Robtica Industrial

Celeste DInca - Robtica Industrial - Captulo 1 - Pgina n 2

Robtica IndustrialCAPITULO 1:

A MANERA DE INTRODUCCIN

20101.1 - INTRODUCCIN:

Desde hace muchos aos, los robots fascinan a los humanos, o bien por ser apreciados por sus dotes especiales, podramos decir sobrehumanas, tipo superman, capaces de realizar toda clase de tareas an las imposibles para el hombre, o bien por cuanto la ciencia ficcin los ha encasillado como entes malvados, que dominan a la humanidad con sus cualidades extrahumanas.

No solo el nacimiento del robot humanoide, sino muchsimos filmes de la primera poca tratan a estas mquinas como seres pensantes, posiblemente por cuanto quien acua el trmino robot, el autor teatral checo Karel Capek, en su obra Robots Universales de Rossum, estrenada en Londres en 1921, los define como seres artificiales de forma humana, que con el tiempo comienzan a reproducirse, o sea a fabricarse por si mismos y se rebelan, por cuanto no quieren ser tratados como esclavos, exterminando a toda la humanidad. En lengua checa el trmino robota indica al que realiza trabajos forzados o al esclavo.

En la actualidad el robot industrial es una mquina capaz de trabajar incansablemente, que no pide vacaciones, no se enferma ni se cansa. No hace huelgas y no pide aumento de sueldo, adems de realizar su trabajo con gran eficiencia.

Las estadsticas de la Federacin Internacional de Robtica, indican que en el ao 2005 existan 922.875 robots instalados en el mundo, con un crecimiento anual medio del 6%, se espera que para el ao 2011 habrn aproximadamente 1.200.000. El 44% de este total se encuentra en Japn, mientras que en la Unin Europea posee el 30% y los Estados Unidos de Norte Amrica solo el 16%.

Esta cantidad, que es el 90% de todas las instalaciones, estn ubicadas en los pases ms industrializados, que son Japn, Estados Unidos de N.A., Alemania, Italia, Francia y el Reino Unido.

El notable desarrollo de la robtica es debido principalmente al abaratamiento de sus costos de produccin y de mantenimiento, as como al aumento de su confiabilidad, lo cual ha sido posible gracias a la electrnica digital, y en especial a los circuitos lgicos programables, de los cuales el ms importante es el microprocesador, y adems los avances de la computacin paralelo, que permite aumentar la velocidad de ejecucin.

El otro factor de importancia a considerar, es que la globalizacin requiere competitividad en precios y en calidad, y mediante el uso de las diversas formas de automatizacin, no solo se logran mquinas y equipos ms confiables, sino por sobre todo, menores costos de produccin.

Estos menores costos de produccin se basan en dos hechos, primero la mejora en la productividad, y segundo, en la menor cantidad de desperdicios, por menor cantidad de errores de fabricacin. Como tercer elemento es considerar la disminucin de los costos de mano de obra.

Un sistema automatizado requiere escasa mano de obra, pero de muy alta especializacin, lo cual hace que se hayan implementado en las fbricas del mundo, variadas formas de educacin continua y entrenamiento permanente para su personal, a fin de realizar su reconversin a nuevas tareas.

Para el estudio de las aplicaciones y el diseo de los robots, se ha desarrollado una nueva ciencia, denominada ROBTICA, que involucra una serie de disciplinas bastante amplia, lo cual hace que los grupos de investigacin para ste propsito sean verdaderamente multidisciplinarios, pues es una mquina, y como tal precisa de un diseo mecnico, adems es controlada mediante un sistema realimentado, entonces necesita de las teoras del control y sus aplicaciones, adems est dotado con sensores electrnicos, es comandado por motores elctricos y es manejado por una computadora.

1.2 - BREVE HISTORIA DE LOS ROBOTS:

Desde la antigedad varios inventores desarrollaron mquinas capaces de realizar alguna tarea, pero por la definicin actual no pueden ser considerados robots, pues no eran programables, podemos citar los relojes animados realizados por los Suizos, los telares de Jacquard, la mquina extractora de lingotes de Babbit, y muchos otros mecanismos de funcionamiento autnomo no programable.

