Robotica_299011

MO DULO DE ROBO TICA

Por

Freddy F. Valderrama Gutierrez

Primera version creada por ING. LUIS ENRIQUE CAMARGO en laESCUELA DE CIENCIAS BA SICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA CEAD DUITAMA

Julio, 2008

Aprobado por:

Pedro Torres Silva FechaC.C

Gustavo Velasquez, FechaC.C

TABLA DE CONTENIDO

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LISTA DE TABLAS . ..vLISTA DE FIGURAS ..vi1 PROTOCOLO . ..11.1 Introduccion.21.2 Justificacion.41.3 Intencionalidades formativas.51.3.1Propositos.51.3.2Objetivos ..51.3.3Metas . . ..51.3.4 Competencias.61.4Unidades didacticas ..71.5Mapa Conceptual . ..9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Unidad I Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

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2.1 Antecedentes historicos . . . . . . . . . . ..102.1.1 Breve Historia de la robotica . . . ..142.1.2 Automatizacion y robotica . . . . ..162.1.3 Clasificacion de los robots . . . . . ..202.2 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . ..222.2.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . ..232.2.2 Transferencia de material . . . . . ..232.2.3 Carga y descarga de maquinas . . ..242.2.4 Operaciones de procesamiento . . ..252.2.5 Otras operaciones de procesamiento.262.2.6 Procesos de laboratorio . . . . . . ..262.2.7 Manipuladores cinematicos . . . . ..272.2.8 Agricultura . . . . . . . . . . . . . ..282.2.9 Espaciales . . . . . . . . . . . . . ..292.2.10 Vehiculos submarinos . . . . . . . ..302.2.11 Educacion . . . . . . . . . . . . . ..312.3 El mercado de la robotica y las perspectivas futuras . . . . . . . . 312.4Subsistemas del robot ..332.5Robot Industrial . . . ..352.5.1 Definicion . . ..352.5.2 Clasificacion de robots industriales . . . . . . . . . . . . . . 37. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii2.6 Morfologa del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40. . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .

2.6.1Grados de Libertad . . . . . . . . . . . . . . . ..412.6.2Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador.412.6.3Capacidad de carga . . . ..422.6.4Problemas a enfrentar . . ..422.6.5Exactitud y Repetibilidad ..432.6.6Resolucion . . . . . . . . ..432.6.7Precision en la repetibilidad.452.6.8La resolucion del mando ..452.6.9Velocidad . . . . . . . . . ..452.6.10Coordenadas de los movimientos.462.6.11Brazos del robot . . . . . . . . ..472.6.12Programabilidad . . . . . . . . ..482.6.13Estructura mecanica de un robot.482.6.14Transmisiones y reductores . . ..522.6.15Actuadores . . . . . . . . . . . ..552.6.16Neumaticos . . . . . . . . . . . ..562.6.17Hidraulicos . . . . . . . . . . . ..582.6.18Electricos . . . . . . . . . . . . ..592.6.19Sensores internos . . . . . . . ..642.6.20Sensores externos . . . . . . . ..66. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .

3 UNIDAD II. Cinematica y dinamica del robot . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1 Conceptos basicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . .

3.1.1Posicion y orientacion en el plano723.1.2Posicion y orientacion en el espacio793.1.3Transformaciones compuestas . . .833.2Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H)873.3El problema cinematico directo . . . . . . .893.3.1 Ejemplo 1 . . . . . . . ..903.3.2 Ejemplo 2 . . . . . . . ..923.4El problema cinematico inverso.933.4.1 Ejemplo . . . . . . . . ..953.5Velocidades y jacobiano . . . . ..99. . . .. . . .. . . .. . . .

. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .

4 UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBO TICA . . . . . . . . . . . . . . 100

4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.1.1 Sistema de medicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.1.2 La exploracion de imagenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1.3 La Retroalimentacion visual para el funcionamiento delTelerobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.1.4La retroalimentacion visual y de fuerza para ayudar al neu-rocirujano durante una teleciruga . . . . . . . . . . . .1054.1.5La ciruga de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . .105..

iii

4.2

4.3

. . . . .. . . . .. . . . .

Procesamiento de imagenes . . . . . . . . . . . . . . . .. 1064.2.1 Estructura y jerarqua en el proceso de imagenes. 1094.2.2 El video Estereoscopico y la Realidad Virtual . .. 110Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1144.3.1 Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1144.3.2 Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . .. 1164.3.3 Nuevos Sectores de Aplicacion . . . . . . . . . .. 128. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .

APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

iv

LISTA DE TABLASTabla Pagina

v

LISTA DE FIGURASFigura Pagina

11 Protocolo del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

12 Unidad 1 y Unidad 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

13 Unidad 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

14 Mapa conceptual del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

21 Robot disenado por Ralph Mosher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

22 Muneca dibujante disenada por Henri Maillardert. . . . . . . . . . . . 15

23 Cyril Walter Kenward y George C. Devol. . . . . . . . . . . . . . . . 19

24 Robot tranasportador de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

25 Robot usado en laboratorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

26 Robot usado para explorar tuberias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

27 Robot usado para esquilar ovejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

28 Robot usado para exploraciones espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . 30

29 Robot manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

210 Diagrama de bloque de un robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

211 Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. . . . . . . . 41

212 Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 43

213 Esquema para definir la resolucion de un robot industrial. . . . . . . . 44

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214 Esquema para visualizar el error de posicion. . . ..44215 Configuraciones basicas y coordenadas. . . . . . ..46216 Tipos de junturas usadas. . . . . . . . . . . . . ..47217 Analogia entre un brazo humano y uno robotico. ..49218 Punto de centro de la herramienta. . . . . . . . ..50219 Espacio de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . ..51. . . . . . . . . .

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vi

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

220 Tipos de transmisiones. . . . . . ..53221 Engranajes Circular-Circular. . ..53222 Caracteristicas de los reductores..54. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

223 Cilindro neumatico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

224 Motor neumatico de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

225 Motor DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

226 Motor DC vista de rotor y estator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

227 Motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

228 Paralelo entre actuadores usados en robotica . . . . . . . . . . . . . . 63

229 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

31 Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles. . 72

32 Vector de coordenadas en el plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

33 Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

34 localizacion de un objeto en posicion y orientacion . . . . . . . . . . . 74

35 Traslacion del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

36 Rotacion del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

37 Deteccion de un obstaculo desde un robot movil . . . . . . . . . . . . 77

38 Cambio de sistema de referencia en navegacion de robots moviles . . . 77

39 Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano . . . . . . 78

310 Posicion en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

311 Posicion en el espacio con coordenadas cilndricas . . . . . . . . . . . 80

312 Posicion en el espacio con coordenadas esfericas . . . . . . . . . . . . 80

313 Posicion y orientacion en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

314 Cambio de sistemas de referencia en el espacio . . . . . . . . . . . . . 82

315 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

. . . . . . . .

316 Manipulador plano con dos articulaciones de rotacion.84317 Representacion de ecuaciones de transforamcion . . ..86. . . . . . . .

vii

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318 Asignacion de ejes de referencia a articulaciones consecutivas87319 Manipulador plano con tres articulaciones de rotacion . . . .90320 Esquema del robot del ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . .92321 Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de liber-tad de rotacion . . . . . . . . . . . . . . . . . .95322 Solucion por metodos geometricos . . . . . . . . .9841 Robot telecontrolado de la universidad de australia10442 A ngulo elegido para la camara . . . . . . . . . . .10443 Telecirujia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10544 Ciruga de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . .10645 Configuraciones de camara de estereoscopica. . . .11446 Robots soldadores. . . . . . . . . . . . . . . . . .11847 Robot alimentador. . . . . . . . . . . . . . . . . .12248 Robot de corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12449 Robot tipo SCARA. . . . . . . . . . . . . . . . .126410 El vagabundo de Marte. . . . . . . . . . . . . . .132411 El Rocky 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133. . . . . . . . . . .

