299011

´ ´ MODULO DE ROBOTICA Por Freddy F. Valderrama Guti´errez Primera versi´on creada por ING. LUIS ENRIQUE CAMARGO en la ´ ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOG´IA E INGENIER´IA UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA CEAD DUITAMA Julio, 2008

Aprobado por:

Pedro Torres Silva C.C

Fecha

Gustavo Vel´asquez, C.C

Fecha

TABLA DE CONTENIDO

P´agina

LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v

LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

1

PROTOCOLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1 1.2 1.3

2 4 5 5 5 5 6 7 9

1.4 1.5 2

Introducci´on . . . . . . . . . Justificaci´on . . . . . . . . . Intencionalidades formativas 1.3.1 Prop´ositos . . . . . . 1.3.2 Objetivos . . . . . . . 1.3.3 Metas . . . . . . . . . 1.3.4 Competencias . . . . Unidades did´acticas . . . . . Mapa Conceptual . . . . . .

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Unidad I Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1

2.2

2.3 2.4 2.5

Antecedentes hist´oricos . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Breve Historia de la rob´otica . . . . . . . . . 2.1.2 Automatizaci´on y rob´otica . . . . . . . . . . 2.1.3 Clasificaci´on de los robots . . . . . . . . . . . Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Transferencia de material . . . . . . . . . . . 2.2.3 Carga y descarga de m´aquinas . . . . . . . . 2.2.4 Operaciones de procesamiento . . . . . . . . 2.2.5 Otras operaciones de procesamiento . . . . . 2.2.6 Procesos de laboratorio . . . . . . . . . . . . 2.2.7 Manipuladores cinem´aticos . . . . . . . . . . 2.2.8 Agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.9 Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.10 Vehiculos submarinos . . . . . . . . . . . . . 2.2.11 Educaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El mercado de la rob´otica y las perspectivas futuras Subsistemas del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . Robot Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Definici´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Clasificaci´on de robots industriales . . . . . . ii

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10 14 16 20 22 23 23 24 25 26 26 27 28 29 30 31 31 33 35 35 37

2.6

3

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40 41 41 42 42 43 43 45 45 45 46 47 48 48 52 55 56 58 59 64 66

UNIDAD II. Cinem´atica y din´amica del robot . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.1

3.2 3.3

3.4 3.5 4

Morfolog´ıa del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Grados de Libertad . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador 2.6.3 Capacidad de carga . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4 Problemas a enfrentar . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.5 Exactitud y Repetibilidad . . . . . . . . . . . . . 2.6.6 Resoluci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.7 Precisi´on en la repetibilidad . . . . . . . . . . . 2.6.8 La resoluci´on del mando . . . . . . . . . . . . . 2.6.9 Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.10 Coordenadas de los movimientos . . . . . . . . . 2.6.11 Brazos del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.12 Programabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.13 Estructura mec´anica de un robot . . . . . . . . . 2.6.14 Transmisiones y reductores . . . . . . . . . . . . 2.6.15 Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.16 Neum´aticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.17 Hidr´aulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.18 El´ectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.19 Sensores internos . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.20 Sensores externos . . . . . . . . . . . . . . . . .

Conceptos b´asicos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Posici´on y orientaci´on en el plano . . . 3.1.2 Posici´on y orientaci´on en el espacio . . 3.1.3 Transformaciones compuestas . . . . . . Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H) El problema cinem´atico directo . . . . . . . . 3.3.1 Ejemplo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . El problema cinem´atico inverso . . . . . . . . 3.4.1 Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . Velocidades y jacobiano . . . . . . . . . . . . .

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72 72 79 83 87 89 90 92 93 95 99

´ UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBOTICA . . . . . . . . . . . . . . 100 4.1

Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Sistema de medici´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 La exploraci´on de im´agenes. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 La Retroalimentaci´on visual para el funcionamiento del Telerobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 La retroalimentaci´on visual y de fuerza para ayudar al neurocirujano durante una telecirug´ıa . . . . . . . . . . . . 4.1.5 La cirug´ıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . iii

. 100 . 101 . 102 . 103 . 105 . 105

4.2

4.3

Procesamiento de im´agenes . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Estructura y jerarqu´ıa en el proceso de im´agenes 4.2.2 El video Estereosc´opico y la Realidad Virtual . . Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Clasificaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Nuevos Sectores de Aplicaci´on . . . . . . . . . .

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106 109 110 114 114 116 128

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

iv

Tabla

LISTA DE TABLAS

v

P´agina

Figura

LISTA DE FIGURAS

P´agina

1–1 Protocolo del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1–2 Unidad 1 y Unidad 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1–3 Unidad 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1–4 Mapa conceptual del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2–1 Robot dise˜ nado por Ralph Mosher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2–2 Mu˜ neca dibujante dise˜ nada por Henri Maillardert. . . . . . . . . . . . 15 2–3 Cyril Walter Kenward y George C. Devol. . . . . . . . . . . . . . . . 19 2–4 Robot tranasportador de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2–5 Robot usado en laboratorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2–6 Robot usado para explorar tuberias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2–7 Robot usado para esquilar ovejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2–8 Robot usado para exploraciones espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . 30 2–9 Robot manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2–10 Diagrama de bloque de un robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2–11 Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. . . . . . . . 41 2–12 Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 43 2–13 Esquema para definir la resoluci´on de un robot industrial. . . . . . . . 44 2–14 Esquema para visualizar el error de posici´on. . . . . . . . . . . . . . . 44 2–15 Configuraciones b´asicas y coordenadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2–16 Tipos de junturas usadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2–17 Analogia entre un brazo humano y uno rob´otico. . . . . . . . . . . . . 49 2–18 Punto de centro de la herramienta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2–19 Espacio de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 vi

2–20 Tipos de transmisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2–21 Engranajes Circular-Circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2–22 Caracteristicas de los reductores.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2–23 Cilindro neum´atico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2–24 Motor neum´atico de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2–25 Motor DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2–26 Motor DC vista de rotor y estator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2–27 Motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2–28 Paralelo entre actuadores usados en rob´otica . . . . . . . . . . . . . . 63 2–29 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3–1 Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles. . 72 3–2 Vector de coordenadas en el plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3–3 Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3–4 localizaci´on de un objeto en posici´on y orientaci´on . . . . . . . . . . . 74 3–5 Traslaci´on del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3–6 Rotaci´on del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3–7 Detecci´on de un obst´aculo desde un robot m´ovil . . . . . . . . . . . . 77 3–8 Cambio de sistema de referencia en navegaci´on de robots m´oviles . . . 77 3–9 Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano

. . . . . . 78

3–10 Posici´on en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3–11 Posici´on en el espacio con coordenadas cil´ındricas . . . . . . . . . . . 80 3–12 Posici´on en el espacio con coordenadas esf´ericas . . . . . . . . . . . . 80 3–13 Posici´on y orientaci´on en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3–14 Cambio de sistemas de referencia en el espacio . . . . . . . . . . . . . 82 3–15 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3–16 Manipulador plano con dos articulaciones de rotaci´on . . . . . . . . . 84 3–17 Representaci´on de ecuaciones de transforamci´on . . . . . . . . . . . . 86

vii

3–18 Asignaci´on de ejes de referencia a articulaciones consecutivas . . . . . 87 3–19 Manipulador plano con tres articulaciones de rotaci´on . . . . . . . . . 90 3–20 Esquema del robot del ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3–21 Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de libertad de rotaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3–22 Soluci´on por m´etodos geom´etricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4–1 Robot telecontrolado de la universidad de australia . . . . . . . . . . 104 ´ 4–2 Angulo elegido para la camara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4–3 Telecirujia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4–4 Cirug´ıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4–5 Configuraciones de c´amara de estereosc´opica. . . . . . . . . . . . . . . 114 4–6 Robots soldadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4–7 Robot alimentador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4–8 Robot de corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4–9 Robot tipo SCARA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4–10 El vagabundo de Marte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4–11 El Rocky 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

viii

PARTE 1 PROTOCOLO Identificaci´on del curso acad´emico, v´ease 1–1.

Figure 1–1: Protocolo del curso.

1

2 1.1

Introducci´ on

Este curso es de 3 cr´editos acad´emicos, se ofrece como asignatura del plan acad´emico de Ingenier´ıa Electr´onica y como curso electivo de Ingenier´ıa de sistemas, Tiene 3 unidades, las cuales se trabajan por cap´ıtulos. En la primera unidad se inicia haciendo una introducci´on a la rob´otica, en la doble vertiente de su significaci´on social y de su importancia tecnol´ogica. La rob´otica es un componente esencial de la automatizaci´on de la fabricaci´on, que afectar´a a la mano de obra humana en todos los niveles, desde los trabajadores no especializados hasta los t´ecnicos profesionales y directores de producci´on. Esta obra tiene el objetivo ambicioso de proporcionar la documentaci´on t´ecnica en este fascinante campo. El segundo capitulo de la unidad I presenta la rob´otica como tecnolog´ıa interdisciplinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo hist´orico y estado actual. El tercer capitulo esta dedicado al estudio de los elementos que componen un robot: estructura mec´anica, 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 rob´otica, sino destacar las caracter´ısticas que los hacen adecuados para su empleo en robots. Para que un robot pueda moverse y manipular objetos, es necesario una adecuada localizaci´on de las configuraciones espaciales por las que se pretende que el robot pase. Tanto para el usuario del robot como para su dise˜ nador es necesario manejar adecuadamente una serie de herramientas matem´aticas que permitan situar en posici´on y orientaci´on un objeto (en particular el extremo del robot) existentes para tal fin. En concordancia con lo anterior el estudio de la cinem´atica del robot hace parte de la Unidad II, lo anterior permite relacionar la posici´on de sus actuadores con la posici´on y orientaci´on del extremo. Esta relaci´on no trivial, es fundamental para desarrollar el control del robot. Enseguida se aborda el modelado din´amico de un robot. Como sistema din´amico, el robot es uno de los sistemas m´as fascinantes

3 para el control, por incorporar muchas de aquellas dificultades que cl´asicamente se obvian en el estudio de control de sistemas. La unidad III presenta el tema del sistema de visi´on artificial de maquinas, sus beneficios para trabajos que requieren reconocimiento y precisi´on de objetos, configuraci´on, etc. Al final de esta unidad se muestra la utilizaci´on del robot en diferentes tipos de aplicaciones, tanto las mas habituales, como soldadura de carrocer´ıas, y las mas novedosas en los sectores de construcci´on, espacio, cirug´ıa, etc. Es evidente que la rob´otica esta siendo aplicada a un gran numero de sectores dispares, siendo imposible pretender que el estudiante conozca todas las caracter´ısticas de los mismos.

4 1.2

Justificaci´ on

¿Por qu´e la Rob´otica? Beneficio inmediato para el estudiante: • Se involucra activamente en su propio proceso de aprendizaje. • Desarrolla la intuici´on cient´ıfica y de ingenier´ıa. • Desarrolla sus intereses en matem´aticas y tecnolog´ıa cient´ıfica. • Potencia sus habilidades de investigaci´on y resoluci´on de problemas, as´ı como lectura, escritura, habilidades de presentaci´on y creatividad. Beneficios a largo plazo: • Construye auto-pensadores que adem´as son capaces de apreciar el valor de la automotivaci´on y de sentirse con recursos. • Permite que conseguir sus metas se transforme en un h´abito. • Convertirse en un autodidacta activo. • Fomenta la habilidad para resolver los problemas mediante estrategias centr´andose en el razonamiento l´ogico, anal´ıtico, y pensamiento cr´ıtico. Esta habilidad es la base de muchos campos cient´ıficos as´ı como de otras ´areas profesionales.

5 1.3 1.3.1

Intencionalidades formativas

Prop´ ositos

• Fundamentar la concepci´on de la rob´otica dentro de la ingenier´ıa y en especial de los procesos de automatizaci´on. • Capacitar a los estudiantes para la comprensi´on y aprehensi´on de los conceptos propios de la rob´otica. • Fomentar en el estudiante las caracter´ısticas que deben identificarlo en su desempe˜ no y actuaci´on a la hora de trabajar con robots. • Desarrollar habilidades para determinar el an´alisis, dise˜ no, programaci´on y manipulaci´on de robots.

1.3.2

Objetivos

• Fundamentar te´oricamente la concepci´on de la rob´otica. • Generar espacios de reflexi´on permanente sobre su capacidad para entender la estructura y el funcionamiento de un robot atendiendo a los modelos matem´aticos para su fundamento y / o explicaci´on. • Aplicar la estrategia adecuada a la hora de dise˜ nar e implementar un robot • Potenciar habilidades, destrezas que permita que el estudiante sea competente a la hora de manipular robots o sea proponente de una soluci´on de automatizaci´on.

1.3.3

Metas

Al terminar el curso el estudiante: • Identificar´a la “estructura” y la forma de “funcionamiento” de un robot.. • Reconocer´a la fundamentaci´on te´orica y conceptual de la rob´otica. Distinguir´a y determinar´a los modelos matem´aticos que la soportan y explican

6 • Al conocer el contexto actual de la rob´otica, podr´a proponer, argumentar e interpretar soluciones a problemas de la vida real que requieran de procesos de automatizaci´on

1.3.4

Competencias

Este curso pretende ofrecer las siguientes competencias a nuestros estudiantes: • Cognitiva: El estudiante podr´a identificar, analizar y proponer soluciones que requieran de Robots industriales que permitan automatizar procesos. Haciendo uso de modelos y tecnolog´ıas vigentes. • Comunicativa: El uso intensivo de las TICs permitir´a al estudiante comunicarse efectivamente usando las medios electr´onicos tales como: foros, correo, blogs, entre otros. • Contextual: El estudiante se apropia de problemas de su entorno desde el punto de vista social, econ´omico y pol´ıtico, para plantear soluciones ingenieriles en beneficio de su comunidad. • Valorativa: El estudiante asume una actitud positiva ante la adquisici´on de conocimientos ingenieriles, teniendo presentes los valores ´eticos y morales como son: el respeto, la conciencia, el trabajo en equipo, el temperamento, la autodisciplina y el sentido de pertinencia.

7 1.4

Unidades did´ acticas

Las figuras 1–2 y 1–3 muestran los contenidos del presente curso.

Figure 1–2: Unidad 1 y Unidad 2.

8

Figure 1–3: Unidad 3.

9 1.5

Mapa Conceptual

Los conceptos tratados en el presente m´odulo se pueden organizar como se observa en la Figura 1–4.

Figure 1–4: Mapa conceptual del curso.

PARTE 2 UNIDAD I CONCEPTOS GENERALES 2.1

Antecedentes hist´ oricos

La palabra robot fue usada por primera vez en el a˜ no 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 dise˜ nar una maquina flexible, adaptable al entorno y de f´acil manejo, George Devol, pionero de la Rob´otica Industrial, patent´o en 1948, un manipulador programable que 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 consist´ıa en un dispositivo mec´anico maestro-esclavo. El manipulador maestro, reproduc´ıa fielmente los movimientos de este. El operador adem´as de poder observar a trav´es de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sent´ıa a trav´es del dispositivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejerc´ıa. A˜ nos mas tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnolog´ıa electr´onica y del servocontrol sustituyendo la transmisi´on mec´anica por el´ectrica y desarrollando as´ı el primer tele manipulador con servocontrol bilateral. Otro de los pioneros de la tele manipulaci´on fue Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en dos brazos mec´anicos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto, posteriormente dise˜ n´o el GE v´ease Figura 2–1. Junto a la industria nuclear, a lo largo de los a˜ nos sesenta la industria submarina comenz´o a interesarse por el uso de los tele manipu ladores. A este inter´es se sumo 10

11 la industria espacial en los a˜ nos setenta. La evoluci´on de los tele manipuladores a lo largo de los u ´ltimos a˜ nos 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 investigadores y usuarios de robots.

Figure 2–1: Robot dise˜ nado por Ralph Mosher. Por su propia concepci´on, 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 d´ıa por la realidad virtual, sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus or´ıgenes. La sustituci´on del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del manipulador robot. La primera patente de un dispositivo robotico fue solicitada en marzo de 1954 por el inventor brit´anico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en

12 el Reino Unido en 1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano, inventor y autor de varias patentes, ´el estableci´o las bases del robot industrial moderno. En 1954 Devol concibi´o la idea de un dispositivo de tr ansferencia de art´ıculos programada que se patent´o dio en paso al Estados concepto Unidos en de 1961. En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingenier´ıa de la divisi´on aeroespacial de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y Engelberger comenzaron a trabajar en la utilizaci´on industrial de sus maquinas, fundando la Consolidated Controls Corporation, que m´as 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 aplicaci´on de fundici´on por inyecci´on. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construcci´on de maquinas similares (Versatran- 1963. En 1968 J.F. Engelberger visito Jap´on y poco m´as tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construcci´on de robots tipo Unimate. El crecimiento de la rob´otica en Jap´on aventaja en breve a los Estados U nidos gracias a Nissan, que formo la primera asociaci´on rob´otica del mundo, la Asociaci´on de Rob´otica industrial de Jap´on (JIRA) en 1972. Dos a˜ nos mas tarde se formo el Instituto de Rob´otica de Am´erica (RIA), que en 1984 cambio su nombre por el de Asociaci´on de Industrias Rob´oticas, manteniendo las mismas siglas (RIA. Por su parte Europa tuvo un despertar m´as tard´ıo. En 1973 la firma sueca ASEA construyo el primer robot con accionamiento totalmente el´ectrico, en 1980 se fundo la Federaci´on Internacional de Rob´otica con sede en Estocolmo Suecia. La configuraci´on de los primeros robots respond´ıa a las denominadas configuraciones esf´erica y antropom´orfica, de uso especialmente valido para la manipulaci´on. En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Jap´on, 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 configuraci´on orientada al ensamblado de piezas La definici´on del robot industrial, como

13 una maquina que puede efectuar un numero diverso de trabajos, autom´aticamente, mediante la programaci´on previa, no es valida, por que existen bastantes maquinas de control num´erico que cumplen esos requisitos. Una peculiaridad de los robots es su estructura de brazo mec´anico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores o herramientas. Otra caracter´ıstica especifica del robot, es la posibilidad de llevar a cabo trabajos completamente diferentes, e incluso tomar decisiones seg´ un la informaci´on procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa operativo en su sistema inform´atico. Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Rob´otica Industrial: 1. El laboratorio ARGONNE dise˜ na, en 1950, manipuladores amo-esclavo para manejar material radioactivo 2. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse, realiza los primeros proyectos de robots a principios de la d´ecada de los sesentas de nuestro siglo, instalando el primero en 1961 y posteriormente, en 1967, un conjunto de ellos en una factor´ıa de general motors. Tres a˜ nos despu´es, se inicia la implantaci´on de los robots en Europa, especialmente en el ´area de fabricaci´on de autom´ovi les. Jap´on comienza a implementar esta tecnolog´ıa hasta 1968. 3. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la tarea de controlar un robot mediante computador 4. En el a˜ no de 1975, la aplicaci´on del microprocesador, transforma la imagen y las caracter´ısticas del robot, hasta entonces grande y costoso 5. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigaci´on, por parte de las empresas fabricantes de robots, otros auxiliares y diversos departamentos de Universidades de todo el mundo, sobre la inform´atica aplicada y la experimentaci´on de los sensores, cada vez mas perfeccionados, potencian la configuraci´on del robot inteligente capaz de adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuarlas para cada situaci´on.

14 La evoluci´on de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En poco mas de 30 a˜ nos las investigaciones y desarrollos sobre rob´otica industrial han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las ´areas productivas y tipos de industria. En peque˜ nas o grandes fabricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas ´areas repetitivas y hostiles, adapt´andose inmediatamente a los cambios de producci´on solicitados por la demand a variable.

2.1.1

Breve Historia de la rob´ otica

Por siglos el ser humano ha construido m´aquinas que imitan las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mec´anicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiraci´on de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidr´aulicos, las cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos mu˜ necos mec´anicos muy ingeniosos que ten´ıan algunas caracter´ısticas de robots. Jacques de Vauncansos construy´o varios m´ usicos de tama˜ no humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataba de robots mec´anicos dise˜ nados para un prop´osito espec´ıfico: la diversi´on. En 1805, Henri Maillardert construy´o una mu˜ neca mec´anica que era capaz de hacer dibujos, v´ease Figura 2–2. Una serie de levas se utilizaban como ’ el programa ’ ´ para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Estas creaciones mec´anicas de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su ´epoca. Hubo otras invenciones mec´anicas durante la revoluci´on industrial, creadas por mente s de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la producci´on textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mec´anica de Crompton (1779), el telar mec´anico de Cartwright (1785),

15

Figure 2–2: Mu˜ neca dibujante dise˜ nada por Henri Maillardert. eltelar de Jacquard (1801), y otros. El desarrollo en la tecnolog´ıa, donde se incluyen las poderosas computadoras electr´onicas, los actuadores de control retroalimentados, transmisi´on de potencia a trav´es de engranes, y la tecnolog´ıa en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos aut´omatas para desempe˜ nar tareas dentro de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la d´ecada de los 50’s. La investigaci´on en inteligencia artificial desarroll´o maneras de emular el procesamiento de informaci´on humana con computadoras electr´onicas e invent´o una variedad de mecanismos para probar sus teor´ıas. No obstante las limitaciones de las m´aquinas rob´oticas actuales, el concepto popular de un robot es que tiene una apariencia humana y que act´ ua como tal. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficci´on. Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossum’s Universal Robots, dio lugar al t´ermino robot. La palabra checa ’Robota’ significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirti´o en el

16 t´ermino robot. Dicha narraci´on se refiere a un brillante cient´ıfico llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia qu´ımica que es similar al protoplasma. Utilizan ´esta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos f´ısicos. Rossum sigue realizando mejoras en el dise˜ no de los robots, elimina ´organos y otros elementos in necesarios, y finalmente desarrolla un ser ”perfecto”. El argumento experimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir con su papel de servidores y se rebelan contra sus due˜ nos, destruyendo toda la vida humana. Entre los escritores de ciencia ficci´on, Isaac Asimov contribuy´o con varias narraciones relativas a robots, comenz´o en 1939, a ´el se atribuye el acu˜ namiento del t´ermino Rob´otica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una m´aquina bien dise˜ nada y con una seguridad garantizada que act´ ua de acuerdo con tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Rob´otica, y son: 1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacci´on, que un ser humano sufra da˜ nos 2. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que est´en en conflictos con la primera ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que est´e en conflicto con las dos primeras leyes. Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano, de ´esta forma su actitud contraviene a la de Kapek. En el siguiente link, se puede profundizar en este tema:

2.1.2

Automatizaci´ on y rob´ otica

La historia de la automatizaci´on industrial est´a caracterizada por per´ıodos de constantes innovaciones tecnol´ogicas. Esto se debe a que las t´ecnicas de automatizaci´on

17 est´an muy ligadas a los sucesos econ´omicos mundiales. El uso de robots industriales junto con los sistemas de dise˜ no asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricaci´on asistidos por computadora (CAM), son la u ´ltima tendencia de au´ tomatizaci´on de los procesos de fabricaci´on. Estas tecnolog´ıas conducen a la automatizaci´on industrial a otra transici´on, de alcances a´ un desconocidos. Aunque el crecimiento del mercado de la industria Rob´otica ha sido lento en comparaci´on con los primeros a˜ nos de la d´ecada de los 80´s, de acuerdo a algunas predicciones, la industria de la rob´otica est´a en su infancia. Ya sea que ´estas predicciones se realicen completamente, o no, es claro que la industria rob´otica, en una forma o en otra, permanecer´a. En la actualidad el uso de los robots industriales est´a concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisi´on. Los an´alisis de mercado en cuanto a fabricaci´on predicen que en ´esta d´ecada y en las posteriores los robots industriales incrementaran su campo de aplicaci´on, esto debido a los avances tecnol´ogicos en sensorica, los cuales permitir´an tareas mas sofisticadas como el ensamble de materiales. la automatizaci´on y la rob´otica son dos tecnolog´ıas estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir la automatizaci´on como una tecnolog´ıa que est´a relacionada con el empleo de sistemas mec´anicos-el´ectricos basados en computadoras para la operaci´on y control de la producci´on. En consecuencia la rob´otica es una forma de automatizaci´on industrial.

