Leccion_1 Programacion Robots

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Dpto. de Ingeniera de Sistemas y Automtica, Universidad de Mlaga, 2007.1

Robtica IndustrialLeccin 1: Introduccin

V. Muoz, J. Fernndez

ETSI Industriales de la Universidad de Mlaga

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Contenido

Introduccin Antecedentes histricos Automatizacin y robtica Propiedades de los robots Caracterizacin del manipulador Elementos terminales

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Bibliografa: Ollero. "Robtica. Manipuladores y robots mviles".

Marcombo-Boixareu editores. 2001. Barrientos, L.I. Pein, C. Balaguer y R. Aracil.

"Fundamentos de Robtica". McGraw Hill, 1997. J. Craig. "Introduction to Robotics. Mechanics and

Control". Addison Wesley, 2003. K.S. Fu, R.C. Gonzlez y C.S.G. Lee. "Robtica, Control,

Deteccin, Visin e Inteligencia". McGraw-Hill Interamericana, 1988.

R.P. Paul. "Robot Manipulators. Mathematics, Programming and Control". MIT Press, 1982.

M.P. Groover, M. Weiss, R.N. Nagel y N.G. Odrey.Robtica industrial: Tecnologa, programacin y aplicaciones. McGraw-Hill Interamericana, 1989.

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Introduccin

Robtica: conjunto de conocimientos tericos y prcticos que permiten concebir, realizar y automatizar sistemas basados en estructurasmecnicas poliarticuladas, dotados de un determinado grado de inteligencia (robots) y destinados a la produccin industrial o a la sustitucin del hombre en muy diversas tareas.

El robot puede considerarse como el actuador de un lazo superior de control.

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Introduccin

La robtica implica: Diseo, manufactura, control y programacin de

robots. Uso de robots como solucin a problemas. Control de procesos, sensores y algoritmos.

Robtica segn Lozano-Prez: Conexin inteligente entre la percepcin y la

accin.

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Introduccin

Existen diversas definiciones de robot que atienden a su grado de autonoma:

Japn: Un robot se define como cualquier dispositivo

que reemplace a un operador humano.

Todo automatismo puede considerarse un robot, auque su grado de inteligencia sea mnimo.

The HonnamaRobotic Beer RefrigeratorAutmatas

Karakurijaponeses para la ceremonia del t (S. XIX).

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Introduccin

EE.UU.: Manipulador programable multifuncional, diseado para mover

material, piezas, o dispositivos especializados a travs de movimientos variables programables para realizar un gran conjunto de tareas.

Esta definicin del Instituto de Robtica Americano, refleja las primeras aplicaciones industriales de los manipuladores, a cuyo mbito restringe a los robots.

McKerrow (1991): Un robot es una mquina que puede ser programada para realizar una

gran variedad de tareas, de la misma manera que un computador esun circuito electrnico que puede ser programado para efectuar cualquier algoritmo.

Esta definicin ms reciente refleja el fin ltimo de la robtica: la construccin de mquinas de propsito general capaces de efectuar cualquier tipo de tarea.

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Antecedentes histricos

Desde tiempos remotos el ser humano ha intentado imitar partes de su cuerpo o de otros seres vivos mediante ingenios mecnicos: En Egipto se dotaba con brazos mecnicos a las imgenes de los

dioses. Los griegos utilizaban la energa hidrulica para imprimir movimiento a

sus estatuas (Ddalo, Arqumedes, Hern de Alejandra). Se acua el trmino automatos.

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El progreso de la relojera en la Baja Edad Media y el Renacimiento proporciona las bases para la construccin de figuras humanas y de animales animadas:

El hombre de hierro de Alberto Magno. Cabeza parlante de Roger Bacon. Len mecnico de Leonardo Da Vinci construido para Luis XII de Francia. Mediante un

accionamiento en su garra se abra el pecho y mostraba el escudo de armas del rey. El hombre de palo de Juanelo Turriano para el emperador Carlos V. Autmata con forma

de monje que andaba, mova la cabeza, ojos boca y brazos.