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PARTE 1PROTOCOLO

Identificacion del curso academico, vease 11.

Figure 11: Protocolo del curso.

1

1.1 Introduccion

Este curso es de 3 creditos academicos, se ofrece como asignatura del plan academico de Ingeniera Electronica y como curso electivo de Ingeniera de sistemas, Tiene 3 unidades, las cuales se trabajan por captulos. En la primera unidad se inicia haciendo una introduccion a la robotica, en la doble vertiente de su significacion social y de su importancia tecnologica. La robotica es un componente esencial de la automatizacion de la fabricacion, que afectara a la mano de obra humana en todos los niveles, desde los trabajadores no especializados hasta los tecnicos profesionales y directores de produccion. Esta obra tiene el objetivo ambicioso de proporcionar la documentacion tecnica en este fascinante campo.El segundo capitulo de la unidad I presenta la robotica como tecnologa interdisci- plinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo historico y estado actual. El tercer capitulo esta dedicado al estudio de los elementos que componen un robot: estructura mecanica, transmisiones y reductores, actuadores, elementos terminales y sensores. No se pretende en el mismo hacer un estudio exhaustivo de estos componentes, pues no es este objetivo propio de la robotica, sino destacar las caractersticas que los hacen adecuados para su empleo en robots.

2Para que un robot pueda moverse y manipular objetos, es necesario una adecuada localizacion de las configuraciones espaciales por las que se pretende que el robot pase. Tanto para el usuario del robot como para su disenador es necesario manejar adecuadamente una serie de herramientas matematicas que permitan situar en posicion y orientacion un objeto (en particular el extremo del robot) existentes para tal fin. En concordancia con lo anterior el estudio de la cinematica del robot hace parte de la Unidad II, lo anterior permite relacionar la posicion de sus actuadores con la posicion y orientacion del extremo. Esta relacion no trivial, es fundamental para desarrollar el control del robot. Enseguida se aborda el modelado dinamico de un robot. Como sistema dinamico, el robot es uno de los sistemas mas fascinantes

para el control, por incorporar muchas de aquellas dificultades que clasicamente se obvian en el estudio de control de sistemas.La unidad III presenta el tema del sistema de vision artificial de maquinas, sus beneficios para trabajos que requieren reconocimiento y precision de objetos, configuracion, etc. Al final de esta unidad se muestra la utilizacion del robot en diferentes tipos de aplicaciones, tanto las mas habituales, como soldadura de carroceras, y las mas novedosas en los sectores de construccion, espacio, ciruga, etc. Es evi- dente que la robotica esta siendo aplicada a un gran numero de sectores dispares, siendo imposible pretender que el estudiante conozca todas las caractersticas de los mismos.

1.2 Justificacion

Por que la Robotica?

Beneficio inmediato para el estudiante:

Se involucra activamente en su propio proceso de aprendizaje.

Desarrolla la intuicion cientfica y de ingeniera.

Desarrolla sus intereses en matematicas y tecnologa cientfica.

Potencia sus habilidades de investigacion y resolucion de problemas, as como lec- tura, escritura, habilidades de presentacion y creatividad.Beneficios a largo plazo:

Construye auto-pensadores que ademas son capaces de apreciar el valor de la auto- motivacion y de sentirse con recursos. Permite que conseguir sus metas se transforme en un habito.

Convertirse en un autodidacta activo.

Fomenta la habilidad para resolver los problemas mediante estrategias centrandose en el razonamiento logico, analtico, y pensamiento crtico. Esta habilidad es la base de muchos campos cientficos as como de otras areas profesionales.

1.3 Intencionalidades formativas

1.3.1 Propositos

Fundamentar la concepcion de la robotica dentro de la ingeniera y en especial de los procesos de automatizacion. Capacitar a los estudiantes para la comprension y aprehension de los conceptos propios de la robotica. Fomentar en el estudiante las caractersticas que deben identificarlo en su de- sempeno y actuacion a la hora de trabajar con robots. Desarrollar habilidades para determinar el analisis, diseno, programacion y manipulacion de robots.

1.3.2 Objetivos

Fundamentar teoricamente la concepcion de la robotica.

Generar espacios de reflexion permanente sobre su capacidad para entender la estructura y el funcionamiento de un robot atendiendo a los modelos matematicos para su fundamento y / o explicacion. Aplicar la estrategia adecuada a la hora de disenar e implementar un robot

Potenciar habilidades, destrezas que permita que el estudiante sea competente a la hora de manipular robots o sea proponente de una solucion de automatizacion.

1.3.3 Metas

Al terminar el curso el estudiante:

Identificara la estructura y la forma de funcionamiento de un robot..

Reconocera la fundamentacion teorica y conceptual de la robotica. Distinguira y determinara los modelos matematicos que la soportan y explican

Al conocer el contexto actual de la robotica, podra proponer, argumentar e inter- pretar soluciones a problemas de la vida real que requieran de procesos de automatizacion

1.3.4 Competencias

Este curso pretende ofrecer las siguientes competencias a nuestros estudiantes:

Cognitiva: El estudiante podra identificar, analizar y proponer soluciones que requieran de Robots industriales que permitan automatizar procesos. Haciendo uso de modelos y tecnologas vigentes. Comunicativa: El uso intensivo de las TICs permitira al estudiante comunicarse efectivamente usando las medios electronicos tales como: foros, correo, blogs, entre otros. Contextual: El estudiante se apropia de problemas de su entorno desde el punto de vista social, economico y poltico, para plantear soluciones ingenieriles en beneficio de su comunidad. Valorativa: El estudiante asume una actitud positiva ante la adquisicion de conocimientos ingenieriles, teniendo presentes los valores eticos y morales como son: el respeto, la conciencia, el trabajo en equipo, el temperamento, la autodisci- plina y el sentido de pertinencia.

1.4 Unidades didacticas

Las figuras 12 y 13 muestran los contenidos del presente curso.

Figure 12: Unidad 1 y Unidad 2.

Figure 13: Unidad 3.

1.5 Mapa Conceptual

Los conceptos tratados en el presente modulo se pueden organizar como se observa en la Figura 14.

Figure 14: Mapa conceptual del curso.

PARTE 2UNIDAD I CONCEPTOS GENERALES

2.1 Antecedentes historicos

La palabra robot fue usada por primera vez en el ano 1921, cuando el escritor checo Karel Capek (1890 - 1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossums Universal Robot (R.U.R.). Su origen es de la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada. Con el objetivo de disenar una maquina flexible, adaptable al entorno y de facil manejo, George Devol, pionero de la Robotica Industrial, patento en 1948, un manipulador programable que industrial. En 1948R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrollo, con el objetivo de manipular elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer tele manipulador. Este consista en un dispositivo mecanico maestro-esclavo. El manipulador maestro, reproduca fielmente los movimientos de este. El operador ademas de poder observar a traves de un grueso cristal el resultado de sus acciones, senta a traves del dispositivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejerca. Anos mas tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnologa electronica y del servocontrol sustituyendo la transmision mecanica por electrica y desarrollando as el primer tele manipulador con servocontrol bilateral. Otro de los pioneros de la tele manipulacion fue Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en dos brazos mecanicos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto, posteriormente diseno el GE vease Figura 21. Junto a la industria nuclear, a lo largo de los anos sesenta la industria submarina comenzo a interesarse por el uso de los tele manipu ladores. A este interes se sumo

10

la industria espacial en los anos setenta. La evolucion de los tele manipuladores a lo largo de los ultimos anos no ha sido tan espectacular como la de los robots. Reclui- dos en un mercado selecto y limitado(industria nuclear, militar, espacial, etc.) son en general desconocidos y comparativamente poco atendidos por los investigadoresy usuarios de robots.

