libro de robotica
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ROBOTICA DIFUNDIDO POR LA UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA
http://proton.ucting.udg.mx/materias/robotica/
INDICE GENERAL.
I. I. Introduccin. a. a. Descripcin del programa. b. b. Demostracin Automtica. c. c. Introduccin.
II. II. Antecedentes Histricos. a. a. Origen y desarrollo de la Robtica. b. b. Definicin y clasificacin del Robot.
1. 1. Definicin del Robot industrial.
2. 2. Clasificacin del Robot industrial.
3. 3. Robots de servicio y teleoperados.
III. III. Morfologa. a. a. Caractersticas morfolgicas. b. b. Estructura mecnica de un Robot. c. c. Transmisiones y Reductores. d. d. Actuadores. e. e. Sensores internos. f. f. Sensores externos.
1. 1. Deteccin de alcance. 2. 2. Deteccin de proximidad. 3. 3. Sensores de contacto. 4. 4. Deteccin de fuerza y
torsin. g. g. Elementos terminales.
1. 1. Tipos de manipuladores. IV. IV. Cinemtica.
a. a. Introduccin. b. b. Cinemtica directa.
1. 1. Resolucin del problema cinemtica directo mediante
matrices de transformacin
homognea.
2. 2. Algoritmo de Denavit Hartenberg para la obtencin
del modelo.
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3. 3. Resolucin del problema cinematico directo mediante
el uso de cuaternios. c. c. Cinemtica Inversa.
1. 1. Resolucin del problema cinematico inverso por
mtodos geomtricos.
2. 2. Resolucin del problema cinematico inverso a partir de
la matriz de transformacin
homognea.
3. 3. Desacoplo cinematico. d. d. Matriz Jacobiana.
1. 1. Relaciones diferenciales. 2. 2. Jacobiana inversa. 3. 3. Configuraciones singulares.
V. V. Dinmica. a. a. Introduccin. b. b. Modelado dinmico de la estructura de un
Robot rgido. c. c. Modelado dinmico mediante la formulacin de
Lagrange-Euler.
d. d. Modelado dinmico mediante la formulacin de Newton-Euler.
e. e. Modelado dinmico de variables de estado. f. f. Modelado dinmico en el espacio de la tarea. g. g. Modelado dinmico de los actuadores.
VI. VI. Sistema de visin. a. a. Introduccin. b. b. Exploracin de imgenes. c. c. Procesamiento de imgenes. d. d. Estructura y jerarqua en el proceso de
imgenes. VII. VII. Aplicaciones de los Robots.
a. a. Clasificacin. b. b. Aplicaciones industriales. c. c. Nuevos sectores de aplicacin.
VIII. Subndices.
Introduccin a la Cinematica.
Robots comerciales.
Perspectivas.
Coclusiones.
Glosario.
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Bibliografa.
Informe tcnico.
A. Descripcin del programa.
El objetivo de este programa tutorial es ofrecer un panorama, lo mas completo
posible, sobre el estado actual de la Robtica, de forma asequible para la mayor
parte de las personas interesadas, entre las que incluyo los posibles usuarios de
robots industriales, los tcnicos encargados de su diseo, mantenimiento y
programacin, as como ese amplio sector de estudiantes de Ingenieria y formacin
profesional, que sin duda van a encontrarse este tipo de maquinas en su trabajo habitual.
Para facilitar la comprensin de todos los temas de que se compone la Robtica, he
seguido una orientacin practica, introduciendo en todos los captulos realizaciones
experimentales, que propicien un acercamiento inicial con la realidad. Este planteamiento se ha guiado mas en un espritu didctico que cientfico.
Este Tutorial esta destinado a proporcionar un estudio completo de los temas
tcnicos relacionados con la robtica industrial. El campo de la robtica ha llegado a
ser una de las reas de la automatizacin ms importantes para los aos 80 y 90.
Los ingenieros, tcnicos y directores deben formarse y capacitarse para tener conocimiento del pleno potencial de esta tecnologa.
La esperanza es que este programa pueda servir de ayuda para satisfacer las necesidades de materiales de texto para los destinatarios antes citados.
Nuestro tutorial esta concebido principalmente como un texto para su empleo en
programas de ingenieria para estudiantes universitarios. Debe ser adecuado para
cursos en varios departamentos, incluyendo los de Ingenieria Mecnica,
Construccin, Fabricacin y Electrnica. Incluye el anlisis de las articulaciones
mecnicas, sistemas de control, sensores, visin de maquina, diseo de efectores finales y otros temas de inters para esta disciplina de ingenieria.
He tambin concebido este programa para cursos de formacin industrial, cuyo
contenido en material, debe servir al estudiante de robtica para hacer ms suave
la transicin desde el entorno del aula y del laboratorio del centro acadmico al mundo aplicado y practico de la industria.
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La industria de la robtica ha cambiado, en gran medida, desde un sector dominado
por las pequeas compaas a un sector constituido por un numero significativo de
grandes empresas. Estamos comenzando a observar la cada de las compaas
dbiles en el sector. La tecnologa se desarrollo mucho durante estos aos. El
control por computadora se ha hecho una realidad, la visin de maquina y otros
sensores han captado gran parte de la atencin en robtica, y otros avances
tecnolgicos han hecho de los robots unos dispositivos mas complicados pero, al mismo tiempo ms fciles de utilizar.
En menos de 30 aos la robtica ha pasado de ser un mito, propio de la
imaginacin de algunos autores literarios, a una realidad imprescindible en el actual
mercado productivo. Tras los primeros albores, tmidos y de incierto futuro, la
robtica experimenta entre las dcadas de los setenta y ochenta un notable auge,
llegando a los noventa a lo que por muchos ha sido considerado su mayora de
edad, caracterizada por una estabilizacin en la demanda y una aceptacin y reconocimiento pleno en la industria.
La formacin del profesional de la ingenieria, tanto en sus ramas de
automatizacin, mecnica o incluso generalista, no ha podido dejar de lado esta
realidad y ha incluido desde finales de los ochenta a la robtica como parte de sus
enseanzas.
La robtica posee un reconocido carcter interdisciplinario, participando en ella
diferentes disciplinas bsicas y tecnologas tales como la teora de control, la
mecnica, la electrnica, el lgebra y la informtica entre otras. Numerosas obras
la mayor parte en ingles, han surgido en el mercado bibliogrfico desde 1980. En
algunas de ellas se aprecia la tendencia de presentar la robtica como un simple
repaso de tecnologas bsicas (electrnica, informtica, mecnica, etc.). En otros,
por el contrario, se abusa de una excesiva especializacin, bien limitado el estudio
de la robtica a un complicado conjunto de problemas fsico matemticos,
orientados a conocer con detalle el funcionamiento del sistema de control o bien
tratando la robtica nicamente desde el punto de vista del usuario, sin dar una adecuada informacin sobre las tecnologas que la conforman.
Ninguno de los planteamientos anteriores es a nuestro juicio acertado. Una
formacin en robtica localizada exclusivamente en el control de robots no es la
mas til para la mayora de los estudiantes, que de trabajar con robots lo harn
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como usuarios y no como fabricantes. Sin embargo, no hay que perder de vista que
se esta formando a ingenieros, y que hay que proveerles de los medios adecuados
para abordar, de la manera mas adecuada, los problemas que puedan surgir en el desarrollo de su profesin.
Por estos motivos, en este programa se ha procurado llegar a un adecuado
equilibrio entre los temas relacionados con el conocimiento profundo del
funcionamiento de un robot ( en sus aspectos mecnico, informativo y de control) y
aquellos en los que se proporcionan los criterios para evaluar la conveniencia de utilizar un robot y la manera mas adecuada de hacerlo.
El programa tutorial esta fundamentalmente dirigido al estudiante de ingenieria en
sus especialidades de automatizacin, electrnica o similar. Con su estudio el
alumno adquirir los conocimientos necesarios para poder abordar adecuadamente
el proyecto de una instalacin robotizada, junto con una detallada comprensin del funcionamiento del robot.
Asimismo, su lectura es aconsejable para los estudiantes de ingenieria tcnica o
superior de cualquier otra especialidad.
