ROBOTICA

I.- FUNDAMENTOS DE ROBOTICA

I.1 Evolución de la automatización y robótica

I.2 Mercado de la robótica y su prospectiva

I.3 Anatomía del robot

I.4 Aplicaciones y factibilidad

II. EL ROBOT Y SUS PERIFERICOS

II.1 Sistema de control y componentes

II.2 Análisis y control del sistema motriz

II.3 Mecanismo manipulador del robot

II.4 Sensores

III. PROGRAMACIÓN DE ROBOTS Y LENGUAJES

III.1 Programación de robot, software y lenguaje.

III.2 Inteligencia artificial

IV. EL ROBOT APLICADO A LA MANUFACTURA

IV.1 El robot en el manejo de materiales.

IV.2 El robot en las operaciones, el ensamble y la inspección

I.- FUNDAMENTOS DE ROBOTICA

Objetivo: El alumno comprenderá los factores involucrados en la robótica, su factibilidad y aplicaciones.

I.1 Evolución de la automatización y robótica

La imagen del robot como una máquina a semejanza con el ser humano, subyace en el hombre desde hace muchos siglos, existiendo diversas realizaciones con este fin; desde los pájaros mecánicos de Hero de Alejandría, en el siglo I a.C., hasta el tigre del Museo Victoria Albert, del siglo XIX.

La palabra robot proviene del checo y la usó por primera vez el escritor Karel Capek en 1917 para referirse, en sus obras, a máquinas con forma humanoide. En 1940, Isaac Asimov volvió a referirse a los robots en sus libros.

Pero el robot industrial, que se conoce y emplea en nuestros días, no surge como consecuencia de la tendencia o afición de reproducir seres vivientes, sino de la necesidad. Fue la necesidad la que dio origen a la agricultura, el pastoreo, la caza, la pesca, etc. Más adelante, la necesidad provocó la primera revolución industrial con el descubrimiento de la máquina de Watt y, actualmente, la necesidad ha cubierto de ordenadores la faz de la tierra.

Inmersos en la era de la informatización, la imperiosa necesidad de aumentar la productividad y mejorar la calidad de los productos, ha hecho insuficiente la automatización industrial rígida, dominante en las primeras décadas del siglo XX, que estaba destinada a la fabricación de grandes series de una restringida gama de productos. Hoy día, más de la mitad de los productos que se fabrican corresponden a lotes de pocas unidades.

Al enfocarse la producción industrial moderna hacia la automatización global y flexible, han quedado en desuso las herramientas, que hasta hace poco eran habituales:

-Maquinaria para la automatización rígida.

-Máquinas herramientas CNC.

-Manipuladores secuenciales.

Con el objetivo de diseñar una máquina flexible, adaptable al entorno y de fácil manejo, George Devol, pionero de la Robótica Industrial, patentó, en 1956, un manipulador programable que fue el germen del robot industrial.

La definición del robot industrial, como una máquina que puede efectuar un número diverso de trabajos, automáticamente, mediante la programación previa, no es válida, porque existen bastantes máquinas de control numérico que cumplen esos requisitos.

Una peculiaridad de los robots es su estructura en forma de brazo mecánico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores o herramientas. Otra característica específica del robot, es la posibilidad de llevar a cabo trabajos completamente diferentes e, incluso, tomar decisiones según la información procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa operativo de su sistema informático.

Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robótica Industrial; l.a fase. El laboratorio ARGONNE diseña, en 1950, manipuladores amo-esclavo para manejar materiales radioactivos.

2.a fase. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Westinghouse, realiza los primeros proyectos de robots industriales, a principios de la década de los 60 de nuestro siglo, instalando el primero en 1961 y posteriormente, en 1967, un conjunto de ellos en una factoría de GENERAL MOTORS. Tres años después, se inicia la implantación de los robots en Europa, especialmente en el área de la fabricación de automóviles. Japón no comenzó a interesarse por el tema hasta 1968.

3.a fase. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la tarea de controlar un robot mediante computador.

4.a fase. En el año 1975, la aplicación del microprocesador, transforma la imagen y las características del robot, hasta entonces grande y caro.

En esta fase que dura desde 1975 hasta 1980, la conjunción de los efectos de la revolución de la Microelectrónica y la revitalización de las empresas automovilísticas, produjo un crecimiento acumulativo del parque del robots, cercano al 25% .

5.a fase. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigación, por parte de las empresas fabricantes de robots, otras auxiliares y diversos departamentos de Universidades de todo el mundo, sobre la Informática aplicada y la experimentación de sensores, cada vez más perfeccionados, potencian la configuración del robot inteligente capaz de adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuadas para cada situación. En 1995 el parque mundial de robots rondaba las 700.000 unidades.

I.2 Mercado de la robótica y su prospectiva

La moderna industria de los robots tiene sus raíces en muchas tecnologías distintas. en especial en la de los manipuladores (Babbit diseñó un manipulador en 1892 (Patente Número 464 870 de Estados Unidos)), los servomecanismos y las computadoras. Las patentes obtenidas por Pollard en 1942 y Roselund en 1944 se relacionan con máquinas de pintura por rocío que, de hecho, llevaban a cabo las funciones de un robot de reproducción. La invención del robot se le acredita a George C. Devol. Jr. tomando en cuenta las patentes que registró en 1946. A partir de estos inventos se ha creado una industria de alcance mundial, que incluye no sólo el proceso mismo de fabricar robots, sino también a un sinnúmero de compañías de menor tamaño dedicadas a la fabricación de los componentes (mecánicos, electrónicos y de software) necesarios, al diseño y manufactura de dispositivos periféricos (por ejemplo, tenazas especiales, sistemas de visión) y al mantenimiento y otras funciones de servicio.

Las patentes originales de Devol fueron adquiridas por la Consolidated Diesel Corporation (CONDEC), que estableció una subsidiaria llamada Unimation. Inc. (nombre derivado de (UNIversal autoMATION) con el fin de diseñar máquinas que pudieran usarse a nivel comercial, lo que condujo finalmente a la instalación del robot antes mencionado en 1962.

En 1974, la compañía Renault, firma francesa fabricante de automóviles, consideró que existía la posibilidad de utilizar robots en sus operaciones de manufactura e inició un proyecto de investigación para la fabricación de robots a utilizarse en las operaciones de producción de la empresa. Posterionnente Renault se convertiría en fabricante y proveedor de robots industriales para el mercado en general.

También en 1974, apareció el primer robot controlado por medio de una microcomputadora, el T3 (Tomorrow Tool Today o herramienta del mañana hoy) fabricado por la Cincinnati Milacron Corporation, que es una compañía fuerte dedicada a la fabricación de máquinas herramienta.