Figure 21: Robot disenado por Ralph Mosher.

11Por su propia concepcion, un tele manipulador precisa el mando continuo de un operador, y salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control su- pervisado y la mejora de la tele presencia promovida hoy da por la realidad virtual, sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus orgenes. La sustitucion del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del manipulador robot. La primera patente de un dispositivo robotico fue solicitada en marzo de 1954 por el inventor britanico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en

12el Reino Unido en 1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano, inventor y autor de varias patentes, el establecio las bases del robot industrial mod- erno. En 1954 Devol concibio la idea de un dispositivo de tr ansferencia de artculos programada que se patento dio en paso al Estados concepto Unidos en de 1961. En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingeniera de la division aeroespacial de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y Engelberger comenzaron a trabajar en la utilizacion industrial de sus maquinas, fun- dando la Consolidated Controls Corporation, que mas tarde se convierte en Unima- tion(Universal Automation), e instalando su primera maquina Unimate (1960), en la fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicacion de fundicion por inyeccion. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construccion de maquinas similares (Versatran- 1963. En 1968 J.F. Engelberger visito Japon y poco mas tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construccion de robots tipo Unimate. El crecimiento de la robotica en Japon aventaja en breve a los Estados U nidos gracias a Nissan, que formo la primera asociacion robotica del mundo, la Asociacion de Robotica industrial de Japon (JIRA) en 1972. Dos anos mas tarde se formo el Instituto de Robotica de America (RIA), que en 1984 cambio su nombre por el de Asociacion de Industrias Roboticas, manteniendo las mismas siglas (RIA. Por su parte Europa tuvo un despertar mas tardo. En 1973 la firma sueca ASEA construyo el primer robot con accionamiento totalmente electrico, en 1980 se fundo la Federacion Internacional de Robotica con sede en Estocolmo Suecia. La configuracion de los primeros robots responda a las denominadas configuraciones esferica y antropomorfica, de uso especialmente valido para la manipulacion. En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japon, desarrolla el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con un numero reducido en grados de libertad (3 o 4), un coste limitado y una configuracion orientada al ensamblado de piezas La definicion del robot industrial, como

una maquina que puede efectuar un numero diverso de trabajos, automaticamente, mediante la programacion previa, no es valida, por que existen bastantes maquinas de control numerico que cumplen esos requisitos. Una peculiaridad de los robots es su estructura de brazo mecanico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores o herramientas. Otra caracterstica especifica del robot, es la posibilidad de llevar a cabo trabajos completamente diferentes, e incluso tomar decisiones segun la informacion procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa operativo en su sistema informatico.Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robotica Industrial:

1. El laboratorio ARGONNE disena, en 1950, manipuladores amo-esclavo para manejar material radioactivo2. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse, realiza los primeros proyectos de robots a principios de la decada de los sesentas de nuestro siglo, instalando el primero en 1961 y posteriormente, en 1967, un conjunto de ellos en una factora de general motors. Tres anos despues, se inicia la implantacion de los robots en Europa, especialmente en el area de fabricacion de automovi les. Japon comienza a implementar esta tecnologa hasta 1968.3. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la tarea de controlar un robot mediante computador4. En el ano de 1975, la aplicacion del microprocesador, transforma la imagen y las caractersticas del robot, hasta entonces grande y costoso

135. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigacion, por parte de las empresas fabricantes de robots, otros auxiliares y diversos departamentos de Universidades de todo el mundo, sobre la informatica aplicada y la experimentacion de los sensores, cada vez mas perfeccionados, potencian la configuracion del robot inteligente capaz de adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuarlas para cada situacion.

La evolucion de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En poco mas de 30 anos las investigaciones y desarrollos sobre robotica industrial han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las areas productivas y tipos de industria. En pequenas o grandes fabricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas areas repetitivas y hostiles, adaptandose inmediatamente a los cambios de produccion solicitados por la demand a variable.

2.1.1 Breve Historia de la robotica

Por siglos el ser humano ha construido maquinas que imitan las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecanicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiracion de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidraulicos, las cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos munecos mecanicos muy ingeniosos que tenan algunas caractersticas de robots. Jacques de Vauncansos construyo varios musicos de tamano humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecanicos disenados para un proposito especfico: la diversion.En 1805, Henri Maillardert construyo una muneca mecanica que era capaz de hacer

14dibujos, vease Figura 22. Una serie de levas se utilizaban como el programa

para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.

E stas creaciones mecanicas

de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su epoca.Hubo otras invenciones mecanicas durante la revolucion industrial, creadas por mente s de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la produccion textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecanica de Crompton (1779), el telar mecanico de Cartwright (1785),

Figure 22: Muneca dibujante disenada por Henri Maillardert.

eltelar de Jacquard (1801), y otros. El desarrollo en la tecnologa, donde se incluyen las poderosas computadoras electronicas, los actuadores de control retroalimentados, transmision de potencia a traves de engranes, y la tecnologa en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos automatas para desempenar tareas dentro de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la decada de los 50s. La investigacion en inteligencia artificial desarrollo maneras de emular el procesamiento de informacion humana con computadoras electronicas e invento una variedad de mecanismos para probar sus teoras. No obstante las limitaciones de las maquinas roboticas actuales, el concepto popular de un robot es que tiene una apariencia humana y que actua como tal. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficcion. Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossums Universal Robots, dio lugar al termino robot. La palabra checa Robota significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirtio en el

termino robot. Dicha narracion se refiere a un brillante cientfico llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia qumica que es similar al protoplasma. Utilizan esta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos fsicos. Rossum sigue realizando mejoras en el diseno de los robots, elimina organos y otros elementos in necesarios, y finalmente desarrolla un ser perfecto. El argumento ex- perimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir con su papel de servidores y se rebelan contra sus duenos, destruyendo toda la vida humana. Entre los escritores de ciencia ficcion, Isaac Asimov contribuyo con varias narraciones relativas a robots, comenzo en 1939, a el se atribuye el acunamiento del termino Robotica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una maquina bien disenada y con una seguridad garantizada que actua de acuerdo con tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robotica, y son:1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inaccion, que un ser humano sufra danos2. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que esten en conflictos con la primera ley.3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que este en conflicto con las dos primeras leyes.Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano, de esta forma su actitud contraviene a la de Kapek.En el siguiente link, se puede profundizar en este tema:

2.1.2 Automatizacion y robotica

La historia de la automatizacion industrial esta caracterizada por perodos de con- stantes innovaciones tecnologicas. Esto se debe a que las tecnicas de automatizacion

estan muy ligadas a los sucesos economicos mundiales. El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseno asistidos por computadora (CAD), y los sistemas

17de fabricacion asistidos por computadora (CAM), son la ultima tendencia de au-

tomatizacion de los procesos de fabricacion.

