmente cuatro funciones principales:

• Inicia y termina el movimiento de los componentes individuales del manipulador en una secuencia deseada y en puntos especificados. 

• Almacena posiciones y secuencias de datos en su memoria. 

• Permite que el robot tenga una interfaz "hacia fuera" por medio de sensores montados en el área de trabajo donde está funcionando (es decir la estación de trabajo). 

• Proporciona un entorno de programación orientado al usuario.

La complejidad del control varía según los parámetros que se gobiernan, pudiendo existir las siguientes categorías:

a) Controlador de posición Solo intervienen en el control de la posición del elemento terminal. Puede actuar en modo punto a punto, o bien, en modo continuo, en cuyo caso recibe el nombre de control continuo de trayectoria.

b) Control cinemático Cuando además de la posición se regula la velocidad.

c) Control dinámico Se tienen en cuenta, también, las propiedades dinámicas del manipulador, motores y elementos asociados.

d) Control adaptativo Además de lo indicado en anteriores controles, también se considera la variación de las características del manipulador al variar la posición.

Refiriéndose a otro aspecto, el control puede llevarse a cabo en LAZO ABIERTO o en LAZO CERRADO. En el caso del control en lazo abierto, se produce la señal de consigna que determina el movimiento pero no se analiza si se ha realizado con esa actitud o se ha producido un error, al efectuarse en la realidad (FIG.4). El control en lazo abierto es típico en los motores paso a paso, en los cuales las señales que se generan un paso del mismo, dan lugar al giro de un determinado ángulo del eje, es decir, son motores con movimientos cuantificados. Existen sistemas con salidas temporizadas o movimientos predeterminados que actúan en lazo abierto.

El control en lazo abierto tienen muchas causas de error (inercia, interferencias, fricciones, etc.), y si bien es muy simple y económico, no se admite en las aplicaciones industriales, donde es fundamental la exactitud en la repetitividad de los movimientos. Sin embargo, en robots dedicados a la enseñanza y al entretenimiento, este tipo de control está muy extendido. La mayoría de los sistemas de robots industriales poseen un control en lazo cerrado, con realimentación (FIG.5). Este control hace uso de un transductor o sensor de la posición real de la articulación o del elemento terminal, cuya información compara con el valor de la señal de mando o consigna, que indica la posición deseada. El error entre estas dos magnitudes, se trata diversas formas para obtener una señal final, que aplicada a los elementos motrices, varíe la posición real hasta hacerla coincidir con la deseada.

A continuación un ejemplo práctico de los casos anteriores:

Además del controlador de tipo proporcional (multiplicador o divisor de la variable) (FIG.6), hay otros como el integral (FIG.7), cuya salida varía proporcionalmente a la señal de error y el derivativo (FIG.8), en el que la salida varía proporcionalmente con la velocidad de variación de la señal de error. La combinación de los tres tipos de controladores descritos, dan lugar al que se denomina PID (proporcional-integral-derivativo) (FIG.9).

 

 

Los sensores empleados para la determinación de la posición de los ejes de los motores motrices, pueden ser de carácter analógico o digital, como discos de plásticos transparentes con rayas negras, que al girar a través de detectores ópticos, cortan el haz de luz entre emisor y detector y genera una serie de impulsos eléctricos que sirven para calcular el ángulo desplazado. Los modernos controladores de robots son ordenadores, en los que el programa correspondiente se encarga de calcular las señales aplicadas a los actuadores, tras el procesado de la señal de consigna y la que procede de los transductores de posición.

3. ELEMENTOS MOTRICES O ACTUADORES

( Este video ha sido realizado por los alumnos de 2º G.S.A.)