Hay tres clases muy amplias de automatizaci´on industrial: automatizaci´on fija, automatizaci´on programable, y automatizaci´on flexible. La automatizaci´on fija se utiliza cuando el volumen de producci´on es muy alto, y por tanto se puede justificar econ´omicamente el alto costo del dise˜ no de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producci´on elevadas. Adem´as de esto,

18 otro inconveniente de la automatizaci´on fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado. La automatizaci´on programable se emplea cuando el volumen de producci´on es relativamente bajo y hay una diversidad de producci´on a obtener. En este caso el equipo de producci´on es dise˜ nado para adaptarse a la variaciones de configuraci´on del producto; ´esta adaptaci´on se realiza por medio de un programa (Software). Por su parte la automatizaci´on flexible es m´as adecuada para un rango de producci´on medio. Estos sistemas flexibles poseen caracter´ısticas de la automatizaci´on fija y de la automatizaci´on programada. Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre s´ı, y por sistemas de almacenamiento y manipulaci´on de materiales, controlados en su conjunto por una computadora. De los tres tipos de automatizaci´on, la rob´otica coincide m´as estrechamente con la automatizaci´on programable.

En tiempos m´as recientes, el control num´erico y la telequerica son dos tecnolog´ıas importantes en el desarrollo de la rob´otica. El control num´erico (NC) se desarroll´o para m´aquinas herramienta a finales de los a˜ nos 40 y principios de los 50´s. Como su nombre lo indica, el control num´erico implica el control de acciones de un m´aquina-herramienta por medio de n´ umeros. Est´a basado en el trabajo original de Jhon Parsons, que concibi´o el empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de posiciones, para controlar los ejes de una m´aquina-herramienta. El campo de la telequerica abarca la utilizaci´on de un manipulador remoto controlado por un ser humano. A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo mec´anico que traduce los movimientos del operador humano en movimientos correspondientes en una posici´on remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la telequerica. En 1948 construy´o un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el Argonne

19

Figure 2–3: Cyril Walter Kenward y George C. Devol. National Laboratory. El empleo m´as frecuente de los teleoperadores se encuentra en la manipulaci´on de sustancias radiactivas, o peligrosas para el ser humano. La combinaci´on del control num´erico y la telequerica es la base que constituye al robot modelo. Hay dos individuos (v´ease Figura 2–3) que merecen el reconocimiento de la confluencia de ´estas dos tecnolog´ıas y el personal que pod´ıa ofrecer en las aplicaciones industriales. El primero fue un inventor brit´anico llamado Cyril Walter Kenward, que solicit´o una patente brit´anica para un dispositivo rob´otico en marzo de 1954. La segunda persona citada es George C. Devol, inventor americano, al que debe atribuirse dos invenciones que llevaron al desarrollo de los robots hasta nuestros d´ıas. La primera invenci´on consist´ıa en un dispositivo para grabar magn´eticamente se˜ nales el´ectricas y reproducirlas para controlar un m´aquina. La segunda invenci´on se denominaba Transferencia de Art´ıculos Programada. En el contexto de la automatizaci´on un robot industrial se puede definir como una m´aquina programable de uso general que tiene algunas caracter´ısticas antropom´orficas

20 o ¨humanoides¨. La m´as relevante es la de sus brazos m´oviles, los que se desplazar´an por medio de secuencias de movimientos que son programados para la ejecuci´on de tareas de utilidad. La definici´on oficial de un robot industrial se pro porciona por la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of Am´erica. ” Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable dise˜ nado para desplazar materiales , piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variables programados para la ejecuci´on de una diversidad de tareas ”. Se espera en un futuro no muy lejano que la tecnolog´ıa en rob´otica se desplace en una direcci´on que sea capaz de proporcionar a ´estas m´aquinas capacidades m´as similares a las humanas.

2.1.3

Clasificaci´ on de los robots

La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del robot dentro de las limitantes del dise˜ no mec´anico y la capacidad de los sensores. Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generaci´on, a su nivel de inteligencia, ´ a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programaci´on. Estas clasificaciones reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada interacci´on de los sensores. La generaci´on de un robot se determina por el orden hist´orico de desarrollos en la rob´otica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales. La tercera generaci´on es utilizada en la industria, la cuarta se desarrolla en los laboratorios de investigaci´on, y la quinta generaci´on es un gran sue˜ no. 1. Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas, como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos robots com´ unmente tienen un control de lazo abierto. 2. Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimientos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores

21 3. Robots controlados por visi´on, donde los robots pueden manipular un objeto al utilizar informaci´on desde un sistema de visi´on. 4. Robots controlados que pueden autom´aticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos obtenidos por los sensores. 5. Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las t´ecnicas de inteligencia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.

La Asociaci´on de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis clases sobre la base de su nivel de inteligencia: 1. Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona. 2. Robots de secuencia arreglada 3. Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia f´acilmente. 4. Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a trav´es de la tarea. 5. Robots de control num´erico, donde el operador alimenta la programaci´on del movimiento, hasta que se ense˜ ne manualmente la tarea 6. Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el medio ambiente.

Los programas en el controlador del robot pueden ser agrupados de acuerdo al nivel de control que realizan: 1. Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptar´a un comando como ”levantar el producto” y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo nivel basados en un modelo estrat´egico de las tareas.

22 2. Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo que se incluye la interacci´on din´amica entre los diferentes mecanismos, trayectorias planeadas, y los puntos de asignaci´on seleccionados. 3. Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los par´ametros de los mecanismos con el uso de una retroalimentaci´on interna de los datos obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de sensores externos. Todas las detecciones de fallas y mecanismos de correcci´on son implementados en este nivel.

En la clasificaci´on final se considerara el nivel del lenguaje de programaci´on. La clave para una aplicaci´on efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programaci´on de robots, aunque la mayor´ıa del software m´as avanzado se encuentra en los laboratorios de investigaci´on. Los sistemas de programaci´on de robots caen dentro de tres clases: 1. Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a trav´es de los movimientos a ser realizados 2. Sistemas de programaci´on de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un programa de computadora al especificar el movimiento. 3. Sistemas de programaci´on de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la operaci´on por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula 2.2

Aplicaciones

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

23 la introducci´on de la tecnolog´ıa rob´otica en la industria, ya ha causado un gran impacto. En este sentido la industria Automotriz desempe˜ na un papel preponderante. Es necesario hacer menci´on de los problemas de tipo social, econ´omicos e incluso pol´ıtico, que puede generar una mala orientaci´on de robotizaci´on de la industria. Se hace indispensable que la planificaci´on de los recursos humanos, tecnol´ogicos y financieros se realice de una manera inteligente. La Rob´otica contribuir´a en gran medida al incremento del empleo. ¿Pero, como se puede hacer esto? al automatizar los procesos en m´aquinas m´as flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma de fabricaci´on de los mismos. Esto puede originar una gran cantidad de empresas familiares (Micro y peque˜ nas empresas ) lo que provocar´ıa la descentralizaci´on de la industria.

2.2.1

Industria

Los robots son utilizados por una diversidad de procesos industriales como lo son: la soldadura de punto y soldadura de arco, pinturas de spray, transportaci´on de materiales, molienda de materiales, moldeado en la industria pl´astica, m´aquinasherramientas, y otras m´as. A continuaci´on se har´a una breve explicaci´on de algunas de ellas.

2.2.2

Transferencia de material

Las aplicaciones de transferencia de material (v´ease Figura 2–4) se definen como operaciones en las cuales el objetivo primario es mover una pieza de una posici´on a otra. Se suelen considerar entre las operaciones m´as sencillas o directas de realizar por los robots. Las aplicaciones normalmente necesitan un robot poco sofisticado, y los requisitos de enclavamiento con otros equipos son t´ıpicamente simples

24

Figure 2–4: Robot tranasportador de material. 2.2.3

Carga y descarga de m´ aquinas

Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot se utiliza para servir a una m´aquina de producci´on transfiriendo piezas a/o desde las m´aquinas. Existen tres casos que caen dentro de ´esta categor´ıa de aplicaci´on: Carga/Descarga de M´aquinas. El robot carga una pieza de trabajo en bruto en el proceso y descarga una pieza acabada. Una operaci´on de mecanizado es un ejemplo de este caso. Carga de m´aquinas. El robot debe de cargar la pieza de trabajo en bruto a los materiales en las m´aquinas, pero la pieza se extrae mediante alg´ un otro medio. En una operaci´on de prensado, el robot se puede programar para cargar l´aminas de metal en la prensa, pero las piezas acabadas se permite que caigan fuera de la prensa por gravedad. Descarga de m´aquinas. La m´aquina produce piezas acabadas a partir de materiales en bruto que se cargan directamente en la m´aquina sin la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la m´aquina. Ejemplos de ´esta categor´ıa incluyen aplicaciones de fundici´on de troquel y moldeado pl´astico. La aplicaci´on se tipifica mejor mediante una c´elula de trabajo con el robot en el centro que consta de la m´aquina de producci´on, el robot y alguna forma de entrega de piezas.

25 2.2.4

Operaciones de procesamiento

Adem´as de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una gran clase de aplicaciones en las cuales el robot realmente efect´ ua trabajos sobre piezas. Este trabajo casi siempre necesita que el efector final del robot sea una herramienta en lugar de una pinza. Por tanto la utilizaci´on de una herramienta para efectuar el trabajo es una caracter´ıstica distinta de este grupo de aplicaciones. El tipo de herramienta depende de la operaci´on de procesamiento que se realiza. • Soldadura por puntos: Como el t´ermino lo sugiere, la soldadura por puntos es un proceso en el que dos piezas de metal se soldan en puntos localizados, al hacer pasar una gran corriente el´ectrica a trav´es de las piezas donde se efect´ ua la soldadura. • Soldadura por arco continua: La soldadura por arco es un proceso de soldadura continua en oposici´on a la soldadura por punto que podr´ıa llamarse un proceso discontinuo. Se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones soldadas en las cuales, a menudo, se necesita un cierre herm´etico entre las dos piezas de metal que se van a unir. El proceso utiliza un electrodo en forma de barra o alambre de metal para suministrar la alta corriente el´ectrica de 100 a 300 amperes • Recubrimiento con spray: La mayor´ıa de los productos fabricados de materiales met´alicos requieren de alguna forma de acabado de pintura antes de la entrega al cliente. La tecnolog´ıa para aplicar estos acabados varia en la complejidad desde m´etodos manuales simples a t´ecnicas autom´aticas altamente sofisticadas. Se dividen los m´etodos de recubrimiento industrial en dos categor´ıas: – M´etodos de recubrimiento de flujo e inmersi´on. – M´etodos de recubrimiento al spray. Los m´etodos de recubrimiento mediante flujo de inmersi´on se suelen considerar que son m´etodos de aplicar pintura al producto de baja tecnolog´ıa. La inmersi´on simplemente requiere sumergir la pieza o producto en un tanque de pintura liquida.

26 2.2.5

Otras operaciones de procesamiento

Adem´as de la soldadura por punto, la soldadura por arco, y el recubrimiento al spray existe una serie de otras aplicaciones de robots que utilizan alguna forma de herramienta especializada como efector final. Operaciones que est´an en ´esta categor´ıa incluyen: Taladro, acanalado, y otras aplicaciones de mecanizado. Rectificado, pulido, desbarbado, cepillado y operaciones similares. Remachado, Corte por chorro de agua. Taladro y corte por l´aser.

2.2.6

Procesos de laboratorio

Los robots est´an encontrando un gran n´ umero de aplicaciones en los laboratorios (v´ease Figura 2–5). Llevan a cabo con efectividad tareas repetitivas como la colocaci´on de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medici´on. En ´esta etapa de su desarrollo los robots son utilizados para realizar procedimientos manuales automatizados. Un t´ıpico sistema de preparaci´on de muestras consiste de un robot y una estaci´on de laboratorio, la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados, racks de tubos de pruebas, etc. Las muestras son movidas desde la estaci´on de laboratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa. Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la operaci´on manual: incrementan la productividad, mejoran la calidad y reducen la exposici´on del ser humano a sustancias qu´ımicas nocivas. Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medici´on del pH, viscosidad, y el porcentaje de s´olidos en pol´ımeros, preparaci´on de plasma humano para muestras , calor, flujo, peso y disoluci´on de muestras para espectrometr´ıas.

27

Figure 2–5: Robot usado en laboratorios. 2.2.7

Manipuladores cinem´ aticos

La tecnolog´ıa rob´otica encontr´o su primer aplicaci´on en la industria nuclear con el desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo. Los robots m´as recientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la inspecci´on de tuber´ıas (v´ease Figura 2–6) en ´areas de alta radiaci´on. El accidente en la planta nuclear de Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimul´o el desarrollo y aplicaci´on de los robots en la industria nuclear. El reactor numero 2 (TMI-2) perdi´o su enfriamiento, y provoc´o la destrucci´on de la mayor´ıa del reactor, y dej´o grandes ´areas del reactor contaminadas, inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles de radiaci´on las tareas de limpieza solo eran posibles por medios remotos. Varios robots y veh´ıculos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin en los lugares donde ha ocurrido una cat´astrofe de este tipo.

28 ´ Esta clase de robots son equipados en su mayor´ıa con sofisticados equipos para detectar niveles de radiaci´on, c´amaras, e incluso llegan a traer a bordo un minilaboratorio para hacer pruebas.

Figure 2–6: Robot usado para explorar tuberias. 2.2.8

Agricultura

Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia ficci´on, pero la realidad es muy diferente; o al menos as´ı parece ser para el Instituto de Investigaci´on Australiano, el cual ha invertido una gran cantidad de dinero y tiempo en el desarrollo de este tipo de robots. Entre sus proyectos se encuentra una m´aquina que esquila ovejas (v´ease Figura 2–7.) La trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas se planea con un modelo geom´etrico de la oveja. Para compensar el tama˜ no entre la oveja real y el modelo, se tiene un conjunto de sensores que registran la informaci´on de la respiraci´on del animal como de su mismo tama˜ no, ´esta es mandada a una computadora que realiza las compensaciones necesarias y modifica la trayectoria del cortador en tiempo real. Debido a la escasez de trabajadores en los obradores, se desarrolla otro proyecto, que consiste en hacer un sistema automatizado de un obrador, el prototipo requiere un alto nivel de coordinaci´on entre una c´amara de v´ıdeo y el efector final que realiza en menos de 30 segundos ocho cortes al cuerpo del cerdo. Por su parte en Francia se hacen aplicaciones de tipo experimental para incluir a los

29 robots en la siembra, y poda de los vi˜ nedos, como en la pizca de la manzana.

Figure 2–7: Robot usado para esquilar ovejas. 2.2.9

Espaciales

La exploraci´on espacial posee problemas especiales para el uso de robots (v´ease Figura 2–8). El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un equipo de protecci´on muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio. Muchos cient´ıficos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de Robots para continuar con los avances en la exploraci´on espacial; pero como todav´ıa no se llega a un grado de automatizaci´on tan precisa para ´esta aplicaci´on, el ser humano a´ un no ha podido ser reemplazado por estos. Por su parte, son los teleoperadores los que han encontrado aplicaci´on en los transbordadores espaciales. En Marzo de 1982 el transbordador Columbia fue el primero en utilizar este tipo de robots, aunque el ser humano participa en la realizaci´on del control de lazo cerrado. Algunas investigaciones est´an encaminadas al dise˜ no, construcci´on y control de veh´ıculos aut´onomos, los cuales llevar´an a bordo complejos laboratorios y c´amaras muy sofisticadas para la exploraci´on de otros planetas. En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del Lunokhod 1, el cual

30 pose´ıa c´amaras de televisi´on, sensores y un peque˜ no laboratorio, era controlado remotamente desde la tierra. En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recog´ıa muestras de piedra, tierra y otros elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue acondicionado en el interior del robot. Por supuesto tambi´en contaba con un equipo muy sofisticado de c´amaras de v´ıdeo.

Figure 2–8: Robot usado para exploraciones espaciales. 2.2.10

Vehiculos submarinos

Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el inter´es de los veh´ıculos submarinos. En el primero - Un avi´on de la Air Indian se estrell´o en el Oc´eano Atl´antico cerca de las costas de Irlanda u n veh´ıculo submarino guiado remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para encontrar y recobrar la caja negra del avi´on. El segundo fue el descubrimiento del Titanic en el fondo de un ca˜ n´on, donde hab´ıa permanecido despu´es del choque con un iceberg en 1912, cuatro kil´ometros abajo de la superficie. Un veh´ıculo submarino fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo. En la actualidad muchos de estos veh´ıculos submarinos se utilizan en la inspecci´on y mantenimiento de tuber´ıas que conducen petr´oleo, gas o aceite en las plataformas oce´anicas; en el tendido e inspecci´on del cableado para comunicaciones, para investigaciones geol´ogicas y geof´ısicas en el suelo marino.

31 La tendencia hacia el estudio e investigaci´on de este tipo de robots se incrementar´a a medida que la industria se interese a´ un m´as en la utilizaci´on de los robots, sobra mencionar los beneficios que se obtendr´ıan si se consigue una tecnolog´ıa segura para la exploraci´on del suelo marino y la explotaci´on del mismo.

2.2.11

Educaci´ on

Los robots est´an apareciendo en los salones de clases de tres distintas formas. Primero, los programas educacionales utilizan la simulaci´on de control de robots como un medio de ense˜ nanza. Un ejemplo palpable es la utilizaci´on del lenguaje de programaci´on del robot Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es utilizado por la introducci´on a la ense˜ nanza de la programaci´on. El segundo y de uso m´as com´ un es el uso del robot tortuga en conjunci´on con el lenguaje LOGO para ense˜ nar ciencias computacionales. LOGO fue creado con la intenci´on de proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en el aprendizaje de las matem´aticas. En tercer lugar est´a el uso de los robots en los salones de clases. Una serie de manipuladores de bajo costo, robots m´oviles, y sistemas completos han sido desarrollados para su utilizaci´on en los laboratorios educacionales. Debido a su bajo costo muchos de estos sistemas no poseen una fiabilidad en su sistema mec´anico, tienen poca exactitud, no tienen sensores y en su mayor´ıa carecen de software.

2.3

El mercado de la rob´ otica y las perspectivas futuras

Las ventas anuales para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos a raz´on del 25% de acuerdo a estad´ısticas del a˜ no 1981 a 1992. El incremento de ´esta tasa se debe a factores muy diversos. En primer lugar, hay m´as personas en la industria que tienen conocimiento de la tecnolog´ıa y de su potencial para sus aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnolog´ıa de la rob´otica mejorar´a en

32 los pr´oximos a˜ nos de manera que har´a a los robots m´as amistosos con el usuario, m´as f´aciles de interconectar con otro hardware y m´as sencillos de instalar. En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles econom´ıas de escala en la producci´on de robots para proporcionar una reducci´on en el precio unitario, lo que har´ıa los proyectos de aplicaciones de robots m´as f´aciles de justificar. En cuarto lugar se espera que el mercado de la rob´otica sufra una expansi´on m´as all´a de las grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para ´esta tecnolog´ıa, y llegue a las empresas de tama˜ no mediano, peque˜ no y ¿por qu´e no?; las microempresas. Estas circunstancias dar´an un notable incremento en las bases de clientes para los robots. La rob´otica es una tecnolog´ıa con futuro y tambi´en para el futuro. Si contin´ uan las tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigaci´on en el laboratorio actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnolog´ıa factible, los robots del futuro ser´an unidades m´oviles con uno o m´as brazos, capacidades de sensores m´ ultiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de c´alculo que las grandes computadoras actuales. Ser´an capaces de responder a ´ordenes dadas con voz humana. As´ı mismo ser´an capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas, con el uso de la inteligencia artificial en un conjunto espec´ıfico de acciones requeridas para llevarlas a cabo. Podr´an ver, o´ır, palpar, aplicar una fuerza media con precisi´on a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros robots tendr´ıan muchos de los atributos de los seres humanos. Es dif´ıcil pensar que los robots llegar´an a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de Carel Kapek, Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la rob´otica es una tecnolog´ıa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo, como otras tecnolog´ıas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse salvaguardas para no permitir su uso pernicioso.

33 El paso del presente al futuro exigir´a mucho trabajo de ingenier´ıa mec´anica, ingenier´ıa electr´onica, inform´atica, ingenier´ıa industrial, tecnolog´ıa de materiales, ingenier´ıas de sistemas de fabricaci´on y ciencias sociales.