Estos tres ejemplos ilustran en forma adecuada los orígenes tan distintos que han tenido los fabricantes de robots. Muchos de los principales fabricantes de robots son compañías nuevas que se constituyeron en forma específica para fabricar robots. Otras se han creado por usuarios potenciales de robots quienes, después de diseñar robots para uso interno, descubrieron que sus máquinas podían usarse no sólo en sus compañías sino que también podían venderse a otras empresas, por ejemplo, General Motors o IBM. En muchos aspectos un robot es sólo otra máquina herramienta, por lo que la tecnología es una extensión natural de las actividades de fabricantes de máquinas herramienta ya establecidos; el diseño de los productos ASEA a partir de un equipo automático de soldadura para convertirse en robots para soldadura y después en robots de uso general, parece por lo tanto un proceso lógico.

En la figura 1 se muestra el crecimiento en participación de mercado de los principales fabricantes de robots del mundo.

Fig.1 Crecimiento de la participación en el mercado de los fabricantes de robots

La situación de la industria de los robots en Inglaterra con frecuencia se evalúa a través de una comparación directa con las industrias de Estados Unidos y del Japón. Esto puede llevar a conclusiones equivocadas dado que las industrias de estos países se sustentan en importantes mercados domésticos. La industria de los robots en Inglaterra puede compararse en forma más adecuada con las industrias de Francia, Italia y Bélgica, dado que estos países tienen mercados similares a los de Inglaterra.

Los tres principales fabricantes, ASEA, Cincinnati Milacron y Unimation, venden sus modelos en Inglaterra, pero Unimation lleva a cabo sólo parte de sus operaciones de fabricación en Inglaterra. La mayoría de los robots japoneses se importan en forma directa, por ejemplo los robots Daros fabricados por el grupo Dainichi- Kiko en Japón e importados por Dainichi-Sykes Robotics Ltd. Los contratos de otorgamiento de licencias tendrán un papel importante en la fabricación de robots; algunos ejemplos notables de esto son GEC, cuyo convenio con Hitachi les permitirá aumentar la gama de robots heredados de Hall Automation y el Grupo 600, que ha celebrado un convenio de manufactura con Fujitsu Fanuc.

I.3 Anatomía del robot

La idea común que se tiene de un robot industrial, es la de un brazo mecánico articulado, pero este elemento no es más que una parte de lo que se considera técnicamente como un sistema de robot industrial.

Un sistema de robot industrial consta de las siguientes partes:

Manipulador o brazo mecánico.

Controlador.

Elementos motrices o actuadores.

Elemento terminal.

Herramienta o aprehensor.

Sensores de información en los robots inteligentes.

Por último, al robot industrial se le engloba dentro de la arquitectura de la célula de fabricación flexible, en la que se combinan diversos dispositivos que configuran un núcleo básico de producción. Véase la figura 2.

Fig 2. Estructura general de una “célula de fabricación flexible”

1.- El manipulador

Recibe el nombre de manipulador o brazo de un robot, el conjunto de elementos mecánicos que propician el movimiento del elemento terminal (aprehensor o herramienta). Dentro de la. estructura interna del manipulador se alojan, en muchas ocasiones, los elementos motrices, engranajes y transmisiones que soportan el movimiento de las cuatro partes que, generalmente, suelen conformar el brazo:

Base o pedestal de fijación.

Cuerpo.

Brazo.

Antebrazo.

Los cuatro elementos rígidos del brazo están relacionados entre sí mediante articulaciones, las cuales pueden ser giratorias, cuando el movimiento permitido es el de rotación, como sucede con todas las del PUMA 600 de la Figura 3, o prismáticas, en las que existe un movimiento de traslación entre los elementos que relacionan.

A semejanza con el brazo humano, a las uniones o articulaciones del manipulador se las denomina:

-Unión del cuerpo (Base-Cuerpo )

-Unión hombro (Cuerpo-Brazo)

-Unión codo (Brazo-Antebrazo)

-Unión muñeca (Antebrazo-Aprehensor)

El número de elementos del brazo y el de las articulaciones que los relacionan, determinan los grados de libertad del manipulador, que en los robots industriales suelen ser 6, que coinciden con los movimientos independientes que posicionan las partes del brazo en el espacio. Tres de ellos definen la posición en el espacio y los otros tres la orientación del elemento terminal. En la figura 4 se indican los movimientos de un manipulador clásico.

Fig. 3 Esquema del manipulador correspondiente al robot PUMA 600 de UNIMATION, con indicación del nombre de sus elementos y el de sus articulaciones, así como la especificación de los movimientos posibles.

Fig. 4 Grados de libertad o movimientos independientes de un manipulador clásico

2. El controlador

Recibe este nombre el dispositivo que se encarga de regular el movimiento de los elementos del manipulador y todo tipo de acciones, cálculos y procesado de información, que se realiza. La complejidad del control varía según los parámetros que se gobiernan, pudiendo existir las siguientes categorías:

Controlador de posición. Sólo interviene en el control de la posición del elemento terminal. Puede actuar en modo punto a punto, o bien, en modo continuo, en cuyo caso recibe el nombre de control continuo de trayectoria.

Control cinemático. Cuando además de la posición se regula la velocidad.

Control dinámico. Se tienen en cuenta, también, las propiedades dinámicas del manipulador, motores y elementos asociados.

Control adaptativo. Además de lo indicado en los anteriores controles, también se considera la variación de las características del manipulador al variar la posición.

Refiriéndose a otro aspecto, el control puede llevarse a cabo en lazo abierto o en lazo cerrado. En el caso del control en lazo abierto, se produce una señal de consigna que determina el movimiento, pero no se analiza si se ha realizado con exactitud o se ha producido un error, al efectuarse en la realidad. El control en lazo abierto es típico en los motores paso a paso (PAP), en los cuales las señales que generan un paso del mismo, dan lugar al giro de un determinado ángulo del eje, es decir, son motores con movimiento cuantificado. Existen sistemas con salidas tempo- rizadas o movimientos predeterminados, que actúan en lazo abierto.

El control en lazo abierto tiene muchas causas de error (inercia, interferencias, fricciones, desplazamientos, etc.), y si bien es muy simple y económico, no se admite en las aplicaciones industriales, donde es funda- mental la exactitud en la repetibilidad de los movimientos. Sin embargo, en robots dedicados a la enseñanza y el entrenamiento, este tipo de control está muy extendido.

La mayoría de los sistemas de robots industriales poseen un control en lazo cerrado, con realimentación. Este control hace uso de un transductor o sensor de la posición real de la articulación o del elemento terminal, cuya información se compara con el valor de la señal de mando o consigna, que indica la posición deseada. El error entre estas dos magnitudes, se trata de diversas formas para obtener una señal final, que aplicada a los elementos motrices, varíe la posición real hasta hacerla coincidir con la deseada. En la figura 5 se muestra un esquema por bloques de un controlador en bucle cerrado, en el que la señal que actúa sobre el motor es proporcional a la señal de error (posición deseada menos posición real), de forma que la relación entre la salida del controlador y la señal de error es constante.