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Durante los siglos XVII y XVIII los artesanos relojeros crearon ingenios mecnicos con fines ldicos que posean algunas caractersticas de los robots actuales: Jacques Vaucanson: Flautista que toca melodas y un pato capaz de

graznar, beber, comer digerir y evacuar la comida. Jaquet Droz e hijos: Muecos capaces de escribir, dibujar y tocar

diversas piezas en un rgano. Henry Maillardet: Mueca capaz de dibujar.

Autmatas de Droz

Pato de Vaucanson

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En el siglo XIX, tras la revolucin industrial, se empiezan a utilizar los dispositivos automticos en la produccin: Hiladora giratoria de Hargreaves. Hiladora mecnica de Cropton. Telar mecnico de Cartwright. Telar de Jacquard que utilizaba una cinta de papel perforada como un

programa para las acciones de las mquinas.

Telar de Jacquard y cinta perforada.

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En cuanto a la literatura el siglo XIX y mediados del XX, adelantndose a la tcnica, cabe destacar: Frankenstein (1.817) de Mary Shelley. Rossums Universal Robots (1.920) de Karel Capec. Acua por

primera vez el trmino robot que tiene connotaciones de servidumbre o trabajos forzados.

Yo robot (1.945) de Isaac Asimov que introduce por vez primera la palabra robtica.

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Despus de la Segunda Guerra Mundial los motores trmicos y elctricos se encontraban perfeccionados para dar un impulso a la realizacin de automatismos.

En 1.948 R.C. Goertz desarrolla el primer telemanipulador para el manejo de elementos radiactivos sin riesgo para el operador.

En 1.954 George C. Devol asocia una mquina de control numrico a un telemanipuladorpara realizar la transferencia programada de productos, y patent el primer robot para uso industrial. Su concepcin le conferan las caractersticas de flexibilidad y adaptabilidad. Se denomin con el trmino de ficcin robot a pesar de no poseer apariencia humana.

En 1.962 Devol y Engelberger fundan Universal Automation (Unimation) para la fabricacin de los robots tipo PUMA (Programable Universal Machine for Assembly).

Esquema de la primera patente de Devol

Devol y Engelbergerservidos por un robot

PUMA

Robot PUMA 260 de los aos 80

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En 1.968 y 1.969 empiezan a desarrollarse los primeros robots mviles experimentales:

Cuadrpedo para campo travs de la General Electric. Sharkey de la Universidad de Stanford. Prototipo para llevar a cabo el guiado

de vehculos mediante visin artificial. En 1.971 se desarrolla el primer brazo de accionamiento elctrico en la

Universidad de Stanford, que dos aos despus implanta el primer lenguaje para la programacin de robots industriales (WAVE).

Cuadrpedo de GE

Manipulador de Stanford

Sharkey

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En Europa no es hasta 1.973 cuando la firma sueca ASEA construye el primer robot industrial europeo.

En 1.980 el Profesor Makino de la Universidad de Yamanashi (Japn) desarrolla el concepto de robot SCARA ( Selective Compliance AssemblyRobot Arm).

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En la actualidad el robot ha salido del mbito industrial y modificado su morfologa para adaptarse y realizar con xito un gran abanico de tareas:

Robtica espacial. Limpieza de locales y de tuberas. Prtesis robotizadas para discapacitados. Aplicaciones agrcolas, ...

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Automatizacin y Robtica

Automtica: La ciencia que trata de los mtodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitucin del operador humano por un operador artificial en la ejecucin de una tarea fsica o mental previamente programada.

Automatizacin: Tecnologa relacionada con el empleo de sistemas mecnicos y electrnicos basados en computadoras en la produccin.

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Fases de la resolucin del problema de la automatizacin: Abstraccin: Construir un modelo matemtico (tarea) del

problema a partir del anlisis de las especificaciones. Sntesis de la estrategia de control: Descomposicin de

la tarea en un conjunto de actuaciones que debern secuenciarse de forma correcta para cumplir las especificaciones. Cada actuacin modifica el estado fsico del mundo cuando acontece.

Implantacin de controlador: Se seleccionan los componentes para la realizacin fsica de las actuaciones y se evala la eficacia, coste e impacto humano (el robot puede ser un componente ms de una actuacin).

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Los procesos involucrados en la estrategia de control: Percepcin: Sistema supervisor que se encarga de

mantener actualizado el estado de la tarea segn los datos suministrados por los sensores.