2.4

Subsistemas del robot

Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticaci´on, depende de la perspectiva con que se mire. Un t´ecnico en mantenimiento puede ver un robot como una colecci´on de componentes mec´anicos y electr´onicos; por su parte un ingeniero en sistemas puede pensar que un robot es una colecci´on de subsistemas interrelacionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una m´aquina para ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una m´aquina capaz de realizar un tarea espec´ıfica. En contraste, un cient´ıfico puede pensar que un robot es un mecanismo que ´el construye para probar una hip´otesis. Un robot puede ser descompuesto en un conjunto de subsistemas funcionales: procesos, planeaci´on, control, sensores, sistemas el´ectricos, y sistemas mec´anicos. El subsistema de Software es una parte impl´ıcita de los subsistemas de sensores, planeaci´on, y control; que integra todos los subsistemas como un todo. En la actualidad, muchas de las funciones llevadas a cabo por los subsistemas son realizadas manualmente, o de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en estos campos permitir´an la automatizaci´on de dichas tareas. El Subsistema de Procesos incluye las tareas que lleva acabo el robot, el medio ambiente en el cual es colocado, y la interacci´on entre este y el robot. Este es el dominio de la ingenier´ıa aplicada. Antes de que un robot pueda realizar una tarea, ´esta debe ser buscada dentro de una secuencia de pasos que el robot pueda ejecutar. La tarea de b´ usqueda es llevada acabo por el Subsistema de Planeaci´ on, el cu´al incluye los modelos de procesos inteligente s, percepci´on y planeaci´on. En el modelo de procesos, los datos que se obtienen de una variedad de sensores son fusionados

34 (Integraci´on Sensorial) con modelos matem´aticos de las tareas para formar un modelo del mundo. Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepci´on selecciona la estrategia para ejecutar la tarea. Estas estrategias son convertidas dentro de los programas de control de el robot durante el proceso de planeaci´on. Estos programas son ejecutados por el Subsistema de Control; en este subsistema, los comandos de alto nivel son convertidos en referencias para actuadores f´ısicos, los valores retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los algoritmos de control estabilizan el movimiento de los elementos f´ısicos. Al realizar ´esta tarea los mecanismos son modelados, el proceso es modelado, la ganancia de lazo cerrado puede ser adaptada, y los valores medidos son utilizados para actualizar los procesos y los modelos de los mecanismos. Desde el subsistema de control se alimentan las referencias de los actuadores al Subsistema El´ ectrico el cu´al incluye todos los controles el´ectricos de los actuadores. Los actuadores hidr´aulicos y neum´aticos son usualmente manejados por electrov´alvulas controladas. Tambi´en, este subsistema contiene computadoras, interfaces, y fuentes de alimentaci´on. Los actuadores manejan los mecanismos en el Subsistema Mec´ anico para operar en el medio ambiente, esto es, realizar una tarea determinada. Los par´ametros dentro del robot y del medio ambiente son monitoreados por el Subsistema de Sensores; ´esta informaci´on se utiliza como retroalimentaci´on en las ganancias de lazo cerrado para detectar potencialmente las situaciones peligrosas, para verificar que las tareas se realizan correctamente, y para construir un modelo del mundo.

35 2.5 2.5.1

Robot Industrial

Definici´ on

Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definici´on formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japon´es y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. As´ı, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mec´anico dotado de articulaciones m´oviles destinado a la manipulaci´on, el mercado occidental es m´as restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. En segundo lugar, y centr´andose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea com´ un acerca de lo que es un robot industrial, no es f´acil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definici´on formal. Adem ´as, la evoluci´on de la rob´otica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definici´on. La definici´on mas com´ unmente aceptada posiblemente sea la de la Asociaci´on de Industrias Rob´oticas (RIA), seg´ un la cual: Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, seg´ un trayectorias variables, programadas para realizar diversas. Esta definici´on, ligeramente modificada, ha sido ad optada por la Organizaci´on Internacional de Est´andares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales seg´ un trayectorias tareas variables programadas para realizar tareas diversas.

Se incluye en esta definici´on la necesidad de que e l robot tenga varios grados de libertad. Una definici´on m´as completa es la establecida por la Asociaci´on Francesa de Normalizaci´on (AFNOR) que define primero el manipulador y, bas´andose en dicha definici´on el robot:

36 Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre s´ı, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo l´ogico. Robot: manipulador autom´atico servo controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, u ´tiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectoria variables reprogramables, para la ejecuci´on de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una mu˜ neca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepci´on del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera c´ıclica, pudi´endose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material

Por ultimo, la Federaci´on Internacional de Rob´otica (IFR) distingue entre robot industrial de manipulaci´on y otros robots: Por robot industrial de manipulaci´on se entiende a una maquina de manipulaci´on autom´atica, reprogramable y multifuncional con tres o m´as ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecuci´on de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producci´on industrial, ya sea en una posici´on fija o en movimiento. En esta definici´on se debe entender que la reprogramabilidad y multifunci´on se consigue sin modificaciones f´ısicas del robot. Com´ un en todas las definiciones anteriores es la aceptaci´on del robot industrial como un brazo mec´anico con capacidad de manipulaci´on y que incorpora un control m´as o menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto m´as amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas de forma autom´atica en sustituci´on de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto u ´ltimo lo m´as frecuente.

37

Figure 2–9: Robot manipulador. 2.5.2

Clasificaci´ on de robots industriales

La maquinaria para la automatizaci´on r´ıgida dio paso al robot con el desarrollo de controladores r´apidos, basados en el microprocesador, as´ı como un empleo de servos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posici´on real de los elementos del robot y establecer el error con la posici´on deseada. Esta evoluci´on ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuaci´on:

• Manipuladores: Son sistemas mec´anicos multifunci´onales (v´ease Figura 2–9), con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos: – Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador. – De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado previamente. – De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caracter´ısticas de los ciclos de trabajo. Existen muchas operaciones b´asicas que pueden ser realizadas ´optimamente mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas. • Robots de aprendizaje: Son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso

38 de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el operario en la fase de ense˜ nanza, se vale de una pistola de programaci´on con diversos pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniqu´ı, o a veces, desplaza directamente la mano del robot.Los robots de aprendizaje son los mas conocidos, hoy d´ıa, en los ambientes industriales y el tipo de programaci´on que incorporan, recibe el nombre de ”gestual”. • Robots computador: Son manipuladores o sistemas mec´anicos 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 aplicaci´on utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programaci´on se le denomina textual y se crea sin la intervenci´on con control por del manipulador. Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el mercado r´apidamente, lo que exige la preparaci´on urgente de personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo inform´atico. • Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, adem´as, son capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a trav´es 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 m´as efectivos, al mismo tiempo que m´as asequibles. La visi´on artificial, el sonido de m´aquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que m´as est´an estudiando para su aplicaci´on en los robots inteligentes.

39 • Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigaci´on, existen numerosos robots de formaci´on o micro-robots a un precio muy asequible y, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicaci´on industrial. Por otra parte la AFRI, sostiene que hay cuatro tipos de robots: 1. Tipo A: Manipulador con control manual o telemando. 2. Tipo B: Manipulador autom´atico con ciclos preajustados; regulaci´on mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neum´atico, el´ectrico o hidr´aulico. 3. Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno. 4. Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en funci´on de estos. Otra forma de clasificar los robots es propuesta por la IFR: 1. Robot secuencial 2. Robot de trayectoria controlable 3. Robot Adaptativo 4. Robot Manipulado Por u ´ltimo y con el fin de dar una visi´on del posible futuro, se presentaron en forma clasificada, buena parte de los diversos tipos de robots que se puedan encontrar hoy en d´ıa. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los casos m´as futuristas est´an en estado de desarrollo en los centros de investigaci´on de rob´otica.

Robots de servicio y teleoperados En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como: Dispositivos o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mec´anicos independientes, controlados por un programa ordenador y que realizan tareas no industriales de servicio.

40 En esta definici´on entrar´ıan entre otros los robots dedicados a cuidados m´edicos, educaci´on, dom´esticos, uso en oficinas, intervenci´on en ambientes peligrosos, aplicaciones aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definici´on de robots de servicio excluye los tele espaciales, manipuladores, pues estos no se mueven mediante el control de un programa ordenador, sino que est´an controlados directamente por el operador humano.

Los robots teleoperados son dispositivos rob´oticos con brazos manipuladores y sensores con cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador humano de manera directa o a trav´es de un ordenador. Definidos por la NASA como Telerobots. El dise˜ no de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y aplican las tecnolog´ıas para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las aplicaciones terrestres. Las ´areas actuales de investigaci´on y desarrollo incluyen: • El manipulador y el mando del robot m´ovil • Las arquitecturas del telerobot remotas • Procesado, integraci´on, y fusi´on, del sistema sensorial. • Tareas interactivas que planea y ejecuta • La visualizaci´on gr´afica de las im´agenes sobrepuestas • Multisensor - el mando equilibrado. • Micromecanismos - control para el despliegue de los instrumentos 2.6

Morfolog´ıa del Robot

En general, un robot interactua con su entorno tal y como se muestra en la Figura 2–10, A continuaci´on se describen las caracter´ısticas mofol´ogicas m´as relevantes propias de los robots y se proporcionan valores concretos de las mismas, para determinados modelos y aplicaciones.

41

Figure 2–10: Diagrama de bloque de un robot. 2.6.1

Grados de Libertad

El numero de grados de libertad que tiene un brazo robot es el numero de magnitudes que pueden variarse independientemente -por lo general coincide con el numero de articulaciones moviles- Se necesitan tres grados de libertad para posicionar el efector terminal dentro de un entorno de trabajo tridimensional. Se necesitan otros tres para dirigir el efector terminal hacia cualquier direccion. En la figura 2–11, se muestra un robot con 6 grados de libertad q1, q2, q3, q4, q5 y q6, este numero es el que generalmente posee un robot industrial.

Figure 2–11: Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. 2.6.2

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, caracter´ıstica fundamental en las fases de selecci´on e implantaci´on del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en

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

2.6.3

Capacidad de carga

El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes, incluyendo el peso de la propia garra. En modelos de robots ind´ ustriales, la capacidad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de carga es una de las caracter´ısticas que m´as se tienen en cuenta en la selecci´on de un robot, seg´ un la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es com´ un precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.

2.6.4

Problemas a enfrentar

Algunos aspectos a tener en cuenta en el dise˜ no y programaci´on de robots son: Resoluci´ on el uso de sistemas digitales, y otros factores que s´olo son un n´ umero limitado de posiciones que est´an disponibles. As´ı el usuario ajusta a menudo las coordenadas a la posici´on discreta m´as cercana. La cinem´ atica el error modelado el modelo de la cinem´atica del robot no empareja al robot exactamente. Como resultado los c´alculos de ´angulos de la juntura requeridos contienen un error peque˜ no. Los errores de la calibraci´ on La posici´on determinada durante la calibraci´on puede estar apagada ligeramente, mientras se est´a produciendo un error en la posici´on calculada. Los errores del azar - los problemas se incrementan conforme el robot opera. Por ejemplo, fricci´on, torcimiento estructural, la expansi´on termica, la repercusi´on

43 negativa / la falla en las transmisione s, etc. pueden causar las variaciones en la posici´on. 2.6.5

Exactitud y Repetibilidad

Exactitud de un punto Mide la distancia entre la posici´on especificada, y la posici´on real del efector de extremo de robot. • ¿C´omo el robot consigue llegar al punto deseado? • Cobra mayor importancia cuando se realiza off-line (programando), porque se usan las coordenadas absolutas. Repetibilidad Es una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente para una sola posici´on. • ¿C´omo el movimiento del robot permite llegar a la misma posici´on, con el mismo movimiento hecho en ocasiones anteriores? • La repetibilidad de punto es a menudo m´as peque˜ na que la exactitud. En la Figura 2–12 si quisieramos mover el efector final a cierto punto donde se encuentra la pieza de trabajo, entonces el robot solamente podr´ıa acercarse al objeto posicion´andose en el punto direccionable m´as pr´oximo. En otras palabras, no podr´ıa colocarse exactamente en la posici´on requerida.

Figure 2–12: Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 2.6.6

Resoluci´ on

La Resoluci´on de punto est´a basada en un n´ umero limitado de puntos que el robot puede alcanzar, por ejemplo en la Figura 2–13 se muestran como los puntos negros.

44 Estos puntos est´an t´ıpicamente separados por un mil´ımetro o menos, dependiendo del tipo de robot. Por ejemplo si un usuario solicitara una posici´on como 456.4mm, y el sistema s´olo puede mover al mil´ımetro m´as cercano, 456mm, el error resultante de exactitud es de 0.4mm.

Figure 2–13: Esquema para definir la resoluci´on de un robot industrial. La Cinem´atica de punto y errores de la calibraci´on son b´asicamente el cambio en los puntos en el espacio de trabajo que producen un error e (v´ease Figura 2–14). T´ıpicamente las caracter´ısticas t´ecnicas del vendedor asumen esa calibraci´on y los errores modelados son cero.

Figure 2–14: Esquema para visualizar el error de posici´on. Los puntos al azar son errores que impedir´an al robot volver a la misma situaci´on exacta cada tiempo, y esto puede modelarse con una distribuci´on de probabilidad normal sobre cada punto.

45 2.6.7

Precisi´ on en la repetibilidad

Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repetici´on de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se deba realizar, la precisi´on en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor. As´ı por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha caracter´ıstica ha de ser menor a +-0.1mm. En soldadura, pintura y manipulaci´on de piezas, la precisi´on en la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones de mecanizado, la precisi´on ha de ser menor de 1mm. 2.6.8

La resoluci´ on del mando

La resoluci´on espacial es el incremento m´as peque˜ no de movimiento en que el robot puede dividir su volumen de trabajo. La resoluci´on espacial depende de dos factores: los sistemas que controlan la resoluci´on y las inexactitudes mec´anicas de los robots. Control de la resoluci´ on es determinado por el sistema de mando de posici´on del robot y su sistema de medida de regeneraci´on. Es la habilidad de los controladores de dividir el rango total de movimiento en incrementos individuales que pueden dirigirse en el controlador. Los incrementos a veces son llamados ”el direccionamiento parte” esto depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando. El n´ umero de incrementos separados, identificables para un eje particular se muestra en (2.2):

#incrementos = 2n

(2.1)

Por ejemplo - Para un robot con 8 bits, la resoluci´on de mando de extremo puede dividir un rango del movimiento en 256 posiciones discretas. 2.6.9

Velocidad

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

46 muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja 2.6.10

Coordenadas de los movimientos

La estructura del manipulador y la relaci´on entre sus elementos proporcionan una configuraci´on mec´anica, que da origen al establecimiento de los par´ametros que hay que conocer para definir la posici´on y orientaci´on del elemento terminal. Fundamentalmente, existen cuatro estructuras cl´asicas en los manipuladores, que se relacionan con los correspondientes modelos de coordenadas (v´ease Figura 2–15), en el espacio y que se citan a continuaci´on: • Cartesianas • Cilindricas • Polares • Angulares

Figure 2–15: Configuraciones b´asicas y coordenadas.

47 2.6.11

Brazos del robot

Tipos de junturas los tipos de junturas b´asicos se muestran en la Figura 2–16

Figure 2–16: Tipos de junturas usadas. Tipos de actuadores Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser, seg´ un la energ´ıa que consuman, de tipo hidr´aulico, neum´atico o el´ectrico. Los actuadores de tipo hidr´aulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energ´ıa que emplean, se construyen con mec´anica de precisi´on y su coste es elevado. Los robots hidr´aulicos, se dise˜ nan formando un conjunto compacto conformado por la central hidr´aulica, la cabina electr´onica de control y el brazo del manipulador. La energ´ıa neum´atica dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta, junto a un bajo coste, pero su empleo est´a siendo sustituido por elementos el´ectricos. Los motores el´ectricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el campo de la Rob´otica, por su gran precisi´on en el control de su movimiento y las

48 ventajas inherentes a la energ´ıa el´ectrica que consumen.

2.6.12

Programabilidad

La inclusi´on del controlador de tipo microelectr´onico en los robots industriales, permite la programaci´on del robot de muy diversas formas. En general, los modernos sistemas de robots admiten la programaci´on manual, mediante un modulo de programaci´on. La programaci´on gestual y textual, controlan diversos aspectos del funcionamiento del manipulador: • Control de la velocidad y la aceleraci´on • Saltos de programa condicionales • Temporizaciones y pausas • Edici´on, modificaci´on, depuraci´on y ampliaci´on de programas • Funciones de seguridad • Funciones de sincronizaci´on con otras maquinas. • Uso de lenguajes espec´ıficos de Rob´otica 2.6.13

Estructura mec´ anica de un robot

Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mec´anica, 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 tecnolog´ıas semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con caracter´ısticas especificas. Mec´anicamente, un robot est´a formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones (junturas) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constituci´on f´ısica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatom´ıa del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer

49 referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan t´erminos como cuerpo, brazo, codo y mu˜ neca (v´ease Figura 2–17).

Figure 2–17: Analogia entre un brazo humano y uno rob´otico. El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con caracter´ısticas a tener en cuenta tanto en el dise˜ no y construcci´on del robot como en su aplicaci´on. Las combinaciones m´as frecuentes son con tres articulaciones y que son las m´as 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 par´ametros, tres para definir la posici´on y tres para la orientaci´on, 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 pr´actica, a pesar de ser necesarios los seis grados de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientaci´on 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 tambi´en casos opuestos, en los que se precisan m´as de seis grados de libertad para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. As´ı, si se trabaja en un entorno con obst´aculos, el dotar al robot de grados de libertad

50 adicionales le permitir´a acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obst´aculos, no hubieran llegado con seis grados de libertad. Otra situaci´on frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando as´ı el volumen de su espacio de trabajo. Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante. Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales s´olidos de un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos. TCP El Punto de Centro de herramienta (TCP) como en la Figura 2–18, localiza en el robot la herramienta. T´ıpicamente el TCP se usa al referirse a la posici´on de los robots, as´ı como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podr´ıa estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en el cartesiano, cil´ındrico, esf´erico, etc., coordenadas que dependen del robot.

Figure 2–18: Punto de centro de la herramienta. El espacio de trabajo El robot tiende a tener una geometr´ıa fija, y limitada. El espacio de trabajo es el l´ımite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano como una gr´ ua mostrada en la Figura 2–19 los espacios de trabajo podr´ıan ser un

51 cuadrado, para los robots m´as sofisticados los espacios podr´ıan ser de una forma esferica.

Figure 2–19: Espacio de trabajo. La velocidad se refiere a la velocidad m´axima que es lograble por el TCP, o por las junturas individuales. Este n´ umero no es exacto en la mayor´ıa de los robots, y variar´a encima del espacio de trabajo como la geometr´ıa del robot cambia (y de los efectos din´amicos).

La carga u ´ til La carga u ´til indica la masa m´axima que el robot puede alcanzar antes de cualquier fracaso de los robots, o p´erdida dram´atica de exactitud. Es posible exceder la carga u ´til m´axima, y todav´ıa tiene el robot, que operar, pero esto no se aconseja. Cuando el robot est´a acelerando r´apidamente, la carga u ´til debe estar menos de la masa m´axima. Esto es afectado por la habilidad de agarrar la parte firmemente, as´ı como la estructura del robot, y el actuador. El extremo de brazo al laborar con herramienta debe ser considerado parte de la carga u ´til.

Tiempo de establecimiento Durante un movimiento, el robot se mueve r´apidamente, pero como los acercamientos del robot la posici´on final se reduce la velocidad, y los acercamientos. El tiempo

52 de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una distancia dada de la u ´ltima posici´on.

2.6.14

Transmisiones y reductores

Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluir´an 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 Las transmisiones (v´ease Figura 2–20 y 2–21)son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluir´an 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 m´aximo su momento de inercia. Del mismo modo, los pares est´aticos que deben vencer los actuadores dependendirectamente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que los actuadores, por lo general pesados, est´en lo mas cerca posible de la base del robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmisi´on que trasladen el movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del robot. As´ı mismo, 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 articulaci´on. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la generalidad que en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de transmisi´on

53 junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones Es de esperar que un buen sistema de transmisi´on cumpla con una serie de caracter´ısticas b´asicas: debe tener un tama˜ no y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.

Figure 2–20: Tipos de transmisiones.

Figure 2–21: Engranajes Circular-Circular. Las transmisiones m´as habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en ´estas se encuentran los engranajes (v´ease Figura 2–21), las correas dentadas y las cadenas. Reductores En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, s´ı existen determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe

54 a que a los reductores utilizados en rob´otica se les exigen unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas caracter´ısticas viene motivada por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisi´on y velocidad de posicionamiento. La Figura 2–22 muestra valores t´ıpicos de los reductores para rob´otica actualmente empleados.

Figure 2–22: Caracteristicas de los reductores. Se buscan reductores de bajo peso, reducido tama˜ no, bajo rozamiento y que al mismo tiempo sean capaces de realizar una reducci´on elevada de velocidad en un u ´nico paso. Se tiende tambi´en a minimizar su momento de inercia, de negativa influencia en el funcionamiento del motor, especialmente cr´ıtico en el caso de motores de baja inercia. Los reductores, por motivos de dise˜ no, tienen una velocidad m´axima admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tama˜ no del motor. Tambi´en existe una limitaci´on en cuanto al par de entrada nominal permisible (T2 ) que depende del par de entrada (T1 ) y de la relaci´on de transmisi´on a trav´es de la relaci´on:

T2 = ηT1



ω2 ω1



(2.2)

Donde el rendimiento, η, puede llegar a ser cerca del 100%, y la relaci´on de reducci´on de velocidades (ω1 = velocidad de entrada; ω2 = velocidad de salida) var´ıa entre 50

55 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 eleva´ dos puntuales. Tambi´en se busca que el juego angular sea lo menor posible. Este se define como el ´angulo 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 rob´otica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aqu´el gire un ´angulo unidad.

2.6.15

Actuadores

Los actuadores tienen como misi´on generar el movimiento de los elementos del robot seg´ un las ordenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes grupos, seg´ un la energ´ıa que utilizan: • Hidraulicos • Neumaticos • El´ectricos Los actuadores neum´aticos utilizan el aire comprimido como fuente de energ´ıa y son muy indicados en el control de movimientos r´apidos, pero de precisi´on limitada. Los motores hidr´aulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulaci´on de velocidad. Los motores el´ectricos son los m´as utilizados, por su f´acil y preciso control, as´ı como por otras propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energ´ıa el´ectrica.

