Introduccion A LA Morfologia DE UN Robot PDF

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La morfología es un concepto importante porque la forma y estructura de los robots condicionan en gran manera su funcionamiento y prestaciones, así como su campo de aplicación. En el siguiente esquema podremos observar una sistematización de conceptos ligados con el factor morfología. Se puede obser...

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INTRODUCCION A LA MORFOLOGIA DE UN ROBOT La morfología es un concepto importante porque la forma y estructura de los robots condicionan en gran manera su funcionamiento y prestaciones, así como su campo de aplicación. En el siguiente esquema podremos observar una sistematización de conceptos ligados con el factor morfología. Se puede observar que se contempla la morfología del robot en su conjunto arquitectura y en la de sus subsistemas constituyentes.

Arquitectura. La arquitectura, definida por el tipo de configuración general del robot, puede ser fija o metamórfica. El concepto de metamorfismo, de reciente aparición, se ha introducido para incrementar la flexibilidad funcional de un robot a través del cambio de su configuración por el propio robot. El metamorfismo admite diversos niveles, desde los más elementales – cambio de la herramienta o de la garra -, hasta los más complejos – cambio o alteración de algunos de sus elementos o subsistemas estructurales. Los dispositivos y mecanismos que pueden agruparse bajo la denominación genérica de robot, tal y como se ha indicado, son muy diversos y es por tanto difícil establecer una clasificación coherente de los mismo que resista un análisis crítico riguroso. Como se puede observar en la tabla anterior podemos subdividir los robots, atendiendo a su arquitectura en cinco grupos: poliarticulados, móviles, androides, zoomórficos e híbridos. Poliarticuados. Bajo esta denominación agrupamos robots de muy diversa forma y configuración cuya característica común es la de ser básicamente sedentarios, aunque excepcionalmente pueden ser guiados para efectuar desplazamientos limitados y estar estructurados para mover sus elementos terminales en un determinado espacio de trabajo según uno o más sistemas de coordenadas y con un número limitado de grados de libertad. En este grupo se hallan los manipuladores, los robots industriales clásicos, los robots tipos pórtico, los robots repartidos y algunos robots de manutención, entre otros.

Móviles. Los móviles son robots con gran capacidad de desplazamiento, basados en carros o plataformas de concepción diversa y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Siguen su camino por telemando o guiándose con la información recibida de su entorno a través de sus sensores.

Androides. Los androides son robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma antropomorfismo y el comportamiento cinemático del ser humano.

Zoomórficos. Este tipo de robots, que considerados en sentido no restrictivo podrían incluirse también a los androides, constituyen una amplia clase caracterizada fundamentalmente por sus sistemas de locomoción que imitan a los de diversos seres vivos.

Híbridos. Los robots de arquitectura híbrida corresponden a aquellos de difícil clasificación cuya estructura se sitúa a caballo de las ya expuestas, bien sea por conjunción o por yuxtaposición. Por ejemplo, un dispositivo segmentado, articulado y con ruedas, desarrollado en una universidad japonesa, participa al mismo tiempo de los atributos de los robots móviles y de los robots zoomórficos.

Subsistemas. Para completar la visión sistematizada de la morfología de los robots una vez contempla su configuración global o arquitectura es conveniente considerar los dos grupos de subsistemas que reúnen a todos sus componentes estructurales y funcionales. Los subsistemas estructurales son el cuerpo, los brazos, el sistema locomotor y los elementos terminales. Con una combinación de los mismos se puede configurar cualquier tipo de robot desde el punto de vista de su “esqueleto” mecánico. Los subsistemas funcionales están constituidos por las unidades operativas que “animan” al robot, dotándole de movimiento, de percepción y de capacidad de actuación o “inteligencia”. Son el sistema de accionamiento, el sistema sensorial y el sistema de control.