Modelado: Crear un modelo geomtrico de la tarea mediante el uso de sistemas de referencias y relaciones entre ellos.

Medicin: Estimar las medidas oportunas para instanciarlos parmetros del modelo geomtrico.

Planificacin: Examinar el estado de la tarea para generar la secuencia de actuaciones.

Accin: Definir en el lenguaje del robot las diferentes interacciones de ste con el entorno de trabajo.

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Percepcin

Medicin

Modelado

Modelogeomtrico

Planificacin

Generador de acciones

Sist

ema

sens

oria

lActuacin

Usuario

Instruccionesen el lenguajedel robot

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La robtica se define como una clase particular de la automatizacin.

Ejemplo: Clasificar los objetos que llegan por la cinta transportadora atendiendo a su forma:

Sensor de presencia

Cmara

Caja clasificadora

Manipulador

Cinta transportadora

objeto

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Percepcin: Supervisar criterios como: Ha entrado algn objeto?, Robot en posicin de descanso?.

Modelado: Asignar a cada tipo de cuerpo un sistema de coordenadas local que define la configuracin de agarre. Definir su relacin con el sistema global.

Medicin: Estimar las dimensiones de cada cuerpo. Planificacin: Esperar a que un nuevo cuerpo sea detectado, determinar de que

tipo se trata, transportarlo al lugar correspondiente de la caja, manipulador en posicin de descanso.

Accin: Mueve a la postura de agarre, abrir pinza, cerrar pinza, mover a postura sobre la caja, abrir pinza, mover a posicin de espera.

Sensor de presencia

Cmara

Caja clasificadora

Manipulador

Cinta transportadora

objeto

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Se distinguen tres clases principales de automatizacin: Automatizacin fija Automatizacin programable Automatizacin flexible

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Automatizacin fija: Se fabrica un slo tipo de producto y el

volumen de produccin es elevado. Se disean equipos especializados

para procesar el producto o componentes con un alto grado de rendimiento.

Necesita una elevada inversin inicial y el equipo queda obsoleto una vez finalizado el ciclo de vida del producto.

Este tipo de automatizacin presenta un riesgo econmico elevado para productos con un ciclo de vida corto.

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Automatizacin programable: Volumen de produccin bajo y se

exige fabricar una amplia gama de productos.

El equipo de produccin es adaptable.

Existe un programa de control que se encarga de la gestin del equipo para que efecte el tratamiento especfico sobre cada producto.

El coste del equipo programable se reparte entre un gran nmero de productos. Cuando se termina de producir un lote, se reprograma el equipo para producir otro.

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Automatizacin flexible: Se definen como sistemas de fabricacin

integrados por computador. Poseen las caractersticas de los dos tipos de automatizacin anteriores.

Rango de produccin medio. Se programa para diferentes tipos de productos, pero la diversidad de configuraciones se encuentra ms limitada que en el tipo anterior.

Se constituye como una serie de estaciones de trabajo interconectadas por sistemas de almacenamiento y distribucin de material.

Se utiliza un ordenador central que controla las diversas actividades que acontecen.

Entre otras tareas, el ordenador central se encarga de encaminar las piezas a las estaciones adecuadas y supervisar las operaciones que efectan stas.

Este sistema de fabricacin se encuentra capacitado para producir ms de un producto de forma simultnea.

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Los robots aparecen tanto en los sistemas de automatizacin programable como en los flexibles. Realizan una gran variedad de tareas, muchas de las cuales implican trabajar junto a otros elementos automatizados o semi-automatizados.

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Caracterizacin de los robots

Caracterizacin del comportamiento y propiedades funcionales del sistema robot (Ferrat y otros, 1.986): Movilidad: Relacionado de forma directa con la morfologa del

sistema robot y expresa la capacidad de movimiento del mismo. Movilidad articular: Caracteriza a los robots manipuladores. Movilidad traslacional: Caracteriza a los robots mviles.

Gobernabilidad: Capacidad que caracteriza al manipulador para ser controlado y gobernado desde el exterior. Manejabilidad: Facultad que habilita al sistema robot para ser mandado en tiempo real.

Autonoma: Capacidad de autogobierno por parte del sistema robot. Implica:

Capacidad sensorial. Capacidad de planificacin.