El enfoque eminentemente didctico y aplicado de buena parte del programa
tutorial, lo hace tambin til para todo aquel profesional que desee adquirir los conocimientos necesarios para entender y utilizar adecuadamente la robtica.
Su contenido es el de un primer curso de robtica, que se considera completo para
todo aquel que quiera iniciarse en la misma sin dejar de lado sus mltiples
vertientes. Es a su vez imprescindible para aquellos que pretendan seguir sus
estudios de postgrado dentro del rea de la robtica, en sus aspectos ms complejos e innovadores.
Para su correcta comprensin es preciso una formulacin bsica en ingenieria.
Siendo en concreto deseable tener una adecuada base en lgebra matricial,
electrnica, control e informtica. No obstante, cualquier otro lector sin esta
formacin especifica, podr leer sin dificultad varios de los captulos del tutorial, y
captar, en los captulos ms complejos, cuales son los objetivos sin tener que ahondar en los medios usados para lograrlo.
En el primer capitulo del programa esta destinado a introducir el tema de la
robtica, en la doble vertiente de su significacin social y de su importancia
tecnolgica. La robtica es un componente esencial de la automatizacin de la
fabricacin, que afectara a la mano de obra humana a todos los niveles, desde los
trabajadores no especializados hasta los tcnicos profesionales y directores de
produccin. Esta obra tiene el objetivo ambicioso de proporcionar la documentacin tcnica en este fascinante campo.
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En el segundo capitulo del programa, se presenta la robtica como tecnologa
interdisciplinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo histrico y
esta do actual.
En el tercer capitulo del programa esta dedicado al estudio de los elementos que
componen un robot: estructura mecnica, 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 robtica,
sino destacar las caractersticas que los hacen adecuados para su empleo en robots.
Para que un robot pueda moverse y manipular objetos, es necesario una adecuada
localizacin de las configuraciones espaciales por las que se pretende que el robot
pase. Tanto para el usuario del robot como para su diseador es necesario manejar
adecuadamente una serie de herramientas matemticas que permitan situar en
posicin y orientacin un objeto (en particular el extremo del robot) existentes para tal fin.
El estudio de la cinemtica del robot permite relacionar la posicin de sus
actuadores con la posicin y orientacin del extremo. Esta relacin no trivial, estudiada en el capitulo 4, es fundamental para desarrollar el control del robot.
El capitulo 5 aborda el modelado dinmico de un robot. Como sistema dinmico, el
robot es uno de los sistemas ms fascinantes para el control, por incorporar
muchas de aquellas dificultades que clsicamente se obvian en el estudio de control
de sistemas.
En el capitulo 6 se aborda el tema del sistema de visin inteligente de maquinas,
sus beneficios para trabajos que requieren reconocimiento y precisin de objetos, configuracin, etc.
El ultimo capitulo esta dedicado a la utilizacin del robot en diferentes tipos de
aplicaciones, tanto las ms habituales, como soldadura de carroceras, como las
ms novedosas en los sectores de construccin, espacio, ciruga, etc. Es evidente
que la robtica esta siendo aplicada a un gran numero de sectores dispares, siendo
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imposible pretender que el estudiante de la robtica conozca las caractersticas de
los mismos.
C. C. Introduccin.
La imagen del robot como una maquina a semejanza
con el ser humano, subyace en el hombre desde hace
muchos siglos, existiendo diversas realizaciones con
este fin.
La palabra robot proviene del checo y la uso por
primera vez el escritor Karel Capek en 1917 para
referirse, en sus obras, a maquinas con forma de
humanoide. En 1940, Isaac Asimov volvi a referirse a
los robots en sus libros.
El ciudadano industrializado que vive a caballo entre el siglo XX y el XXI se ha visto
en la necesidad de emprender, en escasos 25 aos, el significado de un buen numero de
nuevos trminos marcados por su alto contenido tecnolgico. De ellos sin duda l ms
relevante haya sido el ordenador (computador).
Este, esta introducido hoy en da en su versin personal en multitud de hogares y el
ciudadano medio va conociendo en creciente proporcin, adems de su existencia, su
modo de uso y buena parte de sus posibilidades.
Pero dejando de lado esta verdadera revolucin social, existen otros conceptos
procedentes del desarrollo tecnolgico que han superado las barreras impuestas por las
industrias y centros de investigacin, incorporndose en cierta medida al lenguaje
coloquial. Es llamativo como entre
estas destaca el concepto robot.
Pero el robot industrial, que se
conoce y emplea en nuestros das, no
surge como consecuencia de la
tendencia o aficin de reproducir
seres vivientes, sino de la necesidad.
Fue la necesidad la que dio origen a
la agricultura, el pastoreo, la caza, la
pesca, etc. Mas adelante, la
necesidad provoca la primera
revolucin industrial con el
descubrimiento de la maquina de
Watt y, actualmente, la necesidad ha
cubierto de ordenadores la faz de la
tierra.
Inmersos en la era de la informatizacin, la imperiosa necesidad de aumentar la
productividad y mejorar la calidad de los productos, ha hecho insuficiente la
automatizacin industrial rgida, dominante en las primeras dcadas del siglo XX, que
estaba destinada a la fabricacin de grandes series de una restringida gama de
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productos. Hoy da, mas de la mitad de los productos que se fabrican corresponden a
lotes de pocas unidades.
Al enfocarse la produccin industrial moderna hacia la automatizacin global y flexible,
han quedado en desuso las herramientas, que hasta hace poco eran habituales:
-Forja, prensa y fundicin.
-Esmaltado.
-Corte.
-Encolado.
-Desbardado.
-Pulido.
Finalmente, el resto de los robots instalados en 1979 se dedicaban al montaje y labores
de inspeccin. En dicho ao, la industria del automvil ocupaba el 58% del parque
mundial, siguiendo en importancia las empresas constructoras de maquinaria elctrica y
electrnica.
En 1997 el parque mundial de robots alcanza la cifra de 831000 unidades, de los cuales
la mitad se localiza en Japn.
Impacto de la Robtica.
La Robtica es una nueva tecnologa,
que surgi como tal, hacia 1960.
Han transcurrido pocos aos y el
inters que ha despertado, desborda
cualquier previsin. Quizs, al nacer la
Robtica en la era de la informacin,
una propaganda desmedida ha
propiciado una imagen irreal a nivel popular y, al igual que sucede con el
microprocesador, la mitificacin de esta nueva maquina, que de todas formas, nunca
dejara de ser eso, una maquina.
Impacto en la Educacin.
El auge de la Robtica y la imperiosa necesidad de su implantacin en numerosas
instalaciones industriales, requiere el concurso de un buen numero de especialistas en la
materia.
La Robtica es una tecnologa multidisciplinar. Hace uso de todos los recursos de
vanguardia de otras ciencias afines, que soportan una parcela de su estructura.
Destacan las siguientes:
-Mecnica.
-Cinemtica.
-Dinmica.
-Matemticas.
-Automtica.
-Electrnica.
-Informtica.
-Energa y actuadores elctricos, neumticos e hidrulicos.
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-Visin Artificial.
-Sonido de maquinas.
-Inteligencia Artificial.
Realmente la Robtica es una combinacin de todas las disciplinas expuestas, mas el
conocimiento de la aplicacin a la que se enfoca, por lo que su estudio se hace
especialmente indicado en las carreras de Ingeniera Superior y Tcnica y en los centros
de formacin profesional, como asignatura practica. Tambin es muy recomendable su
estudio en las facultades de informtica en las vertientes dedicadas al procesamiento de
imgenes, inteligencia artificial, lenguajes de robtica, programacin de tareas, etc.
Finalmente, la Robtica brinda a investigadores y doctorados un vasto y variado campo
de trabajo, lleno de objetivos y en estado inicial de desarrollo.
La abundante oferta de robots educacionales en el mercado y sus precios competitivos,
permiten a los centros de enseanza complementar un estudio terico de la Robtica,
con las practicas y ejercicios de experimentacin e investigacin adecuados.
Una formacin en robtica localizada exclusivamente en el control no es la mas til
para la mayora de los estudiantes, que de trabajar con robots lo harn como usuarios y
no como fabricantes. Sin embargo, no hay que perder de vista que se esta formando a
ingenieros, y que hay que proveerles de los medios adecuados para abordar, de la
manera mas adecuada, los problemas que puedan surgir en el desarrollo de su profesin.