Morfología de los robots industriales. Estructura mecánica de los robots industriales. A continuación, se describen las características mecánicas más relevantes propias de los robots industriales y se proporcionan valores concretos de las mismas, para determinados modelos y aplicaciones. Grados de libertad. Son los parámetros que se precisan para determinar la posición y la orientación del elemento terminal del manipulador. También se pueden definir los grados de libertad, como los posibles movimientos básicos (giratorios y de desplazamiento) independientes. En la imagen se muestra el esquema de un robot de estructura moderna con 6 grados de libertad; tres de ellos

determinan la posición en el espacio del aprehensor (q1, q2 y q3) y los otros 3, la orientación del mismo (q4, q5 y q6).

Ejemplo robot con 6 grados de libertad.

Un mayor número de grados de libertad conlleva un aumento de la flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 grados de libertad, como las de la soldadura, mecanizado y paletización, otras más complejas reciben un número mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Tareas más sencillas y con movimientos más limitados, como las de la pintura y paletizacion, suelen exigir 4 o 5 grados de libertad. Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador. Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad, definen la zona de trabajo del robot, característica fundamental en las fases de selección e implantación del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en áreas diferenciadas entre sí, por la accesibilidad específica del elemento terminal (aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente o con el determinado ángulo de inclinación. También queda restringida la zona de trabajo por los límites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones. 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 indústriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de carga es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot, según la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es común precisar capacidades de carga superiores a los 50kg. Exactitud y Repetibilidad. Las funciones de la exactitud, o presión, y la repetibilidad: 1. La resolución - el uso de sistemas digitales, y otros factores que sólo son un número limitado de posiciones que están disponibles. Así el usuario ajusta a menudo las coordenadas a la posición discreta más cercana. 2. La cinemática el error modelado - el modelo de la cinemática del robot no empareja al robot exactamente. Como resultado los cálculos de ángulos de la juntura requeridos contienen un error pequeño. 3. Los errores de la calibración - La posición determinada durante la calibración puede estar apagada ligeramente, mientras se está produciendo un error en la posición calculada. 4. Los errores del azar - los problemas se levantan conforme el robot opera. Por ejemplo, fricción, torcimiento estructural, la expansión termal, la repercusión negativa / la falla en las transmisiones, etc. pueden causar las variaciones en la posición. La exactitud del punto: 1. "Cómo el robot consigue al punto deseado"

2. Esto mide la distancia entre la posición especificada, y la posición real del efector de extremo de robot. 3. La Exactitud de punto es más importante al realizar fuera de la línea programando, porque se usan las coordenadas absolutas. Repetibilidad: 1. 2. 3. 4.

"Cómo el movimiento del robot es a la misma posición como el mismo movimiento hecho antes" Una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente para una sola posición. Éste sólo es el resultado de errores del azar. La repetibilidad de punto es a menudo más pequeña que la exactitud.

Precisión en la repetibilidad. Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repetición de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se deba realizar, la precisión en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor. Así, por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha característica ha de ser menor a ±0.1mm. En soldadura, pintura y manipulación de piezas, la precisión en la repetibilidad está comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones de mecanizado, la precisión ha de ser menor de 1mm. Velocidad. En muchas ocasiones, una velocidad de trabajo elevada, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por lo que esta magnitud se valora considerablemente en la elección del mismo. En tareas de soldadura y manipulación de piezas es muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja. Tipos de articulaciones.

Coordenadas de movimientos. La estructura del manipulador y la relación entre sus elementos proporcionan una configuración mecánica, que da origen al establecimiento de los parámetros que hay que conocer para definir la posición y orientación del elemento terminal. Fundamentalmente, existen cuatro estructuras clásicas en los manipuladores, que se relacionan con las correspondientes modelos de coordenadas, en el espacio y que se citan a continuación: a) b) c) d)

Cartesiana (3 desplazamientos) Cilíndrica (2 desplazamientos y 1 giro) Polar (1 desplazamiento y 2 giros) Angular (3 giros)

Mención especial debe tener la configuración SCARA, aun no siendo una de las configuraciones clásicas, es una de las configuraciones más utilizadas en la industria.