E stas tecnologas conducen a la au-

tomatizacion industrial a otra transicion, de alcances aun desconocidos. Aunque el crecimiento del mercado de la industria Robotica ha sido lento en comparacion con los primeros anos de la decada de los 80s, de acuerdo a algunas predicciones, la industria de la robotica esta en su infancia. Ya sea que estas predicciones se realicen completamente, o no, es claro que la industria robotica, en una forma o en otra, permanecera.En la actualidad el uso de los robots industriales esta concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precision. Los analisis de mercado en cuanto a fabricacion predicen que en esta decada y en las poste- riores los robots industriales incrementaran su campo de aplicacion, esto debido a los avances tecnologicos en sensorica, los cuales permitiran tareas mas sofisticadas como el ensamble de materiales. la automatizacion y la robotica son dos tecnologas estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir la automatizacion como una tecnologa que esta relacionada con el empleo de sistemas mecanicos-electricos basados en computadoras para la operacion y control de la produccion. En consecuencia la robotica es una forma de automatizacion industrial.

Hay tres clases muy amplias de automatizacion industrial: automatizacion fija, automatizacion programable, y automatizacion flexible. La automatizacion fija se utiliza cuando el volumen de produccion es muy alto, y por tanto se puede justificar economicamente el alto costo del diseno de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de produccion elevadas. Ademas de esto,

otro inconveniente de la automatizacion fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado. La automatizacion programable se emplea cuando el volumen de produccion es relativamente bajo y hay una diversidad de produccion a obtener. En este caso el equipo de produccion es disenado para adaptarse a la variaciones de configuracion del producto; esta adaptacion se realiza por medio de un programa (Software). Por su parte la automatizacion flexible es mas adecuada para un rango de produccion medio. Estos sistemas flexibles poseen caractersticas de la automatizacion fija y de la automatizacion programada. Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre s, y por sistemas de almacenamiento y manipulacion de materiales, controlados en su conjunto por una computadora. De los tres tipos de automatizacion, la robotica coincide mas estrechamente con la automatizacion programable.

En tiempos mas recientes, el control numerico y la telequerica son dos tecnologas importantes en el desarrollo de la robotica. El control numerico (NC) se desarrollo para maquinas herramienta a finales de los anos 40 y principios de los 50s. Como su nombre lo indica, el control numerico implica el control de acciones de un maquina-herramienta por medio de numeros. Esta basado en el trabajo original de Jhon Parsons, que concibio el empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de posiciones, para controlar los ejes de una maquina-herramienta.El campo de la telequerica abarca la utilizacion de un manipulador remoto controlado por un ser humano.A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo mecanico que traduce los movimientos del operador humano en movimientos correspondientes en una posicion remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la telequerica. En

181948 construyo un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el Argonne

Figure 23: Cyril Walter Kenward y George C. Devol.

National Laboratory. El empleo mas frecuente de los teleoperadores se encuentra en la manipulacion de sustancias radiactivas, o peligrosas para el ser humano.La combinacion del control numerico y la telequerica es la base que constituye al robot modelo. Hay dos individuos (vease Figura 23) que merecen el reconocimiento de la confluencia de estas dos tecnologas y el personal que poda ofrecer en las aplicaciones industriales. El primero fue un inventor britanico llamado Cyril Walter Kenward, que solicito una patente britanica para un dispositivo robotico en marzo de 1954. La segunda persona citada es George C. Devol, inventor americano, al que debe atribuirse dos invenciones que llevaron al desarrollo de los robots hasta nuestros das. La primera invencion consista en un dispositivo para grabar magneticamente senales electricas y reproducirlas para controlar un maquina. La segunda invencion se denominaba Transferencia de Artculos Programada.En el contexto de la automatizacion un robot industrial se puede definir como

una maquina programable de uso general que tiene algunas caractersticas antropomorficas

o humanoides. La mas relevante es la de sus brazos moviles, los que se desplazaran por medio de secuencias de movimientos que son programados para la ejecucion de tareas de utilidad. La definicion oficial de un robot industrial se pro porciona por la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of America. Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable disenado para desplazar materiales , piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variables programados para la ejecucion de una diversidad de tareas . Se espera en un futuro no muy lejano que la tecnologa en robotica se desplace en una direccion que sea capaz de proporcionar a estas maquinas capacidades mas similares a las humanas.

2.1.3 Clasificacion de los robots

20La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del robot dentro de las limitantes del diseno mecanico y la capacidad de los sensores. Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generacion, a su nivel de inteligencia,

a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programacion.

E stas clasificaciones

reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada interaccion de los sensores. La generacion de un robot se determina por el orden historico de desarrollos en la robotica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales. La tercera generacion es utilizada en la industria, la cuarta se desarrolla en los laboratorios de investigacion, y la quinta generacion es un gran sueno.1. Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas, como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos robots comunmente tienen un control de lazo abierto.2. Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimientos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores

3. Robots controlados por vision, donde los robots pueden manipular un objeto al utilizar informacion desde un sistema de vision.4. Robots controlados que pueden automaticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos obtenidos por los sensores.5. Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las tecnicas de inteligencia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.

La Asociacion de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis clases sobre la base de su nivel de inteligencia:1. Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.

2. Robots de secuencia arreglada

3. Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia facilmente.4. Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a traves de la tarea.5. Robots de control numerico, donde el operador alimenta la programacion del movimiento, hasta que se ensene manualmente la tarea6. Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el medio ambiente.

Los programas en el controlador del robot pueden ser agrupados de acuerdo al nivel de control que realizan:

211. Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptara un comando como lev- antar el producto y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo nivel basados en un modelo estrategico de las tareas.

2. Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo que se incluye la interaccion dinamica entre los diferentes mecanismos, trayectorias planeadas, y los puntos de asignacion seleccionados.3. Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parametros de los mecanismos con el uso de una retroalimentacion interna de los datos obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de sensores externos. Todas las detecciones de fallas y mecanismos de correccion son implementados en este nivel.

En la clasificacion final se considerara el nivel del lenguaje de programacion. La clave para una aplicacion efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programacion de robots, aunque la mayora del software mas avanzado se encuentra en los laboratorios de investigacion. Los sistemas de programacion de robots caen dentro de tres clases:1. Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a traves de los movimientos a ser realizados2. Sistemas de programacion de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un programa de computadora al especificar el movimiento.3. Sistemas de programacion de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la operacion por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula2.2 Aplicaciones

22Los robots son utilizados en una diversidad de aplicaciones, desde robots tortugas en los salones de clases, robots soldadores en la industria automotriz, hasta brazos teleoperados en el transbordador espacial. Cada robot lleva consigo su problematica propia y sus soluciones afines; no obstante que mucha gente considera que la automatizacion de procesos a traves de robots esta en sus inicios, es un hecho innegable que

la introduccion de la tecnologa robotica en la industria, ya ha causado un gran im- pacto. En este sentido la industria Automotriz desempena un papel preponderante. Es necesario hacer mencion de los problemas de tipo social, economicos e incluso poltico, que puede generar una mala orientacion de robotizacion de la industria. Se hace indispensable que la planificacion de los recursos humanos, tecnologicos y financieros se realice de una manera inteligente. La Robotica contribuira en gran medida al incremento del empleo. Pero, como se puede hacer esto? al automatizar los procesos en maquinas mas flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma de fabricacion de los mismos. Esto puede originar una gran cantidad de empresas familiares (Micro y pequenas empresas ) lo que provocara la descentralizacion de la industria.