56 Cada uno de estos sistemas presenta caracter´ısticas diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador m´as conveniente. Las caracter´ısticas a considerar son, entre otras: • Potencia • Controlabilidad • Peso • Volumen • Precisi´on • Velocidad • Mantenimiento • Costo 2.6.16

Neum´ aticos

En ellos la fuente de energ´ıa es aire a presi´on entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de actuadores neum´aticos: Cilindros El movimiento se consigue con el desplazamiento de un ´embolo encerrado en un cilindro como consecuencia de la diferencia de presi´on a ambos lados de aqu´el. Los cilindros neum´aticos pueden ser de simple o de doble efecto. En los primeros, el ´embolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presi´on, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al ´embolo a su posici´on en reposo) v´ease Figura 2–23. En los cilindros de doble efecto el aire a presi´on es el encargado de empujar al ´embolo en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos c´amaras. Normalmente, con los cilindros neum´aticos s´olo se persigue un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. Esto u ´ltimo se puede conseguir con una v´alvula de distribuci´on (generalmente de accionamiento directo) que canaliza el aire a presi´on hacia una de las dos caras del embolo alternativamente. Existen, no obstante, sistemas de posicionamiento

57 continuo de accionamiento neum´atico, aunque debido a su coste y calidad todav´ıa no resultan competitivos. Motores (v´ease Figura 2–24). El movimiento de rotaci´on de un eje se consigue mediante aire a presi´on. Los dos tipos m´as 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 ente las fuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado. Otro m´etodo com´ un m´as sencillo de obtener movimientos de rotaci´on a partir de actuadores neum´aticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo ´embolo se encuentra acoplado a un sistema de pi˜ n´on-cremallera. En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neum´aticos no consiguen una buena precisi´on 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 alg´ un robot. Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con alg´ un tipo de accionamiento neum´atico deber´a disponer de una instalaci´on de aire comprimido, incluyendo: compresor, sistema de distribuci´on (tuber´ıas, electro v´alvulas), filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neum´aticas son frecuentes y existen en muchas de las f´abricas donde se da cierto grado de automatizaci´on.

Figure 2–23: Cilindro neum´atico.

58

Figure 2–24: Motor neum´atico de paleta. 2.6.17

Hidr´ aulicos

Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neum´aticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una presi´on comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, lleg´andose en ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el caso de los neum´aticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y pistones. Sin embargo, las caracter´ısticas del fluido utilizado en los actuadores hidr´aulicos marcan ciertas diferencias con los neum´aticos. En primer lugar, el grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que la precisi´on obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es m´as f´acil en ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un intervalo de valores (haciendo uso del servocontrol) con notable precisi´on. Adem´as, las elevadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neum´aticos, permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares. Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas est´aticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presi´on ejercida sobre una superficie, sin aporte de energ´ıa (para mover el embolo de un cilindro ser´ıa preciso vaciar este de aceite). Tambi´en es destacable su eleva capacidad de carga y relaci´on potencia-peso, as´ı como sus caracter´ısticas de auto lubricaci´on y robustez.

59 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 instalaci´on. Asimismo, esta instalaci´on es mas complicada que la necesaria para los actuadores neum´aticos y mucho m´as que para los el´ectricos, necesitando de equipos de filtrado de part´ıculas, eliminaci´on de aire, sistemas de refrigeraci´on y unidades de control de distribuci´on. Los accionamientos hidr´aulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben manejar grandes cargas (de 70 a 205kg). 2.6.18

El´ ectricos

Las caracter´ısticas de control, sencillez y precisi´on de los accionamientos el´ectricos han hecho que sean los mas usados en los robots industriales actuales. Dentro de los actuadores el´ectricos pueden distinguirse tres tipos diferentes: • Motores de corriente continua (DC). Servomotores • Motores paso a paso • Motores de corriente alterna (AC) Motores de corriente continua Son los m´as usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posici´on (Encoder) para poder realizar su control. Los motores de DC (v´ease Figura 2–25) est´an constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua: El inductor, tambi´en denominado devanado de excitaci´on, esta situado en el estator y crea un campo magn´etico de direcci´on fija, denominado excitaci´on. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinaci´on de la corriente circulante por ´el y del campo magn´etico de excitaci´on. Recibe la corriente del exterior a trav´es del colector de delgas , en el que se apoyan unas escobillas de grafito.

60

Figure 2–25: Motor DC. Para que se pueda dar la conversi´on de energ´ıa el´ectrica en energ´ıa mec´anica de forma continua es necesario que los campos magn´eticos del estator y del rotor (v´ease Figura 2–26) permanezcan est´aticos entre s´ı. Esta transformaci´on es m´axima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura.

Figure 2–26: Motor DC vista de rotor y estator. Al aumentar la tensi´on del inducido aumenta la velocidad de la m´aquina. Si el motor est´a alimentado a tensi´on constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo el flujo de excitaci´on. Pero cuanto m´as d´ebil sea el flujo, menor ser´a el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la tensi´on del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro. En los controlados por excitaci´on se act´ ua al contrario. Adem´as, en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro

61 originado por la realimentaci´on intr´ınseca que posee a trav´es 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 excitaci´on se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evitan fluctuaciones del mismo. Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Adem´as, para disminuir la inercia que poseer´ıa 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 t´ermica, lo que aumenta los problemas de calentamiento por sobrecarga. Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante referencias de ve´ locidad. Estas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentaci´on de velocidad anal´ogica que se cierra mediante una electr´onica espec´ıfica (accionador del motor). Se denominan entonces servomotores. Motores paso a paso. A diferencia de los Motores-CC que giran a todo lo que dan cuando son conectados a la fuente de alimentaci´on, los Motores-PaP solamente giran un ´angulo determinado, los primeros s´olo disponen de dos terminales de conexi´on, mientras los otros pueden tener 4, 5 o 6, seg´ un el tipo de motor que se trate, por otro lado los motores de corriente continua no pueden quedar enclavados en una sola posici´on, mientras los motores paso a paso s´ı. Los motores paso a paso son com´ unmente utilizados en situaciones en que se requiere un cierto grado de precisi´on, El ´angulo de giro de estos motores es muy variado pasando desde los 90o hasta los 1.8o e incluso 0.72o , cada ´angulo de giro, (tambi´en llamado paso) se efect´ ua enviando un pulso en uno de sus terminales, es decir que por ejemplo en motores que tienen 90o de giro por paso, se requiere 4 pulsos para

62 dar una vuelta completa, mientras que en los de 1,8o se necesitan 200 pulsos, y en los otros son necesarios 500. Los Motores-PaP suelen ser clasificados en dos tipos, seg´ un su dise˜ no y fabricaci´on pueden ser Bipolares o Unipolares como se puede apreciar en la Figura 2–27

Figure 2–27: Motores paso a paso Mientras los unipolares disponen de dos bobinas independientes los Bipolares parecieran tener 4 debido al terminal central que es el com´ un de cada par de bobinas. Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar adem´as de forma continua, con velocidad variable, como motores s´ıncronos, ser sincronizados entre s´ı, obedecer a secuencias complejas de funcionamiento, etc. Se trata al mismo tiempo de motores muy ligeros, fiables, y f´aciles de controlar pues al ser cada estado de excitaci´on del estator estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad de sensores de realimentaci´on. Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajas velocidades no es suave, y que existe el peligro de perdida de una posici´on por trabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas y presentan un limite en el tama˜ no que pueden alcanzar. Se emplean para el posicionado de ejes que no precisan grandes potencias (giro de pinza) o para robots peque˜ nos (educacionales ); Tambi´en son muy utilizados en dispositivos perif´ericos del robot, como mesas de coordenadas.

63 Motores de corriente alterna Este tipo de motores no ha tenido aplicaci´on en la rob´otica hasta hace unos a˜ nos, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las maquinas s´ıncronas hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores: 1. La construcci´on de los motores sincronos sin escobillas 2. En los motores sincronos la velocidad de giro depende u ´nicamente de la frecuencia de la tensi´on que alimenta el inducido. Para poder variar esta precisi´on, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. 3. El motor sincrono autopilotado excitado con un im´an permanente, tambi´en llamado motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a que no posee escobillas y tiene una gran capacidad de evacuaci´on de calor, ya que los devanados est´an en contacto directo con la carcasa. En el caso de los motores as´ıncronos, no se ha conseguido resolver satisfactoriamente los problemas de control que presentan. Esto ha hecho que hasta el momento no tengan aplicaci´on en rob´otica.

Por ultimo, en la Figura 2–28 se presenta un paralelo entre los actuadores estudiados.

Figure 2–28: Paralelo entre actuadores usados en rob´otica

64 2.6.19

Sensores internos

Para conseguir que un robot realice su tarea con la adecuada precisi´on, velocidad e inteligencia, ser´a preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como el estado de su entorno. La informaci´on relacionada con su estado (fundamentalmente la posici´on de sus articulaciones ) la consigue con los denominados sensores internos, mientras que la que se refiere al estado de su entorno, se adquiere con los sensores externos. A continuaci´on se describir´an algunos tipos de sensores de posici´on: Encoders incrementales. Para el control de posici´on angular se emplean fundamentalmente los denominados encoders y resolvers. Los potenci´ometros dan bajas prestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia). Los encoders incrementales en su forma m´as simple, estan compuestos por un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre s´ı; un sistema de iluminaci´on en el que la luz es colimada de forma correcta, y un elemento fotorreceptor. El eje cuya posici´on se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposici´on a medida que el eje gire se ir´a generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posici´on del eje. Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un momento dado se est´a realizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que supone no estar contando adecuadamente. Una soluci´on a este problema consiste en disponer de otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el tren de pulsos que con ella se genere este desplazado 90◦ el´ectricos con respecto al generado por la primera franja. Es necesario adem´as disponer de una marca de referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo. Esta marca sirve tambi´en para poder comenzar a contar tras recuperarse de una ca´ıda de tensi´on. La resoluci´on de este tipo de sensores depende directamente del numero de marcas que se pueden poner

65 f´ısicamente en el disco. Un m´etodo relativamente sencillo para aumentar esta resoluci´on es, contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulsos, y tambi´en los de bajada, incrementando as´ı la resoluci´on del captador, pudi´endose llegar, con ayuda de circuitos adicionales, hasta 100,000 pulsos por vuelta. Encoders abolutos El funcionamiento b´asico de los codificadores o encoders absolutos es similar al de los increm´entales. Se tiene una fuente de luz con las lentes de adaptaci´on correspondientes, un disco graduado y unos fotorreceptores. En este caso, el disco transparente se divide en un numero determinado de sectores (potencia de 2), codific´andose cada uno de ellos seg´ un un c´odigo binario c´ıclico (normalmente c´odigo Gray) que queda representado por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente. No es necesario ahora ning´ un contador o electr´onica adicional para detectar el sentido del giro, pues cada posici´on (sector) es codificado de forma absoluta. Su resoluci´on es fija, y vendr´a dada por el numero de anillos que posea el disco graduado. Resoluciones habituales van desde 2(exp.)8 a 2(exp.)19 bits (desde 256 a 524,288 posiciones distintas). Resolvers tambi´en llamados sincros (v´ease Figura 2–29). Se trata de sensores anal´ogicos con resoluci´on te´oricamente infinita. El funcionamiento de los resolvers se basa en la utilizaci´on de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, generalmente con 400Hz, y por dos bobinas fijas situadas a su alrededor El giro de la bobina m´ovil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas vari´e, consiguiendo que la se˜ nal resultante en estas dependa del seno del ´angulo de giro. La bobina m´ovil excitada con tensi´on V sen(ωt) y girada un ´angulo φ induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones: V1 = V sen (ωt) sen (φ)

(2.3)

V1 = V sen (ωt) cos (φ) Para poder tratar al sistema de control la informaci´on generada por los resolvers es necesario convertir las se˜ nales anal´ogicas en digitales. Para ello se utilizan

66 los llamados convertidores resolver-resolver/digital (r/d), que tradicionalmente se basan en dos tipos de estructuras distintas (traking) y (muestreo sampling). Entre sus ventajas destacan su buena robustez mec´anica durante el funcionamiento y su inmunidad a contaminaci´on, humedad, altas temperaturas y vibraciones. Debido a su reducido momento de inercia, imponen poca carga mec´anica del funcionamiento del eje. Comparaci´on entre distintos sensores de posici´on angular.

Figure 2–29: Resolver 2.6.20

Sensores externos

El empleo de mecanismos de detecci´on exteriores permite a un robot interactuar con su medio ambiente de una manera flexible. Aunque esto est´a bastante lejos de la forma m´as predominante de funcionamiento de los robots industriales actuales, la utilizaci´on de la tecnolog´ıa de detecci´on para proporcionar a las m´aquinas un mayor grado de inteligencia en su relaci´on con su ambiente es, en realidad, un tema activo de investigaci´on y desarrollo en el campo de la rob´otica. Un robot que puede ”ver” y ”sentir” es m´as f´acil de entrenar en la ejecuci´on de tareas complejas mientras que, al mismo tiempo, exige mecanismos de control menos estrictos que las m´aquinas preprogramadas. La funci´on de los sensores del robot puede dividirse en dos categor´ıas principales: estado interno operan con la detecci´on de variables, tales como la posici´on de la

67 articulaci´on del brazo, que se utiliza para el control del robot y estado externo operan con la detecci´on de variables tales como alcance, la proximidad y el contacto. Los sensores de estado externo pueden clasificarse tambi´en como sensores de contacto o no contacto. Como su nombre lo indica, la primera clase de sensores responde al contacto f´ısico, tal como el tacto, deslizamiento y torsi´on. Los sensores de no contacto se basan en la respuesta de un detector a las variaciones en la radiaci´on electromagn´etica o ac´ ustica. Los ejemplos m´as destacados de los sensores de no contacto miden alcance, la proximidad y las propiedades visuales de un objeto. Los sensores de fuerza y de torsi´on se utilizan como dispositivos de realimentaci´on para controlar la manipulaci´on de un objeto una vez que se haya agarrado (por ejemplo, para evitar el aplastamiento del objeto o para impedir su deslizamiento Detecci´ on de alcance Estos sensores se utilizan en rob´otica para obtener informaci´on asociada con el contacto entre una mano manipuladora y objetos en el espacio de trabajo. Cualquier informaci´on puede utilizarse, por ejemplo, para la localizaci´on y el reconocimiento del objeto, as´ı como para controlar la fuerza ejercida por un manipulador sobre un objeto dado. Los sensores de contacto pueden subdividirse en dos categor´ıas principales: binarios y anal´ogicos. Los sensores binarios son esencialmente conmutadores que responden a la presencia o ausencia de un objeto. Por el contrario los sensores anal´ogicos proporcionan a la salida una se˜ nal proporcional a una fuerza local. Estos dispositivos se examinan con m´as detalle a continuaci´on. Detecci´ on de torsi´ on Los sensores de fuerza y de torsi´on se utilizan principalmente para medir las fuerzas de reacci´on desarrolladas en la superficie de separaci´on entre conjuntos mec´anicos. Los m´etodos principales para realizar esta operaci´on son los de detecci´on de articulaci´on y mu˜ neca. Un sensor de articulaci´on mide los componentes cartesianos de la fuerza y de la torsi´on que act´ ua sobre una articulaci´on de robot y la suma de forma vectorial. La mayor´ıa de los sensores de

68 fuerza de mu˜ neca funcionan como transductores para transformar las fuerzas y los momentos ejercidos en la mano en desviaci´on o desplazamientos medibles en la mu˜ neca. Es importante que los movimientos de mu˜ neca generados por el sensor de fuerza no afecten a la exactitud del posicionamiento del manipulador Detecci´ on de proximidad

• Sensores inductivos: Los sensores basados en un

cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto met´alico est´an entre los sensores de proximidad industriales de m´as frecuente uso. El principio de funcionamiento de estos sensores consiste fundamentalmente de una bobina arrollada, situada frente a un im´an permanente empaquetado en un recept´aculo simple y robusto. • Sensores de efecto hall: El efecto Hall relaciona la tensi´on entre dos puntos de un material conductor o semiconductor con un campo magn´etico a trav´es del material. Cuando se utilizan por si mismos, los sensores de efecto Hall solo pueden detectar objetos magnetizados. Empleados en conjunto con un im´an, son capaces de detectar todos los materiales ferromagn´eticos. • Sensores capacitivos: Son potencialmente capaces (con diversos grados de sensibilidad) de detectar todos los materiales s´olidos y l´ıquidos. Como su nombre indica, estos sensores est´an basados en la detecci´on de un cambio en la capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento sensor. • Sensores Ultras´onicos: La respuesta de todos los sensores de proximidad hasta ahora examinados depende, en gran medida, del material objeto de la detecci´on. Esta dependencia puede reducirse mucho utilizando sensores ultras´onicos. Examinaremos ahora el funcionamiento de estos sensores e ilustraremos su empleo para detecci´on de proximidad. El elemento b´asico es un transductor electroac´ ustico, frecuentemente del tipo cer´amico piezoel´ectrico.

69 La capa de resina protege el transductor contra la humedad, polvo y otros factores ambientales y tambi´en act´ ua como un adaptador de impedancia ac´ ustica. puesto que el mismo transductor se suele utilizar para la transmisi´on y la recepci´on, un amortiguamiento r´apido de la energ´ıa ac´ ustica es necesario para detectar objetos a peque˜ na distancia. Esta operaci´on realiza proporcionando absorvedores ac´ usticos y desacoplando el transductor de su recept´aculo. Este ultimo esta dise˜ nado de modo que produzca un haz ac´ ustico estrecho para una eficaz transferencia de energ´ıa y una mejor direccionalidad de la se˜ nal. ´ • Opticos: Los sensores de proximidad ´opticos son similares a los sensores ultras´onicos en el sentido de que detectan la proximidad de un objeto por su influencia sobre una onda propagadora que se desplaza desde un transmisor hasta un receptor. Sensores de contacto

• Sensores Binarios: Como se indico anteriormente, los

sensores binarios son dispositivos de contacto, tales como microinterruptores. En la disposici´on m´as simple, un conmutador esta situado en la superficie interior de cada dedo de una mano de manipulaci´on. Este tipo de detecci´on es de utilidad para determinar si una pieza esta presente entre los dedos. Desplazando la mano sobre un objeto y establecido secuencialmente contacto con su superficie, tambi´en es posible centrar la mano sobre el objeto para su agarre y manipulaci´on. • Sensores Anal´ogicos:Un sensor anal´ogico es un dispositivo manejable cuya salida es proporcional a una fuerza local. El m´as simple de estos dispositivos esta constituido por una varilla accionada por resorte que esta mec´anicamente enlazada con un eje giratorio, de tal manera que el desplazamiento de la varilla es debido a la fuerza lateral dada. • Triangulaci´on:En este procedimiento un objeto se ilumina por un haz de luz, que barre toda la superficie. El movimiento de barrido est´a en el plano definido

70 por la l´ınea desde el objeto hasta el detector y por la l´ınea desde el detector hasta la fuente. Si el detector se enfoca sobre una peque˜ na parte de la superficie,entonces cuando el detector ve la mancha, su distancia puede calcularse a partir de la geometr´ıa, puesto que se conocen el ´angulo de la fuente con la l´ınea de base y la distancia entre la fuente y el detector. • M´etodo de iluminaci´on estructural:Este m´etodo consiste en proyectar una configuraci´on de luz sobre un conjunto de objetos y en utilizar la distorsi´on de la configuraci´on para calcular el alcance. • Tel´emetro de tiempo de vuelo: El concepto general consiste en emitir una se˜ nal (l´aser o de ultrasonidos, frecuencias altas), y calcular la distancia por medio de ecuaciones o interpretadores de las variaciones que estas se˜ nales sufren al regresar al emisor. Estos sistemas presentan limitaciones en la resoluci´on, por lo que generalmente son utilizados para navegaci´on y para evitar obst´aculos.

PARTE 3 ´ ´ UNIDAD II. CINEMATICA Y DINAMICA DEL ROBOT La cinem´atica del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sistema de referencia. As´ı, la cinem´atica se interesa por la descripci´on anal´ıtica del movimiento espacial del robot como una funci´on del tiempo, y en particular por las relaciones entre la posici´on y la orientaci´on del extremo final del robot con los valores que toman sus coordenadas articulares. Existen dos problemas fundamentales para resolver la cinem´atica del robot, el primero de ellos se conoce como el problema cinem´atico directo, y consiste en determinar cu´al es la posici´on y orientaci´on del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los par´ametros geom´etricos de los elementos del robot, el segundo denominado problema cinem´atico inverso resuelve la configuraci´on que debe adoptar el robot para una posici´on y orientaci´on del extremo conocidas. Denavit y Hartenberg propusieron un m´etodo sistem´atico para descubrir y representar la geometr´ıa espacial de los elementos de una cadena cinem´atica, y en particular de un robot, con respecto a un sistema de referencia fijo. Este m´etodo utiliza una matriz de transformaci´on homog´enea para descubrir la relaci´on espacial entre dos elementos r´ıgidos adyacentes, reduci´endose el problema cinem´atico directo a encontrar una matriz de transformaci´on homog´enea 4X4 que relacione la localizaci´on espacial del robot con respecto al sistema de coordenadas de su base.

71

72 Por otra parte, la cinem´atica del robot trata tambi´en de encontrar las relaciones entre las velocidades del movimiento de las articulaciones y las del extremo (v´ease Figura 3–1). Esta relaci´on viene dada por el modelo diferencial expresado mediante la matriz Jacobiana.

Figure 3–1: Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles. 3.1

Conceptos b´ asicos

Los conceptos que se pretenden describir en esta secci´on nos permitir´an comprender mejor la cinem´atica de un robot. 3.1.1

Posici´ on y orientaci´ on en el plano

Este problema es frecuente en el estudio de robots m´oviles que navegan por terrenos planos. En este caso se necesitan dos coordenadas y un ´angulo de orientaci´on. Sup´ongase un sistema de coordenadas fijo al que se designar´a como sistema {A}. La posici´on con respecto a este sistema se representar´a mediante un vector de posici´on

73 A

P , tal como se ilustra en la Figura 3–2, cuyas componentes son las coordenadas de

este punto (v´ease ecuaci´on 3.1).

Figure 3–2: Vector de coordenadas en el plano

A





 px  P =  py

(3.1)

Este sistema tiene como vectores unitarios a XA y YA . Otra posible forma de expresar las coordenadas de un punto con respecto a un sistema de referencia es mediante el empleo de coordenadas polares, como se ilustra en la Figura 3–3. En este caso las coordenadas son la distancia al origen r y el ´angulo θ que forma el vector con el eje XA .