Figura 1.1 - El robot de Leonardo da Vinci.

Posiblemente, uno de los primeros que incursionaron en el tema fuera Leonardo da Vinci, que desarroll un robot vestido con una armadura, capaz de sentarse y de mover los brazos. Tal vez lo hiciera para asustar a los enemigos, dado que cre muchas mquinas de guerra, inclusive la ametralladora y el carro blindado hoy denominado tanque de guerra.

En la figura 1.1 tenemos lo realizado por Leonardo, conjuntamente con un bosquejo del mecanismo, tal como han sido copiados del Cdice Leicester.

Debido a la gran influencia que ejercieron en los primeros aos de nuestro siglo los filmes de ciencia ficcin, en el ao 1938 el escritor Isaac Asimov introduce en sus escritos el tema de los robots diseados para ayudar a la humanidad y que trabajan en forma segura. Solo tres aos ms tarde escribe las hoy llamadas tres leyes de la robtica de Asimov, cuyo texto dice:

1 - Un robot no puede actuar contra un ser humano, o mediante la

inaccin, permitir que un ser humano sufra daos.

2 - Un robot debe obedecer las rdenes dadas por los seres humanos, salvo

que estn en conflicto con la primera ley.

3 - Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que est en

conflicto con las primeras dos leyes.

En stos tres principios, deberan basarse todos los diseos de robots de cualquier tipo, pero ello depende solamente del diseador.

Figura 1.2 - C3PO Y R2D2

A partir de aqu, las pelculas de ciencia ficcin empiezan a hacernos ver una mquina diferente, as por ejemplo en El da que paralizaron la tierra el tema central es un robot que pretende mantener la paz universal. Asimismo, tenemos los simpticos R2D2 y C3PO de la serie denominada Guerra de las galaxias. (Fig. 1.2)

Podemos decir que el ahora considerado padre de la Robtica Industrial, George Devol, fue el primero en patentar un dispositivo que cumple con los requisitos para ser considerado un verdadero robot industrial. Lo hizo en el ao 1946, y consista en una mquina que poda ser controlada mediante grabaciones magnetofnicas.

En el ao 1952 el Instituto Tecnolgico de Massachusetts presenta un prototipo de mquina de control numrico, as como un lenguaje de programacin para la misma, denominado APT (Automatic Programmed Tooling, o Maquinado Automtico Programado).

El mismo George Devol, acua el trmino Universal Automation o Automatizacin Universal), aplicndolo al primer diseo de un robot accionado mediante energa hidrulica, que patent en el ao 1954. Asocindose luego con Joseph Engelberger, fund la empresa Unimation, la primera fabrica mundial de robots.

Figura 1.3 El primer Robot Industrial, el UNIMATE de Unimation Inc.

La empresa fue luego comprada por Condec Corp., la cual comienza el desarrollo comercial de Unimate Robot Systems, cuyo primer producto el Versatran es instalado por Ford Motor Corporation para la descarga de hornos de cubilote.

En el ao 1968, en la Universidad de Stanford se desarrolla el robot mvil conocido como Shakey, el que estaba provisto de una gran cantidad de sensores, entre los cuales se contaba con una cmara de vdeo. En la misma universidad, pero en el ao 1971 se desarrollo un manipulador o brazo robtico, accionado elctricamente, que ha pasado a ser una especie de modelo para las futuras generaciones, es actualmente conocido como The Stanford Arm o El Brazo Stanford. (Fig. 1.4). El cual se convirti en un clsico para el estudio de los robots industriales.

Figura 1.3 - Manipulador Stanford (The Stanford Arm)

En 1973 se desarrolla el primer lenguaje especial para programacin de robots, fue denominado SRI, que luego sera seguido por muchos otros, tales como el AL, el VAL, etc.

De aqu en ms comienza el enorme desarrollo que hoy alcanzan no solo los robots sino todas sus aplicaciones, la principal de las cuales es la actualmente conocida como Manufactura Integrada por Computadora (CIM)

1.3 - DEFINICIN DE ROBOT.