Impacto en la Automatizacin industrial.
El concepto que exista sobre automatizacin industrial se ha modificado
profundamente con la incorporacin al mundo del trabajo del robot, que introduce el
nuevo vocablo de "sistema de fabricacin flexible", cuya principal caracterstica
consiste en la facilidad de adaptacin de este ncleo de trabajo, a tareas diferentes de
produccin.
Las clulas flexibles de produccin se ajustan a necesidades del mercado y estn
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contistuidas, bsicamente, por grupos de robots, controlados por ordenador. Las clulas
flexibles disminuyen el tiempo del ciclo de trabajo en el taller de un producto y liberan a
las personas de trabajos desagradables y montonos.
La interrelacin de las diferentes clulas flexibles a travs de potentes computadores,
dar lugar a la factora totalmente automatizada, de las que ya existen algunas
experiencias.
Impacto en la Competitividad.
La adopcin de la automatizacin parcial y global de la fabricacin, por parte de las
poderosas compaas multinacionales, obliga a todas las dems a seguir sus pasos para
mantener su supervivencia.
Cuando el grado de utilizacin de maquinaria sofisticada es pequeo, la inversin no
queda justificada. Para poder compaginar la reduccin del numero de horas de trabajo
de los operarios y sus deseos para que estn emplazadas en el horario normal diurno,
con el empleo intensivo de los modernos sistemas de produccin, es preciso utilizar
nuevas tcnicas de fabricacin flexible integral.
Impacto sociolaboral.
El mantenimiento de las empresas y el consiguiente aumento en su productividad,
aglutinan el inters de empresarios y trabajadores en aceptar, por una parte la inversin
econmica y por otra la reduccin de puestos de trabajo, para incorporar las nuevas
tecnologas basadas en robots y computadores.
Las ventajas de los modernos elementos productivos, como la liberacin del, hombre de
trabajos peligrosos, desagradables o montonos y el aumento de la productividad,
calidad y competitividad, a menudo, queda eclipsado por el aspecto negativo que
supone el desplazamiento de mano de obra, sobre todo en tiempos de crisis. Este temor
resulta infundado si se analiza con detalle el verdadero efecto de la robotizacin.
En el caso de Espaa que prev que para 1998 existan 5000 robots instalados, lo que
supondr la sustitucin de 10000 puestos de trabajo. El desempleo generado quedara
completamente compensado por los nuevos puestos de trabajo que surgirn en el sector
de la enseanza, los servicios, la instalacin, mantenimiento y fabricacin de robots,
pero especialmente por todos aquellos que se mantendrn, como consecuencia de la
vitalizacion y salvacin de las empresas que implanten los robots.
II.- Antecedentes Histricos:
A. A. Origen y Desarrollo de la Robtica.
B. B. Definicin y Clasificacin del Robot.
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A. Origen y Desarrollo de la Robtica.
La palabra robot fue usada por primera vez en el ao 1921, cuando el escritor checo
Karel Capek (1890 - 1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum's
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 disear una maquina flexible, adaptable al entorno y de fcil manejo,
George Devol, pionero de la Robtica Industrial, patento en 1948, un manipulador
programable que fue el germen del robot industrial.
En 1948 R.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 mecnico maestro-esclavo. El
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manipulador maestro, reproduca fielmente los movimientos de este. El operador
adems de poder observar a travs de un grueso cristal el resultado de sus acciones,
senta a travs del dispositivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejerca sobre el
entorno.
Aos mas tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnologa electrnica y del servocontrol
sustituyendo la transmisin mecnica por elctrica y desarrollando as el primer tele
manipulador con servocontrol bilateral. Otro de los pioneros de la tele manipulacin fue
Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo
denominado Handy-Man, consistente en dos brazos mecnicos teleoperados mediante
un maestro del tipo denominado exoesqueleto. Junto a la industria nuclear, a lo largo de
los aos sesenta la industria submarina comenz a interesarse por el uso de los tele
manipuladores.
A este inters se sumo la industria espacial en los aos setenta.
La evolucin de los tele manipuladores a lo largo de los ltimos aos no ha sido tan
espectacular como la de los robots. Recluidos en un mercado selecto y
limitado(industria nuclear, militar, espacial, etc.) son en general desconocidos y
comparativamente poco atendidos por los investiga- dores y usuarios de robots. Por su
propia concepcin, un tele manipulador precisa el mando continuo de un operador, y
salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control supervisado 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 sustitucin del operador por un programa de ordenador que controlase los
movimientos del manipulador dio paso al concepto de robot.
La primera patente de un dispositivo robotico fue solicitada en marzo de 1954 por el
inventor britnico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en el Reino Unido en
1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano, inventor y autor de
varias patentes, l estableci las bases del robot industrial moderno. En 1954 Devol
concibi la idea de un dispositivo de transferencia de artculos programada que se
patento en Estados Unidos en 1961.
En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingeniera de la divisin aeroespacial de la
empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y
Engelberger comenzaron a trabajar en la utilizacin industrial de sus maquinas,
fundando la Consolidated Controls Corporation, que ms tarde se convierte en
Unimation(Universal Automation), e instalando su primera maquina Unimate (1960), en
la fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicacin de fundicin
por inyeccin.
Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construccin de maquinas
similares (Versatran- 1963.
En 1968 J.F. Engelberger visito Japn y poco ms tarde se firmaron acuerdos con
Kawasaki para la construccin de robots tipo Unimate. El crecimiento de la robtica en
Japn aventaja en breve a los Estados Unidos gracias a Nissan, que formo la primera
asociacin robtica del mundo, la Asociacin de Robtica industrial de Japn (JIRA) en
1972. Dos aos mas tarde se formo el Instituto de Robtica de Amrica (RIA), que en
1984 cambio su nombre por el de Asociacin de Industrias Robticas, manteniendo las
mismas siglas (RIA.
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Por su parte Europa tuvo un despertar ms tardo. En 1973 la firma sueca ASEA
construyo el primer robot con accionamiento totalmente elctrico, en 1980 se fundo la
Federacin Internacional de Robtica con sede en Estocolmo Suecia.
La configuracin de los primeros robots responda a las denominadas configuraciones
esfrica y antropomrfica, de uso especialmente valido para la manipulacin. En 1982,
el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japn, 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 configuracin
orientada al ensamblado de piezas.
La definicin del robot industrial, como una maquina que puede efectuar un numero
diverso de trabajos, automticamente, mediante la programacin previa, no es valida,
por que existen bastantes maquinas de control numrico que cumplen esos requisitos.
Una peculiaridad de los robots es su estructura de brazo mecnico 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 segn la informacin procedente del mundo exterior, mediante el
adecuado programa operativo en su sistema informatico.
Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robtica Industrial:
1. 1. El laboratorio ARGONNE disea, en 1950, manipuladores amo-esclavo para manejar material radioactivo.
2. 2. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse, realiza los primeros proyectos de robots a
principios de la dcada 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 aos
despus, se inicia la implantacin de los robots en Europa,
especialmente en el rea de fabricacin de automviles. Japn
comienza a implementar esta tecnologa hasta 1968.
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3. 3. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la tarea de controlar un robot mediante
computador.
4. 4. En el ao de 1975, la aplicacin del microprocesador, transforma la imagen y las caractersticas del robot, hasta
entonces grande y costoso.
5. 5. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigacin, por parte de las empresas fabricantes de robots, otros auxiliares y
diversos departamentos de Universidades de todo el mundo,
sobre la informtica aplicada y la experimentacin de los
sensores, cada vez mas perfeccionados, potencian la
configuracin del robot inteligente capaz de adaptarse al
ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuarlas para cada
situacin.
En esta fase que dura desde 1975 hasta 1980, la conjuncin de los efectos de la
revolucin de la Microelectrnica y la revitalizacin de las empresas automovilsticas,
produjo un crecimiento acumulativo del parque de robots, cercano al 25%.
La evolucin de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En poco
mas de 30 aos las investigaciones y desarrollos sobre robtica industrial han permitido
que los robots tomen posiciones en casi todas las reas productivas y tipos de industria.
En pequeas o grandes fabricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas reas
repetitivas y hostiles, adaptndose inmediatamente a los cambios de produccin
solicitados por la demanda variable.
a. Definicin del Robot Industrial.
Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definicin formal de lo que es un
robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado
japons 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 mecnico
dotado de articulaciones mviles destinado a la manipulacin, el mercado occidental es
ms restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control.
En segundo lugar, y centrndose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea
comn acerca de lo que es un robot industrial, no es fcil ponerse de acuerdo a la hora
de establecer una definicin formal. Adems, la evolucin de la robtica ha ido
obligando a diferentes actualizaciones de su definicin.
La definicin mas comnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociacin de
Industrias Robticas (RIA), segn la cual:
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Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover
materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, segn trayectorias variables,
programadas para realizar tareas diversas.
Esta definicin, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organizacin
Internacional de Estndares (ISO) que define al robot industrial como:
Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de
manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales segn trayectorias
variables programadas para realizar tareas diversas.
Se incluye en esta definicin la necesidad de que el robot tenga varios grados de
libertad. Una definicin ms completa es la establecida por la Asociacin Francesa de
Normalizacin (AFNOR) que define primero el manipulador y, basndose en dicha
definicin, el robot:
Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados
entre si, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser
gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lgico.
Robot: manipulador automtico servo controlado, reprogramable, polivalente, capaz de
posicionar y orientar piezas, tiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectoria
variables reprogramables, para la ejecucin de tareas variadas. Normalmente tiene la
forma de uno o varios brazos terminados en una mueca. Su unidad de control incluye
un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepcin del entorno. Normalmente
su uso es el de realizar una tarea de manera cclica, pudindose adaptar a otra sin
cambios permanentes en su material.
Por ultimo, la Federacin Internacional de Robtica (IFR) distingue entre robot
industrial de manipulacin y otros robots:
Por robot industrial de manipulacin se entiende a una maquina de manipulacin
automtica, reprogramable y multifuncional con tres o ms ejes que pueden posicionar y
orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecucin de
trabajos diversos en las diferentes etapas de la produccin industrial, ya sea en una
posicin fija o en movimiento.
En esta definicin se debe entender que la reprogramabilidad y multifuncin se
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consigue sin modificaciones fsicas del robot.
Comn en todas las definiciones anteriores es la aceptacin del robot industrial como un
brazo mecnico con capacidad de manipulacin y que incorpora un control mas o
menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto ms amplio.
Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automtica en
sustitucin de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno ovarios robots, siendo
esto ultimo lo mas frecuente.
b. Clasificacin del Robot Industrial.
La maquinaria para la automatizacin rgida dio paso al robot con el desarrollo de
controladores rpidos, basados en el microprocesador, as como un empleo de servos en
bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posicin real de los elementos
del robot y establecer el error con la posicin deseada. Esta evolucin ha dado origen a
una serie de tipos de robots, que se citan a continuacin:
1. Manipuladores: Son sistemas mecnicos multifuncinales, con un sencillo sistema de control,
que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos:
a. a. Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.
b. b. De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado previamente.
c. c. De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caractersticas de los ciclos de trabajo.
Existen muchas operaciones bsicas que pueden ser realizadas ptimamente
mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de
estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.
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1. Robots de repeticin o aprendizaje: 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
enseanza, se vale de una pistola de programacin 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 programacin que
incorporan, recibe el nombre de "gestual".
2. Robots con control por computador: Son manipuladores o sistemas mecnicos 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 aplicacin utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta
programacin se le denomina textual y se crea sin la intervencin del
manipulador.
Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan
imponiendo en el mercado rpidamente, lo que exige la preparacin urgente de
personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo
informatico.
3. Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, adems, son capaces de relacionarse
con el mundo que les rodea a travs 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 ms efectivos, al mismo tiempo que ms asequibles.
La visin artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las
ciencias que ms estn estudiando para su aplicacin en los robots inteligentes.
4. Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigacin, existen numerosos
robots de formacin o micro-robots a un precio muy asequible y, cuya estructura
y funcionamiento son similares a los de aplicacin industrial.
Clasificacin de los robots segn la AFRI.
Tipo A Manipulador con control manual o telemando.
Tipo B
Manipulador automtico con ciclos preajustados; regulacion
mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento
neumatico, electrico o hidraulico.
Tipo C Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece
de conocimiento sobre su entorno.
Tipo D Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en
funcin de estos.
(AFRI) Asociacin Francesa de Robtica Industrial.
La IFR distingue entre cuatro tipos de robots:
1. Robot secuencial. 2. Robot de trayectoria controlable. 3. Robot adaptativo. 4. Robot tele manipulado.
Clasificacin de los robots industriales en generaciones.
1 Generacin. Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las
posibles alteraciones de su entorno.
2 Generacin.
Adquiere informacin limitada de su entorno y acta en
consecuencia. Puede localizar, clasificar (visin) y detectar esfuerzos
y adaptar sus movimientos en consecuencia.
3 Generacin.
Su programacin se realiza mediante el empleo de un lenguaje
natural. Posee la capacidad para la planificacin automtica de sus
tareas.
Clasificacin de los robots segn T.M.Knasel.
Generacin Nombre Tipo de
Control
Grado de
movilidad
Usos mas
frecuentes
1 (1982) Pick & place Fines de carrera, Ninguno Manipulaci
-
aprendizaje n,
servicio de
maquinas
2 (1984) Servo
Servocontrol,
Trayectoria
continua, progr.
condicional
Desplazamiento
por va
Soldadura,
pintura
3 (1989) Ensamblado
Servos de
precisin,
visin, tacto,
Guiado por va
Ensamblad
o,
Desbardad
o
4 (2000) Mvil Sensores
inteligentes Patas, Ruedas
Construcci
n,
Mantenimi
ento
5 (2010) Especiales Controlados con
tcnicas de IA Andante, Saltarn
Militar,
Espacial
Por ultimo y con el fin de dar una visin 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 estn en estado de desarrollo en los centros de investigacin de robtica.
C. Robots de Servicio y Teleoperados.
En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:
Dispositivos electromecnicos mviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o
varios brazos mecnicos independientes, controlados por un programa ordenador y que
realizan tareas no industriales de servicio.
En esta definicin entraran entre otros los robots
dedicados a cuidados mdicos, educacin,
domsticos, uso en oficinas, intervencin en
ambientes peligrosos, aplicaciones espaciales,
aplicaciones submarinas y agricultura. Sin
embargo, esta definicin de robots de servicio
excluye los tele manipuladores, pues estos no se
mueven mediante el control de un programa
-
ordenador, sino que estn controlados directamente por el operador humano.
Tele robots.
Los robots teoperados son definidos por la NASA como:
Dispositivos roboticos con brazos manipuladores y sensores con cierto grado de
movilidad, controlados remotamente por un operador humano de manera directa o
atraves de un ordenador.
Telerobots.
El diseo de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y aplican las
tecnologas para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las
aplicaciones terrestres. El telerobots dirigido, operando en un sitio utiliza dispositivos
de entrada, como la visualizacin grfica, labor con herramienta, planeando las ayudas
para ordenar ejecucin de una tarea a un sitio remoto usando un sistema telerobotico.
Las reas actuales de investigacin y desarrollo incluyen:
El manipulador y el mando del robot mvil .
Las arquitecturas del telerobot remotas.
Procesado, integracin, y fusin, del sistema sensorial.
Tareas interactivas que planea y ejecuta.
La visualizacin grfica de las imgenes sobrepuestas.
Multisensor - el mando equilibrado.
Micromechanismos - control para el despliegue de los instrumentos.
-
Izquierda: (1) Vista del El Laboratorio de Telerobots dirigido; (2) Un Brazo de Serpiente
utilizado para el acceso diestro durante una inspeccin; (3) Un Extremo de un Sensor
Integrado effector (ISEE) utlilizado en el robot sojuoner para la inspeccin del planeta
marte; (4) el Rocky7 el Marte Vagabundo prototipo probando su brazo desplegado; (5) y
(6) El amo y halfs Robots que Ayudan a el sistema de microciruga.
El Controlador digital para un Manipulador Remoto.
Se otorgan fuerzas y desplazamientos atrasados al operador para facilitar el mando.