Figure 3–3: Coordenadas polares Consid´erese tambi´en otro sistema de coordenadas con vectores unitarios XB y YB , como se muestra en la Figura 3–4. La direcci´on del vector YB forma un ´angulo θ con el vector YA . Obs´ervese que si por ejemplo, se trata de localizar un robot m´ovil

74 que se desplaza en el plano, este segundo sistema puede ser solidario al robot con YB en la orientaci´on del robot.

Figure 3–4: localizaci´on de un objeto en posici´on y orientaci´on Si se expresan los vectores unitarios del sistema {B} en el {A}, se escribir´a A XB ,

A

YB .Estos dos vectores se disponen seg´ un las columnas de una matriz (v´ease

Ecuaci´on 3.2).

A BR

=



A

XB

A

YB







 r11 r12  =  r21 r22

(3.2)

A la que se le conoce como matriz de rotaci´on. Este tipo de matrices es muy importante en los modelos empleados en rob´otica. Obs´ervese que si el ´angulo de orientaci´on es θ, de la Figura 3–4se deduce la Ecuaci´on 3.3    cos θ −senθ  A  BR =  senθ cos θ

(3.3)

Teniendo en cuenta que los vectores son ortonormales, puede escribirse tambi´en la Ecuaci´on 3.4 A BR

T −1 =B =B AR AR

(3.4)

Sup´ongase que el sistema {B} tiene sus vectores coincidentes con los de {A}, como se ilustra en la Figura 3–5. Este problema se presentar´ıa por ejemplo cuando el robot

75 se desplazara sin cambiar de orientaci´on. El origen del sistema {B} se localizar´a con respecto al {A} mediante el vector de la Ecuaci´on 3.5

Figure 3–5: Traslaci´on del sistema de coordenadas

A

PORGB =



A

PxORGB

A

PyORGB

T

(3.5)

Por tanto las coordenadas de un punto cualquiera del plano en los dos sistemas est´an relacionados mediante la Ecuaci´on 3.6 A A

Px = B Px + A PxORGB B

(3.6)

A

Py = Py + PyORGB

Expresiones en las cuales las componentes de los vectores pueden sumarse por estar estos vectores en la misma direcci´on. Las Ecuaciones 3.6 definen la transformaci´on de traslaci´on del sistema de coordenadas. Sup´ongase ahora que el origen del sistema {B} coincide con el del {A} pero la orientaci´on es diferente, como se ilustra en la Figura 3–6. Esta circunstancia se presenta al estudiar movimientos de rotaci´on. Asimismo, este ser´ıa el caso cuando el sistema de referencia {A}, se desplazara con el robot pero mantuviera su orientaci´on constante, mientras el sistema {B} adem´as de desplazarse con el robot girara tambi´en con ´el. En este caso las coordenadas expresadas en el sistema {A} en funci´on de las del {B} vienen dadas por la Ecuaci´on 3.7.

76

A A

Px = B XA .B P B

(3.7)

B

Py = YA . P

Expresi´on en la cual el punto indica el producto escalar. N´otese como 3.7 indican las proyecciones del vector A P que define el punto sobre los ejes unitarios del sistema que se toma como referencia. Estas expresiones pueden escribirse de forma compacta en la ecuaci´on 3.8

A



 B P =A BR P = 

B B

XAT YAT



B  P

(3.8)

Figure 3–6: Rotaci´on del sistema de coordenadas En general, en el cambio de sistemas de coordenadas existir´an tanto traslaciones como rotaciones. Ejemplo 1 Un robot m´ovil provisto de sensores de proximetr´ıa detecta un obst´aculo a una distancia d en la direcci´on de marcha (v´ease Figura 3–7). Se sabe que el ´angulo de orientaci´on del robot en el instante de medida es θ. Se trata de determinar las coordenadas absolutas del obst´aculo con respecto a un sistema de ejes de referencia solidario al veh´ıculo pero con la misma orientaci´on del sistema absoluto.

77

Figure 3–7: Detecci´on de un obst´aculo desde un robot m´ovil

De acuerdo con la Figura anterior, podemos plantear que:

B

P =



0 d

T

;

B

XA =



cos θ −senθ

T

;

B

YA =



senθ cos θ

T

Recordemos que B XA y B YA son vectores unitarios. Por consiguiente:

A

Pxobs = B XA .B P = −d senθ;

A

Pyobs = B YA .B P = d cos θ

Figure 3–8: Cambio de sistema de referencia en navegaci´on de robots m´oviles

Consid´erese ahora la situaci´on que se ilustra en la Figura 3–8. Se supone que el sistema {A} est´a fijo y, en el instante en que se toma la medida, el robot est´a situado con respecto a {A} en unas coordenadas (xrobot , yrobot ) el obstaculo se encuentra con

78 respecto al sistema {A} en: A

Pxobs = xrobot + B XA .B P = xrobot − d senθ

A

Pyobs = yrobot + B YA .B P = yrobot + d cos θ

Fijemonos que hemos hecho una rotaci´on y una traslaci´on de coordenadas. Ejemplo 2 Consid´erese ahora un manipulador plano con una articulaci´on de traslaci´on y otra de rotaci´on como el que se muestra en la Figura 3–9.

Figure 3–9: Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano

Sean d y θ las variables de la primera y la segunda articulaci´on. Las coordenadas respecto la sistema {A} est´an relacionadas con las coordenadas del sistema {B} seg´ un se muestra a continuaci´on: B


Px + l cos θ − py senθ;

A

Px =

A

Py = B Py cos θ + B Px senθ + lsenθ;

79 3.1.2

Posici´ on y orientaci´ on en el espacio

En el ´ambito de la rob´otica resulta imprescindible representar las posiciones y orientaciones en el espacio.

Figure 3–10: Posici´on en el espacio Sea A P el vector de posici´on en un sistema {A}, tal como se ilustra en la Figura 3–10, para un veh´ıculo aut´onomo. En este caso la Ecuaci´on que nos representa esto es 3.9: 



 px    A  P = p  y    pz

(3.9)

Siendo px ,py , y pz las coordenadas. Lo anterior al usar coordenadas cartesianas, sin embargo sabemos que un punto en el espacio tambi´en se puede representar en coordenadas cil´ındricas tal como se muestra en la Figura 3–11. En este caso las coordenadas son la distancia r, el ´angulo θ y la distancia z entre el punto y el plano XA YA . Las dos primeras tienen el mismo significado que las coordenadas polares mencionadas en la secci´on anterior. Por u ´ltimo en la Figura 3–12se muestran las coordenadas esf´ericas. La orientaci´on de un cuerpo se describe mediante el sistema de coordenadas {B} solidario al cuerpo. Si se desea representar la orientaci´on con respecto a un sistema

80

Figure 3–11: Posici´on en el espacio con coordenadas cil´ındricas

Figure 3–12: Posici´on en el espacio con coordenadas esf´ericas de referencia {A}, el problema consiste simplemente en expresar {B} con respecto a {A}. Sean XB ,YB y ZB los vectores unitarios en la direcci´on de los ejes del sistema de coordenadas {B}. Si se desea expresar estos vectores respecto al sistema {A}, se escribir´a A XB ,A YB y A ZB . En este caso la matriz de rotaci´on es la mostrada en la Ecuaci´on 3.10:

A BR =



A

XB

A

YB

A

ZB





 r11 r12 r13  =  r21 r22 r23  r31 r32 r33

     

(3.10)

Para concluir con lo anterior, se debe mencionar que la localizaci´on de un cuerpo (posici´on y orientaci´on) en el espacio, se determina mediante cuatro vectores de tres elementos, formando tres de ellos la matriz de rotaci´on A B R del sistema {B} que se mueve solidario al solido r´ıgido con respecto a un sistema de referencia {A}, y el cuarto la posici´on del origen A PORGB del sistema {B} solidario al cuerpo, expresada en el sistema de referencia {A}, como se ilustra en la Figura 3–13.

81

Figure 3–13: Posici´on y orientaci´on en el espacio En la mayor parte de los problemas de rob´otica es necesario realizar cambios entre sistemas de referencia en el espacio. As´ı, en robots manipuladores convencionales, los modelos del manipulador involucran cambios entre sistemas asociados a las diferentes articulaciones de la cadena cinem´atica para describir la posici´on y orientaci´on del extremo del manipulador con relaci´on a la base. Tal como se ha visto previamente, estas transformaciones consisten esencialmente en traslaciones y rotaciones. Suponiendo que {A} y {B} tienen la misma orientaci´on, la traslaci´on puede expresarse mediante la Ecuaci´on 3.11:

A

P = B P + A PORGB

(3.11)

Como se ilustra en la figura 3–14. Obs´ervese que los dos vectores de la derecha de la expresi´on pueden sumarse debido a que ambos sistemas de referencia tienen la misma orientaci´on. La rotaci´on puede expresarse mediante la Ecuaci´on 3.12. A BR

T −1 =B =B AR AR

(3.12)

Igualdades que se justifican teniendo en cuenta que las columnas son vectores ortonormales. En t´erminos de estos vectores puede escribirse la Ecuaci´on 3.13.

A BR

=



A

XB

A

YB

A

ZB





  =  

B

XAT

B

YAT

B

ZAT

     

(3.13)

82

Figure 3–14: Cambio de sistemas de referencia en el espacio

Suponiendo que los or´ıgenes de {A} y {B} son coincidentes, puede escribirse la Ecuaci´on 3.14:

A

B P =A BR P

(3.14)

Si se recuerda que los componentes de B P pueden considerarse como las proyecciones del vector que define el punto en los vectores unitarios que definen el sistema de referencia, se tiene la Ecuaci´on 3.15 A

Px = A XA .B P

A

Py = A YA .B P

A

Pz = A ZA .B P

(3.15)

Expresiones en las cuales el punto indica el producto escalar. Como ya se mencion´o, en un caso general se involucran tanto traslaciones como Q Q rotaciones. Si A y B son respectivamente los vectores A P y B P extendidos una

componente de valor 1 podemos definir en la Ecuaci´on 3.16:

A

Y



A





B



 P  BY  P  = = ;  1 1

(3.16)

83 Puede escribirse tambi´en la ecuaci´on 3.17 A

Donde: A BT

Y 

 =

=A BT

A BR

000

B

A

Y

(3.17)



PORGB   1

(3.18)

Es una matriz de 4X4 a la que se denomina matriz de transformaci´ on homog´enea. Esta matriz es u ´til para expresar de forma compacta la rotaci´on (submatriz 3X3 superior izquierda) y la traslaci´on (vector columna 3X1 formado por los tres primeros elementos de la cuarta columna). 3.1.3

Transformaciones compuestas

En numerosos problemas de rob´otica es necesario involucrar transformaciones compuestas generadas mediante una serie de operaciones elementales de traslaci´on o rotaci´on. Por tanto resulta natural asociar un sistema de referencia diferente a cada articulaci´on de un manipulador. Si se desea conocer la localizaci´on de la pinza situada en el extremo del u ´ltimo enlace, es necesario estudiar la transformaci´on compuesta que relaciona este extremo con la base del manipulador. Consid´erese por ejemplo la transformaci´on compuesta que se muestra en la Figura 3–15. Se supone que {C} es conocido con respecto a {B} y {B} con respecto a {A}. por consiguiente si se tiene que C P y se desea obtener A P , se proceder´a seg´ un B

P =B CT

C

P

A

P =A BT

B

P

(3.19)

Sustituyendo la primera en la segunda:

A

siendo

B C A C P =A BT C T P = CT P

(3.20)

84

A CT

B =A BT C T

(3.21)

una transformaci´on compuesta que puede expresarse mediante la matriz homog´enea:

A CT



 =

A B B RC R

000

A B B R PORGC

1



+ A PORGB  

(3.22)

Figure 3–15: Transformaciones compuestas Ejemplo Consid´erese un robot manipulador con dos articulaciones que se mueve en el plano con dos grados de libertad, tal como se muestra en la Figura 3–16.

Figure 3–16: Manipulador plano con dos articulaciones de rotaci´on

85 En este caso se asocia un cuadro de referencia a cada articulaci´on, tal como se indica en la Figura. Las matrices de rotaci´on correspondientes son: 

 cos θ1 −senθ1  0  cos θ1 1 R =  senθ1  0 0   cos θ2 −senθ2  1  cos θ2 2 R =  senθ2  0 0

La transformaci´on compuesta viene dada por:



0   0    1  0   0    1

(3.23)

(3.24)





 cos θ1 cos θ2 − senθ1 senθ2 − cos θ1 senθ2 − senθ1 cos θ2 0    0 1 0  cos θ1 cos θ2 − senθ1 senθ2 0  2 R = 1 R2 R =  senθ1 cos θ2 + cos θ1 senθ2    0 0 1 (3.25) Simplificaremos la notaci´on escribiendo si en lugar de senθi , ci en lugar de cosθi , y cos (θ1 + θ2 ) = c1 c2 − s1 s2 = c12

(3.26)

sen (θ1 + θ2 ) = c1 s2 + s1 c2 = s12 Por consiguiente, la expresi´on anterior se ecribir´a 



 c12 −s12 0    0 1 0  c12 0  2 R = 1 R2 R =  s12    0 0 1

(3.27)

Por u ´ltimo, en esta secci´on se describir´a el problema t´ıpico en el ambiente de la rob´otica: Sup´ongase que un manipulador rob´otico provisto de una pinza {H} en su extremo agarra un objeto {O} definido con respecto a un sistema de referencia {M} asociado a una mesa. La situaci´on de los sistemas de referencia se ilustra en

86 la Figura 3–17. Se suponen conocidas

B HT ,

que describe la localizaci´on del sistema

de referencia {H} asociado a la pinza del manipulador con respecto a la base,

B MT

que describe el sistema de referencia {M} asociado a la mesa con respecto al de la base {B}, y

M OT

que describe el sistema de referencia {O} asociado al objeto con

respecto al de la mesa {M}.

Figure 3–17: Representaci´on de ecuaciones de transforamci´on Se trata de obtener la posici´on y orientaci´on del objeto con respecto a los dedos del manipulador. La localizaci´on del objeto con respecto a la base viene dada por

B OT

=B MT

M OT

(3.28)

Por otra parte, la localizaci´on del objeto puede expresarse como

B OT

=B HT

H OT

(3.29)

Por consiguiente, igualando el lado derecho de ambas ecuaciones, puede obtenerse la posici´on y orientaci´on del objeto con respecto a la pinza del manipulador mediante:

H OT

−1 =B HT

B M MTO T

(3.30)

87 Aunque hay otras formas diferentes de representar la orientaci´on, estas quedan para investigaci´on del estudiante. 3.2

Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H)

Un robot articulado puede describirse usando cuatro magnitudes asociadas a cada articulaci´on. Una de estas es la variable de la articulaci´on y las restantes son parametros fijos para cada robot.

Figure 3–18: Asignaci´on de ejes de referencia a articulaciones consecutivas En la Figura 3–18 se ilustran los parametros que permiten definir una representaci´on de las relaciones de traslaci´on y rotaci´on entre los enlaces adyacentes. As´ı, la variable de una articulaci´on i de rotaci´on se representar´a mediante el ´angulo θi y la de una prism´atica mediante el desplazamiento di . Los otros dos parametros de la articulaci´on son la distancia ai−1 entre el eje de la articulaci´on i − 1 y el eje de la articulaci´on i, medida sobre la l´ınea perpendicular com´ un y el ´angulo αi−1 entre estos dos ejes (´angulo entre las proyecciones de los dos ejes en un plano cuya normal es la perpendicular com´ un) medido como rotaci´on alrededor de la perpendicular com´ un hasta coincidir las direcciones de los ejes. Cuando el eje i − 1 y el eje i intersectan, el valor del parametro ai es cero. Las cadenas cinem´aticas se describir´an indicando los cuatro parametros de D-H de las articulaciones. En la primera articulaci´on de la cadena, el valor de los parametros a0 y α0 es arbitrario y se toma como cero.

88 Si la articulaci´on es de rotaci´on, el parametro di se toma tambi´en cero. Cuando la articulaci´on es prism´atica, el parametro θi se hace igual cero. Los sistemas de referencia se asignan haciendo coincidir uno de los ejes del sistema de coordenadas, t´ıpicamente el Zi , con el eje de la articulaci´on. El origen de {i} se escoge en el punto en que la l´ınea sobre la que se define ai intersecta el eje de la articulaci´on i. El eje Xi se elige en la direcci´on de la perpendicular com´ un entre el eje de la articulaci´on y la siguiente. Para elegir el eje Yi se sigue la regla de la mano derecha. Por consiguiente, ai y αi resultan ser respectivamente la distancia desde Zi hasta Zi+1 y el ´angulo entre estos dos ejes medida sobre el eje Xi . El signo de αi ser´a positivo si al llevar Zi sobre Zi+1 por el camino m´as corto, el sentido que resulte de aplicar la regla de la mano derecha es el mismo que el del vector Xi . As´ı mismo, di y θi son, respectivamente la distancia desde xi−1 hasta Xi y el ´angulo entre estos dos ejes medidos sobre el eje Zi . El signo de θi ser´a positivo si al llevar Xi−1 sobre Xi por el camino m´as corto, el sentido que resulte de aplicar la regla de la mano derecha es el mismo que el del vector Zi . El sistema de referencia {0} se elige de forma que Z0 coincide con Z1 cumpli´endose siempre que a0 = α0 = 0. Cuando la u ´ltima articulaci´on es de rotaci´on, el sistema de referencia {n} se elige con la direcci´on de Xn alineada con Xn−1 cuando θn = 0. Si {n} es prism´atica, su origen se elige en la intersecci´on entre su eje y Xn−1 cuando dn = 0. Por u ´ltimo, recordemos que la idea es representar la articulaci´on {i} con respecto a {i-1} y que cada transformaci´on puede definirse seg´ un tres par´ametros y una variable de articulaci´on. Por todo lo anterior, la aplicaci´on de los parametros de D-H, permite solucionar un problema cinem´atico directo (v´ease siguiente secci´on) al usar la matriz de transformaci´on 3.31, para cada articulaci´on en la cadena cinem´atica

89 



cθi −sθi 0 ai−1      sθi cαi−1 cθi cαi−1 −sαi−1 −sαi−1 di    i−1  i T =   sθ sα cαi−1 d    i i−1 cθi sαi−1 cαi−1   0 0 0 1

(3.31)

Donde s significa seno y c coseno. 3.3

El problema cinem´ atico directo

Se utiliza fundamentalmente el ´algebra vectorial y matricial para representar y describir la localizaci´on de un objeto en el espacio tridimensional con respecto a un sistema de referencia fijo. Dado que un robot puede considerar como una cadena cinem´atica formada por objetos r´ıgidos o eslabones unidos entre s´ı mediante articulaciones, se puede establecer un sistema de referencia fijo situado en la base del robot y describir la localizaci´on de cada uno de los eslabones con respecto a dicho sistema de referencia. De esta forma, el problema cinem´atico directo se reduce a encontrar una matriz homog´enea de transformaci´on T que relacione la posici´on y orientaci´on del extremo del robot respecto del sistema de referencia fijo situado en la base del mismo. Esta matriz T ser´a funci´on de las coordenadas articulares. Para construir un modelo directo de un robot con ”n” articulaciones es necesario definir un sistema de referencia solidario a cada segmento y elegir sus parametros, considerando lo propuesto por Denavit-Hartenberg. A partir de las matrices de cada articulaci´on puede obtenerse la transformaci´on compuesta 0n T que relaciona la localizaci´on {n} con la {0}, Esta transformaci´on ser´a funci´on de las ”n” variables de las articulaciones q1 , q2 , q3 , ...., qn . Por consiguiente, dados los valores de q1 , q2 , q3 , ...., qn , puede calcularse la posici´on cartesiana de la u ´ltima articulaci´on como se muestra en 3.32:

p = ϕ(q) = 01 T 12 T 23 T...nn−1 T = 0n T

(3.32)

90 La aplicaci´on de estas ecuaciones permite estimar la posici´on y orientaci´on del efector final del manipulador, conociendo los valores de las variables articulares. 3.3.1

Ejemplo 1

Consid´erese el manipulador plano con tres articulaciones de rotaci´on que se muestra en la Figura 3–19. Las longitudes de los segmentos son l1 y l2 .

Figure 3–19: Manipulador plano con tres articulaciones de rotaci´on La asignaci´on de los marcos de referencia tambi´en se muestra en la Figura 3–19. Los ejes Z0 ,Z1 ,Z2 de los marcos de referencia {0},{1} y {2}, son paralelos y en la misma direcci´on de los ejes de las tres articulaciones apuntando hacia afuera. Por consiguiente los par´ametros di y los αi son todos nulos. En la siguiente tabla se muestran los parametros obtenidos para nuestro ejemplo.

i

αi

αi−1

θi

di

1

0

0

θ1

0

2

0

l1

θ2

0

3

0

l2

θ3

0

Sean ci = cos(θi ) y si = sen(θi ), las matrices de transformaci´on de las articulaciones se muestran en la Ecuaci´on 3.33:

91 

 c1 −s1   s1 c1  0 T =  1  0 0   0 0   c1 −s2   s2 c2  1 T =  2  0 0   0 0   c3 −s3   s3 c3  2 T =  3  0 0   0 0



0 0   0 0    1 0    0 1  0 l1   0 0    1 0    0 1  0 l2   0 0    1 0    0 1

(3.33)

Por lo tanto el modelo directo viene dador por la Ecuaci´on 3.34 

 c123 −s123   s123 c123  0 1 2 0 T = T T T =  1 2 3 3  0 0   0 0



0 l1 c1 + l2 C12   0 l1 s1 + l2 s12     1 0   0 1

(3.34)

Donde los nuevos t´erminos usados se definen en el arreglo 3.35 c12 = c1 c2 − s1 s2 s12 = c1 s2 − s1 c2

(3.35)

c123 = c12 c3 − s1 c2 s123 = s12 c3 − c12 s3 Vemos que el problema cinem´atico directo se puede resolver usando los parametros de Denavit-Hartenberg junto con algunas propiedades del algebra matricial.

92 3.3.2

Ejemplo 2

Consid´erese el Robot que se muestra en la Figura 3–20. El sistema de referencia {0} se supone r´ıgidamente unido al enlace 0 y el {n} al ultimo enlace. El sistema {1} coincide con {0} para θ1 = 0, pero gira con respecto a ´este al variar θ1 .