2.2.1 Industria

Los robots son utilizados por una diversidad de procesos industriales como lo son: la soldadura de punto y soldadura de arco, pinturas de spray, transportacion de materiales, molienda de materiales, moldeado en la industria plastica, maquinas- herramientas, y otras mas. A continuacion se hara una breve explicacion de algunas de ellas.

2.2.2 Transferencia de material

23Las aplicaciones de transferencia de material (vease Figura 24) se definen como operaciones en las cuales el objetivo primario es mover una pieza de una posicion a otra. Se suelen considerar entre las operaciones mas sencillas o directas de realizar por los robots. Las aplicaciones normalmente necesitan un robot poco sofisticado, y los requisitos de enclavamiento con otros equipos son tpicamente simples

Figure 24: Robot tranasportador de material.

2.2.3 Carga y descarga de maquinas

Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot se utiliza para servir a una maquina de produccion transfiriendo piezas a/o desde las maquinas. Existen tres casos que caen dentro de esta categora de aplicacion:Carga/Descarga de Maquinas. El robot carga una pieza de trabajo en bruto en el proceso y descarga una pieza acabada. Una operacion de mecanizado es un ejemplo de este caso. Carga de maquinas. El robot debe de cargar la pieza de trabajo en bruto a los materiales en las maquinas, pero la pieza se extrae mediante algun otro medio. En una operacion de prensado, el robot se puede programar para cargar laminas de metal en la prensa, pero las piezas acabadas se permite que caigan fuera de la prensa por gravedad. Descarga de maquinas. La maquina produce piezas acabadas a partir de materiales en bruto que se cargan directamente en la maquina sin la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la maquina. Ejemplos deesta categora incluyen aplicaciones de fundicion de troquel y moldeado plastico. La aplicacion se tipifica mejor mediante una celula de trabajo con el robot en el centro que consta de la maquina de produccion, el robot y alguna forma de entrega de piezas.

2.2.4 Operaciones de procesamiento

Ademas de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una gran clase de aplicaciones en las cuales el robot realmente efectua trabajos sobre piezas. Este trabajo casi siempre necesita que el efector final del robot sea una herramienta en lugar de una pinza. Por tanto la utilizacion de una herramienta para efectuar el trabajo es una caracterstica distinta de este grupo de aplicaciones. El tipo de herramienta depende de la operacion de procesamiento que se realiza. Soldadura por puntos: Como el termino lo sugiere, la soldadura por puntos es un proceso en el que dos piezas de metal se soldan en puntos localizados, al hacer pasar una gran corriente electrica a traves de las piezas donde se efectua la soldadura. Soldadura por arco continua: La soldadura por arco es un proceso de soldadura continua en oposicion a la soldadura por punto que podra llamarse un proceso discontinuo. Se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones soldadas en las cuales, a menudo, se necesita un cierre hermetico entre las dos piezas de metal que se van a unir. El proceso utiliza un electrodo en forma de barra o alambre de metal para suministrar la alta corriente electrica de 100 a 300 amperes Recubrimiento con spray: La mayora de los productos fabricados de materiales metalicos requieren de alguna forma de acabado de pintura antes de la entrega al cliente. La tecnologa para aplicar estos acabados varia en la complejidad desde metodos manuales simples a tecnicas automaticas altamente sofisticadas. Se divi- den los metodos de recubrimiento industrial en dos categoras: Metodos de recubrimiento de flujo e inmersion.

Metodos de recubrimiento al spray.

Los metodos de recubrimiento mediante flujo de inmersion se suelen considerar que son metodos de aplicar pintura al producto de baja tecnologa. La inmersion simplemente requiere sumergir la pieza o producto en un tanque de pintura liquida.

2.2.5 Otras operaciones de procesamiento

Ademas de la soldadura por punto, la soldadura por arco, y el recubrimiento al spray existe una serie de otras aplicaciones de robots que utilizan alguna forma de herramienta especializada como efector final. Operaciones que estan en esta categora incluyen: Taladro, acanalado, y otras aplicaciones de mecanizado. Rectificado, pulido, desbarbado, cepillado y operaciones similares. Remachado, Corte por chorro de agua. Taladro y corte por laser.

2.2.6 Procesos de laboratorio

Los robots estan encontrando un gran numero de aplicaciones en los laboratorios (vease Figura 25). Llevan a cabo con efectividad tareas repetitivas como la colo- cacion de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medicion. En esta etapa de su desarrollo los robots son utilizados para realizar procedimientos manuales au- tomatizados. Un tpico sistema de preparacion de muestras consiste de un robot y una estacion de laboratorio, la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados, racks de tubos de pruebas, etc. Las muestras son movidas desde la estacion de laboratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa.Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la operacion manual: incrementan la productividad, mejoran la calidad y reducen la exposicion del ser humano a sustancias qumicas nocivas.

26Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medicion del pH, viscosidad, y el por- centaje de solidos en polmeros, preparacion de plasma humano para muestras , calor, flujo, peso y disolucion de muestras para espectrometras.

Figure 25: Robot usado en laboratorios.

2.2.7 Manipuladores cinematicos

La tecnologa robotica encontro su primer aplicacion en la industria nuclear con el desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo. Los robots mas recientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la inspeccion de tuberas (vease Figura 26) en areas de alta radiacion. El accidente en la planta nuclear de Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimulo el desarrollo y aplicacion de los robots en la industria nuclear. El reactor numero 2 (TMI-2) perdio su enfri- amiento, y provoco la destruccion de la mayora del reactor, y dejo grandes areas del reactor contaminadas, inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles de radiacion las tareas de limpieza solo eran posibles por medios remotos.Varios robots y vehculos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin en los lugares donde ha ocurrido una catastrofe de este tipo.

E sta clase de robots son equipados en su mayora con sofisticados equipos para detectar niveles de radiacion, camaras, e incluso llegan a traer a bordo un minilaboratorio para hacer pruebas.

Figure 26: Robot usado para explorar tuberias.

2.2.8 Agricultura

Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia ficcion, pero la realidad es muy diferente; o al menos as parece ser para el Instituto de Investigacion Aus- traliano, el cual ha invertido una gran cantidad de dinero y tiempo en el desarrollo de este tipo de robots. Entre sus proyectos se encuentra una maquina que esquila ovejas (vease Figura 27.) La trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas se planea con un modelo geometrico de la oveja.Para compensar el tamano entre la oveja real y el modelo, se tiene un conjunto de sensores que registran la informacion de la respiracion del animal como de su mismo tamano, esta es mandada a una computadora que realiza las compensaciones nece- sarias y modifica la trayectoria del cortador en tiempo real.Debido a la escasez de trabajadores en los obradores, se desarrolla otro proyecto, que consiste en hacer un sistema automatizado de un obrador, el prototipo requiere un alto nivel de coordinacion entre una camara de vdeo y el efector final que realiza en menos de 30 segundos ocho cortes al cuerpo del cerdo.Por su parte en Francia se hacen aplicaciones de tipo experimental para incluir a los

robots en la siembra, y poda de los vinedos, como en la pizca de la manzana.

Figure 27: Robot usado para esquilar ovejas.