4. ELEMENTO TERMINAL, HERRAMIENTA O APREHENSOR

Los elementos terminales, también llamados efectores finales (end effector) son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas. Si bien un mismo robot industrial es, dentro de unos límites lógicos, versátil y readaptable a una gran variedad de aplicaciones, no ocurre así con los elementos terminales, que son en muchos casos específicamente diseñados para cada tipo de trabajo. Se puede establecer una clasificación de los elementos terminales atendiendo a si se trata de un elemento de sujeción o de una herramienta. Los primeros se pueden clasificar según el sistema de sujeción empleado. En la TABLA.1 se representan estas opciones, así como los usos más frecuentes. Los elementos de sujeción se utilizan para agarrar y sostener los objetos y se suelen denominar pinzas. Se distingue entre las que utilizan dispositivos de agarre mecánico (FIG.10), y las que utilizan algún otro tipo de dispositivo (ventosas; pinzas magnéticas, adhesivas, ganchos, etc.). En la elección o diseño de una pinza se han de tener en cuenta diversos factores. Entre los que afectan al tipo de objeto y de manipulación a realizar destacan el peso, la forma, el tamaño del objeto y la fuerza que es necesario ejercer y mantener para sujetarlo. Entre los parámetros de la pinza cabe destacar su peso (que afecta a las inercias del robot), el equipo de accionamiento y la capacidad de control. El accionamiento neumático es el más utilizado por ofrecer mayores ventajas en simplicidad, precio y fiabilidad, aunque presenta dificultades de control de posiciones intermedias. En ocasiones se utilizan accionamientos de tipo eléctrico.

 

En la pinza se suelen situar sensores para detectar el estado de la misma (abierto o cerrado). Se pueden incorporar a 1a pinza otro tipo de sensores para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que proporcionen datos geométricos de los objetos, detectores de proximidad, sensores fuerza-par, etc.

Como se ha indicado, el elemento terminal de aprehensión debe ser diseñado con frecuencia a medida para la aplicación. Existen ciertos elementos comerciales que sirven de base para la pinza, siendo posible a partir de ellos diseñar efectores válidos para cada aplicación concreta. Sin embargo, en otras ocasiones el efector deber ser desarrollado íntegramente, constituyendo su coste un porcentaje importante dentro del total de la aplicación.

En muchas aplicaciones el robot ha de realizar operaciones que no consisten en manipular objetos, sino que implican el uso de una herramienta. El tipo de herramientas con que puede dotarse a un robot es muy amplio. La FIG.11 y la FIG.12 muestran, respectivamente, una pistola de pulverización de pintura y dos pinzas de soldadura por puntos. Normalmente, la herramienta está fijada rígidamente al extremo del robot aunque en ocasiones se dota a éste de un dispositivo de cambio automático, que permita al robot usar diferentes herramientas durante su tarea. La TABLA.2 enumera algunas de las herramientas más frecuentes.

Aparte de estos elementos de sujeción y herramientas más o menos convencionales, existen interesantes desarrollos e investigaciones, muchos de ellos orientados a la manipulación de objetos complicados y delicados. Por ejemplo, existen diversas realizaciones de pinzas dotadas de tacto o de dedos con falanges.

5. SENSORES DE INFORMACIÓN

Debemos tener en cuenta que los robots necesitan disponer de información tanto de su entorno exterior como de sus mecanismos internos para llevar a cabo cualquier operación con la calidad y precisión requerida. Los sensores que veremos a continuación son tanto internos como externos. También cabe destacar que diferenciaremos entre sensores y detectores.

 ( Este video ha sido realizado por los alumnos de 2º G.S.A.)

MOVIMIENTOS Y GRADOS DE LIBERTAD

Mecánicamente, un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca.

El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro, o de una combinación de ambos. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de articulaciones que se muestran en la FIG.13, aunque, en la práctica, en los robots sólo se emplean la de rotación y la prismática.

 

Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad (GDL) En la FIG.13 se indica el número de GDL de cada tipo de articulación. El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grados de libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como se ha indicado, las articulaciones empleadas son únicamente las de rotación y prismática con un solo GDL cada una, el número de GDL empleadas son únicamente las de rotación y prismática con un solo GDL cada una, el número de GDL del robot suele coincidir con el número de articulaciones de que se compone.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con características a tener en cuenta tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación. Las combinaciones más frecuentes son las representadas en la FIG.14 donde se atiende únicamente a las tres primeras articulaciones del robot, que son las más importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto del espacio.

Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisarán al menos seis GDL.

En la FIG.15 se muestran los seis GDL con que está dotado el robot ARC Mate 120/S-12 de Fanuc, así como sus articulaciones y eslabones.

En la práctica, a pesar de ser necesarios los seis GDL comentados para tener total libertad en el posicionado y orientación del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con sólo cuatro o cinco GDL, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se les encomiendan.

Existen también casos opuestos, en los que se precisan más de seis GDL para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. Así, si se trabaja en un entorno con obstáculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le permitirá acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstáculos, no hubiera llegado con seis GDL. Otra situación frecuente es la de dotar al robot de un GDL adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril, aumentando así el volumen del espacio al que puede acceder. Cuando el número de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dice que el robot es redundante.