En la literatura se encuentran varias definiciones de lo que es un robot, pero la que debera ser definitiva es la dada por la ISO (International Standards Organizatin) que dice:

Un robot industrial es una mquina manipulativa, automticamente controlada, reprogramable, multi-propsito, con varios ejes reprogramables, los cuales pueden ser fijos o mviles, para uso en aplicaciones de automatizacin industrial

Sin embargo, los robots industriales son una parte del total, digamos que actualmente los no industriales son utilizados fundamentalmente para exploracin, para medicina y para entretenimiento, lo cual les otorga una importancia cada vez mayor.

Es por ello que la RIA (Robotics Industries Association o Asociaciacin de Industrias de Robotica) prefiere la siguiente definicin:

Un robot es una mquina multifuncional, reprogramable, diseada para manipular materiales, partes, herramientas, o dispositivos especiales, mediante movimientos variables, programados para la realizacin de una variedad de tareas1.3.1 - DEFINICIN DE ROBTICA:

El trmino Robtica fue acuado por Isaac Asimov, en la dcada del 40, diciendo que era la ciencia o el estudio de los robots. Sin embargo, actualmente se define a la robtica como la ciencia de la robotologa, y a la robotologa como el medio por el cual las mquinas y los robots son puestos a trabajar conjuntamente para la realizacin de una tarea.

Tal como supuso Karel Capek, los robots industriales son diseados para ser un trabajador perfecto e incansable, construido para ayudar a los humanos, no para reemplazarlos. Lgicamente, al realizar una gran cantidad de tareas, en forma muy eficiente, desplaza cierta cantidad de mano de obra, especialmente a la de menor especializacin, lo cual obliga a los trabajadores a especializarse permanentemente, acrecentado su nivel de conocimientos.

De cualquier forma, an actualmente hay una gran confusin sobre que es un robot industrial, mucha gente confunde los trminos: control remoto, automatizacin y control numrico con robtica industrial, lo cuales debido a la falsa impresin creada por una parte por la ciencia ficcin, y por la otra, por el modo como son desarrollados los robots actualmente.

An en el mundo industrial sigue existiendo la misma confusin, por ejemplo, en Japn se define a un robot como una mquina todo propsito, equipada con una memoria y una terminal, capaz de reemplazar al ser humano en los trabajos de movimiento de materiales.

Esta definicin puede incluir a cualquier dispositivo automtico no programable, tal como las mquinas de embotellar, o a las lavadoras controladas a microprocesador.

Digamos que los robots son ideales para la realizacin de tareas repetitivas, odiosas, montonas, pesadas y especializadas, pero tambin para aquellas peligrosas para el hombre, como ser la inspeccin de cualquier tipo de equipamiento que

funciona o haya funcionado con medios radioactivos, tales como centrales nucleares y plantas de irradiacin, as como para las exploraciones submarinas y del espacio exterior.

Inclusive, actualmente los robots realizan ciertas tareas cuyo grado de precisin excluye de las mismas al ser humano, una de estas aplicaciones lo es la neurociruga, la exploracin intracorprea y otras similares.

A fin de no dejar cabos sueltos, digamos que el CONTROL REMOTO se refiere a la operacin humana, realizada por una persona que no est presente fsicamente en el lugar donde se realiza dicha operacin.

La AUTOMATIZACIN comprende el uso de mquinas especializadas para realizar ciertas operaciones especficas. Y el CONTROL NUMRICO se refiere a una forma de operacin de una mquina especializada, que hace uso de cintas perforadas, tarjetas magnticas, cintas magnticas, cassettes o disquetes, para controlar la fabricacin de cierto elemento.

1.3.2 - MECATRNICA:

Los lmites entre la ingeniera mecnica y la ingeniera electrnica se vuelven cada vez ms difusos, sobre todo debido al crecimiento exponencial de los circuitos integrados y de las computadoras.

Los productos de avanzada que se fabrican actualmente, requieren de ingenieros con especialidades interdisciplinarias, que puedan integrar componentes mecnicos, elctricos y electrnicos en forma interdependiente. Este nuevo campo de la ingeniera, que est fuera de alcances de las ingenieras tradicionales, es conocido como MECATRNICA.

En consecuencia, la mecatrnica es definida como el estudio que involucra el anlisis, el diseo, la sntesis y la seleccin de sistemas que combinan partes electrnicas y mecnicas, con controles modernos, microprocesadores y software.