Como se puede observar, la configuración SCARA, al igual que la configuración polar, consta de 1 desplazamiento y dos giros. Estas dos configuraciones se diferencian en los pares cinemáticos.

Tipo de actuadores. Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser, según la energía que consuman, de tipo hidráulico, neumático o eléctrico. Los actuadores de tipo hidráulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energía que emplean, se construyen con mecánica de precisión y su coste es elevado. Los robots hidráulicos, se diseñan formando un conjunto compacto la central hidráulica, la cabina electrónica de control y el brazo del manipulador. La energía neumática dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta, junto a un bajo coste, pero su empleo está siendo sustituido por elementos eléctricos. Los motores eléctricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el campo de la Robótica, por su gran precisión en el control de su movimiento y las ventajas inherentes a la energía eléctrica que consumen. Programabilidad. La inclusión del controlador de tipo microelectrónica en los robots industriales, permite la programación del robot de muy diversas formas. Transmisiones y reductores. Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluirán junto con las transmisiones a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot. Transmisiones. Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su momento de inercia. Del mismo modo, los pares estáticos que deben vencer los actuadores dependen directamente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que los actuadores, por lo general pesados, estén lo más cerca posible de la base del robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmisión que trasladen el movimiento hasta las articulaciones especialmente a las situadas en el extremo del robot. Asimismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circular en lineal o viceversa, por lo que en ocasiones puede ser necesario.

Reductores. En los reductores, al contrario que con las transmisiones, existen determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe a que a los reductores utilizados en robótica se les exige unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas, las cuales viene motivadas por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisión y velocidad de posicionamiento. En la siguiente tabla se pueden observar los valores típicos de los reductores para robótica actualmente empleados.

Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima de entrada admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. También existe una limitación en cuanto al par de salida nominal permisible (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relación de transmisión a través de la relación: T2 = η T1 (w1 / w2). Actuadores. Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica. Cada uno de estos sistemas presenta características diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente. Las características a considerar son entre otras: Potencia, Controlabilidad, Peso y volumen, Precisión, Velocidad, Mantenimiento, Coste. Se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan: - Neumáticos. - Hidráulicos. - Eléctricos. Los actuadores neumáticos el aire comprimido como fuente de energía y son muy indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada. Los motores hidráulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad. Los motores eléctricos son los más utilizados, por su fácil y preciso control, así como por otras propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energía eléctrica.

ESPACIO DE TRABAJO DE UN ROBOT INDUSTRIAL. Definición. El espacio de trabajo de un robot está definido como el grupo de puntos que pueden ser alcanzados por su efector-final. Dicho de otro modo, el espacio de trabajo de un robot es el espacio en el cual el mecanismo puede trabajar (simple y llanamente). A pesar de que esta definición está muy extendida, diversos autores también se refieren al espacio de trabajo como volumen de trabajo y envolvente de trabajo. Además, es posible añadir más información a esta definición y obtener así otras definiciones adicionales (hablaremos de este en posts venideros). Puesto que una imagen es mejor que cien palabras, me gustaría ejemplificar este concepto utilizando imágenes. La Figura 1 muestra el espacio de trabajo del robot ARABA, diseñado por investigadores del Grupo de Mecánica Computacional (Universidad el País Vasco), donde el sólido de color azul representa el espacio de trabajo de este robot paralelo. Como se ha dicho previamente, el efector-final del robot ARABA puede alcanzar únicamente aquellos puntos dentro del sólido azul.

Principales características de un espacio de trabajo Cuando se pretende estudiar un espacio de trabajo, lo más importante es su forma y volumen (dimensiones y estructura). Ambos aspectos tienen una importancia significativa debido al impacto que éstos ejercen en el diseño del robot y también en su manipulabilidad. Si se pretende utilizar un robot, el exacto conocimiento sobre la forma, dimensiones y estructura de su espacio de trabajo es esencial puesto que: 

La forma es importante para la definición del entorno donde el robot trabajará.



