Conceptos esenciales de robots industriales: actuadores, reductores, sensores y parámetros D-H

Robot industrial

Robot Industrial

Se entiende por robot industrial de manipulación a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento. (IFR, ISO/TR 8373, 1988)

Grados de libertad (GDL)

Grados de libertad (GDL)

Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior.

3 GDL – es el mínimo (según definición de robot).
6 GDL – es el máximo (permite posicionar y orientar).
7+ GDL – redundancia.

Redundancia

Redundancia: aumentar el número de GDL para obtener mayor maniobrabilidad o aumentar el campo de acción.

Actuadores

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.

Reductores

Reductores

Funciones principales:

Aumentar el par motor. Fórmula orientativa: T_sal = n · T_ent · ω_ent / ω_sal.
Aumentar la precisión en la medición del giro del eje sin introducir juegos mecánicos.

Tipos de reductores

Planetarios
- Ventajas: bajo coste, gran variedad, alto par de transmisión.
- Inconvenientes: alta inercia, gran peso, grandes juegos.
Cyclo
- Ventajas: media inercia, pequeño peso, medios juegos.
- Inconvenientes: coste medio, bajo par de transmisión.
Harmonic Drive (HD)
- Ventajas: baja inercia, pequeño peso, pequeños juegos.
- Inconvenientes: alto coste, no excesivamente alto par de transmisión.

Reductor Cyclo

Reductor Cyclo

Se basa en el movimiento cicloidal de un disco de curvas movido por una excéntrica solidaria al árbol de entrada. Por cada revolución de la excéntrica, el disco de curvas avanza un saliente rodando sobre los rodillos exteriores. Este avance arrastra a su vez los pernos del árbol de salida. La relación de reducción está determinada por el número de salientes.

Reductor Harmonic Drive

Reductor Harmonic Drive

Se basa en una corona exterior rígida con dentado interior (circular spline) y un vaso flexible (flexspline) con dentado exterior que engrana en el circular spline. En el interior del vaso gira un rodamiento elipsoidal (wave generator) que desforma el vaso, poniendo en contacto la corona exterior con la zona del vaso correspondiente al máximo diámetro de la elipse. Al haber una diferencia de dientes Z = N_c − N_f, tras una vuelta del wave generator el flexspline solo avanza Z dientes. Relación Z/N_f.

Sistemas de transmisión

Sistemas de transmisión

Encargados de transferir y canalizar el movimiento de los motores hasta los elementos móviles del robot. Constan de dos partes: sistema de reductores y sistema de transmisión. Los reductores disminuyen las altas velocidades de giro de los ejes de los motores aumentando el par.

Problema: transmitir los movimientos desde los accionadores hacia las articulaciones para disminuir las inercias.

Objetivo: reducir los pares estáticos y los momentos de inercia (especialmente en el extremo).

Método: trasladar el mayor peso posible cerca de la base del robot.

Función adicional: convertir movimiento circular en lineal o viceversa.

Características deseables:

Tamaño y peso reducido.
Juegos y holguras pequeños.
Gran rendimiento y escaso rozamiento.
Mínimo desgaste, «maintenance free» cuando sea posible.
Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado.

Sensores

Sensores

De presencia

– De presencia: detectan la presencia de un objeto con o sin contacto dentro de un radio de acción determinado.

Ejemplos y usos:

Detectores inductivos: determinan la presencia o cuentan objetos metálicos sin necesidad de contacto.
Sensores capacitivos: permiten detectar objetos no metálicos (suelen ser de mayor tamaño).
Sensores de efecto Hall: detectan objetos ferromagnéticos.
Sensores ópticos: detectan reflexión de un rayo de luz en un objeto.

Inductivo, capacitivo, efecto Hall, célula Reed, óptico, ultrasonido, contacto

De posición

– De posición: para el control de posición angular se emplean encoders y resolvers. Los potenciómetros dan bajas prestaciones, por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia).

Encoders: constan de un disco con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes; de un sistema de iluminación (LED emisor) y de un elemento foto-receptor. El eje cuya posición se desea medir va acoplado al disco. Suministran información digital.

Analógico: Potenciómetro • Resolver • Sincro • Inductosyn • LVDT

Digital: Encoder absoluto • Encoder incremental • Regla óptica

De velocidad

– De velocidad: relacionan la velocidad de giro o traslación a través de voltaje.