El controlador para un manipulador remoto contiene un eslabn controlado por
computadora en lugar de un eslabn mecnico o servomecanismo entre la estacin de
mando y el brazo del manipulador. El brazo maestro que un operador acostumbra al
controlar al manipulador, por consiguiente no tiene que parecerse al brazo esclavo de
-
cinemtica o dinmicamente. El brazo del maestro puede ser ms pequeo y ms ligero
o ms grande y ms pesado que el brazo de manipulador remoto. Tambin puede
requerir un volumen ms pequeo o ms grande para moverse. En una versin
experimental del controlador, el brazo del maestro es operando la mano. El brazo
esclavo tiene fuerza y sensores de torque y proximidad en la mueca, torque y sensores
controlados por la mano. La mano del controlador se localiza en una estacin de mando
que tambin incluye imgenes bidimensionales y despliegue de televisin
estereoscpica; los despliegues grficos para la proximidad, toque, resolucion, fuerza, e
informacin del torque; alarmas de audio; e interruptores de mando. El brazo esclavo
est en un sitio remoto que incluye una cmara de televisin para observar al
manipulador. El controlador utiliza un sistema microordenador distribuido para los
datos se procesen. Se dedican tres microordenadores en la estacin de mando
respectivamente para controlar los mecanismos de retroalimentacin en el controlador,
operacin de los despliegues grficos y mando automtico de ciertas funciones para
aliviar la carga en el operador. Tres microordenadores al mando de la estacin remota,
el brazo esclavo, controla la cmara y procesa los datos del sensor, respectivamente.
Cada microordenador se comunica con otros en la misma estacin a travs de un bus
compartido y con los microordenadores en una estacin vecina, por arriba de una
entrada compartiendo del estado de rendimiento.
III.- Morfologa:
A. A. Caractersticas morfolgicas B. B. Estructura Mecnica de un Robot. C. C. Transmisiones y Reductores. D. D. Actuadores. E. E. Sensores Internos. F. F. Sensores Externos.
1. 1. Deteccin de Alcance. 2. 2. Deteccin de Proximidad. 3. 3. Sensores de Contacto. 4. 4. Deteccin de Fuerza y Torsin.
G. G. Elementos Terminales. 1. 1. Tipos de Manipuladores.
-
Caractersticas Morfolgicas
Principales caractersticas de los Robots.
Se describen las caractersticas ms relevantes propias de los robots y se proporcionan
valores concretos de las mismas, para determinados modelos y
aplicaciones.
Grados de libertad.
Son los parmetros que se precisan para determinar la posicin y
la orientacin del elemento terminal del manipulador. Tambin se
pueden definir los grados de libertad, como los posibles
movimientos bsicos (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 posicin en el espacio del aprehensor (q1, q2 y q3)
y los otros 3, la orientacin del mismo (q4, q5 y q6).
Un mayor numero de grados de libertad conlleva un aumento de
la flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal.
Aunque la mayora de las aplicaciones industriales requieren 6 grados de libertad, como
-
las de la soldadura, mecanizado y paletizacion, otras ms complejas reciben un numero
mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Tareas ms sencillas y con movimientos
mas 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, caracterstica fundamental en las
fases de seleccin e implantacin del modelo
adecuado.
La zona de trabajo se subdivide en reas
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
ngulo de inclinacin.
Tambin queda restringida la zona de trabajo por
los limites 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 indstriales, 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 ms se
tienen en cuenta en la seleccin de un robot, segn la tarea a la que se destine. En
soldadura y mecanizado es comn precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.
Exactitud y Repetibilidad
Las funciones de la exactitud y la repetibilidad
1. - La resolucin - el uso de sistemas digitales, y otros factores que slo son un nmero limitado de posiciones que estn disponibles. As el usuario ajusta a
menudo las coordenadas a la posicin discreta ms cercana.
2. - La cinemtica el error modelado - el modelo de la cinemtica del robot no empareja al robot exactamente. Como resultado los clculos de ngulos de la
juntura requeridos contienen un error pequeo.
3. - Los errores de la calibracin - La posicin determinada durante la calibracin puede estar apagada ligeramente, mientras se esta produciendo un error en la
posicin calculada.
4. - Los errores del azar - los problemas se levantan conforme el robot opera. Por ejemplo, friccin, torcimiento estructural, la expansin termal, la repercusin
negativa / la falla en las transmisiones, etc. pueden causar las variaciones en la
posicin.
-
La Exactitud de punto:
1. "Cmo el robot consigue al punto deseado" 2. Esto mide la distancia entre la posicin especificada, y la posicin real del
efector de extremo de robot.
3. La Exactitud de punto es ms importante al realizar fuera de la lnea programando, porque se usan las coordenadas absolutas.
Repetibilidad:
1. "Cmo el movimiento del robot es a la misma posicin como el mismo movimiento hecho antes"
2. Una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente para una sola posicin.
3. ste slo es el resultado de errores del azar 4. La repetibilidad de punto es a menudo ms pequea que la exactitud.
La Resolucin de punto esta basada en un nmero limitado de puntos que el robot puede
alcanzar para stos se muestran aqu como los puntos negros. Estos puntos estn
tpicamente separados por un milmetro o menos, dependiendo del tipo de robot. Esto es
ms complicado por el hecho que el usuario podra pedir una posicin como 456.4mm,
y el sistema slo puede mover al milmetro ms cercano, 456mm, ste es el error de
exactitud de 0.4mm.
En una situacin mecnica perfecta la exactitud y la resolucin del mando se
determinaran continuacin:
-
La Cinemtica de punto y errores de la calibracin son bsicamente el cambio en los
puntos en el espacio de trabajo que produce un error `E '. Tpicamente las caracterstica
tcnicas del vendedor asumen esa calibracin y los errores modelados son cero.
Los puntos al azar son errores que impedirn al robot volver a la misma situacin
exacta cada tiempo, y esto puede mostrarse con una distribucin de probabilidad sobre
cada punto.
-
Puntos en que los clculos fundamentales son:
Precisin en la repetibilidad.
-
Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repeticin de los movimientos de un
manipulador al realizar una tarea programada.
Dependiendo del trabajo que se deba realizar, la precisin 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 manipulacin
de piezas, la precisin en la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3mm y en las
operaciones de mecanizado, la precisin ha de ser menor de 1mm.
- La Resolucin del mando
La resolucin espacial es el incremento ms pequeo de movimiento en que el robot
puede dividir su volumen de trabajo. La resolucin espacial depende de dos factores: los
sistemas que controlan la resolucin y los robots las inexactitudes mecnicas. Es ms
fcil de conceptuar estos factores por lo que se refiere a un robot con 1 grado de
libertad.
Control de la resolucin - es determinado por el sistema de mando de posicin del
robot y su sistema de medida de regeneracin. Es la habilidad de los controladores de
dividir el rango total de movimiento para la juntura particular en incrementos
individuales que pueden dirigirse en el controlador. Los incrementos a veces son
llamados "el direccionamiento parte." La habilidad de dividir el rango de la juntura en
los incrementos depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando.
El nmero de incrementos separados, identificables (el direccionamiento apunta) para
un eje particular es:
numero de incrementos = 2(exp)n.
Por ejemplo - Un robot con 8 la resolucin de mando de extremo puede dividir un rango
del movimiento en 256 posiciones discretas. La resolucin del mando es sobre (el rango
de movimiento) /256. Los incrementos casi siempre son uniformes e igual.
Si las inexactitudes mecnicas son despreciables, la Exactitud = el Mando
Resolucin/2
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
eleccin del mismo.
En tareas de soldadura y manipulacin 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.
Coordenadas de los movimientos.
La estructura del manipulador y la relacin entre sus elementos proporcionan una
configuracin mecnica, que da origen al establecimiento de los parmetros que hay que
conocer para definir la posicin y orientacin del elemento terminal.
Fundamentalmente, existen cuatro estructuras clsicas en los manipuladores, que se
relacionan con los correspondientes modelos de coordenadas, en el espacio y que se
-
citan a continuacin:
-Cartesianas.
-Cilndricas.
-Polares.
-Angulares.
- Los Brazos de Robot
Los tipos de la juntura Tpicos son:
1. Rotacin, junturas rotatorias a menudo manejadas por los motores elctricos y cadena / el cinturn / las transmisiones del motor, o por los cilindros hidrulicos
y palancas.