Polivalencia: Capacidad del robot para ejecutar con eficacia tareas ms o menos diferentes.

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Los atributos que definen la morfologa del sistema robot (Ferrat y otros, 1.986): Poliarticulados: Diseados para mover su efector final en un espacio

de trabajo delimitado por sus grados de libertad.

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Mviles: Robots con gran capacidad de movimiento basados en carros o plataformas de concepcin diversa y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante.

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Androides: Reproducen de manera total o parcial la forma y comportamiento cinemtico de un ser humano.

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Zoomrficos: Se caracterizan por que su sistema de locomocin imitan al de algunos seres vivos. Se clasifican en:

No caminadores: Robot serpiente y mquina saltarina de Reibert. El primero se utiliza para aplicaciones en el interior de tuberas y el segundo como plataforma para estudiar el problema del equilibrio en el movimiento.

Caminadores: Encuentran aplicacin como vehculos todo terreno y deben estar dotados de grandes facultades de adaptacin.

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Caracterizacin del manipulador

El robot manipulador adopta la estructura de una cadena cinemtica abierta:

Eslabones: Elementos rgidos que encuentran interrelacionados mediante articulaciones. Se caracterizan mediante una longitud y una torsin.

Longitud: Distancia entre los ejes articulares contenidos en un elemento.

Torsin: Angulo de desfase entre los ejes articulares de un elemento.

Articulaciones: Permiten el movimiento relativo de un eslabn con respecto a otro. Cada articulacin introduce, al menos un grado de libertad.

Efector final: ltimo eslabn de la cadena.

E0

E1E2 En En+1

A1A2 A3 An An+1

Eje Eje

Longitud

Torsin

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Los tipos de articulaciones comnmente utilizados en la confeccin de manipuladores:

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Para simplificar la cinemtica del manipulador se emplean articulaciones con un slo grado de libertad:

Rotacin

Prismtica

EsquemaArticulacin

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Atendiendo a la funcin que realizan los eslabones de la cadena cinemtica se clasifican en: Brazo: Encargados de

situar el efector final de la cadena cinemtica en cierta posicin cartesiana del espacio.

Mueca: Orienta el efector final en el espacio tridimensional sin modificar su posicin. Proporciona tres grados de libertad adicionales.

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Volumen de trabajo: Espacio dentro del cual el robot puede posicionar el extremo de su mueca. No se considera el efector final al suponerse que no es parte integrante del manipulador. Viene determinado por: La configuracin fsica del robot. Los tamaos de los eslabones. Los lmites de los movimientos

articulares.

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El esquema ms comnmente utilizado, para configurar los elementos orientadores, se denomina mueca esfrica:

Los tres ejes de movimiento intersecan en un punto (origen del sistema de coordenadas).

Si se alinean los ejes que proporcionan los movimientos de desviacin y giro, se pierde un grado de libertad (esquema roll-pitch-roll).

Posee un modelo matemtico resoluble.

Z

XY

yaw/desviacin

pitch/elevacin

roll/giro

En el diseo de una mueca se emplean criterios como: Tamao reducido. Actuadores lo ms cerca posible de los ejes. Evitar configuraciones degeneradas. Desacoplo de la accin de posicionamiento y de la

orientacin.

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En labores de montaje o insercin se requiere mayor precisin de movimientos y por ello se emplean elementos adicionales unidos a la mueca. El objetivo consiste en corregir el error de posicin y orientacin que se produce al iniciar la operacin de insercin. Se distinguen dos estrategias:

Acomodacin pasiva: Se introduce un elemento elstico entre la mueca y el efector final. Se consigue la insercin sin la intervencin del control del robot.

Acomodacin activa: Se dota a la mueca de un sensor de esfuerzos. Se realiza la operacin de insercin mediante la actuacin de la unidad de control del robot.

brazomueca

elementoelstico

pinza

pernoorificio

brazomueca

sensor deesfuerzos

pinza

Control

Procesadoseal

error

movimiento

perno

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En cuanto a los elementos posicionadores, las configuraciones clsicas:

Configuracin esfrica o polar: Posiciona el efector final mediante dos giros y un desplazamiento.

