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Robótica industrial
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Óptica
Informática
Electrónica
Mecánica
Mecatrónica – La nueva disciplina
Mecatrónica
Procesamiento de información
(Micro) Óptica
Optomecánica Optoelectrónica
ModelamientoSimulación
Computaciónde procesos
(Micro)Mecánica
(Micro)Electrónica
Act./Sens.
Medición
Fuente: VDI-Nachrichten, 2005
Mecatrónica: Término en uso de 1990 para describir la disciplinas de la ingeniería que cubre la mecánica, electrónica e informática.
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Historia
1801: Máquina textil (Jacquard) operada con tarjetas perforadas1830: Torno operado con levas1892: Grúa motorizada con manipulador de piezas de fundición1921: Primera referencia a la palabra robot en la obra teatral “R.U.R. o Rossum’s Universal Robot” del checo Karel Capek, estrenada en Londres. La palabra robota en checo significa labor forzada o esclavitud.1938: Mecanismo programable de pintura por aspersión1946: Sistema de reproducción de uso general para controlar máquinas. Primer computador electrónico (ENIAC)1948: Norbert Wiener (M.I.T.) publica “Cibernética”1951: Brazo articulado operado a distancia diseñado para la Comisión de Energía Atómica1954: Primer robot programable (Unimation)1959: Primer robot comercial1962: Primer robot industrial en producción en línea (General Motors)
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Historia (cont.)
1964: Laboratorios de investigación en inteligencia artificial en M.I.T., S.R.I., Universidades de Stanford y Edinburgo1968: Primer robot con capacidad de visión1973: “T3 - The Tomorrow Tool” primer robot comercial controlado por minicomputadora1976: Brazos de robot en las sondas Viking 1 y 2, controlados por microcomputadoras1977: Primeros robots eléctricos desarrollados en Europa por ASEA1978: “PUMA - Programmable Universal Machine for Assembly”desarrollado por Unimation con apoyo de General Motors1980: Crecimiento acelerado de la industria de robots1987: Mercado de robots en U.S.A. estimado en $170 mil millones1990: Más de 40 companías de robots comerciales en Japón (incluyendo gigantes como Mitsubishi y Hitachi) y 12 en U.S.A.2000 en adelante: Combinación de robots inteligentes con sistemas sensoriales.
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Robots - Definiciones
Robot Institute of America:“Un robot es un manipuladorreprogramable y multifuncional, diseñado para mover material, partes, herramientas o aparatos especiales mediante una serie de movimientos programados para el desarrollo de tareas específicas”Mikell Groover:“Un robot industrial es una máquina programable de propósito genérico que posee ciertas características antropomórficas”
Robots ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) de Honda jugando fútbol.
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Analogía en partes y movimientoscon el cuerpo humano
cintura
hombro
codo
muñeca
cuerpobrazo
antebrazo
dedos (grippers)
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¿Qué caracteriza a un robot?
Realiza operaciones de manipulación y/o fabricaciónEs programablePuede realizar movimientos complejos con gran velocidad y precisiónEstá integrado dentro de un sistema de manufactura automatizado
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Especificaciones de performance
Capacidad:Peso o Fuerza (normal y máxima)VelocidadFormas de objetos que puede manipularEspacio de trabajo
Grados de libertad:Complejidad de movimientos que puede realizar
Precisión, repetibilidad:Capacidad de volver al mismo punto una y otra vez, aún después de un tiempo prolongado de operación
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Tipos de robots
Manipuladores y de fabricaciónCartesianos
Cilíndricos
Esféricos
Brazos articulados
SCARA
De servicio, móviles
De entretenimiento(humanoides, mascotas)
Robots QRIO (Quest for cuRIOsity)y AIBO (Artificial Intelligence roBOt)de SONY Corporation
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Grados de libertad
Es el número de puntos de movimiento independiente que posee un robot. Cada movimiento puede ser:
Lineal (prismático o axial)Rotación (giro alrededor de un eje)Planar (giro + desplazamiento lineal)
Los robots típicos tienen de 3 a 6 grados de libertadCon menos de 3 G.L. se llaman sólo manipuladores
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Robot cartesiano (Gantry): Tres movimientos lineales en ejes perpendiculares (3 grados de libertad). Tiene el mayor campo de trabajo.Robot cilíndrico: Movimientos en dos ejes lineales perpendiculares + giro en plano perpendicular al primer eje (3 grados de libertad)Robot esférico (polar): Dos movimientos de giro en planos perpendiculares + movimiento lineal (3 grados de libertad)
Configuraciones de movimientos
Cartesiano
Cilíndrico
Esférico (polar)
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Brazo articulado: Varios movimientos de giro en ejes perpendiculares o paralelos (4 a 6 grados de libertad)SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm): Caso especial de robot cilíndrico con dos giros + 1 o 2 movimientos lineales en ejes paralelos (3 a 4 grados de libertad). Ideal para tareas de montaje de partes (pick and place).