2.2.9 Espaciales

La exploracion espacial posee problemas especiales para el uso de robots (vease Figura 28). El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un equipo de proteccion muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio. Muchos cientficos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de Robots para contin- uar con los avances en la exploracion espacial; pero como todava no se llega a un grado de automatizacion tan precisa para esta aplicacion, el ser humano aun no ha podido ser reemplazado por estos. Por su parte, son los teleoperadores los que han encontrado aplicacion en los transbordadores espaciales.En Marzo de 1982 el transbordador Columbia fue el primero en utilizar este tipo de robots, aunque el ser humano participa en la realizacion del control de lazo cerrado. Algunas investigaciones estan encaminadas al diseno, construccion y control de vehculos autonomos, los cuales llevaran a bordo complejos laboratorios y camaras muy sofisticadas para la exploracion de otros planetas.

29En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del Lunokhod 1, el cual

posea camaras de television, sensores y un pequeno laboratorio, era controlado remotamente desde la tierra. En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recoga muestras de piedra, tierra y otros elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue acondicionado en el interior del robot. Por supuesto tambien contaba con un equipomuy sofisticado de camaras de vdeo.

Figure 28: Robot usado para exploraciones espaciales.

2.2.10 Vehiculos submarinos

Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el interes de los vehculos submarinos. En el primero - Un avion de la Air Indian se estrello en el Oceano Atlantico cerca de las costas de Irlanda u n vehculo submarino guiado remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para encontrar y recobrar la caja negra del avion. El segundo fue el descubrimiento del Titanic en el fondo de un canon, donde haba permanecido despues del choque con un iceberg en 1912, cuatro kilometros abajo de la superficie. Un vehculo submarino fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.

30En la actualidad muchos de estos vehculos submarinos se utilizan en la inspeccion y mantenimiento de tuberas que conducen petroleo, gas o aceite en las plataformas oceanicas; en el tendido e inspeccion del cableado para comunicaciones, para investigaciones geologicas y geofsicas en el suelo marino.

La tendencia hacia el estudio e investigacion de este tipo de robots se incrementara a medida que la industria se interese aun mas en la utilizacion de los robots, sobra mencionar los beneficios que se obtendran si se consigue una tecnologa segura para la exploracion del suelo marino y la explotacion del mismo.

2.2.11 Educacion

Los robots estan apareciendo en los salones de clases de tres distintas formas. Primero, los programas educacionales utilizan la simulacion de control de robots como un medio de ensenanza. Un ejemplo palpable es la utilizacion del lenguaje de programacion del robot Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es utilizado por la introduccion a la ensenanza de la programacion.El segundo y de uso mas comun es el uso del robot tortuga en conjuncion con el lenguaje LOGO para ensenar ciencias computacionales. LOGO fue creado con la intencion de proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en el aprendizaje de las matematicas.En tercer lugar esta el uso de los robots en los salones de clases. Una serie de manipuladores de bajo costo, robots moviles, y sistemas completos han sido desarrollados para su utilizacion en los laboratorios educacionales. Debido a su bajo costo muchos de estos sistemas no poseen una fiabilidad en su sistema mecanico, tienen poca exactitud, no tienen sensores y en su mayora carecen de software.

2.3 El mercado de la robotica y las perspectivas futuras

Las ventas anuales para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos a razon del 25% de acuerdo a estadsticas del ano 1981 a 1992. El incremento de

31esta tasa se debe a factores muy diversos. En primer lugar, hay mas personas en la industria que tienen conocimiento de la tecnologa y de su potencial para sus aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnologa de la robotica mejorara en

los proximos anos de manera que hara a los robots mas amistosos con el usuario, mas faciles de interconectar con otro hardware y mas sencillos de instalar.En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles economas de escala en la produccion de robots para proporcionar una reduccion en el precio unitario, lo que hara los proyectos de aplicaciones de robots mas faciles de justificar. En cuarto lugar se espera que el mercado de la robotica sufra una expansion mas alla de las grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para esta tecnologa, y llegue a las empresas de tamano mediano, pequeno y por que no?; las microempresas. Estas circunstancias daran un notable incremento en las bases de clientes para los robots.

32La robotica es una tecnologa con futuro y tambien para el futuro. Si continuan las tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigacion en el laboratorio actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnologa factible, los robots del futuro seran unidades moviles con uno o mas brazos, capacidades de sensores multiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de calculo que las grandes computadoras actuales. Seran capaces de responder a ordenes dadas con voz humana. As mismo seran capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas, con el uso de la inteligencia artificial en un conjunto especfico de acciones requeri- das para llevarlas a cabo. Podran ver, or, palpar, aplicar una fuerza media con precision a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros robots tendran muchos de los atributos de los seres humanos. Es difcil pensar que los robots llegaran a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de Carel Kapek, Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robotica es una tecnologa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo, como otras tecnologas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse salvaguardas para no permitir su uso pernicioso.

El paso del presente al futuro exigira mucho trabajo de ingeniera mecanica, ingeniera electronica, informatica, ingeniera industrial, tecnologa de materiales, inge- nieras de sistemas de fabricacion y ciencias sociales.

2.4 Subsistemas del robot

Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticacion, depende de la per- spectiva con que se mire. Un tecnico en mantenimiento puede ver un robot como una coleccion de componentes mecanicos y electronicos; por su parte un ingeniero en sistemas puede pensar que un robot es una coleccion de subsistemas interrela- cionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una maquina para ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una maquina capaz de realizar un tarea especfica. En contraste, un cientfico puede pensar que un robot es un mecanismo que el construye para probar una hipotesis. Un robot puede ser descompuesto en un conjunto de subsistemas funcionales: procesos, planeacion, control, sensores, sistemas electricos, y sistemas mecanicos.El subsistema de Software es una parte implcita de los subsistemas de sensores, planeacion, y control; que integra todos los subsistemas como un todo. En la actualidad, muchas de las funciones llevadas a cabo por los subsistemas son realizadas manualmente, o de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en estos campos permitiran la automatizacion de dichas tareas.El Subsistema de Procesos incluye las tareas que lleva acabo el robot, el medio ambiente en el cual es colocado, y la interaccion entre este y el robot. Este es el dominio de la ingeniera aplicada. Antes de que un robot pueda realizar una tarea,

33esta debe ser buscada dentro de una secuencia de pasos que el robot pueda ejecutar. La tarea de busqueda es llevada acabo por el Subsistema de Planeacion, el cual incluye los modelos de procesos inteligente s, percepcion y planeacion. En el modelo de procesos, los datos que se obtienen de una variedad de sensores son fusionados

(Integracion Sensorial) con modelos matematicos de las tareas para formar un modelo del mundo. Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepcion selecciona la estrategia para ejecutar la tarea. Estas estrategias son convertidas dentro de los programas de control de el robot durante el proceso de planeacion.Estos programas son ejecutados por el Subsistema de Control; en este subsistema, los comandos de alto nivel son convertidos en referencias para actuadores fsicos, los valores retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los algoritmos de control estabilizan el movimiento de los elementos fsicos.Al realizar esta tarea los mecanismos son modelados, el proceso es modelado, la ganancia de lazo cerrado puede ser adaptada, y los valores medidos son utilizados para actualizar los procesos y los modelos de los mecanismos.

34Desde el subsistema de control se alimentan las referencias de los actuadores al Subsistema Electrico el cual incluye todos los controles electricos de los actuadores. Los actuadores hidraulicos y neumaticos son usualmente manejados por electrovalvulas controladas. Tambien, este subsistema contiene computadoras, in- terfaces, y fuentes de alimentacion. Los actuadores manejan los mecanismos en el Subsistema Mecanico para operar en el medio ambiente, esto es, realizar una tarea determinada. Los parametros dentro del robot y del medio ambiente son monitoreados por el Subsistema de Sensores; esta informacion se utiliza como retroalimentacion en las ganancias de lazo cerrado para detectar potencialmente las situaciones peligrosas, para verificar que las tareas se realizan correctamente, y para construir un modelo del mundo.