Cubre un gran volumen desde el soporte central. Gran facilidad para coger objetos del suelo. Utilizado para labores de carga/descarga y paletizado.

P=(x,y,z)

X

Y

Z

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Configuracin cilndrica: Posiciona el efector final mediante dos traslaciones y un giro.

Modelo cinemtico sencillo. Capacitado para acceder a las cavidades de alimentacin de las mquinas. Estructura robusta que le permite levantar grandes cargas. Espacio de trabajo restringido, ya que el cilindro accesible se encuentra

limitado por las caractersticas de las articulaciones.

P=(x,y,z)

X

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Configuracin cartesiana: Posiciona el efector final mediante desplazamientos en los tres ejes cartesianos.

Modelo cinemtico extremadamente sencillo. Fcil de controlar sus movimientos. Con actuadores neumticos se utiliza en operaciones pick & place. Posee un volumen de trabajo pequeo, que puede ampliarse mediante

versiones de tipo prtico.

P=(x,y,z)

X

Y

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dx

dy

dz

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Configuracin angular: Posiciona el efector final mediante tres rotaciones.

Cubre un gran volumen de trabajo en comparacin con el que ocupa el manipulador. Puede alcanzar reas inaccesibles bajo los objetos del entorno. Presenta un modelo cinemtico y dinmico complejo, por lo que resulta difcil controlar

sus movimientos. La estructura pierde rigidez en los puntos de mximo alcance.

P=(x,y,z)

X

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Configuracin SCARA: Posiciona el efector final mediante dos giros y una traslacin.

Versin de la configuracin cilndrica para trabajo en superficies horizontales. Rapidez y precisin de movimientos que lo habilitan especialmente para labores de

montaje. Volumen de trabajo reducido y no se encuentra capacitado para levantar grandes

cargas. Fcil de controlar sus movimientos.

P=(x,y,z)

X

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Elementos terminales

El efector o elemento terminal de un manipulador se encuentra diseado para efectuar aplicaciones especficas. Se clasifican en dos categoras: Pinzas: til para agarrar o sostener un objeto durante el ciclo de

trabajo de un robot. Herramientas: Instrumento usado en aplicaciones dnde se requiere

que el manipulador realice cierto tratamiento a las piezas de trabajo.

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La pinza o herramienta se acopla a la mueca del robot, de modo que se la pueda situar en una posicin y orientacin deseadas.

Las principales caractersticas que definen a una pinza: Capacidad de carga. Geometra y dimensiones de los objetos que debe

manejar. Tipo de energa utilizada para su actuacin. Caractersticas de la superficie de contacto. Tipo de movimiento de sus dedos.

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Las pinzas se pueden clasificar en: Pinzas a presin: Retienen y transportan objetos por rozamiento gracias a la

presin ejercidas por sus dedos. Pueden Accionarse de forma neumtica, hidrulica o elctrica.

La fuerza de cierre debe ser adecuada para soportar el peso del objeto y limitada para asegurar no daarlo.

Segn el tipo de cierre se clasifican en:

Dedos pivotantes Dedos

deslizantes

Dedos Flexibles

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Sujecin por enganche: Se utiliza cuando se desea evitar ejercer presin sobre el objeto a manipular. Poseen un diseo especfico y permiten mayor capacidad de carga, fiabilidad y precisin en el posicionamiento de piezas.

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Sujecin por contacto: Se suele utilizar una actuacin por succin, electroimanes o mediante elementos adhesivos. Las ventosas son el medio ms utilizado, debido a que pueden manipular grandes cargas y adaptarse a la superficie del objeto.

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Resumen

La robtica tiene numerosos antecedentes histricos, que pueden relacionarse con el deseo de crear vida artificial.

La robtica hoy da se encuadra como una herramienta al servicio de la automatizacin, aunque el mbito de aplicacin se ensancha da a da.

Los robots tienen propiedades muy diferentes en funcin de su aplicacin. La diversidad creciente de sus tareas acenta este hecho.

A nivel industrial, los manipuladores son hoy da los robots ms frecuentes. Pueden tener diversas configuraciones, pero siempre se habla de un brazo y una mueca.

Para desarrollar su labor los manipuladores necesitan elementos terminales especializados, que se disean de acuerdo con la tarea a desempear.

Leccion_1 Programacion Robots

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