Fig. 5 Un controlador de tipo proporcional, en el que la señal aplicada al motor es proporcional a la señal de error

Además del controlador de tipo proporcional, hay otros como el "integral", cuya salida varía proporcionalmente a la señal de error y el "derivativo", en el que la salida varía proporcionalmente con la velocidad de variación de la señal de error. La combinación de los tres tipos de controladores descritos, dan lugar al que se denomina PID ( Proporcional-Integral-Derivativo). La figura 6 presenta el esquema general de un controlador PID, con los circuitos característicos implementados a base de Amplificadores Operacionales.

Los sensores empleados para la determinación de la posición de los ejes de los motores motrices, pueden ser de carácter analógico o digital, como discos de plástico transparentes con rayas negras, que al girar a través de detectores ópticos, cortan el haz de luz entre emisor y detector y generan una serie de impulsos eléctricos que sirven para calcular el ángulo desplazado.

Los modernos controladores de robots son ordenadores, en los que el programa correspondiente se encarga de calcular las señales aplicadas a los actuadores, tras el procesado de la señal de consigna y la que procede de los transductores de posición.

Fig.6 Esquema de un controlador PID

3. Los elementos motrices o actuadores Los elementos motrices son los encargados de producir el movimiento de las articulaciones, bien directamente o a través de poleas, cables, cadenas, etc. Se clasifican en tres grandes grupos, atendiendo a la energía que utilizan:

Neumáticos.

Hidráulicos.

Eléctricos.

Los actuadores neumáticos emplean el aire comprimido como fuente de energía y son muy indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada.

Los motores hidráulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad.

Finalmente, los motores eléctricos son los más utilizados, por su fácil y preciso control, así como por otras propiedades ventajosas que reporta su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energía eléctrica.

4.- El elemento terminal

A la muñeca del manipulador se acopla una garra o una herramienta, que será la encargada de materializar el trabajo previsto.

Por lo general, la problemática del elemento terminal radica en que ha de soportar una elevada capacidad de carga y al mismo tiempo conviene que tenga reducido peso y tamaño.

Como consecuencia de la amplia variedad de tareas a las que se destinan los robots, el elemento terminal adopta formas muy diversas. En bastantes ocasiones es necesario diseñar el elemento terminal a medida de la operación en la que se aplica.

5. Sensores de información

Los robots de la última generación tienen capacidad para relacionarse con el entorno y tomar decisiones en tiempo real, para adaptar sus planes de acción a las circunstancias exteriores. La información que reciben les hace autoprogramables, o sea, alteran su actuación en función de la situación externa, lo que supone disponer de un cierto grado de Inteligencia Artificial.

Las informaciones más solicitadas por los robots, son las que hacen referencia a la posición, velocidad, aceleración, fuerzas, pares, dimensiones y contorno de objetos y temperatura. Para cuantificar los valores correspondientes a estos parámetros, existen en el mercado sensores de tipo mecánico, óptico, térmico, eléctrico, ultrasónico, etc. Sin embargo, la investigación más avanzada contempla con especial atención a los transductores de visión artificial y sonido de máquinas, que posibilitan un tratamiento de la información más exacto y apropiado al ser humano.

I.4 Aplicaciones y factibilidad

El empleo de los robots se extiende por todo el mundo a un ritmo acelerado. Trabajos que hasta hace poco, era inconcebible que los realizase una máquina, hoy día los efectúa un robot; tal es el caso del esquilado de lana de las ovejas.

La extensión del conocimiento de la tecnología de los robots, aumenta su implantación en áreas y aplicaciones diversas, pero hasta 1980 las tareas a las que se dedicaban, tenían un alto grado de estandarización y así, según fuentes del SIRI y del CEAM, en 1979 casi el 60% del parque mundial de robots instalados, se aplicaban a la carga y descarga y servicio a la maquinaria, sección en la que destacaban las siguientes labores:

• Carga y descarga de máquinas herramienta.

• Maquinaria de moldeo por inyección.

• Estampación en frío.

• Hornos.

• Fundición y estampación en caliente.

• Tratamientos térmicos.

• Paletización.

Con referencia a las fuentes antes citadas, más del 30% de los robots instalados en el mundo se empleaban en 1979 como máquinas que intervenían directamente en la elaboración y mecanizado del producto, destacando los siguientes apartados en este grupo:

• Soldadura por puntos.

• Pintura.

• Soldadura por arco.

• Soldadura por resistencia.

• Pulverización a la llama.

• Forja, prensa y fundición

• Esmaltado

• Corte

• Arenado

• Encolado

• Desbarbado

• Pulido

• Fusión a la cera

Finalmente, el resto de los robots instalados en 1979 se dedicaban al montaje y las labores de inspección y test. En dicho año la industria del automóvil ocupaba el 58% del parque mundial, siguiendo en importancia las empresas constructoras de maquinaria eléctrica y electrónica.

En 1997 el parque mundial de robots alcanza la cifra de 831000 unidades, de los cuales la mitad está en Japón. En España, a principios de 1994 había 4000 robots, estando implantados más de la mitad en la industria de la automoción.

II. EL ROBOT Y SUS PERIFERICOS

Objetivo: El alumno analizará el sistema de control, las partes principales de manipulaciones y sensores del robot.

II.1 Sistema de control y componentes

La función de un robot es llevar a cabo tareas útiles y esto no puede lograrse sin un medio para controlar los movimientos del manipulador. En las aplicaciones más simples la posición de un efector final puede controlarse colocando topes mecánicos en el actuador.

La relativa falta de flexibilidad de los dispositivos para levantamiento y colocación impide que éstos se utilicen en aplicaciones más complicadas. Para éstas es esencial utilizar un control de malla cerrada, en el cual el error entre una variable deseada y una real se utilice con fines correctivos. En muchos de estos sistemas, el control de la posición del efector final es la principal preocupación pero, cada vez con mayor frecuencia, las aplicaciones requieren el control de la velocidad y la aceleración así como de la posición a lo largo de una trayectoria deseada. El movimiento prescrito se mantiene mediante la aplicación de pares o fuerzas correctivas en los actuadores para ajustar cualesquiera desviaciones del brazo respecto a la trayectoria establecida. Esto requiere contar con un servomecanismo en cada eje del robot para controlar las coordenadas de la máquina y sus derivadas.

Para el control del brazo de un robot es necesaria una tarea analítica extremadamente difícil. La dinámica de un robot con n grados de libertad es no lineal en su mayor parte: se describe por un conjunto de n ecuaciones diferenciales no lineales de segundo orden estrechamente acopladas (Bejczy, 1974). La no linealidad se deriva de la carga de inercia, del acoplamiento entre enlaces adyacentes del manipulador y de las cargas de gravedad, todos los cuales varían de acuerdo con las coordenadas de la máquina.

En cualquier sistema de control es importante conocer con precisión el valor deseado de la variable controlada. Cuando los robots se enseñan por medio de botoneras o a base de "llevarlos de la mano", los valores deseados de cada coordenada de la máquina se registran durante la enseñanza. En muchas aplicaciones, sin embargo, la enseñanza por imitación no resulta ni adecuada ni satisfactoria. Un número cada vez mayor de aplicaciones utiliza la programación fuera de línea, en la cual la trayectoria deseada se expresa en coordenadas reales. La computadora debe entonces llevar a cabo la transformación inversa de coordenadas reales a coordenadas máquina con el fin de determinar los valores deseados para las coordenadas de la máquina. Posteriormente se considerarán dos métodos de control de la trayectoria: geométrico y cinemático.