2.5 Robot Industrial

2.5.1 Definicion

Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definicion formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japones y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. As, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecanico dotado de articulaciones moviles destinado a la manipulacion, el mercado occidental es mas restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control.En segundo lugar, y centrandose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea comun acerca de lo que es un robot industrial, no es facil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definicion formal. Adem as, la evolucion de la robotica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definicion. La definicion mas comunmente aceptada posiblemente sea la de la Asociacion de Industrias Roboticas (RIA), segun la cual: Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, segun trayectorias variables, programadas para realizar diversas. Esta definicion, ligeramente modificada, ha sido ad optada por la Organizacion Internacional de Estandares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales segun trayectorias tareas variables programadas para realizar tareas diversas.

Se incluye en esta definicion la necesidad de que e l robot tenga varios grados de libertad. Una definicion mas completa es la establecida por la Asociacion Francesa de Normalizacion (AFNOR) que define primero el manipulador y, basandose en dicha definicion el robot:

Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articula- dos entre s, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo logico.Robot: manipulador automatico servo controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, utiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectoria variables reprogramables, para la ejecucion de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muneca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepcion del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cclica, pudiendose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material

Por ultimo, la Federacion Internacional de Robotica (IFR) distingue entre robot industrial de manipulacion y otros robots:Por robot industrial de manipulacion se entiende a una maquina de manipulacion automatica, reprogramable y multifuncional con tres o mas ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecucion de trabajos diversos en las diferentes etapas de la produccion industrial, ya sea en una posicion fija o en movimiento.En esta definicion se debe entender que la reprogramabilidad y multifuncion se consigue sin modificaciones fsicas del robot. Comun en todas las definiciones anteriores es la aceptacion del robot industrial como un brazo mecanico con capacidad de manipulacion y que incorpora un control mas o menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto mas amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automatica en sustitucion de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto ultimo lo mas frecuente.

Figure 29: Robot manipulador.

2.5.2 Clasificacion de robots industriales

La maquinaria para la automatizacion rgida dio paso al robot con el desarrollo de controladores rapidos, basados en el microprocesador, as como un empleo de ser- vos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posicion real de los elementos del robot y establecer el error con la posicion deseada. Esta evolucion ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuacion:

Manipuladores: Son sistemas mecanicos multifuncionales (vease Figura 29), 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 previamente. De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caractersticas de los ciclos de trabajo.Existen muchas operaciones basicas que pueden ser realizadas optimamente mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas. Robots de aprendiza je: Son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso

de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el operario en la fase de ensenanza, se vale de una pistola de programacion con diversos pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniqu, o a veces, desplaza directamente la mano del robot.Los robots de aprendizaje son los mas conocidos, hoy da, en los ambientes industriales y el tipo de programacion que incorporan, recibe el nombre de gestual. Robots computador: Son manipuladores o sistemas mecanicos multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador. En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador dispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicacion utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programacion se le denomina textual y se crea sin la intervencion con control por del manipulador. Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el mercado rapidamente, lo que exige la preparacion urgente de personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informatico. Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, ademas, son capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a traves de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarles y hacerles mas efectivos, al mismo tiempo que mas asequibles. La vision artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que mas estan estudiando para su aplicacion en los robots inteligentes.

Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigacion, existen numerosos robots de formacion o micro-robots a un precio muy asequible y, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicacion industrial.Por otra parte la AFRI, sostiene que hay cuatro tipos de robots:

1. Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.

2. Tipo B: Manipulador automatico con ciclos preajustados; regulacion mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumatico, electrico o hidraulico.3. Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno.4. Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funcion de estos.Otra forma de clasificar los robots es propuesta por la IFR:

1. Robot secuencial

2. Robot de trayectoria controlable

3. Robot Adaptativo

4. Robot Manipulado

Por ultimo y con el fin de dar una vision del posible futuro, se presentaron en forma clasificada, buena parte de los diversos tipos de robots que se puedan encontrar hoy en da. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los casos mas futuristas estan en estado de desarrollo en los centros de investigacion de robotica.

Robots de servicio y teleoperados

En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:

39Dispositivos o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecanicos independientes, controlados por un programa ordenador y que realizan tareas no industriales de servicio.

En esta definicion entraran entre otros los robots dedicados a cuidados medicos, educacion, domesticos, uso en oficinas, intervencion en ambientes peligrosos, aplicaciones aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definicion de robots de servicio excluye los tele espaciales, manipuladores, pues estos no se mueven mediante el control de un programa ordenador, sino que estan controlados directamente por el operador humano.

Los robots teleoperados son dispositivos roboticos con brazos manipuladores y sensores con cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador humano de manera directa o a traves de un ordenador. Definidos por la NASA como Telerobots. El diseno de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y apli- can las tecnologas para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las aplicaciones terrestres. Las areas actuales de investigacion y desarrollo incluyen: El manipulador y el mando del robot movil

Las arquitecturas del telerobot remotas

Procesado, integracion, y fusion, del sistema sensorial.

Tareas interactivas que planea y ejecuta

La visualizacion grafica de las imagenes sobrepuestas

Multisensor - el mando equilibrado.

Micromecanismos - control para el despliegue de los instrumentos

2.6 Morfologa del Robot

En general, un robot interactua con su entorno tal y como se muestra en la Figura

40210, A continuacion se describen las caractersticas mofologicas mas relevantes propias de los robots y se proporcionan valores concretos de las mismas, para deter- minados modelos y aplicaciones.

Figure 210: Diagrama de bloque de un robot.

2.6.1 Grados de Libertad

El numero de grados de libertad que tiene un brazo robot es el numero de magnitudes que pueden variarse independientemente -por lo general coincide con el numero de articulaciones moviles- Se necesitan tres grados de libertad para posicionar el efector terminal dentro de un entorno de trabajo tridimensional. Se necesitan otros tres para dirigir el efector terminal hacia cualquier direccion. En la figura 211, se muestra un robot con 6 grados de libertad q1, q2, q3, q4, q5 y q6, este numero es el que generalmente posee un robot industrial.

Figure 211: Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad.

2.6.2 Zonas de traba jo y dimensiones del manipulador

Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad, definen la zona de trabajo del robot, caracterstica fundamental en las fases de seleccion e implantacion del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en

areas diferenciadas entre s, por la accesibilidad especifica del elemento terminal (aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente o con el determinado angulo de inclinacion. Tambien queda restringida la zona de trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.

2.6.3 Capacidad de carga

El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes, incluyendo el peso de la propia garra. En modelos de robots industriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de carga es una de las caractersticas que mas se tienen en cuenta en la seleccion de un robot, segun la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es comun precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.