2. Prismtico - junturas del deslizador en que el eslabn se apoya en un deslizador llevar lineal, y linealmente acta por los tornillos de la pelota y motores o
cilindros.
Las configuraciones Bsicas son:
-
1. Cartesiano / Rectilneo -El posicionando se hace en el espacio de trabajo con las junturas prismticas. Esta configuracin se usa bien cuando un espacio de
trabajo es grande y debe cubrirse, o cuando la exactitud consiste en la espera del
robot.
2. Cilndrico - El robot tiene un movimiento de rotacin sobre una base, una juntura prismtica para la altura, y una juntura prismtica para el radio. Este
robot satisface bien a los espacios de trabajo redondos.
3. Esfrico - Dos junturas de rotacin y una juntura prismtica permiten al robot apuntar en muchas direcciones, y entonces extiende la mano a un poco de
distancia radial.
4. Articulado / Articulado Esfrico / Rotacin - El robot usa 3 junturas de rotacin para posicionar el robot. Generalmente el volumen de trabajo es esfrico. Estos
tipos de robots, la mayora se parecen al brazo humano, con una cintura, el
hombro, el codo, la mueca.
5. Scara (el Brazo de Complacencia Selectivo para el ensamble) - Este robot conforma a las coordenadas cilndricas, pero el radio y la rotacin se obtiene por
un o dos eslabones del planar con las junturas de rotacin.
-
Tipo de actuadores.
Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser,
segn la energa que consuman, de tipo hidrulico, neumtico o elctrico.
Los actuadores de tipo hidrulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y
grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energa que emplean, se construyen con
mecnica de precisin y su coste es elevado. Los robots hidrulicos, se disean
formando un conjunto compacto la central hidrulica, la cabina electrnica de control y
el brazo del manipulador.
La energa neumtica dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta, junto a
un bajo coste, pero su empleo esta siendo sustituido por elementos elctricos.
Los motores elctricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el
campo de la Robtica, por su gran precisin en el control de su movimiento y las
ventajas inherentes a la energa elctrica que consumen.
Programabilidad.
La inclusin del controlador de tipo microelectrnica en los robots industriales, permite
la programacin del robot de muy diversas formas.
-
Programacion del espacio de trabajo.
En general, los modernos sistemas de robots admiten la programacin manual, mediante
un modulo de programacin.
La programacin gestual y textual, controlan diversos aspectos del funcionamiento del
manipulador:
-Control de la velocidad y la aceleracin.
-Saltos de programa condicionales.
-Temporizaciones y pausas.
-Edicin, modificacin, depuracin y ampliacin de programas.
-Funciones de seguridad.
-Funciones de sincronizacin con otras maquinas.
-Uso de lenguajes especficos de Robtica.
B. Estructura Mecnica de un Robot.
Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecnica, 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 semejantes), las altas
prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos
con caractersticas especificas.
Mecnicamente, un robot esta formado por una serie de elementos o eslabones unidos
mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones
consecutivos. La constitucin 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 trminos como
cuerpo, brazo, codo y mueca.
Sistemas de Robots bsicos.
Los componentes bsicos de un robot son:
1. La estructura - la estructura mecnica (los eslabones, base, etc). Esto exige mucha masa, para proporcionar la rigidez bastante estructural para asegurar la
exactitud mnima bajo las cargas tiles variadas.
2. Actuadores - Los motores, los cilindros, etc., las junturas del robot. Esto tambin podra incluir los mecanismos para una transmisin, etc.,
3. Control a la Computadora - Esta computadora une con el usuario, y a su vez los mandos las junturas del robot.
4. El extremo de Brazo que labora con herramienta (EOAT) - La programacin que proporciona el usuario se disea para las tareas especficas.
5. Ensee la pendiente - Un mtodo popular para programar el robot. Esto es que una mano pequea contiene un dispositivo que puede dirigir movimiento del
robot, los puntos de registro en las sucesiones de movimiento, y comienza la
-
repeticin de sucesiones. Las pendientes ms prolongadas incluyen ms
funcionalidad.
El movimiento de cada articulacin puede ser de desplazamiento, de giro, o de una
combinacin de ambos. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de
articulaciones.
Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulacin con
respecto a la anterior, se denomina grado de libertad.
El numero de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grandos de
libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como se ha indicado, las
articulaciones empleadas son nicamente las de rotacin y prismtica con un solo con
grado de libertad cada una, el numero de grados de libertad del robot suele coincidir con
el numero de articulaciones de que se compone.
El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a
diferentes configuraciones, con caractersticas a tener en cuenta tanto en el diseo y
construccin del robot como en su aplicacin. Las combinaciones ms frecuentes son
con tres articulaciones y que son las ms 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 parmetros, tres para definir la posicin y tres para la orientacin, 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 orientacin 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.
Existen tambin 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 obstculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le
permitir acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como
consecuencia de los obstculos, no hubieran llegado con seis grados de libertad. Otra
situacin 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 al que
puede acceder.
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.
Condiciones bsicas
Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales slidos de un
robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.
El grado de Libertad (el gdl) - Cada juntura en el robot introduce un grado de libertad.
Cada gdl pueden ser un deslizador, el tipo rotatorio, u otro de actuador. Los robots
tienen 5 o 6 grados de libertad tpicamente. 3 de los grados de libertad permiten el
posicionamiento en 3D espacio, mientras el otro se usan 2or 3 para la orientacin del
efector del extremo. 6 grados de libertad son bastante para permitir al robot alcanzar
todas las posiciones y orientaciones en 3D espacio. 5 gdl requiere una restriccin a 2D
espacio, el resto limita las orientaciones. Normalmente se usan 5 gdl por ocuparse de
herramientas como los soldadores del arco.
La orientacin Eslabn - Bsicamente, si la herramienta se sostiene a una posicin fija,
la orientacin determina qu direccin puede apuntarse. El rollo, diapasn y guiada
son los elementos de la orientacin comunes usadas. Mirando la figura de bajo sern
obvios que la herramienta puede posicionarse a cualquier orientacin en el espacio.
Los elementos de la posicin - La herramienta, sin tener en cuenta la orientacin, puede
moverse a varias posiciones en el espacio. Se satisfacen las varias geometras del robot
a las geometras de trabajo diferentes.
El Punto de Centro de herramienta (TCP) - El punto de centro de herramienta se
localiza en el robot, la herramienta. Tpicamente el TCP se usa al referirse a la posicin
-
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, esfrico, etc., coordenadas que dependen del robot. Cuando se
cambian las herramientas que nosotros reprogramaremos a menudo el robot para el
TCP.
El espacio de trabajo - El 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 gra arriba) los espacios de trabajo podran ser un cuadrado,
para los robots ms sofisticados los espacios podran ser de una forma esferica.
La velocidad - se refiere a la velocidad mxima que es lograble por el TCP, o por las
junturas individuales. Este nmero no es exacto en la mayora de los robots, y variar
encima del espacio de trabajo como la geometra del robot cambia (y de los efectos
dinmicos). El nmero reflejar a menudo la velocidad ms segura mxima posible.
-
Algunos robots permiten el mximo tasa de la velocidad (100%) para ser aprobado, pero
debe tenerse con l, gran cuidado.
La carga til - La carga til indica la masa mxima que el robot puede alcanzar antes de
cualquier fracaso de los robots, o prdida dramtica de exactitud. Es posible exceder la
carga til mxima, y todava tiene el robot, que operar, pero esto no se aconseja.
Cuando el robot est acelerando rpidamente, la carga til debe estar menos de la masa
mxima. Esto es afectado por la habilidad de agarrar la parte firmemente, as como la
estructura del robot, y el actuador. El extremo de brazo al laborar con herramienta debe
ser considerado parte de la carga til.
- La carga til
La carga til siempre se especifica como un valor mximo, esto puede estar antes del
fracaso, o ms normalmente, antes de la prdida de la actuacin seria.
Las consideraciones Estticas:
1. - La gravedad que efecta cause desviacin descendente del brazo y sistemas de apoyo
2. - Manejo a menudo de cubiertas, las cuales pueden traer cantidades notables de lentitud (la repercusin negativa) esa causa que posiciona los errores
3. - El trabajo de la juntura - cuando se usan miembros rotatorios largos en un sistema de esfuerzos se tuercen bajo la carga
4. - Los efectos termales - la temperatura modifica las dimensinales en el manipulador.