Como cada eje de un robot requiere un servomecanismo, resulta relevante incluir un breve análisis de los sistemas de control lineal en malla cerrada. También se hace una breve mención de los sistemas digitales. Estos sistemas resultan particularmente útiles para optimizar el rendimiento del sistema de control de un robot. Como las ecuaciones son no lineales, para lograr un rendimiento óptimo en el control es necesario que los parámetros del sistema de control se alteren a través del volumen de trabajo del robot. Las técnicas de control digital permiten que la estrategia de control se determine por medio de una computadora; es por ello que éstas han adquirido una gran importancia en el campo de la robótica.

Las prestaciones más representativas y potentes de los robots industriales, se lograron al incluir el computador como elemento principal de control. Después, el desarrollo tecnológico dio origen a los minis y microcomputadores, que redujeron considerablemente el volumen y el precio del ordenador, a la par mantenían la potencia y la velocidad en el procesado de la información.

En la actualidad, la mayoría de los robots disponen, como sistema de control, un mini, un conjunto multimicroprocesador o un microcomputador, dependiendo del alcance y amplitud de sus funciones.

La estructura del conjunto computarizado, ha de ajustarse a la operatividad del robot ya su "grado de inteligencia ". Las primeras generaciones de robots, carecían prácticamente de "inteligencia artificial", limitándose a seguir trayectorias preestablecidas, reguladas por un pequeño número de informaciones básicas, como las que proporcionan los finales de carrera y los interruptores de posicionamiento. En una etapa posterior, se incluyo la posibilidad de efectuar cambios en los ciclos de trabajo e, incluso, la actualización del modelo interno del robot, procesando cierta cantidad de información; pero aún carecían de la suficiente inteligencia artificial para adaptarse a las condiciones de trabajo en tiempo real.

La construcción dinámica de algoritmos y la simulación de su validez empleando modelos, está siendo desarrollada, experimentalmente, en algunos centros de investigación. Asimismo, está en fase de estudio, la construcción de sistemas de control, capaces de generar de forma continua y en tiempo real, los algoritmos de gobierno, que adapten la máquina, de manera inmediata, a los cambios del mundo exterior. Los tipos de robots considerados en este párrafo son inteligentes, puesto que toman decisiones instantáneas con la información recibida del exterior y cambian su estrategia de acuerdo con ella.

Las funciones más importantes que debe llevar a cabo el sistema de control, son las siguientes:

Control y adaptación con los elementos motrices.

Control y adaptación con los sensores exteriores y procesado de la información que facilitan.

Elaboración y cálculo de las secuencias de movimientos.

Establecimiento de los métodos de control adaptativo, si los hubiese.

Coordinación con los demás dispositivos y máquinas, que conforman la "célula de fabricación flexible", en la que el robot es parte integrante y principal.

Un aspecto muy relevante del moderno sistema de control, corresponde al tipo de realimentación que usa para la concepción del modelo dinámico. Dicha realimentación puede ser de origen interno, propia de los robots actuales que utilizan información referida exclusivamente a parámetros propios y de origen externo, cuando se tiene en cuenta el estado del entorno de trabajo.

Las ecuaciones dinámicas se calculan en función de la velocidad, posición, aceleración, pares, etc., mediante un modelo matemático apropiado. Posteriormente, se hallan los pares que han de aplicarse a los actuadores, que controlan los movimientos del manipulador . En la figura 7 se muestra un esquema general sobre las principales labores que soporta el sistema de control.

Fig. 7 Configuración general del sistema de control de un robot y tareas más usuales que realiza.

En los robots convencionales, el sistema de control puede estar implementado alrededor de un microprocesador de 8 ó de 16 bits. En los modelos avanzados, se usa un minicomputador, o bien, por razones de economía, un sistema multimicroprocesador distribuido. Años atrás, sólo los miniordenadores eran capaces de soportar el procesamiento matemático del modelo geométrico para el manipulador.

Desde hace poco, los robots vienen equipados con la función denominada TCP (Tool Center Point), que permite mover el elemento terminal del manipulador a nivel de coordenadas, generalmente cartesianas, respecto a un sistema de referencia fijo, lo que supone una gran aproximación del gobierno del robot a la actuación humana. En contraposición, los robots de la década de los 70, sólo controlaban los movimientos de sus articulaciones independientemente (ángulos o desplazamientos), desconociendo la situación del punto medio del elemento terminal. La incorporación del TCP, facilita la programación de los movimientos referidos a las coordenadas espaciales, pero exige un proceso de cálculo complejo, que se encargue de convertir la posición relativa de las diversas articulaciones, en posiciones absolutas del elemento terminal.

La aparición de los microprocesadores de 16 y 32 bits, junto a la de los procesadores matemáticos, simplifican el diseño de configuraciones con varios procesados en sustitución de los microordenadores, para el cálculo del modelo geométrico que requiere la función TCP.

Para modelos simples, como el de la figura 7 , el sistema de control estará conformado con un único microcomputador, En modelos complejos se necesita un minicomputador, que puede ser sustituido por un con- junto jerárquico de microcomputadores, encargados de realizar una misión específica cada uno, como se refleja en la figura 8

Fig. 8 Sistema distribuido con un microcomputador para el control de cada eje

En el esquema de la figura 8, un microcomputador principal, apoyado por un coprocesador matemático encargado de los cálculos, controla el funcionamiento general del robot y el de los 6 microcomputadores dedicados al gobierno de las 6 articulaciones del manipulador.

Los recientes sistemas de control, fabricados por ASEA, constituyen un ejemplo de aplicación de la arquitectura mostrada en la figura 8. En dichos modelos se utilizan hasta 9 microcomputadores, dedicándose el microprocesador 68000 de 16/32 bits, al control general y realización de cálculos matemáticos. Además, existen varios microprocesadores 6800 de 8 bits, para la regulación de los servos, tratamiento de señales externas, etc.

II.2 Análisis y control del sistema motriz

Los dispositivos que producen el movimiento de las articulaciones del manipulador pueden clasificarse en tres grandes grupos, según la energía que consumen:

Hidráulicos.

Neumáticos.

Eléctricos.

Los actuadores neumáticos e hidráulicos hacen uso del aire comprimido y de un fluido a presión, respectivamente. Dada su importancia y la creciente implantación en Robótica, veremos los motores eléctricos, que como su nombre indica, funcionan con energía eléctrica.

Las diferentes tareas encomendadas a los robots, exigen variadas prestaciones (presión, fuerza, par, velocidad, etc. ). Cada tipo de actuador tiene sus cualidades específicas, lo que obliga en muchos casos a combinar varios tipos en un mismo robot. Así por ejemplo, es aconsejable el uso de elementos hidráulicos en los manipuladores que deban soportar una gran capacidad de carga, con un control de velocidad aceptable.