2.6.4 Problemas a enfrentar

Algunos aspectos a tener en cuenta en el diseno y programacion de robots son:

Resolucion el uso de sistemas digitales, y otros factores que solo son un numero limitado de posiciones que estan disponibles. As el usuario ajusta a menudo las coordenadas a la posicion discreta mas cercana.La cinematica el error modelado el modelo de la cinematica del robot no em- pareja al robot exactamente. Como resultado los calculos de angulos de la juntura requeridos contienen un error pequeno.Los errores de la calibracion La posicion determinada durante la calibracion puede estar apagada ligeramente, mientras se esta produciendo un error en la posicion calculada.Los errores del azar - los problemas se incrementan conforme el robot opera. Por ejemplo, friccion, torcimiento estructural, la expansion termica, la repercusion

negativa / la falla en las transmisione s, etc. pueden causar las variaciones en la posicion.2.6.5 Exactitud y Repetibilidad

Exactitud de un punto Mide la distancia entre la posicion especificada, y la posicion real del efector de extremo de robot. Como el robot consigue llegar al punto deseado?

Cobra mayor importancia cuando se realiza off-line (programando), porque se usan las coordenadas absolutas.Repetibilidad Es una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente para una sola posicion. Como el movimiento del robot permite llegar a la misma posicion, con el mismo movimiento hecho en ocasiones anteriores? La repetibilidad de punto es a menudo mas pequena que la exactitud.

En la Figura 212 si quisieramos mover el efector final a cierto punto donde se encuentra la pieza de trabajo, entonces el robot solamente podra acercarse al objeto posicionandose en el punto direccionable mas proximo. En otras palabras, no podra colocarse exactamente en la posicion requerida.

Figure 212: Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad.

2.6.6 Resolucion

43La Resolucion de punto esta basada en un numero limitado de puntos que el robot puede alcanzar, por ejemplo en la Figura 213 se muestran como los puntos negros.

Estos puntos estan tpicamente separados por un milmetro o menos, dependiendo del tipo de robot. Por ejemplo si un usuario solicitara una posicion como 456.4mm, y el sistema solo puede mover al milmetro mas cercano, 456mm, el error resultante de exactitud es de 0.4mm.

Figure 213: Esquema para definir la resolucion de un robot industrial.

La Cinematica de punto y errores de la calibracion son basicamente el cambio en los puntos en el espacio de trabajo que producen un error e (vease Figura 214). Tpicamente las caractersticas tecnicas del vendedor asumen esa calibracion y los errores modelados son cero.

Figure 214: Esquema para visualizar el error de posicion.

44Los puntos al azar son errores que impediran al robot volver a la misma situacion exacta cada tiempo, y esto puede modelarse con una distribucion de probabilidad normal sobre cada punto.

2.6.7 Precision en la repetibilidad

Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repeticion de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se deba realizar, la precision en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor. As por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha caracterstica ha de ser menor a +-0.1mm. En soldadura, pintura y manipulacion de piezas, la precision en la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones de mecanizado, la precision ha de ser menor de 1mm.2.6.8 La resolucion del mando

La resolucion espacial es el incremento mas pequeno de movimiento en que el robot puede dividir su volumen de trabajo. La resolucion espacial depende de dos factores: los sistemas que controlan la resolucion y las inexactitudes mecanicas de los robots. Control de la resolucion es determinado por el sistema de mando de posicion del robot y su sistema de medida de regeneracion. Es la habilidad de los controladores de dividir el rango total de movimiento en incrementos individuales que pueden dirigirse en el controlador. Los incrementos a veces son llamados el direccionamiento parte esto depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando. El numero de incrementos separados, identificables para un eje particular se muestra en (2.2):

#incrementos = 2n (2.1) Por ejemplo - Para un robot con 8 bits, la resolucion de mando de extremo puededividir un rango del movimiento en 256 posiciones discretas.

2.6.9 Velocidad

45En muchas ocasiones, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por lo que esta magnitud se valora considerablemente en una velocidad la de eleccion trabajo elevada, del mismo. En tareas de soldadura y manipulacion de piezas es

muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja2.6.10 Coordenadas de los movimientos

La estructura del manipulador y la relacion entre sus elementos proporcionan una configuracion mecanica, que da origen al establecimiento de los parametros que hay que conocer para definir la posicion y orientacion del elemento terminal. Fundamen- talmente, existen cuatro estructuras clasicas en los manipuladores, que se relacionan con los correspondientes modelos de coordenadas (vease Figura 215), en el espacio y que se citan a continuacion: Cartesianas

Cilindricas

Polares

Angulares

46Figure 215: Configuraciones basicas y coordenadas.

2.6.11 Brazos del robot

Tipos de junturas

los tipos de junturas basicos se muestran en la Figura 216

Figure 216: Tipos de junturas usadas.

Tipos de actuadores

Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser, segun la energa que consuman, de tipo hidraulico, neumatico o electrico. Los actuadores de tipo hidraulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energa que emplean, se construyen con mecanica de precision y su coste es elevado. Los robots hidraulicos, se disenan formando un conjunto compacto conformado por la central hidraulica, la cabina electronica de control y el brazo del manipulador.

47La energa neumatica dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta, junto a un bajo coste, pero su empleo esta siendo sustituido por elementos electricos. Los motores electricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el campo de la Robotica, por su gran precision en el control de su movimiento y las

ventajas inherentes a la energa electrica que consumen.

2.6.12 Programabilidad

La inclusion del controlador de tipo microelectronico en los robots industriales, permite la programacion del robot de muy diversas formas. En general, los moder- nos sistemas de robots admiten la programacion manual, mediante un modulo de programacion. La programacion gestual y textual, controlan diversos aspectos del funcionamiento del manipulador: Control de la velocidad y la aceleracion

Saltos de programa condicionales

Temporizaciones y pausas

Edicion, modificacion, depuracion y ampliacion de programas

Funciones de seguridad

Funciones de sincronizacion con otras maquinas.

Uso de lenguajes especficos de Robotica

2.6.13 Estructura mecanica de un robot

48Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecanica, 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 tecnologas seme- jantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con caractersticas especificas. Mecanicamente, un robot esta formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones (junturas) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitucion fsica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatoma del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer

referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan terminos como cuerpo, brazo, codo y muneca (vease Figura 217).

Figure 217: Analogia entre un brazo humano y uno robotico.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con caractersticas a tener en cuenta tanto en el diseno y construccion del robot como en su aplicacion. Las combinaciones mas frecuentes son con tres articulaciones y que son las mas importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto en el espacio.Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parametros, tres para definir la posicion y tres para la orientacion, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con el la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos seis grados de libertad. En la practica, a pesar de ser necesarios los seis grados de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientacion del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con solo cuatro o cinco grados de libertad, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se encomiendan.

49Existen tambien casos opuestos, en los que se precisan mas de seis grados de libertad para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. As, si se trabaja en un entorno con obstaculos, el dotar al robot de grados de libertad

adicionales le permitira acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstaculos, no hubieran llegado con seis grados de libertad. Otra situacion frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando as el volumen de su espacio de trabajo.Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales solidos de un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.TCPEl Punto de Centro de herramienta (TCP) como en la Figura 218, localiza en el robot la herramienta. Tpicamente el TCP se usa al referirse a la posicion de los robots, as como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podra estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en el cartesiano, cilndrico, esferico, etc., coordenadas que dependen del robot.

Figure 218: Punto de centro de la herramienta.

El espacio de traba jo

50El robot tiende a tener una geometra fija, y limitada. El espacio de trabajo es el lmite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano como una grua mostrada en la Figura 219 los espacios de trabajo podran ser un

cuadrado, para los robots mas sofisticados los espacios podran ser de una forma esferica.

Figure 219: Espacio de trabajo.

La velocidad

se refiere a la velocidad maxima que es lograble por el TCP, o por las junturas individuales. Este numero no es exacto en la mayora de los robots, y variara encima del espacio de tra

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