Figure 3–20: Esquema del robot del ejemplo 2 Al igual que en el ejemplo anterior, para simplificar la representaci´on, los ejes de movimiento se eligen coincidentes con alg´ un eje de los sistemas de referencia, y en particular con el eje Z. As´ı en la primera y tercera articulaci´on (rotacionales), existen rotaciones alrededor de Z1 y de Z3 , y en la segunda (prism´atica) un desplazamiento a lo largo de Z2 . Teniendo en cuenta la notaci´on que se introdujo para los parametros de DenavitHartenberg, en una articulaci´on prism´atica la variable es la d2 , siendo fijo el valor de θ2 . El origen del sistema de referencia {2} se elige de forma que, cuando d2 es cero, corresponda a la extensi´on m´ınima del enlace, con lo cual la variable d2 mide la extensi´on de la articulaci´on. Al seleccionar los sistemas de referencia como en la Figura 3–20, los ejes de las articulaciones {1} y {2} intersectan y por lo tanto el desplazamiento a1 es cero. N´otese tambi´en como Z1 y Z2 est´an rotados 90◦ . Los dem´as valores de los parametros se resumen en la siguiente tabla:

93 i

αi−1

ai−1

θi

di

1

0

0

θ1

0

2

90◦

0

0

d2

3

0

0

θ3

l2

Usando las convenciones que se mencionaron en el anterior ejemplo, las transformaciones resultantes son las que se muestran en el arreglo de ecuaciones 3.36: 

 c −s 0 0 1  1     s1 c1 0 0    0  1T =   0  0 1 0     0 0 0 1   0   1 0 0    0 0 −1 −d2    1  2T =   0 1 0 0      0 0 0 1    c3 −s3 0 0     s3 c3 0 0    2  3T =   0 0 1 l2      0 0 0 1

(3.36)

Obtener la matriz correspondiente a 03 T queda como ejercicio para el estudiante. 3.4

El problema cinem´ atico inverso

El objetivo del problema cinem´atico inverso consiste en encontrar los valores que deben adoptar las coordenadas articulares del robot q = (q1, q2, ..., qn). Para que su extremo se posicione y oriente seg´ un una determinada localizaci´on espacial. Como sabemos, es posible abordar el problema cinem´atico directo de una manera sistem´atica a partir de la utilizaci´on de matrices de transformaci´on homog´eneas, e

94 independientemente de la configuraci´on del robot. Sin embargo, no ocurre lo mismo con el problema cinem´atico inverso, siendo el procedimiento de obtenci´on de las ecuaciones fuertemente dependiente de la configuraci´on del robot. Se han desarrollado algunos procedimientos gen´ericos susceptibles de ser programados, de modo que un computador pueda, a partir del conocimiento de la cinem´atica del robot (con sus par´ametros de D-H, por ejemplo) obtener la n-tupla de valores articulares que posicionan y orientan su extremo. El inconveniente de estos procedimientos es que se trata de m´etodos num´ericos iterativos, cuya velocidad de convergencia e incluso su convergencia en s´ı, no esta siempre garantizada. La soluci´on de este problema hace necesario considerar, en primer lugar, la existencia de soluciones. En efecto, se trata de asegurar que la posici´on y orientaci´on necesaria para manipular el objeto, puede o no ser alcanzada por el efector final, en otras palabras, si est´a o no dentro del espacio de trabajo alcanzable. En los casos en que la localizaci´on del objetivo no pertenece a dicho espacio, se debe buscar una soluci´on lo m´as cercana posible a la deseada PO T con la cual se resolver´a el modelo inverso. Notese que la existencia o no de soluciones depende del n´ umero de articulaciones del manipulador. As´ı, en general un manipulador con menos de seis grados de libertad, no puede situar y orientar el efector final, en una posici´on cualquiera del espacio 3d. Consid´erese por ejemplo el manipulador plano (v´ease Figura 3–21) con dos articulaciones de rotaci´on. Suponiendo que los enlaces tienen longitudes l1 y l2 , resulta evidente que el espacio de trabajo alcanzable es un anillo de radio exterior l1 + l2 y radio interior |l1 − l2 |. Para el caso particular en que l1 = l2 el espacio alcanzable es un disco de radio 2l1 . Obs´ervese que a los puntos del interior se puede llegar con dos posibles orientaciones, mientras que los puntos del l´ımite con solo una. Hemos dicho impl´ıcitamente que las articulaciones pueden girar 360◦ , lo que normalmente no ser´a posible. En la pr´actica

95

Figure 3–21: Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de libertad de rotaci´on se establecen restricciones adicionales que limitan el espacio de trabajo. ¿que pasar´ıa si la segunda articulaci´on solo pudiese girar 180◦ ? 3.4.1

Ejemplo

Consid´erese el manipulador de la Figura 3–19. La especificaci´on de la mu˜ neca (efector) relativa a la base viene dada por el modelo directo

B MT

(v´ease Ecuaci´on 3.37)

del ejemplo 1 de la Secci´on anterior. 

 c123 −s123   s123 c123  B 0 M T = 3T =   0 0   0 0



0 l1 c1 + l2 C12   0 l1 s1 + l2 s12     1 0   0 1

(3.37)

Donde las expresiones de c12 , s12 , c123 , s123 se muestran en la Ecuaci´on 3.35. En un manipulador plano, la especificaci´on de la posici´on y orientaci´on deseadas en el extremo del manipulador se realiza indicando tres valores x, y, φ. Siendo los dos primeros las coordenadas en el plano del extremo del manipulador y φ su orientaci´on con la relaci´on al eje X positivo. Por tanto, en vez de considerar como dato una matriz general

B MT,

se supondr´a una transformaci´on con la estructura

96 



cφ −sφ 0 x      sφ cφ 0 y    B  MT =   0 0 1 0      0 0 0 1

(3.38)

siendo sφ y cφ el seno y el coseno del ´angulo de orientaci´on φ respectivamente. Igualando los elementos no triviales de las matrices 3.38 y 3.37 (diferentes de cero y uno) se obtienen cuatro ecuaciones, en las cuales existen tres inc´ognitas θ1 , θ2 y θ3 . N´otese como dos ecuaciones corresponden a las coordenadas x e y: x = l1 c1 + l2 (c1 c2 − s1 s2 )

(3.39)

y = l1 s1 + l2 (c1 s2 − s1 c2 ) Las dos restantes corresponden a la orientaci´on y pueden resumirse en

θ1 + θ2 + θ3 = φ = arctg2(sφ, cφ)

(3.40)

donde la funci´on arctg2” se define como la tangente inversa, teniendo en cuenta el cuadrante al que pertenece el punto a evaluar (signo de los argumentos). Para obtener las ecuaciones que resuelvan el modelo inverso se elevan al cuadrado las ecuaciones 3.39 y se suman con lo cual se obtiene: x2 + y 2 = l12 + l22 + 2l1 l2 c2

(3.41)

Despejando c2 se obtiene

c2 =

x2 + y 2 − l12 − l22 2l1 l2

(3.42)

Para que exista una soluci´on, el lado derecho de la ecuaci´on debe dar un valor entre -1 y +1. Si no se cumple esta condici´on, el punto objetivo est´a demasiado lejos para

97 que lo alcance el manipulador. Suponiendo que existe soluci´on, para determinar θ2 teniendo en cuenta el signo se hace q s2 = ± 1 − c22

(3.43)

De donde puede calcularse θ2 mediante: θ2 = arctg2 (s2 , c2 )

(3.44)

Dependiendo del signo de s2 (positivo o negativo, se tiene una soluci´on diferente (ariba o abajo). Una vez que se conoce θ2 , la posici´on y orientaci´on pueden calcularse mediante:

x = (l1 + l2 c2 ) c1 − (l2 s2 ) s1

(3.45)

y = (l1 + l2 c2 ) s1 + (l2 s2 ) c1

(3.46)

Dividiendo 3.46 en 3.45 se obtiene: 2 s2 tgθ1 + l1l+l y (l1 + l2 c2 ) s1 + (l2 s2 ) c1 2 c2 = = 2 s2 x (l1 + l2 c2 ) c1 − (l2 s2 ) s1 tgθ 1 − l1l+l 1 2 c2

(3.47)

N´otese que el lado derecho de 3.47 coincide con la expresi´on de la tangente de la suma de dos ´angulos, por lo cual puede escribirse:

θ1 = arctg2 (y, x) − α

(3.48)

θ1 = arctg2 (l2 s2 , l1 + l2 c2 )

(3.49)

siendo

98 N´otese que al escoger el signo de θ2 tambi´en afecta a θ1 . Obs´ervese adem´as que, cuando x = y = 0, no puede determinarse el lado derecho de 3.48, por lo que θ1 es arbitrario. Finalmente conociendo θ1 y θ2 , se calcula θ3 mediante la Ecuaci´on 3.40. Desarrollo por m´ etodo geom´ etrico

Figure 3–22: Soluci´on por m´etodos geom´etricos Aplicando relaciones trigonom´etricas en los tri´angulos de la Figura 3–22 se obtiene: x2 + y 2 = l12 + l22 − 2l1 l2 cos (180◦ + θ2 ) = l12 + l22 − 2l1 l2 cos θ2

(3.50)

Por tanto, puede despejarse x2 + y 2 − l12 − l22 (3.51) 2l1 l2 p El algoritmo debe comprobar que la distancia x2 + y 2 sea menor o igual que l1 + l2 cos θ2 = c2 =

antes de aplicar las expresiones. Suponiendo que existe soluci´on, se resuelve para un valor de θ2 entre 0 y -180◦ ya que el tri´angulo s´olo existe para estos valores.

La otra posible soluci´on (linea discontinua en la parte inferior) corresponde a θ2 . Para obtener θ1 se encuentran las expresiones de los ´angulos β. y ψ. N´otese que β = arctg2(x, y). por otra parte, aplicando la ley de cosenos se obtiene:

p
l22 = l12 + x2 + y 2 − 2l x2 + y 2 cos ψ

(3.52)

99 De donde

cos ψ =

x2 + y 2 − l22 + l12 p 2l1 x2 + y 2

(3.53)

El arco coseno se resuelve para 0 ≤ ψ ≤ 180◦ . Finalmente se hace

θ1 = β ± ψ

(3.54)

Aplicando el signo {+} si θ2 < 0 y el signo {-} si θ2 > 0. Por u ´ltimo, teniendo en cuenta

θ1 + θ2 + θ3 = φ Se obtiene θ3 . 3.5

Velocidades y jacobiano

(3.55)

PARTE 4 ´ UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBOTICA 4.1

Introducci´ on

La mayor´ıa de los robots industriales que hay instalados actualmente en los procesos productivos, est´an pr´acticamente incomunicados con el entorno que les rodea. La necesidad de tener programadas las acciones a efectuar, restringe el ambiente de trabajo a unas condiciones estrictas, al igual que a las pinzas o los materiales que se han de manipular. Cuando las producciones no son grandes, esa ordenaci´on del mundo exterior se hace muy costosa y es preciso disponer de robots, que sean capaces de operar en situaciones que permitan cierta flexibilidad en los elementos. Existen multitud de sensores capaces de informar de algunas caracter´ısticas del ambiente que envuelve al robot, pero la m´as completa y la que confiere la m´axima adaptabilidad a la maquina, es la visi´on artificial. La importancia de la visi´on, esta confirmada por la gran cantidad de empresas e investigadores que se dedican a mejorar esta t´ecnica. Sin embargo, todav´ıa no se ha implantado la visi´on en los robots comerciales, dadas las dificultades que existen y que pueden resumirse en el siguiente listado: • Los sistemas de visi´on superan, en muchos casos, el coste del sistema de robot industrial. • Exigen extensos desarrollos de software, que potencian el n´ ucleo central de Inteligencia Artificial preciso para que el robot actu´e de acuerdo con la informaci´on del mundo exterior.

100

101 • Se necesitan potentes computadores para procesar una gran cantidad de informaci´on en poco tiempo. En rob´otica, las im´agen es hay que procesarlas en tiempo real. • Hay gran dificultad en el tratamiento de la informaci´on visual, debido a factores inherentes al mismo proceso, como son sombras, tipo de iluminaci´on, im´agenes bidimensionales y tridimensionales, oclusiones entre objetos, etc • En el an´alisis de la imagen, adem´as de la informaci´on directa, hay que procesar otras fuentes de datos, tan complejos como los procedentes de la experiencia memorizada, el contexto general y los objetivos perseguidos. 4.1.1

Sistema de medici´ on

Un sistema de visi´on artificial consta de las siguientes partes: • C´amara, encargada de captar la imagen y transmitirla en forma de se˜ nales el´ectricas, siguiendo unas normas de exploraci´on. • Interfaz, de adaptaci´on de las se˜ nales el´ectricas producidas por la c´amara a un computador. • Paquetes de software, para el proceso de la informaci´on por el computador, que permita analizar las escenas y generar los comandos de gobierno del robot, de forma aut´onoma y en tiempo real (Inteligencia Artificial). En la confecci´on del software, pueden distinguirse tres fases consecutivas: • Selecci´on de la informaci´on u ´til e indispensable, puesto que es casi imposible, tener en cuenta toda la informaci´on que proporciona la c´amara. • Interpretaci´on, de la escena en forma conveniente para la aplicaci´on en curso. • Calculo y generaci´on, de las ordenes de control a los elementos motrices del manipulador, seg´ un los resultados de la fase anterior.

102 4.1.2

La exploraci´ on de im´ agenes.

La exploraci´on de una imagen consiste, en esencia, en el conjunto de operaciones necesarias para, tras enfocarla con la ayuda de un sistema de lentes ´opticas, convertirla en se˜ nales el´ectricas, que por su propia naturaleza, podr´ıan posteriormente amplificarse y transmitirse, as´ı como aplicarse a los dispositivos adecuados para su reproducci´on o el reconocimiento, mas o menos inteligente, de la escena original. Para la captura se usa por lo general una c´amara de estado solido: Por su reducido tama˜ no y peso, su resistencia a los ambientes industriales y hostiles y la tendencia a la baja de su precio, las c´amaras de estado s´olido se est´an imponiendo en las aplicaciones de Rob´otica. Dichas c´amaras est´an formadas por un conjunto de sensores fotosensibles, dispuestos en una estructura matricial de m filas y n columnas. Los sensores tienen dimensiones min´ usculas (25 x 25 micrones) y dan la informaci´on sobre un punto o elemento de la imagen, al que se denomina PIXEL (picture element). La representaci´on de un punto de una imagen, con las c´amaras de estado s´olido, se define con tres par´ametros, que se muestran gr´aficamente en la figura y que son: 1. Situaci´on de la fila 2. Situaci´on del columna 3. intensidad luminosa. Seg´ un los sensores utilizados, las c´amaras de estado s´olido pueden ser de tecnolog´ıa CID (Charge-Injection device) y CCD (Charge- Compled Device): Dispositivo de inyecci´on de carga y de acoplo de carga. La matriz de p´ıxeles de las c´amaras de estado s´olido, est´an formadas por un conjunto de condensadores MOS. En el tipo CCD, al incidir los fotones, generan unas cargas que son retenidas por cada puerta y luego tranferidas o le´ıdas en serie, de forma secuencial.

103 La lectura de informaci´on de las c´amaras CID se hace mediante direccionamiento X-Y, es decir, de forma aleatoria, lo que las faculta para explorar parcialmente a las im´agenes. El procesamiento de la informaci´on que entrega la c ´amara, trata la imagen selecciona los datos u ´tiles y aplica los algoritmos apropiados para el reconocimiento de la forma del objeto enfocado. 4.1.3

La Retroalimentaci´ on visual para el funcionamiento del Telerobot

Los telerobots involucran el funcionamiento remoto de brazos mec´anicos, la buena retroalimentaci´on visual, se requiere para Teleoperaciones exitosas. Uno de los caso que podemos rese˜ nar sucede en la universidad de Australia occidental donde existe un robot (construido por ABB v´ease Figura 4–1) que puede controlarse v´ıa internet. Este robot consiste en un brazo mec´anico con un manipulador. Se posiciona en una mesa con bloques delante de ´el. El operador intenta manipular los bloques colocados en la mesa. Se dan dos vistas de c´amara de video para ayudar al operador en esta tarea. El prop´osito es agregar una tercera c´amara al robot. La c´amara extra le dar´a una vista buena de los bloques al operador, y as´ı hace mas f´acil las teleoperaciones. La tercera c´amara no debe restringir el movimiento de los robots. Su vista no debe bloquearse por otras partes del robot. Debe protegerse si es montado hacia el manipulador del robot. La posici´on ideal facilita las dos vistas existentes y agrega una tercera dimensi´on extra para el usuario. La vista tambi´en tiene que contener la mayor informaci´on como sea posible. La u ´nica manera de lograr esto es poner la c´amara a una distancia moderada fuera de los manipuladores y los bloques. Consideraciones importantes: • Visualizaci´on al contener los objetos y ser sujetados por el propio manipulador. • El sistema de visi´on es permanecer independiente de l robot y as´ı no se obstruya durante cualquiera de los movimientos normales de los robots

104

Figure 4–1: Robot telecontrolado de la universidad de australia • La vista sobre todo tiene que ser comprensible. Cuando la computadora se controla v´ıa el internet es necesario que la vista sea f´acil de entender Teniendo en cuenta estas consideraciones fue decidido que la posici´on ideal de visi´on estaba en un ´angulo ligero al eje del brazo y ligeramente elevado (v´ease Figura 4–2. Esto agregar´ıa la tercera dimensi´on necesaria y dar´ıa un a apreciaci´on global de los objetos ser sujetados

´ Figure 4–2: Angulo elegido para la camara

105 4.1.4

La retroalimentaci´ on visual y de fuerza para ayudar al neurocirujano durante una telecirug´ıa

El objetivo de este trabajo es desarrollar un sistema para la planificaci´on y segura ejecuci´on de neurocirug´ıa. Los requisitos visuales para la teleoperaci´on incluyen: la situaci´on del tumor, el mejor camino para la inserci´on de la sonda y situaci´on de los vasos de sanguineos mayores y tejidos delicados del ser humano. Estos requisitos se proporcionan utilizando un modelo 3D del cerebro, obtenido por la imagen de resonancia magn´etica, el rayo X y tomograf´ıa de la computadora. La imagen virtual del cerebro se utiliza para dirigir la inserci´on de la fuerza que refleja la sonda. Un brazo de robot sostendr´a la gu´ıa de la sonda, mientras el sistema de inserci´on de sonda informa al cirujano las teleoperaciones ejecutadas v´ease Figura 4–3.

Figure 4–3: Telecirujia 4.1.5

La cirug´ıa de tele-presencia

El sistema de cirug´ıa de tele presencia de Sri consiste en dos m´odulos principales: una consola para cirujanos y una unidad quir´ urgica remota (RSU) localizada en la mesa de cirujias. Las im´agenes del cirujano abajo en un espacio de trabajo virtual (v´ease Figura 4–4), ´ controla cada movimiento de recreado por un monitor de video estereogr´afico. El los manipuladores remotos, utilizan a un sistema maestro- esclavo preciso.

106 La retroalimentaci´on visual se proporciona por un par de c´amaras de video en el RSU, posicionado por encima del paciente y as´ı obtener una primera vista de la persona, hacia los manipuladores quir´ urgicos. El uso de dos c´amaras proporciona un efecto de est´ereo visi´on realista. Los usos planeados para esta tecnolog´ıa incluyen la cirug´ıa remota en el campo de batalla d´onde cirujanos pueden proporcionar ayuda inmediata a soldados heridos

Figure 4–4: Cirug´ıa de tele-presencia 4.2

Procesamiento de im´ agenes

Los sistemas de visi´on usados en aplicaciones industriales est´an basados en un computador de prop´osito general compuesto por varios m´odulos interconectados por buses normalizados. As´ı, los microprocesadores intel, utilizan los buses ibm-pc, el ISA-EISA (AT) y los procesadores de motorola utilizan computadores el basados bus en VME. Los m´odulos principales de los equipos destinados al proceso de im´agenes son: • Uno o varios procesadores • Memoria principal para el almacenaje de programas y datos • M´odulos para el control de perif´ericos (discos, modem, impresoras, etc..) • Modulo de entrada y salida para el gobierno de los elementos externos, como maquinaria, relees, robots, alarmas, etc.

107 • Tarjetas especializadas en el procesado de im´agenes que poseen las siguientes caracter´ısticas. – Digitalizaci´on de la se˜ nal de video procedente de la c´amara, mediante un conversor A/D. – Almacenamiento de la informaci´on de la imagen digitalizada en una ”memoria imagen”. – Sistema para el procesado de la imagen, bien mediante un procesador especializado o mediante hardware especifico, como circuitos integrados PLD con ALUS integradas, tablas de transformaci´on h ardware (LUT), etc. – Visualizaci´on de la imagen almacenada en un monitor, a trabes de un conversor D/A – Conexi´on del contenido de la memoria de imagen al bus normalizado para su posible procesamiento y tratamiento en la secci´on del procesador principal y su memoria. A continuaci´on se describe la misi´on y las caracter´ısticas de cada una de las secciones que componen la tarjeta de visi´on: Digitalizaci´ on La exploraci´on de una l´ınea de la imagen de una c´amara, proporciona una se˜ nal anal´ogica continua, que debe ser muestreada en tantos puntos como p´ıxeles tenga la l´ınea. Cada p´ıxel o punto de la imagen capturada corresponde con una tensi´on anal´ogica, cuyo valor representa el nivel de lumino sidad o ”nivel de gris”. En el caso de las c´amaras de estado s´olido no se precisa realizar el muestreo, puesto que cada celda CCD de la l´ınea proporciona directamente la tensi´on anal´ogica del p´ıxel correspondiente. Como el procesamiento de la informaci´on es del tipo digital, hay que transformar los valores anal´ogicos de los p´ıxeles de la imagen en valores digitales. El numero de bits en que se transforma la se˜ nal anal´ogica mediante el conversor A/D, determina la cuantificaci´on de los niveles de gris, es decir, la cantidad de niveles de gris que se empleara en el procesamiento.