Los actuadores neumáticos ofrecen velocidades elevadas de trabajo, pero con una regulación imprecisa de la velocidad.

Los motores eléctricos se caracterizan: por la facilidad de realizar un control riguroso de su movimiento. La posibilidad de encontrar energía eléctrica en cualquier parte, unido al funcionamiento limpio y seguro de sus motores, hacen de ellos los actuadores más extensamente aplicados en los robots.

Dentro de la variedad de tipos de motores eléctricos, los más adecuados para el movimiento de las articulaciones de los manipuladores, son los de corriente continua y los de paso a paso, que se denominan abreviadamente PAP.

Los motores de cc producen un par casi proporcional al voltaje de entrada, lo que les confiere una precisa regulación. Este tipo de motores requieren captadores que informen al sistema de control sobre la posición del eje en cada instante, realizando un trabajo en bucle cerrado.

Los motores PAP giran su eje un ángulo fijo, al aplicar a sus bobinas un conjunto adecuado de impulsos eléctricos;. No precisan detectores sobre el posicionamiento de su eje, ya que el simple contaje de los impulsos aplicados, determina el ángulo girado. Trabajan en bucle abierto, son económicos y sencillos, pero al no recorrer su eje todas las posiciones posibles, no cubren por completo el área de trabajo.

Sistemas De Control Para Motores PAP

Una buena regulación del movimiento de un motor PAP exige un sistema de control apropiado, estando íntimamente relacionados estos dos elementos. En líneas generales, el sistema de control recibe las consignas de velocidad y sentido de giro y genera la secuencia de impulsos eléctricos adecuada para su aplicación a las bobinas del motor, como se muestra, de forma esquemática, en la figura 9.

Aunque los motores PAP están concebidos para funcionar con sistemas en lazo abierto, también es posible su control en sistemas con lazo cerrado. Fig 10

Fig.9 Curva que relaciona la velocidad con el par en un motor paso a paso

Fig. 10 Esquema general de la actuación del sistema de control

Control en lazo cerrado para motores PAP

Cuando se trabaja en bucle cerrado, la posición instantánea del eje del motor es detectada y enviada, para su procesamiento, a la unidad de control. Cada orden de ejecución de pasos, sólo se lleva a cabo cuando el eje del motor se ha situado correctamente con la orden precedente, eliminando los posibles errores por deslizamiento, fricción, inercia, etc.

En la figura 11 se ofrece un diagrama por bloques de una configuración de un sistema de control, en lazo cerrado, para un motor PAP.

Fig.11 Diagrama por bloques de un sistema en lazo cerrado, para el control de un motor PAP.

El conjunto de la figura 11 comienza su actuación cargando en el contador descendente, la posición que se desea alcanzar y generando la señal de arranque en el sistema de control. La puesta en marcha del secuenciador origina el movimiento del motor. Al completar un paso del, eje del motor, el detector de posición envía un impulso al contador descendente, que decrementa su contenido y otro al sistema de control, que sirve para la generación de la siguiente orden de paso al secuenciador. Cuando es grande la carga, se precisa más tiempo para completar un paso y el tiempo entre dos órdenes sucesivas se ajusta automáticamente. El motor alcanza una velocidad máxima de trabajo, que es función del valor de la carga y de la relación par/velocidad del motor .

El contador descendente produce la señal de "retardo", que se usa para variar la secuencia de fases y desacelerar el motor hasta la velocidad deseada, momento en el que se envía una señal al sistema de control para su información.

La utilización de un sistema con microprocesador en el control de un motor PAP, en lazo cerrado, puede intervenir en cualquiera de las cinco funciones principales:

l.a Registrar el número pe pasos.

2.a Excitación de las fases del motor, con la secuencia apropiada, según la dirección

de giro.

3.a Generación de un impulso, al completarse cada paso.

4.a Variación del ángulo de puesta en marcha, según la velocidad del motor.

5.a Regular la desaceleración al detectar la proximidad de la posición deseada.

Las dos primeras funciones pueden ser implementadas por hardware o software, como en los sistemas con lazo abierto.

Para detectar la posición del eje; se usan detectores ópticos o de formas de onda, pero dedicar el microprocesador a esta labor, reduciría la velocidad máxima de trabajo del motor. Por ejemplo, si un motor PAP tiene una velocidad de 1,000 pasos/segundo, el intervalo entre pasos es de 100 microsegundos y en este tiempo, el número de instrucciones que puede procesar un microprocesador corriente, no es muy elevado y, quizás, insuficiente para realizar un análisis exacto de los datos disponibles.

El microprocesador se puede emplear para controlar los ángulos de encendido, continuamente variables. De esta forma, el motor desarrolla sus pares de salida a todas las velocidades, optimizándose su funcionamiento. Para llevar a cabo esta tarea, el sistema de control procesa la información existente sobre la velocidad instantánea del eje del motor, con lo que calcula el ángulo de encendido correspondiente.

Cuando se desea minimizar el tiempo empleado en mover la carga hasta la posición deseada, hay que usar curvas velocidad/proximidad, que provoquen una aceleración, con velocidades elevadas, en la fase inicial, mientras que en el acercamiento final, originen una desaceleración, que permita alcanzar la posición deseada con velocidad nula. Un sistema con microprocesador, puede tener almacenados los puntos en los que se debe iniciar la desaceleración, considerando todos los factores que producen una trayectoria óptima.

Control de motores de corriente continua

Teniendo en cuenta que la velocidad de un motor de cc es directamente proporcional a la tensión aplicada en bornes e inversamente proporcional al flujo, se intenta controlar al mencionado parámetro interviniendo en estos dos factores, según las características requeridas en cada caso particular.

La mayoría de los controladores de velocidad de tipo industrial precisan un par constante para distintas velocidades, lo que puede lograrse controlando la tensión en bornes y manteniendo constante la excitación del campo inductor.

Por otra parte, algunas aplicaciones requieren la regulación de la velocidad manteniendo constante la potencia. En este caso, la regulación de velocidad se alcanza variando la excitación de campo de un motor de tipo shunt. Como se sabe, el par motor T es proporcional al producto del flujo por la intensidad del inducido y por una constante de la máquina ; por lo tanto, para la corriente nominal del inducido, el par disminuye con la reducción del flujo en la obtención de velocidades gradualmente más elevadas. Como la potencia es directamente proporcional al producto del par por la velocidad, se tiene que:

P = KT rpm.

Para una intensidad constante, la variación del flujo es prácticamente constante. Cualquier aumento de la velocidad por debilitación del campo inductor provoca una disminución proporcional del par.

Hoy en día, los elementos más empleados, en la zona de potencia, para el control de la velocidad en motores son los tiristores (rectificación controlada). Sin embargo, para potencias pequeñas de hasta 5 ó 10 kw, es posible, ya veces ventajoso, usar transistores de potencia.