Tacogeneratriz

Parámetros D-H

Parámetros D-H:

Numerar los eslabones de 0 a N. El eslabón 0 será la base fija del robot.
Numerar las articulaciones de 1 a N.
Determinar cuáles son los ejes de cada articulación, de giro o traslación.
De 0 a N−1 situar el eje z_i sobre el eje de la articulación i+1.
Situar el origen del sistema de la base S₀ en cualquier punto del eje z₀. Elegir x₀ e y₀ siguiendo la regla de la mano derecha.
De 1 a N−1 situar el sistema S_i en la intersección de z_i con la línea normal común a z_i−1 y z_i. Situar x_i en la línea normal común a z_i−1 y z_i.
Situar y_i para completar el sistema dextrógiro con x_i y z_i.
Situar el sistema S_n en el extremo del robot, con z_n paralelo a z_n−1 y x_n normal a z_n−1 y z_n.
Obtener el giro θ_i en torno a z_i−1 para que x_i−1 y x_i queden paralelos.
Obtener el desplazamiento d_i a lo largo de z_i−1 para que x_i−1 y x_i queden alineados.
Obtener el desplazamiento a_i a lo largo de x_i para que coincidan los orígenes de S_i−1 y S_i.
Obtener el giro θ_i en torno a x_i para que coincidan los sistemas S_i−1 y S_i.

Configuraciones singulares

Configuraciones singulares:

Definición física: las configuraciones singulares de un robot son aquellas para las cuales las velocidades del extremo no se pueden realizar por una velocidad finita de las articulaciones, o cuando se pierde algún grado de libertad en el movimiento.
Definición matemática: el robot está en una configuración singular cuando el rango de la matriz jacobiana [m×n] es menor que m. En el caso de que n = m, existirá singularidad cuando el determinante de la matriz jacobiana sea nulo (det J(q) = 0).
De forma práctica: cuando el robot está en los límites de su espacio de trabajo porque pierde posibilidades de movimiento o cuando están alineados dos o más ejes de articulaciones del mismo tipo (rotación o traslación).

Tipos de trayectorias

Tipos de Trayectorias

– Punto a punto

– Punto a punto: no importa el camino del extremo del robot. Solo importa que alcance el punto final indicado.

Tipos:

Movimiento eje a eje: sólo se mueve un eje cada vez (aumento del tiempo de ciclo). Se usa en robots muy simples o con unidad de control limitada.
Movimiento simultáneo de ejes: los ejes comienzan a la vez. Cada uno acaba cuando puede (puede imponer altos requerimientos inútiles).
Movimiento coordinado: empiezan y acaban a la vez.

– Coordinadas o isócronas

– Coordinadas o isócronas: no importa el camino del extremo del robot, pero los ejes se mueven simultáneamente, ralentizando las articulaciones más rápidas, de forma que todos los ejes acaben a la vez. Tiempo total = el menor posible. Se evitan exigencias inútiles de velocidad y aceleración.

– Continuas

– Continuas: se pretende que el extremo del robot describa una trayectoria concreta y conocida. Importa el camino, pues durante el mismo el robot realiza parte de su cometido (soldadura por arco, corte por láser, etc.). Trayectorias típicas: línea recta, arco de círculo, otras.

Métodos de programación de robots

Metodos de programación de robots

Programación por guiado: se lleva al robot por el camino que se desea que repita posteriormente en modo automático.
- Pasivo: el programador aporta la energía para moverlo. Modalidades:
  - Directo: se mueve directamente el extremo del robot.
  - Maniquí: en vez del robot real se mueve un maniquí con su misma configuración cinemática pero mucho más ligero y fácil de mover.
- Activo: se utiliza el propio sistema de accionamiento del robot, controlado desde una botonera o un joystick.
Programación textual: se basa en la existencia de un lenguaje formal de programación para indicar los comandos al robot. PROGRAMA: secuencia de órdenes, primeramente editadas y escritas por el usuario y posteriormente ejecutadas por el robot.
- Modos en que se procesa un programa:
  - Interpretado: facilita la depuración y puesta a punto.
  - Compilado: necesario en lenguajes con sintaxis muy compleja; aumenta la velocidad de ejecución.

Criterios de implantación

Criterios de implantación:

Lay-out: esquema de implantación de equipos, máquinas y otros elementos de la planta.
Arquitectura de control: tanto hardware como software.
Elección de la maquinaria: en especial el robot.
Seguridad: tratada de forma especial al aparecer máquinas con funcionamiento automático.
Justificación económica de la implantación.

Resolución, precisión y repetibilidad

Resolución: mínimo incremento que acepta la unidad de control. Limitado por la electrónica de sensores, convertidores, etc.

Precisión: distancia entre el punto programado y el valor medio de los puntos realmente alcanzados. Afectada por errores de calibración, deformación, modelado, etc.

Repetibilidad: radio de la esfera que abarca los puntos alcanzados por el robot tras muchos movimientos. Debido al sistema mecánico: rozamientos, histéresis, zonas muertas, etc.