Las consideraciones Dinmicas:
1. - La aceleracin efecta - las fuerzas inerciales pueden llevar a la desviacin en los miembros estructurales. stos son normalmente slo problemas cuando un
robot se est moviendo muy limitado, o cuando un camino a seguir continuo es
esencial. (Pero, claro, durante el proyecto de un robot estos factores deben
examinarse cuidadosamente)
Por ejemplo:
-
Repetibilidad - El mecanismo del robot tendr alguna variacin natural en l. Esto
significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto repetidamente, no siempre
detendr a la misma posicin. Se considera que Repetibilidad es +/-3 veces la
desviacin normal de la posicin, o donde 99.5% de toda la cada de dimensiones de
repetibilidad. Esta figura variar encima del espacio, especialmente cerca de los lmites
del espacio de trabajo, pero los fabricantes darn un solo valor en las especificaciones.
La exactitud - Esto es determinado por la resolucin del espacio de trabajo. Si el robot
se ordena para viajar a un punto en el espacio, estar apagado a menudo por alguna
cantidad, la distancia mxima debe ser considerada la exactitud. ste es un efecto de un
sistema del mando que no es necesariamente continuo.
Tiempo de establecimiento - Durante un movimiento, el robot se mueve rpidamente,
pero como los acercamientos del robot la posicin final se reduce la velocidad, y los
acercamientos. El tiempo de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para
estar dentro de una distancia dada de la ltima posicin.
-
Control de la Resolucin - ste es el cambio ms pequeo que puede medirse por los
sensores de la regeneracin, a causa del actuador, quien quiera es ms grande. Si una
juntura rotatoria tiene un encoder que mide cada 0.01 grado de rotacin, y un motor de
servo de paseo directo se usa para manejar la juntura, con una resolucin de 0.5 grados,
entonces la resolucin del mando es aproximadamente 0.5 grados (el peor caso puede
ser 0.5+0.01).
Las coordenadas - El robot se puede mover, por consiguiente es necesario definir las
posiciones. La nota que las coordenadas son una combinacin de ambos la posicin del
origen y orientacin de los eslabones.
-
C. Transmisiones y Reductores.
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los
actuadores hasta las articulaciones. Se incluirn 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 mximo su momento de inercia. Del mismo modo, los pares
estticos 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, estn lo mas cerca posible de la base del robot. Esta circunstancia obliga a
utilizar sistemas de transmisin 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, lo que en ocasiones puede ser necesario.
Existen actualmente en el mercado robots industriales con acoplamiento directo entre
accionamiento y articulacin. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la
generalidad que en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de
transmisin junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones
Es de esperar que un buen sistema de transmisin cumpla con una serie de
caractersticas bsicas: debe tener un tamao y peso reducido, se ha de evitar que
presente juegos u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran
rendimiento.
Sistemas de transmisin para robots.
Entrada-Salida Denominacin Ventajas Inconvenientes
Circular-Circular
Engranaje
Correa dentada
Cadena
Paralelogramo
Cable
Pares altos
Distancia grande
Distancia grande
-
-
Holguras
-
Ruido
Giro limitado
Deformabilidad
Circular-Lineal Tornillo sin fin
Cremallera
Poca holgura
Holgura media
Rozamiento
Rozamiento
Lineal-Circular Paral,articulado
Cremallera
-
Holgura media
Control difcil
Rozamiento
Aunque no existe un sistema de transmisin especifico para robots, si existen algunos
usados con mayor frecuencia y que se mencionan en la tabla. La clasificacin se ha
realizado sobre la base del tipo de movimiento posible en la entrada y la salida: lineal o
circular.
-
En la citada tabla tambin quedan reflejadas algunas ventajas e inconvenientes propios
de algunos sistemas de transmisin. Entre ellas cabe destacar la holgura o juego. Es
muy importante que el sistema de transmisin a utilizar no afecte al movimiento que
transmite, ya sea por el rozamiento inherente a su funcionamiento o por las holguras que
su desgaste pueda introducir. Tambin hay que tener en cuenta que el sistema de
transmisin sea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado, y a ser
posible entre grandes distancias.
Las transmisiones ms habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular
tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en estas se encuentran los engranajes, las
correas dentadas y las cadenas.
Reductores.
En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, si que existen
determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se
debe a que los reductores utilizados en robtica se les exige unas condiciones de
funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas caractersticas viene motivada
por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisin y velocidad de
posicionamiento.
La siguiente tabla muestra valores tpicos de los reductores para robtica actualmente
empleados.
Caractersticas de los reductores para robtica.
Caractersticas Valores tpicos
Relacin de reduccin
Peso y tamao
Momento de inercia
Velocidades de entrada mxima
Par de salida nominal
Par de salida mximo
Juego angular
Rigidez torsional
Rendimiento
50 / 300
.1 / 30kg
.0001kg m
6000 / 7000 rpm
5700Nm
7900Nm
0-2"
100 / 2000 Nm/rad
85% / 98%
Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamao, bajo rozamiento y que al mismo
tiempo sean capaces de realizar una reduccin elevada de velocidad en un nico paso.
Se tiende tambin a minimizar su momento de inercia, de negativa influencia en el
funcionamiento del motor, especialmente critico en el caso de motores de baja inercia.
Los reductores, por motivos de diseo, tienen una velocidad mxima admisible, que
como regla general aumenta a medida que disminuye el tamao del motor. Tambin
existe una limitacin en cuanto al par de entrada nominal permisible (T2) que depende
del par de entrada (T1) y de la relacin de transmisin a travs de la relacin:
T2 = nT1 (w1 / w2).
Donde el rendimiento (n) puede llegar a ser cerca del 100% y la relacin de reduccin
de velocidades (w1 = velocidad de entrada; w2 = velocidad de salida) varia entre 50 y
300.
-
Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos que implican continuos arranques y
paradas, es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares elevados
puntuales. Tambin se busca que el juego angular sea lo menor posible.
Este se define como el ngulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de
giro sin que llegue a girar al eje de entrada. Por ultimo, es importante que los reductores
para robtica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar
sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquel gire un
ngulo unitario.
D. Actuadores.
Los actuadores tienen como misin generar el movimiento de los elementos del robot
segn las ordenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en robtica
pueden emplear energa neumtica, hidrulica o elctrica. Cada uno de estos sistemas
presenta caractersticas diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el
tipo de actuador ms conveniente.
Las caractersticas a considerar son entre otras:
-Potencia.
-Controlabilidad.
-Peso y volumen.
-Precisin.
-Velocidad.
-Mantenimiento.
-Coste.
Se clasifican en tres grandes grupos, segn la energa que utilizan:
-Neumticos.
-Hidrulicos.
-Elctricos.
Los actuadores neumticos el aire comprimido como fuente de energa y son muy
indicados en el control de movimientos rpidos, pero de precisin limitada.
Los motores hidrulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran
capacidad de carga, junto a una precisa regulacin de velocidad.
Los motores elctricos son los mas utilizados, por su fcil y preciso control, as como
por otras propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia
del empleo de la energa elctrica.
Actuadores neumticos.
En ellos la fuente de energa es aire a presin entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de
actuadores neumticos:
-
Cilindros neumticos.
-Motores neumticos (de aletas rotativas o de pistones axiales).
En los primeros se consigue el desplazamiento de un embolo encerrado en un cilindro,
como consecuencia de la diferencia de presin a ambos lados de aquel. Los cilindros
neumticos pueden ser de simple o doble efecto. En los primeros, el embolo se desplaza
en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presin, mientras que en
el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al
embolo a su posicin en reposo).
En los cilindros de doble efecto el aire a presin es el encargado de empujar al embolo
en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las
dos cmaras.
Normalmente, con los cilindros neumticos solo se persigue un posicionamiento en los
extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. Esto ultimo se puede conseguir
con una vlvula de distribucin (generalmente de accionamiento directo) que canaliza el
aire a presin hacia una de las dos caras del embolo alternativamente. Existen no
obstante sistemas de posicionamiento continuo de accionamiento neumtico, aunque
debido a su coste y calidad todava no resultan competitivos.