Un diodo conduce cuando su ánodo es más positivo que su cátodo. En el caso de los tiristores, se precisa para su conducción, un impulso en puerta. En la mayoría de las aplicaciones industriales, dos tiristores, en combinación con dos diodos, son suficientes para el control requerido. Ver la figura 12. Como se indica en la figura 13, se usa, también, un diodo rápido ("free wheeling") D3, que conduce la corriente inductiva, al final de la semionda, hasta reducirla a cero, o hasta que un nuevo impulso la transfiera hacia otro tiristor.

Fig. 12 Control de un motor de cc mediante dos tiristores y dos diodos

Fig.13 Adición de un diodo rápido D3

II.3 Mecanismo manipulador del robot

Un mecanismo es un medio para transmitir, controlar o limitar movimientos relativos. En el mundo real siempre existe un cierto grado de elasticidad inherente en cada uno de los cuerpos integrantes, o eslabones dentro de un mecanismo, pero esto con frecuencia puede ignorarse, de modo que el mecanismo se puede tratar como un ensamble de eslabones rígidos conectados unos con otros por medio de articulaciones que permiten un movimiento relativo.

En la figura 14 (a) se muestra un mecanismo planar en el cual el movimiento de los eslabones está restringido a un solo plano; en este caso, el plano del papel. El mecanismo aparenta tener solamente tres eslabones, pero en realidad existen cuatro, si se considera que el cuarto de estos enlaces está fijo en tierra. El diagrama en la figura 14(b) es un ejemplo de otra clase de mecanismo, el mecanismo espacial, cuyos diversos eslabones pueden moverse en diferentes direcciones en el espacio. Nuevamente, el ejemplo mostrado tiene cuatro eslabones, con uno de ellos fijo en tierra.

Fig 14 Mecanismos: (a) plano, (b) espacial

Las articulaciones que conectan los enlaces se conocen como pares cinemáticos. Como el nombre lo indica, un par tiene dos elementos, cada uno conectado a cada uno de los enlaces que une. Si dos elementos aparejados están en contacto superficial, se dice que forman un par inferior si el contacto se da en un punto o a lo largo de una línea, el par se conoce como par superior. Por ejemplo, todas las articulaciones en la figura 14 son pares inferiores. Dos ejemplos de pares superiores son los engranes y las bielas. Cuando todas las articulaciones de un mecanismo son pares inferiores, comúnmente se le denomina mecanismo: de aquí que en la figura 14 se ilustren dos tipos.

En la figura 15 el par (a) es un par giratorio o rotacional R. Permite solamente un movimiento relativo entre los dos enlaces, una rotación alrededor del eje del par. Es por esta razón que se dice que tiene un grado de libertad f = 1. En la figura 15(b) se muestra un par deslizante o prismático P. Los elementos de un par P son prismas congruentes o cilindros no circulares. Tiene un grado de libertad translacional f = 1. Los pares P y los pares R pueden usarse en mecanismos tanto planares como espaciales.

Fig.15 Pares: (a) rotacional, (b) prismáticos, (c) cilíndrico , (d) esférico ranurado,

(e) esférico

Los pares inferiores restantes de la figura 15 son de la variedad espacial. En la figura 15(c) se muestra un par cilíndrico o par C, consistente en dos cilindros circulares idénticos uno de ellos convexo, el otro cóncavo. Los elementos pueden rotar uno respecto al otro sobre este eje. Como estos dos movimientos pueden existir en forma enteramente independiente, se dice que el par C tiene dos grados de libertad f = 2. En la figura 15(d) se muestra otro par inferior con dos grados de libertad, pero en este caso ambos movimientos son giratorios. El par esférico ranurado o par SL consiste de una esfera convexa o sólida que, idealmente, coincide de manera exacta con una cubierta esférica del mismo radio. El perno y la ranura detienen la rotación relativa sobre el eje vertical. En la figura 15(e), por otra parte, no existe esta restricción y, por lo tanto, la articulación de bola o par esférico S tiene tres grados de libertad giratoria; f = 3.

Existen otros tipo de pares, como los de tornillo y los planares, pero la figura 15 nos brinda una variedad suficiente para cubrir nuestras necesidades. Nuestro objetivo es demostrar cómo afectan los pares los grados de libertad de un mecanismo y esto, a su vez, nos permitirá proponer una cierta variedad de configuraciones posibles para robots.

Síntesis numérica

Se acaba de presentar el concepto de grados de libertad según se aplica a distintos tipos de pares. Otra forma de conceptualizar lo anterior consiste en definir el número de grados de libertad de un par como el número de variables independientes que deben especificarse con el fin de ubicar cada uno de sus elementos con respecto de los otros. Este concepto puede ampliarse a una consideración del mecanismo completo. Los grados de libertad de un mecanismo con frecuencia se denominan movilidad. En forma análoga a los grados de libertad de un par, la movilidad se define como el número de variables independientes que deben especificarse con el fin de ubicar todos los miembros del mecanismo con respecto a los demás miembros (Hunt. 1978). Haciendo referencia nuevamente a la figura 14 (a), un poco de atención permitirá confirmar que M = 1; es decir. si solamente se conoce o está fijo uno de los ángulos entre los eslabones constituyentes. entonces todos los demás ángulos serán conocidos o estarán fijos.

Esta técnica. conocida como síntesis numérica, nos permite determinar la movilidad de la mayoría de los mecanismos (aunque existen algunos casos especiales que requieren mayor cuidado ). Para aplicar esta técnica debe primero reconocerse que un cuerpo rígido libre tiene seis grados de libertad: puede moverse sobre cualquiera de tres ejes ortonormales y puede rotar con respecto a cada uno de ellos. En otras palabras, deberán conocerse tres desplazamientos lineales y tres rotaciones angulares antes de que pueda definirse su posición en el espacio. De aquí que N cuerpos sin restricciones de movimiento tendrán 6N grados de libertad. Ahora, con el fin de transformar estos cuerpos en un mecanismo, será necesario fijar uno de ellos en tierra y conectarlos por medio de pares. Ambas operaciones reducirán el número total de grados de libertad, o la movilidad. del mecanismo. Al fijar uno de los eslabones se eliminan seis grados de libertad: de aquí que la movilidad se reduzca a 6(N - 1 ). Además, cada par reduce la movilidad en ( 6 - f ). en donde f es el número de grados de libertad del par en particular. Por ejemplo, el par S tiene f = 3. por lo que cuando se usa para conectar dos eslabones, elimina tres grados de libertad de los eslabones conectados; es decir, uno de ellos ha perdido sus tres grados de libertad de translación. De esta forma, con G pares en total. la movilidad M se transforma en G

M = 6(N - 1) -

donde fi; es el número de grados de libertad del iésimo par, o bien,

Con frecuencia. esta ecuación se atribuye a Grübler.