Configuraciones de movimientos
Articulado
SCARA
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Cinemática y dinámica del robot
Modelo cinemático directo: Calcula la posición y orientación del elemento final respecto al marco de la base.Modelo cinemático inverso: Calcula los posibles conjuntos de ángulos de las articulaciones para una posición y orientación deseada del elemento final.Modelo dinámico: Calcula las funciones de par usando las ecuaciones dinámicas del robot o también la aceleración y movimiento en función del par actuador.
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Esquema de sistema de control
ServocontroladorArticulación 1
Amplificadorde potencia
Sensoresinternos
ServocontroladorArticulación 2
Amplificadorde potencia
Sensoresinternos
ServocontroladorArticulación n
Amplificadorde potencia
Sensoresinternos
CPUgenérica
Memoria
Comunicaciones
Interfaz deusuario
Dispositivos dealmacenamiento Servomotor 1
Servomotor 2
Servomotor nFuente: Aracil et al, 2002
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Sensores de posición y velocidad
Rango limitado de medidas
Alta resolu-ción
Las señales de salida codificadas representan el ángulo absoluto de giro
AngularEncoder absoluto
Errores acumulables, necesita marca de cero
Barato, sencillo, rango ilimitado
Giro del disco/regla produce pulsos de contaje en el fotorreceptor
Angular
Lineal
Encoder incrementalRegla óptica
Datos ambiguos, digitalización costosa
Robusto, sencillo, barato
Excitando el rotor se obtienen dos señales de con amplitud proporcional al desplazamiento
AngularLineal
ResolverInductosyn
Linealidad, imprecisión mecánica
Barato, tamaño reducido
Tensión proporcional al desplazamiento o ángulo girado
lineal/angularPotenciómetro
DesventajasVentajasPrincipioMediciónTransductor
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Sensores de posición y velocidad
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
1arctanaaα
Resolver: Permite convertir la posición angular de un rotor en una señal eléctrica. Si se excita el rotor R con una tensión alterna, las amplitudes a1 y a2 de las tensiones inducidas en S1 y S2 corresponden al seno y coseno de la posición angular del rotor α:
Encoder: Permite convertir la posición angular relativa (encoder incremental) o absoluta (encoder absoluto) de un eje rotatorio. Se utilizan principios ópticos (el más común), magnéticos y de contacto eléctrico. También existen encoders lineales. En la figura, los diodos emisores de luz (o IR) producen un patrón de interferencia entre la placa codificada rotatoria y la máscara fija. Los sensores de luz A, B y Z captan dichas señales.
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Servomotores
Reductorplanetario
Codificadorde posición
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Reductores armónicos
Características: Reductor coaxial de alta relación (50:1 a 160:1), alto rendimiento mecánico, compacto y juego angular casi nulo (repetibilidad 1’). El engranaje interior ovalado (flexible) tiene por lo general dos dientes menos que la corona exterior (rígida)
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Pinzas y herramientas
Pinza:Agarrar o sostener piezasCapacidad de medir presión
Herramientas:DestornilladoresSoldadoresTaladrosElectrodosCuchillas
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Métodos de programación
Por terminales dedicados (movimiento a control remoto y almacenamiento de puntos y secuencias)Por programa textual en consola o PC (diversos lenguajes)Por imitación de movimientos humanos (brazos articulados con sistemas sensoriales o cámaras que captan puntos luminosos)
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Aplicaciones industriales
SoldaduraPrecisiónRapidez
Manipulación y montajeSeguridadGrandes pesos
Pintura por “spray”uniformidadrapidez
FabricaciónEnsamblaje (motores, componentes electrónicos)
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Mercado mundial de robots industriales
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Mercado mundial de robots de servicio
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Tendencias futuras
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