Por tanto, la mecatrnica es una disciplina tcnica interdisciplinaria, basada en la mecnica clsica, en las ingenieras elctrica y electrnica, y que adems de combinarlas entre s hace uso de la ingeniera en computacin y en la ingeniera de software.

Un sistema compuesto por partes mecnicas y elctricas, que incorpora sensores que remiten informacin a microprocesadores, los cuales la interpretan, procesan y analizan, para utilizarla luego en su comando y control, conjuntamente con informacin previamente almacenada en una memoria, eso es un sistema mecatrnico.

El trmino fue utilizado por primera vez en Japn, en la dcada del 70, cuando comienza el uso masivo de los microprocesadores en los controles industriales, y ahora abarca los campos que comienzan con el control de productos INTELIGENTES mediante la incorporacin de microprocesadores, tanto a la robtica como a la manufactura automatizada.

El diseo mecatrnico comprende una gran diversidad de aplicaciones, desde la integracin fsica y la miniaturizacin de los controles electrnicos, a los sistemas mecnicos, as como para el control de robots accionados hidralicamente, usados en factoras de manufactura y ensamblado.

En Japn, ya en los aos setenta, casi el 80 % de las tareas de manufactura de productos, ser realizaban en forma mecatrnica, por lo que para mantener el nivel de competitividad, las empresas necesitan y necesitarn ingenieros entrenados en estos principios.

Resumiendo y para dejar en claro lo expuesto, entre otras, son disciplinas de la mecatrnica:

- La robtica.

- Los sensores (incluyendo los sistemas de visin artificial)

- Los actuadores o motores.

- Los controladores electrnicos.

1.3 - ARQUITECTURA DE ROBOTS:

Ms que de arquitectura, podramos hablar de anatoma de los robots, pues en el caso de las aplicaciones industriales, una alta proporcin de ellos remedan o simulan un brazo humano.

As que, segn vemos en la figura 1.5, tendremos una base sobre la cual va montado el dispositivo, un antebrazo, un brazo y una mano. As dicho rpidamente, parecera que se trata de copiar la estructura de una extremidad superior nuestra, sin embargo, la cosa es ms complicada, pues suelen agregarse partes y movimientos en extremos variados.

Pero adems existe una parte no mostrada en la figura, y que se tiene ms completa en la figura 1.6, el sistema de sensado y el sistema de control, dando por sentado que los actuadores se encuentran en el mismo manipulador.

Aqu hemos introducido una palabra nueva, el manipulador, que no es ms que el nombre dado a la estructura detallada, que en realidad debera ser mejor conocido como MANIPULADOR ROBTICO.

Pasemos a darle nombre a los componentes, comencemos por el equivalente a la mano, que es conocida en realidad como garra o en ingls GRIPPER, aunque en realidad no siempre en el extremo se coloca este dispositivo de agarre. En general, se dispone el llamado EFECTOR FINAL, que puede ser una herramienta, un taladro, una pinza de soldar, etc.

A continuacin, se encuentra la mueca, la cual puede ser de dos o tres movimientos, el caso ms general es este ltimo, donde a cada uno de ellos es se los denomina como rolido o rotacin alrededor del eje longitudinal, balanceo o rotacin alrededor de un eje transversal, y deriva o rotacin alrededor del otro eje transversal.

Figura 1.5 - Manipulador robtico con indicacin de sus movimientos.

Figura 1.6 - El manipulador robtico y su control.

Llegamos as al brazo, el cual puede estar formado por dos o ms elementos, cada uno de los cuales vinculado al otro por un extremo, tal como se indica en la figura 1.6. Debemos notar ahora que existen varias formas de unir dos elementos, en forma tal que uno de mueva con respecto al otro.

Figura 1.7 - Movimientos de la mano.

Hay tres tipos de uniones, la rotante, donde las partes se unen mediante un eje que permite el giro de una con respecto a la otra, la deslizante, donde una se desplaza linealmente con respecto a la otra y la esfrica, donde el movimiento puede estar compuesto por ms de una rotacin. En la figura 1.8 se muestras estos tres tipos de unin, tambin denominadas articulaciones.