108 As´ı, con una resoluci´on de 8 bits se dispone de 256 niveles de gris, desde el blanco hasta el negro. Con dicha resoluci´on, el ojo humano ya no aprecia los escalon es entre los niveles de gris. La conversi´on de la se˜ nal anal´ogica de video, procedente de la c´amara ha de ser muy r´apida, lo que exige conversores caros del tipo comparador en paralelo. Por ejemplo trabajando a 10Mhz, la conversi´on ha de hacerse en menos de 100ns. Una vez que se almacena la imagen digitalizada en la memoria de imagen, la mayor´ıa de las tarjetas de video tiene la posibilidad de poder visualizarla en un monitor, lo que conlleva la conversi´on D/A, as´ı como la mezcla con los impulsos de sincronismo horizontal y vertical, para restablecer la se˜ nal de video. Im´ agenes en proceso El tratamiento de la informaci´on que compone la imagen puede llevarse a cabo a trav´es de programas (software), o bien, por medio de circuitos electr´onicos especializados (hardware) . En general, el hardware es m´as r´apido que el software, pero tambi´en mas caro. Hay situaciones en las que se hace imprescindible el tratamiento mediante hardware. Por ejemplo, cuando se trabaja en tiempo real como en las aplicaciones en Rob´otica, en las que la actuaci´on del manipulado r depende, en cada momento, de la imagen que capta de la c´amara sobre el entorno. Tratamiento hardware Uno de los recursos mas empleados en el proceso de im´agenes p´ıxel a p´ıxel es el de las tablas de traducci´on de hardware. Se trata de circuitos integrados de dise˜ no espec´ıfico, que tienen implementando el algoritmo de transformaci´on que hay que aplicar en cada p´ıxel. A veces, la materializaci´on se lleva a cabo a modo de memoria EPROM de alta velocidad. El nivel de gris I(x, y) de cada p´ıxel se transforma, mediante un determinado algoritmo, en otro nivel de gris de salida O(x, y). funciona como una memoria a la que se accede a una posici´on con el valor I(x,y), encontr´andose en dicha posici´on el valor O(x,y) correspondiente, de forma directa y r´apida.

109 Tratamiento software La ejecuci´on de un programa para la manipulaci´on y transformaci´on de los p´ıxeles de una imagen, generalmente requiere m´as tiempo que los circuitos que realizan al misma funci´on por hardware. Los programas de procesado de im´agenes suelen ser el lenguaje ensamblador o lenguaje C, es decir, aquellos que son m´as cercanos al lenguaje maquina, para optimizar tiempo y tama˜ no de la memoria. A veces, en la propia tarjeta de visi´on se incluye un procesador especializado, que trabaja con instrucciones apropiadas en el tratamiento de im´agenes. Sin embargo, en muchas ocasiones se utiliza el propio procesador principal del sistema. La elecci´on del procesador es crucial en el rendimiento del sistema de visi´on. La velocidad de procesamiento de las instrucciones y el tama˜ no del bus, son las caracter´ısticas m´as determinantes. 4.2.1

Estructura y jerarqu´ıa en el proceso de im´ agenes

Tras captar la imagen mediante la c´amara, hay un abanico de posibilidades para manipular la informaci´on recogida y obtener datos, que se desprenden de su an´alisis. A todos estos m´etodos de tratamiento de la informaci´on de im´agenes se les llama gen´ericamente; proceso de im´agenes. En el proceso de im´agenes se distinguen 3 niveles jer´arquicos: Bajo nivel Las t´ecnicas utilizadas en este nivel son b´asicas y est´an orientadas a la definici´on y obtenci´on de las propi edades generales de la imagen. En esta fase se incluye la fase de captaci´on median te las c´amaras y la fase de preprocesamiento , en la cual se contempla la digitalizaci´on de la se˜ nal de video; la obtenci´on de las propiedades m´as representativas, como los bordes, el color, la textura, etc.; y la mejora de la imagen.

110 Nivel intermedio En este se incluyen las t´ecnicas empleadas para obtener las propiedades de la escena. As´ı, con la segmentaci´on se extraen o a´ıslan los objetos particulares de la imagen, con la descripci´on se caracterizan dichos objetos, y con el reconocimiento, se identifican los objetos de la escena Alto nivel En esta categor´ıa en la que se aplica el proceso inteligente, la t´ecnica m´as representativa es la interpretaci´on, que trata de estudiar la l´ogica de los objetos localizados en la escena, pro cediendo a un etiquetado y representaci´on simb´olica. 4.2.2

El video Estereosc´ opico y la Realidad Virtual

Como los adelantos de tecnolog´ıa, los tele robots muchos son para sistemas militares, otros tambi´en extendi´endose en los ambientes arriesgados, como el fondo del oc´eano, el interior de los volcanes y el espacio exterior. El despliegue eficaz de tele operaci´on y los robots de telemando ser´an esenciales para la interacci´on exitosa con ´estos ambientes. Los despliegues de MV (nonoscopic video) eliminan todas las se˜ nales de profundidad binoculares, as´ı como varias se˜ nales de profundidad min´ usculas (es decir la pendiente de la textura). La p´erdida de estos resultados de se˜ nales de profundidad importantes en situaciones d´onde la situaci´on de objetos es ambigua en la escena remota. Un problema relacionado es la dificultad estimando los tama˜ nos absolutos con un sistema MV. Es dif´ıcil determinar si un obst´aculo es demasiado grande o peque˜ no, o si una depresi´on es profundamente bastante para presentar un riesgo. La Investigaci´on de Ingenier´ıa humana (HERC) recien temente investig´o los beneficios de usar 3-D, o el estereoscopio video (SV) para la tele operaci´on en las aplicaciones en las fuerzas armadas canadienses. SV proporciona un inmediato sentido profundidad que puede simplificar las tareas de tele operaci´on, favoreci´endose la requerida manipulaci´on delicada

111 la Investigaci´ on de Aplicaci´ on en video Los sistemas de video estereoscopico usan dos c´amaras para recoger las im´agenes ligeramente de dos perspectivas diferentes, una para cada ojo del operador. El sistema del despliegue debe encauzar estas dos im´agenes diferentes a los ojos apropiados. Las im´agenes de la izquierda y c´amaras de la derecha se despliegan alternadamente en el monitor. Las gafas especiales est´an provistas con contraventanas de cristal l´ıquidas que cambian de opaco a claro. Estas contraventanas son electr´onicamente sincronizadas con el monitor, para que el ojo izquierdo s´olo vea la imagen de la c´amara izquierda, y el ojo derecho s´olo ve la imagen del la c´amara derecha. Desde 1997, Prof. Paul Milgram de Secci´on de Dise˜ no Industrial, en la Universidad de Toronto y David Drascic, para la Defensa y el Instituto Civil de Medicina Medioambiental (DCIEM), han dirigido varios experimentos en la Universidad de Toronto para investigar los beneficios de SV para los operadores principiantes orientando las tareas del tele robot. En uno experimento, realizaron una tarea de posicionamiento relacionado para tele operaci´on esta disposici´on requiri´o alineaci´on cuidadosa del tele robot. La dificultad de la tarea era variada cambiando los requisitos de precisi´on. Los resultados indican que operadores necesitan considerablemente menos entrenamiento para ponerse h´abiles a este tipo de telerobots, puede realizar m´as r´apidamente y con menos errores utilizando un despliegue de SV. El nivel m´as bajo de dificultad, se encontr´o en beneficio de SV. Sin embargo, siempre que la tarea cambia, las ventajas de SV eran una vez m´as inmediatamente claras. A los niveles m´as altos de dificultad, la actuaci´on es ventajosa para el SV e incluso se encontr´o despu´es funcionamiento optimo a movimientos repetitivos. M´as recientemente, Investigaci´on de Ingenier´ıa del Humano (HERC), en la conjunci´on con DCIEM, dirigi´o una investigaci´on en los beneficios de SV usando para las aplicaciones del tele operaci´on en las fue rzas armadas canadienses para los operadores del tele robot experimentados. Usando varias tareas relacionadas a la bomba -la

112 tele operaci´on en disposici´on, a est os experimentos mostraron un fuerte sentido de posicionamiento remoto tele operable. Los sistemas de video estereoscopicos. Los monitores de NTSC tienen una imagen refrescante proporci´on de 60 Hz. Usando el campo alterno la t´ecnica de SV (sistema de visi´on), cada ojo s´olo ve la mitad de estas im´agenes, y as´ı tiene una 30 Hz, de imagen de actualizaci´on por proporci´on. Como un resultado hay un parpadeo perceptible en la imagen algunos operadores se distraen al principio. No obstante, operadores de todos los niveles de habilidad se adaptan muy r´apidamente a este sistema de SV, mientras prefiriendo el m´as fuerte sistema de MV. La tensi´on atribuible al sistema de SV era incluso inform´o despu´es de que varias horas usan; De hecho, la mayor´ıa de los operadores tasaba los SV despliegan m´as c´omodo y m´as utilizable que el MV original el despliegue. ARGOS: un Sistema para Aumentar la Realidad Virtual. El desarrollo del sistema ARGOS (Aumentando Realidad virtual a trav´es de las Cubiertas Gr´aficas en Stereo video) es una herramienta para el humano reforzando la interacci´on con tele robot y como una herramienta m´as general con las aplicaciones en una variedad de ´areas, incluso el perfeccionamiento de la imagen, la simulaci´on, fusi´on del sensor, y la realidad virtual. El estereoscopio despliega, im´agenes 3-D, de realidad virtual, manipulaci´on remota y tele operaci´on. Este proyecto empez´o examinando la interfase de la m´aquina, un tele robot com´ un, con el ser humano, identificando dos ´areas del problema importantes: La informaci´on que fluye del robot al operador (la retroalimentaci´on), y flujo de informaci´on del operador a la m´aquina (las ordenes / las instrucciones). La mayor´ıa de los tele robots utiliza video monoscopico (MV) como eslab´on de retroalimentaci´on primario para el operador. A MV le faltan se˜ nales de profundidad binoculares, sin embargo, impide la percepci´on del usuario en situaciones de

113 objetos en el mundo remoto. El video estereosc´opico utilizado (SV) para manipulaci´on remota, la tarea puede reducir tiempo de ejecuci´on, el ´ındice de error y la adaptaci´on tiempos. Los recientes estudios han mostrado que operadores prefieren SV fuertemente, y lo han calificado como m´as c´omodo y utilizable que MV. La mayor´ıa de los tele robots se controlan por medio de control remoto, requiriendo mientras la atenci´on continua de los operadores muy experimentados. Los tele robots totalmente aut´onomos no son todav´ıa posibles en ambientes no estructurados, pero es factible, para transferir informaci´on sobre el trabajo hacia el operador de la m´aquina. Un robot semiaut´onomo puede llevar a cabo simples movimientos, controla si es preciso comunicar, las tres coordenadas dimensionan al robot y adem´as si est´an disponibles. Los humanos son pobres en absoluto del juicio de posici´on, pero puede ser exacto. Los juicios de posici´on que se utilizan en los despliegues de SV. Si un indicador con una posici´on exactamente conocida es disponible, los operadores pueden adaptarse a especificar los puntos arbitrarios en el mundo remoto, usando su propio sentido de posici´on relativa. Nosotros hemos creado un indicador virtual que usa el estereoscopio calibrando los gr´aficos de computadora (SG), y con un sistema ARGOS, la confabulaci´on de la imagen de SG con el SV, para que el indicador virtual aparezca dentro del control remoto del mundo. El operador puede moverlo libremente alrededor y encuadrarlo con objetos en el mundo remoto, puede determinar su posici´on. ARGOS combina habilidades humanas de percepci´on y comprensi´on con las habilidades de la computadora de c´alculo preciso y los despliegues de gr´aficos para crear un sistema aumentado con mayor funcionalidad. En lugar de intentar crear una virtual o realidad artificial, ARGOS sirve para dar a los operadores suficiente necesaria informaci´on y as´ı realizar las tareas peligrosas fuera de peligro y en un ambiente natural, para el teleoperador de manera especial.

114 Una extensi´on del indicador virtual es la cinta virtual, que puede usarse para medir tama˜ nos y distancias en el mundo remoto. Por ejemplo, la cinta virtual - puede usarse para medir los tama˜ nos y posiciones de objetos. Con el gr´afico y el poder suficiente computando, es posible crear los objetos virtuales animados de cualquier complejidad y realismo. Trabajando en ambientes estructurados, ARGOS puede reforzar im´agenes como un alambre recubriendo los bordes del marco en los objetos conocidos. En los ambientes no estructurados, ARGOS puede integrar la informaci´on de otros sensores como el radar y sonar con el SV. Implementando la visualizaci´on arquitect´onica de los objetos, el sistema de im´agenes de simulaci´on para tele robots m´edicos son algunos de los campos que se est´an explorando actualmente. Mecanizando las capacidades de visi´on incluso, se est´a extendiendo m´as all´a el potencial del sistema de ARGOS. A continuaci´on vemos algunas configuraciones de c´amara estrobosc´opica 4–5.

Figure 4–5: Configuraciones de c´amara de estereosc´opica. 4.3 4.3.1

Aplicaciones

Clasificaci´ on

En la actualidad los robots se usan de manera extensa en la industria, siendo un elemento indispensable en una gran parte de los procesos de manufactura. Impulsados principalmente por el sector del autom´ovil, los robots han dejado de ser

115 maquinas misteriosas propias de la ciencia-ficci´on para ser un elemento m´as de muchos de los talleres y l´ıneas de producci´on. Por su propia definici´on el robot industrial es multifuncional, esto es, puede ser aplicado a un numero, en principio ilimitado, de funciones. No obstante, la practica ha demostrado que su adaptaci´on es optima en determinados procesos (soldadura, paletizacion, etc.) en los que hoy d´ıa el robot es sin duda alguna, la soluci´on m´as rentable. Junto con estas aplicaciones ya arraigadas hay otras novedosas que si bien la utilizaci´on del robot no se realiza a gran escala, si se justifica su aplicaci´on por las condiciones intr´ınsecas del medio de trabajo (ambientes contaminados, salas as´epticas, construcci´on, etc.) o la elevada exigencia en cuanto a calidad de los resultados (medicina, etc.). Estos robots se han venido llamando robots de servicio. La Federaci´on Internacional de la Rob´otica (IFR) estableci´o en 1998 una clasificaci´on de las aplicaciones de la Rob´otica en el sector manufacturero. • Manipulaci´on en fundici´on • Manipulaci´on en moldeo de pl´asticos. • Manipulaci´on en tratamientos t´ermicos • Manipulaci´on en la forja y estampaci´on • Soldadura – Arco – Por puntos – Por gas. – Por l´aser • Aplicaci´on de materiales – Pintura – Adhesivos – Secantes • Mecanizaci´on.

116 – Carga y descarga de maquinas – Corte mec´anico – rectificado – desbardado y pulido. • Otros procesos – Chorro de agua – Medici´on – control de calidad • Formaci´on e investigaci´on Esta clasificaci´on pretende englobar la mayor parte de los procesos robotizados en la actualidad, aunque como se ha indicado anteriormente, se pueden encontrar aplicaciones particulares que no aparecen de manera expl´ıcita en esta clasificaci´on. 4.3.2

Aplicaciones industriales

La implantaci´on de un robot industrial en un determinado proceso exige un detallado estudio previo del proceso en cuesti´on, examinando las ventajas e inconvenientes que conlleva la introducci´on del robot. Ser´a preciso siempre estar dispuesto a admitir cambios en el desarrollo del proceso primitivo (modificaciones en el dise˜ no de piezas, sustituci´on de unos sistemas por otros, etc.) que faciliten y hagan viable la aplicaci´on del robot. En cuanto al tipo de robot a utilizar, habr´a que considerar aspectos de diversa ´ındole como ´area de acci´on, velocidad de carga, capacidad de control, coste, etc. A continuaci´on van hacer analizadas algunas de las aplicaciones industriales de los robots. Dando una breve descripci´on del proceso , exponiendo el modo en el que el robot entra a formar parte de ´el, y considerando las ventajas e inconvenientes. Fundici´ on La fundici´on por inyecci´on fue el primer proceso robotizado (1960). En este proceso el material usado, en estado l´ıquido, es inyectado a presi´on en el molde. Este u ´ltimo

117 est´a formado por dos mitades que se mantienen unidas durante la inyecci´on del metal mediante la presi´on ejercida por dos cilindros. La pieza solidificada se extrae del molde y se enfr´ıa para su posterior desbardado. El molde, una vez limpio de residuos de restos de metal y adecuadamente lubricado, puede ser usado de nuevo. El robot trabaja en la fundici´on de las piezas y transporte de estas a un lugar de enfriado y posteriormente en la limpieza y mantenimiento de los moldes eliminando rebabas (por aplicaci´on de aire comprimido). Las cargas manejadas por los robots en estas tareas suelen ser medias o altas (del orden de decenas de kilogramos), no se necesita una gran precisi´on y su campo de acci´on ha de ser grande. Su estructura m´as frecuente es la polar y la articular, su sistema de control es por lo general sencillo. Soldadura La industria automovil´ıstica ha sido gran impulsora de la rob´otica industrial, empleando la mayor parte de los robots hoy d´ıa instalados. La tarea m´as frecuente robotizada dentro de la fabricaci´on de autom´oviles ha sido sin duda alguna la soldadura de carrocer´ıas (v´ease Figura 4–6. En este proceso, dos piezas met´alicas se unen en un punto para la fusi´on conjunta de ambas partes, denomin´andose a este tipo de soldadura por puntos. Para ello, se hace pasar una corriente el´ectrica elevada y baja tensi´on a trav´es de dos electrodos enfrentados entre los que se sit´ uan las piezas a unir. Los electrodos instalados en una pinza de soldadora, deben sujetar las piezas con una presi´on determinada (de lo que depende la precisi´on de la soldadura). Adem´as deben de ser controlados los niveles de tensi´on e intensidad necesarios, as´ı como el tiempo de aplicaci´on. Todo ello exige e l empleo de un sistema de control del proceso de soldadura. La robotizaci´on de la soldadura por puntos admite dos soluciones: el robot transporta la pieza presentando esta a los electrodos que est´an fijos, o bien, el robot transporta la pinza de soldadura posicionando los electrodos en el punto exacto de

118

Figure 4–6: Robots soldadores. la pieza en la que se desea realizar la soldadura. El optar por uno u otro m´etodo depende del tama˜ no, peso y manejabilidad de las piezas. En las grandes l´ıneas de soldadura de carrocer´ıas de autom´oviles, estas pasan secuencialmente por varios robots dispuestos frecuentemente formando un pasillo, los robots, de una manera coordinada, posicionan las piezas de soldadura realizando varios puntos consecutivamente. La gran demanda de robots para la tarea de soldadura por puntos ha originado que los fabricantes desarrollen robots especiales para esta aplicaci´on que integran en su sistema de programaci´on el control de la pinza de soldadura que portan en su extremo. Los robots de soldadura por puntos precisan capacidad de cargas del orden de los 50-100 Kg. y estructura articular, con suficientes grados de libertad (5 o 6) como para posicionar y orientar la pinza de soldadura (o pieza seg´ un el caso) en lugares de dif´ıcil acceso. Aplicaci´ on de materiales El acabado de superficies por recubrimiento de un cierto material (pintura, esmalte, part´ıculas de metal, etc.) con fines decorativos o de protecci´on, es una parte critica en muchos procesos de fabricaci´on. Tanto en la pintura como en el metalizado, esmaltado o arenado, la problem´atica a resolver es similar, siendo la primera la

119 que cuenta con mayor difusi´on. Su empleo est´a generalizado en la fabricaci´on de autom´oviles, electrodom´esticos, muebles, etc. En estos procedimientos se cubre una superficie (de forma tridimensional y en general complicada) con una mezcla de aire y material pulverizada mediante una pistola. Es preciso conseguir una perfecta homogeneidad en el reparto de la pintura, realiz´andose para ello un control de la viscosidad, de la distancia entre piezas y la pistola, velocidad de movimiento de esta, numero de pasadas etc. Todos estos par´ametros son tradicionalmente controlados por el operario. En estos procedimientos se cubre una superficie (de forma tridimensional y en general complicada) con una mezcla de aire y material pulverizada mediante una pistola. Es preciso conseguir una perfecta homogeneidad en el reparto de la pintura, realiz´andose para ello un control de la viscosidad, de la distancia entre piezas y la pistola, velocidad de movimiento de esta, numero de pasadas etc. Todos estos par´ametros son tradicionalmente controlados por el operario. Por otra parte el entorno en el que se realiza la pintura es sumamente desagradable y peligroso. En ´el se tiene simult´aneamente un reducido espacio, una atm´osfera toxica, un alto nivel de ruido y un riesgo de incendio. Estas circunstancias han hecho de la pintura y operaciones afines, un proceso de interesante robotizaci´on. Con el empleo del robot se eliminan los inconvenientes ambientales y se gana en cuanto a homogeneidad en la calidad del acabado, ahorro de pintura y productividad. Normalmente los robots de pintura son espec´ıficos para este fin. Suelen ser robots articulares, ligeros, con 6 o m´as grados de libertad que les permiten proyectar pintura en todos los huecos de la pieza. Cuentan con protecciones especiales para defenderse de las part´ıculas en suspensi´on dentro de la cabina de pintura y sus posibles consecuencias (explosiones, incendio, deterioro mec´anico). Este mismo motivo origina que, en muchos casos, el accionamiento de los robots de pintura sea hidr´aulico, o de ser el´ectrico los cables vayan por el interior de ductos a sobrepresion, evit´andose as´ı, el riesgo de explosi´on.