Apliquemos la ecuación al mecanismo espacial de la figura 14(b). Aquí N = 4 y G = 4. Existen dos pares R, un par C y un par S, lo que da una libertad total en las articulaciones de 2 + 2 + 3 = 7. Por lo tanto

M = 6(4 - 4 - 1) + 7 = 1

En el caso de los mecanismos planares, como el que se muestra en la figura 14 (a), la ecuación anterior debe modificarse para tomar en cuenta el hecho de que un cuerpo rígido tiene tres, no seis, grados de libertad en un movimiento sobre un solo plano. Se deberá verificar que la ecuación modificada queda como sigue

Comencemos por considerar los mecanismos mostrados en la figura 16. En el primer renglón se muestran tres mecanismos, cada uno de los cuales tiene cero movilidad. Por ejemplo, el mecanismo (b) tiene N = 5 y G = 6. Debe notarse que uno de los mecanismos tiene tres pares acoplados a él; es por esta razón que se le conoce como enlace terciario. El resto son enlaces binarios. Para cada par R, f = 1. Por lo tanto

M = 3(5 - 6 - 1) + 6 = O

Estas configuraciones no pueden emplearse como mecanismos, dado que no puede existir un movimiento relativo entre ninguno de los eslabones. Se trata en realidad de estructuras estáticamente determinadas.

En el segundo renglón de la figura 16 se muestra un conjunto de mecanismo con mayor utilidad. Aquí M = 1 y es posible identificar una entrada que, una vez conocida, determina el valor de una salida. Por ejemplo, en el mecanismo (d) utilizando tres pares R y un par P, la entrada podría ser el desplazamiento del par P y la salida podría ser la rotación resultante del enlace del lado izquierdo. El mecanismo (e) ya se había presentado en la figura 14(a). El mecanismo (f) se ha incluido para demostrar que la adición del par de eslabones del lado derecho al mecanismo (e) no afecta la movilidad global. Este par de mecanismos, con sus tres pares R, se conoce como una díada. Un cálculo rápido confirma que su introducción no afecta la movilidad; existen dos enlaces adicionales, con lo que se añaden seis grados de libertad, pero existen tres pares R adicionales que eliminan los seis grados de libertad.

Los mecanismos (g), (h) e (i) tienen cada uno M = 2. Por ejemplo, (i) tiene M = 7 y G = 8, incluyendo dos pares P y seis pares R. Por lo tanto,

M = 3(7 - 8 - 1) + 8 = 2

Para cada uno de estos tres casos, una salida depende de dos entradas. Debe hacer notar también otra forma de díada, mostrada en el mecanismo (i), que consiste en dos eslabones con dos pares R y un par P. Su adición a (h) no cambia su movilidad. Finalmente, el último renglón muestra mecanismos con M = 3. El mecanismo (k) se ha generado a partir de (j) reemplazando la díada RRR del lado izquierdo por una díada RPR. El eslabón 1) reemplaza la díada RRR restante por otra díada RPR. De esta forma, las díadas pueden introducirse o intercambiarse sin afectar la movilidad de un mecanismo.

Fig.16 Mecanismos con movilidades M=0,1,2 y 3

II.4 Sensores

Los primeros robots y, en realidad, la mayoría de los existentes en la actualidad eran relativamente tontos; hacían sólo lo que se les ordenaba. Con frecuencia esto era satisfactorio, especialmente en aquellos casos en los que se requerían aplicaciones repetitivas de fuerzas considerables o en donde los ambientes eran hostiles. Estos robots de primera generación no tienen conciencia de su ambiente y seguirán sus instrucciones sin importar si hay cambios en el medio que los rodea. En realidad, para asegurar un funcionamiento con resultados satisfactorios, es necesario colocarlos en un ambiente cuidadosamente estructurado.

La evolución de los robots conduce a una segunda generación que incorpora los sentidos de la vista, el tacto, el oído e, incluso, el olfato y el gusto. Estos sensores externos son en particular importantes en las operaciones automáticas de ensamble, en donde la información visual y táctil es esencial. ¿Puede el lector imaginar lo difícil que resultaría tomar un tornillo y atornillarlo en un orificio si fuera ciego y no tuviera sentido del tacto ?

Muchas personas reconocen que el empleo de robots de segunda generación puede redundar en beneficios económicos. Sin embargo, la evolución y aplicación han sido lentos y esto se ha debido, tal vez, a una combinación de factores, incluyendo la complejidad de la tecnología y la natural renuencia de los industriales a ser los primeros en el campo (Pugh, 1983). En la actualidad las aplicaciones crecen mucho más rápidamente y muchos paquetes de visión artificial y una gran variedad de sensores se encuentran ahora disponibles en el mercado.

Una vez equipados los robots con sentidos parecidos a los humanos y habiendo incorporado a éstos una amplia variedad de características antropomorfas, resulta natural preguntar si es posible ir un paso más adelante y enseñar a los robots a pensar como humanos. Es muy probable que esta cuestión genere siempre un acalorado debate, dado que, en general, los humanos sienten desagrado y temor por las máquinas que aparentan tener un comportamiento inteligente. A pesar de ello, la tercera generación de robots contará con inteligencia artificial, serán capaces de actuar en una forma racional; serán capaces de entender y responder en un lenguaje natural; podrán resolver problemas complicados en áreas que normalmente requieren la participación de un experto humano. Pero antes de analizar en mayor detalle los alcances de la inteligencia artificial necesario echar un vistazo a los sensores utilizados en la robótica.

Tacto y detección táctil

Como primer punto es necesario establecer una distinción entre tacto y detección táctil. De acuerdo con los principios definidos por L.D. Harmon, es posible notar que la detección táctil comprende la medición constante de fuerzas en una distribución dada.
Utiliza propiedades similares a las de la piel. El tacto, por otro lado, se refiere al simple contacto para detectar una fuerza en uno o en solamente unos puntos.

En la figura 17 se muestran tres ejemplos de detección por tacto. El primero (figura 17 (a) es normal en muchas aplicaciones en las que el robot sólo necesita información de que ha sujetado un objeto o de que se encuentra en la posición correcta para iniciar la acción de sujeción. Como se muestra, un sencillo microinterruptor es con frecuencia adecuado, aunque si los artículos son delicados es posible que sea necesario utilizar un interruptor activado por contacto puntual o incluso realizar un cambio a una detección sin contacto.

Los sistemas de soldadura robotizados requieren sistemas de seguimiento de la unión que permitan al robot detectar y corregir desviaciones a partir de la ruta de soldadura deseada. La figura 17(b) el sensor consiste en un detector con forma de aguja que está colocado aproximadamente 3 cm adelante del portaelectrodos de soldadura (Presern y colaboradores, 1981). La aguja tiene dos grados de libertad con un desplazamiento máximo de +- 10 mm. Se utilizan sensores ópticos para convertir el desplazamiento de la aguja en una señal digital que se utiliza para guiar el portaelectrodos de soldadura. Se asegura que cuenta con una resolución de 0.05 cm. Este sistema evita la necesidad de realizar dos pasadas sobre la unión de soldadura, una para enseñar y la otra para soldar. De esta forma la operación se lleva a cabo con mayor rapidez y no se requiere almacenar en la computadora información relativa a la unión.

