Elementos y morfología del robot industrial

ESTADO DEL ARTE: ELEMENTOS Y MORFOLOGÍA DEL ROBOT INDUSTRIAL

AUTOR: BENJAMÍN GABRIEL RODRIGUEZ WILSTERMANN

1.2 INTRODUCCIÓN

El término robótica se refiere a la ciencia o rama de la tecnología que se ocupa del diseño, manufactura y aplicación de los robots. La robótica involucra disciplinas tales como la mecánica, electrónica, informática, automática, física y matemáticas [8]. Definiendo en forma general, un robot es una máquina que tiene la capacidad de realizar labores que normalmente son hechas por el ser humano y que sus movimientos y/o decisiones son controlados por un programa de computador [1]. El concepto descrito de robot es muy amplio, por lo que se debe reducir al que realmente nos interesa, el de robot industrial. En este capítulo se definirá este concepto y se describirán temas inherentes a él, como sus elementos constitutivos y morfología. También se expondrán las bases matemáticas que permiten describir los movimientos del manipulador en su espacio de trabajo, esto es la cinemática y la dinámica. Finalmente, se tratarán algunos algoritmos de control que permiten ejecutar los movimientos requeridos [3].

2.2 EL ROBOT INDUSTRIAL

Según el mercado que se considere, existen ciertas divergencias respecto de lo que es un robot industrial, llamado también manipulador robotizado. Para el mercado japonés es cualquier dispositivo mecánico equipado de articulaciones móviles empleado en la manipulación, mientras que para el mercado de Europa y Estados Unidos estas características no son suficientes, ya que exigen un mayor nivel de complejidad principalmente en el control de estos dispositivos [1].

Visualmente, la característica más relevante que poseen los robots industriales es su estructura de brazo mecánico, junto con eso debe ser reprogramable y multifuncional. Existen definiciones formales establecidas por asociaciones u organizaciones relacionadas con el tema. Por ejemplo, la definición más aceptada es de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA), según ésta, un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. La Organización Internacional de Estándares (ISO) especifica un robot industrial como un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas [1]. La figura 2.1 muestra un robot industrial realizando tareas de paletizaje.

Figura 2.1. Manipulador industrial ABB realizando tareas de paletizaje [44]

3.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE MANIPULADORES ROBOTIZADOS

Un manipulador puede ser visto como un conjunto de subsistemas integrados, estos son: manipulador o brazo mecánico, elementos motrices o actuadores, controlador, efector terminal y sensores de información [8].

2.3.1 MANIPULADOR O BRAZO MECÁNICO

Es la estructura mecánica que realiza el movimiento y permite el trabajo del robot, está compuesta por eslabones y juntas con actuadores [4]. En el interior de la estructura se pueden encontrar engranajes y transmisiones junto con los actuadores, todos estos elementos trabajando en conjunto permiten el movimiento del manipulador [8]. En la figura 2.2 se puede ver un manipulador empleado a nivel industrial.

Figura 2.2. Robot industrial KUKA KR 1000 titan [45]

2.3.2 ELEMENTOS MOTRICES O ACTUADORES

Son los encargados de generar las fuerzas o pares que mueven la estructura mecánica. Se agrupan en actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos [2].

2.3.2.1 ACTUADORES HIDRÁULICOS

La fuente de energía de estos actuadores es aceite mineral a alta presión. Muchos robots industriales de gran tamaño utilizan actuadores hidráulicos, los cuales permiten desarrollar grandes fuerzas y tienen una alta precisión en sus movimientos. Un ejemplo de este tipo de actuador se muestra en la figura 2.3. El control de posición es conocido y relativamente simple, además, es posible regular la velocidad de operación. Entre las desventajas se encuentran la gran cantidad de equipos hidráulicos necesarios tales como bombas, acumuladores, mangueras y servo-válvulas, además, no se puede controlar con precisión la fuerza que este tipo de actuadores debe ejercer y se pueden producir fugas de aceite en el sistema [3], [1].

Figura 2.3. Cilindro hidráulico doble efecto tipo Tie Rod [46]

2.3.2.2 ACTUADORES NEUMÁTICOS

La fuente de energía es aire a presión, son sistemas limpios, sencillos y robustos. Se emplean en situaciones en las que se requiere un posicionamiento en sólo dos estados distintos, por ejemplo, apertura o cierre de pinzas. Entre las desventajas se puede mencionar su poca precisión de posicionamiento debido a la compresibilidad del aire y a la alta fricción de las obturaciones. Las instalaciones de aire comprimido se encuentran en muchas de las fábricas en las cuales existe automatización, lo que simplifica la implementación de este tipo de actuadores [3], [1]. La figura 2.4 muestra un tipo de actuador neumático.

Figura 2.4. Cilindro neumático doble efecto convencional [47]

2.3.2.3 ACTUADORES ELÉCTRICOS

Este tipo de actuadores son los más populares debido a su facilidad de control, precisión en los movimientos y fácil interconexión. De entre este tipo de actuadores se distinguen los motores DC con y sin escobillas, los motores AC y los motores paso a paso [1].

Los motores DC con escobillas presentan los inconvenientes de calentamiento en el devanado al mantener una posición durante algunos segundos y la necesidad de una continua mantención de las escobillas [1].

Los motores DC sin escobillas o brushless, como el expuesto en la figura 2.5, no presentan los problemas de desgaste y fricción de escobillas, su estructura permite un mejor enfriamiento y los momentos de torsión estáticos son un poco más altos en comparación con el motor DC con

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