En los motores neumticos se consigue el movimiento de rotacin de un eje mediante
aire a presin.
Los dos tipos mas utilizados son los motores de aletas rotativas y los motores de
pistones axiales. Los motores de pistones axiales tienen un eje de giro solidario a un
tambor que se ve obligado a girar las fuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan
sobre un plano inclinado.
Otro mtodo comn ms sencillo de obtener movimientos de rotacin a partir de
actuadores neumticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo embolo se encuentra
acoplado a un sistema de pin-cremallera.
En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumticos no
consiguen una buena precisin de posicionamiento. Sin embargo, su sencillez y
robustez hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sea suficiente un
posicionamiento en dos situaciones diferentes (todo o nada).
Por ejemplo, son utilizados en manipuladores sencillos, en apertura y cierre de pinzas o
en determinadas articulaciones de algn robot (como el movimiento vertical del tercer
grado de libertad de algunos robots tipo SCARA).
-
Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algn tipo de
accionamiento neumtico deber disponer de una instalacin de aire comprimido,
incluyendo: compresor, sistema de distribucin (tuberas, electro vlvulas), filtros,
secadores, etc. no obstante, estas instalaciones neumticas son frecuentes y existen en
muchas de las fabricas donde se da cierto grado de automatizacin.
Actuadores hidrulicos.
Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neumticos. En ellos, en vez de
aire se utilizan aceites minerales a una presin comprendida normalmente entre los 50 y
100 bar, llegndose en ocasiones a superar los 300bar. Existen, como en el caso de los
neumticos, actuadores de tipo cilindro y del tipo de motores de aletas y pistones.
Sin embargo las caractersticas del fluido utilizado en los actuadores hidrulicos marcan
ciertas diferencias con los neumticos. En primer lugar, el grado de compresibilidad de
los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que la precisin
obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es ms fcil en ellos realizar un
control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un rango de valores (haciendo uso
de servocontrol) con notable precisin.
Adems, las elevadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores
neumticos, permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.
Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estticas. Esto
indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presin ejercida
sobre una superficie, sin aporte de energa (para mover el embolo de un cilindro seria
preciso vaciar este de aceite). Tambin es destacable su eleva capacidad de carga y
relacin potencia-peso, as como sus caractersticas de auto lubricacin y robustez.
Frente a estas ventajas existen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las elevadas
presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de la
instalacin. Asimismo, esta instalacin es mas complicada que la necesaria para los
actuadores neumticos y mucho mas que para los elctricos, necesitando de equipos de
filtrado de partculas, eliminacin de aire, sistemas de refrigeracin y unidades de
control de distribucin.
Los accionamientos hidrulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben
manejar grandes cargas (de 70 a 205kg).
Actuadores elctricos.
Las caractersticas de control, sencillez y precisin de los accionamientos elctricos han
hecho que sean los mas usados en los robots industriales actuales.
Dentro de los actuadores elctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:
Motores de corriente continua (DC):
-Controlados por induccin.
-Controlados por excitacin.
Motores de corriente alterna (AC):
-Sincronos.
-
-Asncronos.
Motores paso a paso.
Motores de corriente continua.
Son los ms usados en la actualidad
debido a su facilidad de control. En este
caso, se utiliza en el propio motor un
sensor de posicin (Encoder) para poder
realizar su control.
Los motores de DC estn constituidos
por dos devanados internos, inductor e
inducido, que se alimentan con corriente
continua:
El inducido, tambin denominado
devanado de excitacin, esta situado en
el estator y crea un campo magntico de
direccin fija, denominado excitacin.
El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que
aparece como combinacin de la corriente circulante por l y del campo magntico de
excitacin. Recibe la corriente del exterior a travs del colector de
delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.
Para que se
pueda dar la
conversin de
energa elctrica
en energa
mecnica de
forma continua
es necesario que los campos magnticos del estator y del rotor permanezcan estticos
entre s. Esta transformacin es mxima cuando ambos campos se encuentran en
cuadratura. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado
de que se mantenga el ngulo relativo entre el campo del estator y el creado por las
corrientes rotoricas. De esta forma se consigue transformar automticamente, en funcin
de la velocidad de la maquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente
alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce con
el nombre de autopilotado.
Al aumentar la tensin del inducido aumenta la velocidad de la maquina. Si el motor
-
esta alimentado a tensin constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo el
flujo de excitacin. Pero cuanto ms dbil sea el flujo, menor ser el par motor que se
puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la tensin del
inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro.
En los controlados por excitacin se acta al contrario.
Adems, en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de
la velocidad de giro originado por la realimentacin intrnseca que posee a travs de la
fuerza contraelectromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motores DC es el
controlado por inducido el que se usa en el accionamiento con robots.
Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitacin se
genera mediante imanes permanentes, con lo que se evalan fluctuaciones del mismo.
Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Adems, para
disminuir la inercia que poseera un rotor bobinado, que es el inducido, se construye
este mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor no
posee apenas masa trmica lo que aumenta los problemas de calentamiento por
sobrecarga.
Las velocidades de rotacin que se consiguen con
estos motores son del orden de 1000 a 3000 rpm con
un comportamiento muy lineal y bajas constantes de
tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden
llegar a los 10KW.
Como se ha indicado, los motores DC son
controlados mediante referencias de velocidad. Estas
normalmente son seguidas mediante un bucle de
retroalimentacin de velocidad analgica que se
cierra mediante una electrnica especifica (accionador del motor).
Sobre este bucle de velocidad se coloca otro de posicin, en el que las referencias son
generadas por la unidad de control (microprocesador) sobre la base del error entre la
posicin deseada y la real.
El motor de corriente continua presenta el inconveniente del obligado mantenimiento de
las escobillas. Por otra parte, no es posible mantener el par con el rotor parado mas de
unos segundos, debido a los calentamientos que se producen en el colector.
Para evitar estos problemas, se han desarrollado en los ltimos aos motores sin
escobillas. En estos, los imanes de excitacin se sitan en el rotor y el devanado de
inducido en el estator, con lo que es posible convertir la corriente mediante interruptores
estticos, que reciben la seal de conmutacin a travs de un detector de posicin del
rotor.
Motores paso a paso.
Los motores paso a paso generalmente no han sido considerados dentro de los
accionamientos industriales, debido principalmente a que los pares para los que estaban
-
disponibles eran muy pequeos y los pasos entre posiciones consecutivas eran grandes.
En los ultimo aos se han mejorado notablemente sus caractersticas tcnicas,
especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores paso a
paso capaces de desarrollar suficientes en pequeos pasos para su uso como
accionamientos industriales.
Existen tres tipos de motores paso a paso:
-De imanes permanentes.
-De reluctancia variable.
-Hbridos.
En los primeros, de imanes permanentes, el rotor, que posee una polarizacin magntica
constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magntico creado por las
fases del estator. En los motores de reluctancia variable, el rotor esta formado por un
material ferro-magntico que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las
lneas de fuerza del campo magntico generado por las bobinas de estator. Los motores
hbridos combinan el modo de funcionamiento de los dos anteriores.
En los motores paso a paso la seal de control son trenes de pulsos que van actuando
rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en el estator. Por cada pulso
recibido, el rotor del motor gira un determinado numero discreto de grados.
Para conseguir el giro del rotor en un determinado numero de grados, las bobinas del
estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la velocidad
de giro. Las inercias propias del arranque y parada (aumentadas por las fuerzas
magnticas en equilibrio que se dan cuando esta parado) impiden que el rotor alcance la
velocidad nominal instantneamente, por lo que esa, y por tanto la frecuencia de los
pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente.
Para simplificar el control de estos motores existen circuitos especializados que a partir
de tres seales (tren de pulsos, sentido de giro e inhibicin) generan, a travs de una
etapa lgica, las secuencias de pulsos que un circuito de conmutacin distribuye a cada
fase.
A continuacin se establecen las configuraciones bipolar y unipolar respectivamente:
-
Tipos de motores a pasos.
A pasos.
Reluctancia.
Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para
asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar adems de forma continua,
con velocidad variable, como motores sincronos, ser sincronizados entre s, obedecer a
secuencias complejas de funcionamiento, etc. Se trata al