120 Tal vez la caracter´ıstica fundamental de los robots dedicados a estas tareas sea su m´etodo de programaci´on. Obviamente es preciso que cuenten con un control de trayectoria continua, pues no basta con especificar el punto inicial y final de sus movimientos, sino tambi´en la trayectoria. El m´etodo normal de programaci´on es el de aprendizaje con un muestreo continuo de la trayectoria. El operario realiza una vez el proceso de pintura con el propio robot, mientras que la unidad de programaci´on registra continuamente, y de manera autom´atica, gran cantidad de puntos para su posterior repetici´on. Aplicaci´ on de adhesivos y sellantes Los robots son frecuentemente utilizados para la aplicaci´on de cordones de material sellante o adhesivos en la industria del autom´ovil sellante de ventanas y parabrisas, material anticorrosi´on, etc.. En este proceso el material aplicar se encuentra en forma l´ıquida o pastosa en un tanque, siendo bombeada hasta la pistola de aplicaci´on que porta el robot, que regula el caudal de material que es proyectado. El robot, siguiendo la trayectoria programada, proyecta la sustancia que se solidifica al contacto con el aire. En este proceso, tan importante como el control preciso de la trayectoria del robot es el control sincronizado de su velocidad y del caudal de material suministrado por la pistola, puesto que la cantidad de material proyectado en un punto de la pieza depende de ambos factores. Es habitual una disposici´on de robot suspendido sobre la pieza, siendo necesario, por los motivos antes expuestos, que el robot tenga capacidad de control de trayectoria continua (posici´on y velocidad regulados con precisi´on), as´ı como capacidad de integrar en su propia unidad de control la regulaci´on del caudal de material aportado en concordancia con la velocidad del movimiento. Alimentaci´ on de m´ aquinas La alimentaci´on de maquinas especializadas es otra tarea de manipulaci´on de posible robotizaci´on (v´ease Figura 4–7. La peligrosidad y monoton´ıa de las operaciones de

121 carga y descarga de maquinas como prensas, estampadoras, hornos o la posibilidad de usar un mismo robot para transferir una pieza a trav´es de diferentes maquinas de procesado, ha conseguido que gran n´ umero de empresas hayan introducido robots en sus talleres. En la industria metal´ urgica se usan prensas para conformar los metales en fr´ıo o, para mediante estampaci´on y embutido, obtener piezas de complicadas formas a partir de planchas de metal. En ocasiones la misma pieza pasa consecutivamente por varias prensas hasta conseguir su forma definitiva. La carga y descarga de estas maquinas se realiza tradicionalmente a mano, con el elevado riesgo que esto conlleva para el operario, que una peque˜ na distracci´on puede costarle un serio accidente. Estas circunstancias, junto con la superior precisi´on de posicionamiento que puede conseguir el robot, y la capacidad de este de controlar autom´aticamente el funcionamiento de la maquina y dispositivos auxiliares, han hecho que el robot sea una soluci´on ventajosa para estos procesos. Por otra parte, los robots usados en estas tareas son, por lo general, de baja complejidad, precisi´on media, n´ umero reducido de grados de libertad y un control sencillo, basado en ocasiones con manipuladores secuenciales. Su campo de acci´on interesa que seas grande. En cuanto a la carga, varia mucho, pudi´endose necesitar robots con capacidad de carga de pocos kilogramos, hasta algunos cientos (existen robots capaces de manipular hasta tonelada y media). Las estructuras m´as frecuentemente utilizadas son la cil´ındrica, esf´erica y articular. Tambi´en la cartesiana puede aportar en ocasiones la soluci´on m´as adecuada. Atenci´on especial merece la aplicaci´on del robot en c´elulas flexibles de mecanizado, que han adquirido gran auge en los u ´ltimos a˜ nos. Estas emplean centros de mecanizado o varias maquinas de control num´erico para conseguir complejos y distintos mecanizados sobre una pieza los diferentes procesos de mecanizaci´on para dar a esta la forma programada. L a capacidad de programaci´on de estas

122 maquinas permite una producci´on flexible de piezas adapt´andose as´ı perfectamente a las necesidades del mercado actual.

Figure 4–7: Robot alimentador. Estas maquinas emplean diferentes herramientas que se acoplan a un cabezal com´ un de manera autom´atica cuando el proceso de mecanizado lo precisa. Las herramientas a usar en el proceso concreto son almacenadas en tambores autom´aticos que permiten un r´apido intercambio de la herramienta. El robot es el complemento ideal de estas maquinas. Sus tareas pueden comenzar con la recogida de la pieza del sistema de transporte encargado de evacuarlas o para llevarla a otra m´aquina. Asimismo el robot puede ocuparse de cargar el alimentador autom´atico de herramientas de la maquina, reponiendo herramientas gastadas o seleccionando las adecuadas para la producci´on de una determinada pieza. En las c´elulas de multiproceso el mismo robot alimenta a varias maquinas o centros de mecanizado. Una misma pieza, transportada por el robot, puede ir pasando de una maquina a otra, incluyendo controles de medici´on de calidad u otras tareas de calibraci´on. La sincronizaci´on de toda la c´elula (alimentadores, centros de mecanizado, robots, etc.) puede ser realizada por la propia unidad de control del robot que cuenta, por lo general, con gran potencia de calculo y capacidad de manejo de entradas y salidas. En ocasiones estas c´elulas cuentan con sistemas multirobot, trabajando estos de manera secuencial con la pieza. Hasta la fecha no existen apenas

123 realizaciones practicas de cooperaci´on de robots de manera coordinada. Las caracter´ısticas de los robots para estas tareas de alimentaci´on de maquinas herramientas son por lo general similares a las necesarias para la alimentaci´on de otras maquinas. Las u ´nicas discrepancias estriban en su mayor precisi´on y capacidad de carga inferior (algunas decenas de kilogramos). Procesado Dentro del procesado se incluyen operaciones en las que el robot se enfrenta a piezas y herramientas (transportando una u otra) para conseguir, en general, una modificaci´on en la forma de la pieza. El desbardado consiste en la eliminaci´on de rebabas de la pieza de metal o pl´astico, procedentes de un proceso anterior (fundici´on, estampaci´on, etc.). Esta operaci´on se realiza manualmente con una esmeriladora o fresa, dependiendo la herramienta de las caracter´ısticas del material a desbardar. Un robot dedicado al desbardado porta la herramienta o la pieza, seg´ un la aplicaci´on, haciendo entrar en contacto ambas. La herramienta debe seguir el contorno de la pieza, que en muchas ocasiones es complejo con elevada precisi´on en su posicionamiento y velocidad. Por este motivo se precisan robots con capacidad de control de trayectoria continua y buenas caracter´ısticas de precisi´on y control de velocidad. Adem´as, puesto que las rebabas con que vienen las piezas presentan formas irregulares, conviene que el robot posea capacidad para adaptarse a estas mediante el empleo de sensores o el desarrollo de un elemento terminal del robot auto adaptable. Parecida al desbardado en cuanto a necesidades es la aplicaci´on de pulido, cambiando b´asicamente la herramienta a emplear. Las necesidades de precisi´on y de empleo de sensores son tal vez en este caso menos exigentes. Corte El corte de materiales mediante el robot (v´ease Figura 4–8 )es una aplicaci´on reciente que cuenta con notable inter´es. La capacidad de reprogramaci´on del robot y su integraci´on en un sistema, hacen que aquel sea el elemento ideal para transportar la

124 herramienta de corte sobre la pieza, realizando con precisi´on un programa de corte definido previamente desde un sistema de dise˜ no asistido por computador (CAD). Los m´etodos de corte no mec´anico m´as empleados sonoxicorte, plasma, l´aser y chorro de agua, dependiendo de la naturaleza del material a cortar. En todos ellos el robot transporta la boquilla por la que se emite el material de corte, proyectando este sobre la pieza al tiempo que sigue una trayectoria determinada. Las piezas a cortar pueden disponerse en varias capas, unas encima de otras, realiz´andose el corte simultaneo de todas ellas (m´etodo de corte de patrones en la industria textil).

Figure 4–8: Robot de corte. Si bien el oxicortante y el corte por plasma son tecnolog´ıas muy extendidas y consecuentemente bien conocidas, no ocurre lo mismo en el corte por l´aser y por chorro de agua, de mas reciente aparici´on. La disposici´on t´ıpica del robot en el corte por chorro de agua es el robot suspendido trabajando sobre las piezas fundamentalmente en direcci´on vertical. El robot porta una boquilla de peque˜ no di´ametro (normalmente de .1mm.) Por la que sale un chorro de agua, en ocasiones con alguna sustancia abrasiva, a una velocidad del orden de 900m/s, y a una presi´on del orden de 4000kg/cm2 . El sistema completo precisa de bomba, intensificador, reguladores de presi´on y electro v´alvulas. El corte por chorro de agua puede aplicarse a materiales como alimentos, fibra de vidrio, PVC, m´armol, madera, goma espuma, neopreno, yeso, tela, cart´on, e incluso

125 a metales como aluminio, acero y titanio. En estos casos se a˜ nade al agua una sustancia abrasiva. Las principales ventajas del corte por chorro de agua frente a otros sistemas son: • No provoca aumento de temperatura en el material • No es contaminante • No provoca cambios de color. • No altera las propiedades de los materiales • Coste de mantenimiento bajo Los robots empleados precisan control de trayectoria continua y elevada precisi´on. Su campo de acci´on var´ıa con el tama˜ no de las piezas a cortar, siendo en general de envergadura media (de 1 a 3 metros de radio). En este sentido, como se ha comentado, con mucha frecuencia se dispone al robot suspendido boca abajo sobre la pieza. Montaje Las operaciones de montaje, por la gran precisi´on y habilidad que normalmente exigen, presentan grandes dificultades para su automatizaci´on flexible. Sin embargo, el hecho de que estas operaciones representen una buena parte de los costes totales del producto, ha propiciado las investigaciones y desarrollos en esta ´area, consigui´endose importantes avances. Muchos procesos de ensamblado se han automatizado empleando maquinas especiales que funcionan con gran precisi´on y rapidez. Sin embargo, el mercado actual precisa de sistemas muy flexibles, que permitan introducir frecuentes modificaciones en los productos con unos costes m´ınimos. Por este motivo el robot industrial se ha convertido en muchos casos en la soluci´on ideal para la automatizaci´on del ensamblaje. En particular, el robot resuelve correctamente muchas aplicaciones de ensamblado de piezas peque˜ nas en conjuntos mec´anicos o el´ectricos. Para ello el robot precisa una serie de elementos auxiliares cuyo coste es similar o superior al del propio robot.

126 Entre estos cabe destacar a los alimentadores (tambores vibradores, por ejemplo), posicionadores y los posibles sensores que usa el robot para ayudarse en su tarea (esfuerzos, visi´on, tacto, etc.). Estos sensores son indispensables en muchos casos debido a las estrechas tolerancias con que se trabaja en el ensamblaje y a los inevitables errores, aunque sean muy peque˜ nos, en el posicionamiento de las piezas que entran a tomar parte de el. Los robots empleados en el ensamblaje requieren, en cualquier caso, una gran precisi´on y repetibilidad, no siendo preciso que manejen grandes cargas El tipo SCARA (v´ease Figura 4–9)ha alcanzado gran popularidad en este tipo de tareas por su bajo coste y buenas caracter´ısticas. Estas se consiguen por su adaptabilidad selectiva, presentando facilidad para desviarse, por una fuerza externa, en el plano horizontal y una gran rigidez para hacerlo en el eje vertical. Tambi´en se usan con frecuencia robots cartesianos por su elevada precisi´on y, en general, los robots articulares que pueden resolver muchas de estas aplicaciones con suficiente efectividad. La dificultad inherente de este tipo de tareas obliga, en casi todos los casos, a facilitarlas con un adecuado redise˜ no de las partes que componen el conjunto a ensamblar. De este modo, conjuntos cuyo ensamblaje automatizado seria inabordable con su dise˜ no inicial, pueden ser montados de una manera competitiva mediante el empleo de robots

Figure 4–9: Robot tipo SCARA.

127 Control de Calidad. La tendencia a conseguir una completa automatizaci´o n de la producci´on abarca todas las etapas de esta, inclusive el control de la calidad. El robot industrial puede participar en esta tarea usando su capacidad de posicionamiento y manipulaci´on. As´ı, transportando en su extremo un palpador, puede realizar el control dimensional de piezas ya fabricadas. Para ello el robot toca con el palpador varios puntos claves de la pieza. A partir del conocimiento que en todo instante tiene la unidad de control del robot de la posici´on y orientaci´on de su extremo, se obtienen los datos relativos a la posici´on espacial de los puntos determinados de la pieza. Estos datos son utilizados para registrar posibles desviaciones sobre los valores deseados. Otras posibles aplicaciones del robot en el control de calidad consisten en utilizar a este para transportar el instrumental de medida (Ultrasonidos, rayos x, etc.) a puntos concretos de la pieza a examinar. La situaci´on de posibles defectos detectados puede registrarse y almacenarse a partir, como antes, de la propia unidad de control de robot. Por ultimo, el robot puede usarse como mero manipulador encargado de clasificar piezas seg´ un ciertos criterios de calidad (piezas orrectas e incorrectas, por ejemplo). En este caso, el control y decisi´on de a que familia pertenece la pieza se hace mediante un sistema especifico, capaz de comunicarse con el robot (visi´on artificial). No existe, ene este caso, un tipo concreto de robot mas adecuado para estas tareas. En el control dimensional suelen usarse robots cartesianos por la precisi´on de estos pero, en general, son igualmente validos robots articulares. Control de Calidad. Ciertos procesos de manipulaci´on deben ser realizados en ambientes extremadamente limpios y controlados. En ellos, la actividad del operador se ve dificultado no por el trabajo en s´ı, que no tiene porque ser especialmente complejo o delicado, sino por la necesidad de mantener elevadas medidas de control de impurezas mediante el uso de trajes especiales y controles rigurosos.

128 Las denominadas salas blancas de la industria de los semiconductores o a las de fabricaci´on de algunos productos farmac´euticos, son ejemplos t´ıpicos. La utilizaci´on de un robot para estas funciones se realiza introduciendo este de manera permanente en una cabina. El robot debe cumplir la normativa correspondiente al entorno, siendo por lo dem´as valido cualquier robot comercial, normalmente de seis grados de libertad y alcance inferior a un metro. De este modo se consigue, entre otros beneficios, una reducci´on del riesgo de contaminaci´on, una mayor homogeneidad en la calidad del producto y una reducci´on en el coste de la fabricaci´on. 4.3.3

Nuevos Sectores de Aplicaci´ on

Las aplicaciones de la rob´otica examinadas anteriormente responden a los sectores que, como el del autom´ovil o el de la manufactura, han sido desde hace 30 a˜ nos usuarios habituales de los robots industriales. Este uso extensivo de los robots en los citados se ha visto propiciado por la buena adaptaci´on del robot industrial a las tareas repetitivas en entornos estructurados. De este modo, la competitividad del robot frente a otras soluciones de automatizaci´on se justifica por su r´apida adaptaci´on a series cortas, sus buenas caracter´ısticas de precisi´on y rapidez, y por su posible reutilizaci´on con costes inferiores a los de otros sistemas. Sin embargo, existen otros sectores donde no es preciso conseguir elevada productividad, en los que las tareas a realizar no son repetitivas, y no existe un conocimiento detallado del entorno. Entre estos sectores podr´ıa citarse la industria nuclear, la construcci´on, la medicina o el uso domestico. En ninguno de ellos existe la posibilidad de sistematizar y clasificar las posibles aplicaciones, pues estas responden a soluciones aisladas a problemas concretos. Este tipo de robots ha venido a llamarse robots de servicio y pueden ser definidos como: Un dispositivo electromec´anico, m´ovil o estacionario, con uno o m´as brazos mec´anicos, capaces de acciones independientes. Estos robots est´an siendo aplicados en sectores como: • Agricultura y silvicultura

129 • Ayuda a discapacitados • Construcci´on • Dom´esticos • Dom´esticos • Entornos peligrosos. • Espacio • Medicina y salud. • Miner´ıa. • Submarino. En general, la aplicaci´on de la rob´otica a estos sectores se caracteriza por la falta de estructuraci´on tanto del entorno como de la tarea a realizar, y la menor importancia de criterios de rentabilidad econ´omica frente a la de realizar tareas en entornos peligrosos o en los que no es posible el acceso de las personas. Estas caracter´ısticas obligan a que los robots de servicio cuenten con un mayor grado de inteligencia, puesto que se traduce en el empleo de sensores y del software adecuado para la toma r´apida de decisiones. Puesto que en muchas ocasiones el estado actual de la inteligencia artificial (disciplina que aborda esta problem´atica)no esta lo suficientemente desarrollado como para resolver las situaciones planteadas a los robots de servicio, es frecuente que estos cuenten con un mando remoto, siendo en muchas ocasiones robots teleoperados. Centros de investigaci´on en rob´otica, como la universidad de Carnegie-Mellon o el jet propulsi´on laboratory (JPL) en Estados Unidos, han orientado desde hace tiempo buena parte de sus esfuerzos de investigaci´on en rob´otica en esta l´ınea, desarrollando robots especializados, capacitados para trabajar en el exterior, en entornos no estructurados y peligrosos (superficie de planetas, volcanes, desastres nucleares, etc.).

130 Industria nuclear Por sus especiales caracter´ısticas, el sector nuclear es uno de los m´as susceptibles de utilizar robots de dise˜ no especifico. Entre las diversas aplicaciones se han escogido aqu´ı, por su especial relevancia, las relativas a las operaciones de mantenimiento en zonas contaminadas y de manipulaci´on de residuos. Inspecci´on de los tubos del generador de vapor en un reactor nuclear. Las operaciones de inspecci´on y mantenimiento de las zonas m´as contaminadas de una central nuclear de producci´on de energ´ıa el´ectrica son por su naturaleza largas y costosas. De realizarlas manualmente, el tiempo de exposici´on de los operadores a la radiaci´on es un factor cr´ıtico que, junto con el el evado coste que supone una interrupci´on temporal del funcionamiento del sistema en cuesti´on, justifica sin lugar a dudas la utilizaci´on de sistemas robotizados, normalmente teleoperados, total o parcialmente, que sustituyan al operador. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor entre el fluido primario y secundario. Para ello, dentro de la vasija del generador, se encuentran dispuestas en forma matricial los tubos por los que circula el fluido receptor del calor. El inevitable desgaste de estos tubos obliga a realizar peri´odicamente labores de inspecci´on, para que en el caso de que alguno se encuentre da˜ nado inutilizarlo, poniendo en funcionamiento alguno de los tubos de reserva que a tal fin se han dispuesto en el generador. Para realizar esta labor de manera autom´atica puede utilizarse un robot de desarrollo especifico que, introducido en la vasija, posicione una sonda de inspecci´on en la boca de cada tubo. Esta, empujada por el interior del tubo, proporcionara informaci´on sobre el estado mismo. Es preciso considerar que el robot se introduce en la vasija mediante un sistema mec´anico que, junto con los posibles errores en la disposici´on matricial de los tubos, obliga a que el robot trabaje, bien con ayuda de tele operaci´on, o bien con sistemas sensoriales externos

131 como visi´on l´aser, que proporcionen la posici´on real relativa entre el extremo del robot y los tubos. La industria nuclear genera una cantidad considerable de residuos radioactivos de baja contaminaci´on (vestimentas, envases de pl´astico, papel, etc.) o de alta contaminaci´on (restos de las c´elulas del reactor, materiales en contacto directo prolongado con las zonas radioactivas, etc.). La forma tama˜ no y peso de estos desechos es variable y su manipulaci´on tiene por objeto final su envase de contenedores especiales, que son posteriormente transportados y almacenados (lo que origina problem´atica). Para manipular remotamente estos residuos se hace uso tanto de manipuladores con uni´on mec´anica y seguimiento directo del proceso por parte del operador a trav´es de un cristal (en caso de baja contaminaci´on), como con sistemas con mando remoto por radio o cable en el caso de contaminaci´on elevada. Estos manipuladores permiten la flexibilidad necesaria para manipular elementos de peso variable y una forma nueva no definida. Adem´as, es preciso considerara la importancia que tiene la optimizaci´on del espacio ocupado por los residuos en su almacenamiento, por lo que antes de su envasado en los contenedores puede ser preciso fragmentarlos. Medicina Entre las varias aplicaciones de la rob´otica a la medicina destaca la cirug´ıa. Las primeras aplicaciones de la rob´otica a la cirug´ıa del cerebro datan del a˜ no 1982. En esta fecha se comenz´o en Memorial Medical Center de Long Beach (California) un programa cuyo objetivo consist´ıa en utilizar un robot comercial (Puma 260) para realizar determinadas operaciones de neurocirug´ıa. Desde entonces se han puesto a punto varios sistemas que, con ayuda de un scanner, un ordenador registre toda la informaci´on necesaria del cerebro para que el equipo m´edico decida el punto exacto donde debe ser realizada la incisi´on, donde penetrara la sonda para obtener una muestra para realizar una biopsia. El robot, que se encuentra perfectamente situado con respecto al paciente, porta en su extremo los instrumentos necesarios

132 para realizar la incisi´on, tomar la muestra, etc. La utilizaci´on de un robot conectado al ordenador permite que tanto la incisi´on como la toma de la muestra se realicen con la m´axima precisi´on y en un tiempo notablemente inferior al que se consumir´ıa en caso de emplear el sistema habitual. Adem´as, se descarga al cirujano de la mec´anica de ciertas tareas como el correcto posicionamiento de los instrumentos de cirug´ıa con respecto al cr´aneo del paciente, permitiendo una mayor concentraci´on en el seguimiento y control de la operaci´on. Tambi´en, otro posible beneficio de la aplicaci´on de la rob´otica a la cirug´ıa se encuentra en el telediagnostico y la tele cirug´ıa. Esta ultima consiste en la operaci´on remota de un paciente mediante un telemanipulador. El vagabundo de Marte Este robot durante julio de 1997 (v´ease Figura 4–10) explora el en un rango largo (50km) del terreno de Marte, se encuentra equipado con tecnolog´ıa en instrumentos cient´ıficos.

Figure 4–10: El vagabundo de Marte. El rocky 7 El Rocky 7 (v´ease Figura 4–11)vagabundo cient´ıfico de Largo rango est´a provisto con un m´astil de 1.5 metros, se utiliza para tomar im´agenes estereof´onicas del paisaje circundante para apoyar el funcionamiento del equipo para fijar sus tareas. El m´astil tambi´en tiene una interfase con un instrumento cient´ıfico de 0.5 Kg. El tercer grado de libertad del m´astil, junto con la base del vagabundo m´ovil se dise˜ na

133 para colocar el instrumento contra un blanco, cient´ıficamente interesante dentro de un ´area inspeccionada por las c´amaras estereof´onicas del m´astil.

Figure 4–11: El Rocky 7. Para demostrar las capacidades del m´astil, un instrumento de referencia fue creado. Este instrumento es el ajuste de imagen. Una c´amara del micro video monocrom´atica se utiliza en un ajuste de im´agenes,el instrumento se utiliza para la colocaci´on contra los blancos para recoger im´agenes con 50nm / resoluci´on de p´ıxel. El instrumento incluye una fuente de iluminaci´on activa as´ı como sensores de contacto para confirmar la colocaci´on exitosa contra el blanco. La c´amara de imagen est´a montada en un sistema de giro que permite el despliegue contra una superficie con ´angulo de inclinaci´on para desplazamientos de 25 grados, obteniendo un acercamiento para el instrumento.

APENDICES