Las dimensiones son importantes para la determinación del alcance del efector-final.



La estructura del espacio de trabajo es importante para asegurar las características cinemáticas del robot las cuales están relacionadas con la interacción entre el robot y el entorno.

Además, la forma, dimensiones y estructura del espacio de trabajo dependen de las propiedades del robot en cuestión: 

Las dimensiones de los eslabones del robot y las limitaciones mecánicas de las articulaciones (tanto pasivas como activas) tienen una gran influencia en las dimensiones del espacio de trabajo.



La forma depende de la estructura geométrica del robot (interferencia entre eslabones) y también de las propiedades de los grados de libertad (cantidad, tipo y límites de las articulaciones, tanto pasivas como activas).

La estructura del espacio de trabajo viene definida por la estructura del robot y las dimensiones de sus eslabones.



Ventajas e inconvenientes. VENTAJAS La representación tridimensional del espacio de trabajo facilita la visión de la forma dimensión del mismo. Proporciona una idea de cómo es el espacio de trabajo. Ofrece la posibilidad características del robot.

de

optimizar

las

DESVENTAJAS Es necesario procesar una gran cantidad de puntos para un análisis exacto. Deben tenerse en cuenta diferentes criterios de análisis estructural del espacio de trabajo con respecto a la manipulabilidad. Puesto que los robots con diferentes estructuras tienen diferentes espacios de trabajo, debe analizarse cada uno por separado.

Categorías de espacio de trabajo. Aun siendo ampliamente utilizada la definición de espacio de trabajo presentada anteriormente, es posible estudiar el concepto de espacio de trabajo desde otros puntos de vista:



Espacio de T Traba raba rabajo jo M Máx áx áximo imo (ETM) : Se define como el lugar geométrico que puede alcanzar el efector final del robot al menos con una orientación.



Espacio de Trabajo de Orientación Inclusiva (ESOI): Definido como todos los posibles puntos que puede acceder el efector final con al menos una orientación dentro de un rango de orientaciones (se trata de un caso particular del ETMI).



Espacio de Trabajo de Orientación Constante (ETOC): Viene definido como el lugar geométrico que puede ser alcanzado por el efector final con una orientación fija.

 

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Espacio de Trabajo de Orientación Total (ETOT): Viene definido como el lugar geométrico que puede alcanzar el efector final de un robot con cualquier orientación. Espacio de Trabajo de Destreza (ETD): Viene definido como el lugar geométrico que puede alcanzar el efector final del robot con cualquier orientación y sin singularidades (el ETD es un caso particular del ETOT); este espacio de trabajo tiene en cuenta el estudio de las singularidades empleando la matriz Jacobiana de modo que se evitan pérdidas de control. En la siguiente figura, el área sombreada de rojo representa el ETD para un robot planar RR. Esta gráfica ha sido obtenida empleando indicadores de comportamiento cinemático mediante los cuales es posible cuantificar cómo de lejos se encuentra el robot de una configuración singular (cuanto más rojo, más lejos se encuentra de configuraciones singulares).

Espacio de Trabajo de la Tarea (ETT): Viene definido cómo el lugar geométrico que debe ser alcanzado por el efector final del robot de modo que pueda ejecutar la operación a desempeñar (también se le denomina Espacio de Trabajo Prescrito); el ETT es importante puesto que define las restricciones necesarias para optimizar las dimensiones del robot. La Figura 4 muestra los espacios de trabajo máximo y de la tarea para un robot Delta diseñado por Laribi et al. (2008).

Métodos actuales para visualizar el espacio de trabajo. El espacio de trabajo de robots convencionales ha sido estudiado durante más de tres décadas y, como resultado de ello, se ha propuesto gran cantidad de métodos. Se han estudiado las curvas de contornos (para robots

manipuladores 2D) y las superficies de contornos (para robots manipuladores 3D) que definen los espacios de trabajos empleando métodos analíticos y numéricos: 

Li et al. (2006) h...