Otro ejemplo de detección por tacto se muestra en la figura 17(c). En este caso, se conectan potenciómetros en miniatura a sondas pretensadas con resorte para determinar en forma general el borde externo de un componente. Este método se ha extendido (Abele, 1981) a la determinación del tamaño de las rebabas durante operaciones de acondicionamiento de partes fundidas; la información se usa para calcular la ruta ideal que debe seguir la esmeriladora.

Fig.17 Detección por tacto: (a) uso de un microinterruptor, (b) medidor para guiar un portaelectrodos de soldadura, (c) detección de imperfecciones.

Detección de deslizamiento

Cuando un robot o una prótesis manual tiene que levantar objetos frágiles es importante utilizar la menor fuerza de sujeción posible. La fuerza mínima de sujeción es aquélla que provee suficiente fricción para evitar que el objeto se deslice. Existen varias formas de detectar el deslizamiento. Se han usado micrófonos interconstruidos en prótesis manuales para detectar el deslizamiento por medio del ruido que éste produce (Swain, 1982). Otro método consiste en un rodillo interconstruido en unas tenazas de robot que entra en contacto con la parte por levantar (Masuda y Hasegawa, 1981 ). El deslizamiento provoca la rotación del rodillo que se detecta con sensores fotoeléctricos. Debe hacerse notar que todos los sensores táctiles antes mencionados también tienen la capacidad de detectar el deslizamiento, dado que si llega a ocurrir un deslizamiento, la imagen táctil cambia, y esto podría utilizarse para indicar que ha sucedido un deslizamiento.

Medición de fuerzas y pares totales

La detección táctil puede proporcionar información sobre la posición de un objeto, sobre su deslizamiento y, si la resolución es lo suficientemente alta, sobre la forma del objeto. La detección táctil está relacionada básicamente con las fuerzas de reacción entre las tenazas y el objeto. La detección de fuerzas, por otro lado, provee información sobre las fuerzas de reacción entre el objeto y el ambiente externo. Su principal área de aplicación es en el ensamble mecánico. Por ejemplo, al colocar una clavija en un orificio, el sistema de control del robot utiliza información sobre la fuerza para ajustar la posición y orientación de la clavija hasta que las fuerzas de reacción se reducen al mínimo.

Con el fin de lograr un control activo, es necesario conocer el vector de fuerza generalizado para esto, la fuerza desconocida entre el efector final y el medio ambiente se descompone en tres fuerzas individuales, Fx, Fy y Fz sobre los ejes ortogonales y en tres momentos independientes Mx, My y Mz con respecto de dichos ejes. Existen varias formas para llevar a cabo esta descomposición.

Fig.18 Mediciones de fuerzas y pares totales (a) un soporte medidor de impulso con seis componentes, (b) pedestal sensor de fuerza, (c) sensor de fuerza para montaje en una muñeca, (d) sensor montado directamente en unas tenazas.

Detección de proximidad usando sensores sin contacto

Una vez analizados aquellos aspectos de detección del robot que se relacionan con el sentido humano del tacto, la atención se enfocará a la detección sin un contacto físico. En forma inicial se considerarán los sensores de proximidad cuya función primaria es determinar si un objeto o parte de un objeto se encuentra a una distancia determinada del efector final del robot. Se mostró con anterioridad que los sensores táctiles más sencillos se usan para determinar si un objeto se ha sujetado o si se encuentra en la posición correcta para sujetarse. Los sensores sin contacto tienen dos importantes ventajas con respecto a los sensores táctiles: no dañan el objeto detectado y, al no estar sujetos a contactos repetidos, tienen una mayor duración.

Muchos son los efectos físicos que se utilizan en los sensores de proximidad sin contacto los más comunes son los neumáticos, acústicos, magnéticos, eléctricos y ópticos.

Fig.19 Detectores de proximidad neumáticos: (a) sensor de presión posterior (boquilla de aletas), (b) Variación de la presión con la distancia al objeto, (c) un chorro de aire bloqueable, (d) chorro de aire bloqueable con presión condicionada en el receptor.

Fig.20 El sensor óptico: (a) configuración general, (b) salida como función de la distancia al objetivo y del índice de reflexión de la superficie.

III. PROGRAMACIÓN DE ROBOTS Y LENGUAJES

Objetivo: El alumno conocerá y manejará los lenguajes y sistemas de programación de robots.

III.1 Programación de robot, software y lenguaje.

En las máquinas controladas por sistemas informáticos, el lenguaje es el medio que utiliza el hombre para gobernar su funcionamiento, por lo que su correcta adaptación con la tarea a realizar y la sencillez de manejo, son factores determinantes del rendimiento obtenido en los robots industriales.

Los lenguajes clásicos empleados en Informática, como el FORTRAN, BASIC, PASCAL, etc., no disponen de las instrucciones y comandos específicos que necesitan los robots, para aproximarse a su configuración y a los trabajos que han de realizar. Esta circunstancia, ha obligado a los constructores de robots e investigadores a diseñar lenguajes propios de la Robótica. Sin embargo, los lenguajes desarrollados hasta el momento, se han dirigido a un determinado modelo de manipulador ya una tarea concreta, lo que ha impedido la aparición de lenguajes transportables entre máquinas y por lo tanto de carácter universal.

La estructura del sistema informático del robot varía notablemente, según el nivel y complejidad del lenguaje y de la base de datos que requiere. Hasta hace poco, la tendencia general era la del empleo de mini-computadores, pero actualmente el uso de sistemas multiprocesadores, que reducen el coste y el volumen, se implanta en la mayoría de las aplicaciones.

En el desarrollo de los lenguajes avanzados de Robótica, existe una gran preocupación para dotarles de recursos operativos que permitan soportar una arquitectura basada en la Inteligencia Artificial. Ello supone la adecuación de las instrucciones de los lenguajes a las informaciones, que diversos sensores (visión, proximidad, sonido, etc.) captan del mundo exterior. Después, el sistema de control seleccionará los planes de acción, disponiendo el robot de un cierto grado de autocontrol.

Clasificación de la programación usada en la robótica

La programación empleada en Robótica puede tener un carácter explícito, en el que el operador es el responsable de las acciones de control y le las instrucciones adecuadas que las implementan, o estar basada en la modelación del mundo exterior, cuando se describe la tarea y el entorno y el propio sistema toma las decisiones.

La programación explícita es la utilizada en las aplicaciones industriales y consta de dos técnicas fundamentales

Programación gestual

Programación textual

La programación gestual consiste en guiar el brazo del robot directamente a lo largo de la trayectoria que debe seguir. Los puntos del camino se graban en memoria y luego se repiten. Este tipo de programación, exige el empleo del manipulador en la fase de enseñanza, o sea, trabaja "on line”.

En la programación textual las acciones que ha de realizar el brazo se especifican mediante las instrucciones de un lenguaje. En esta labor no participa la máquina (off-Iine) Las trayectorias del manipulador se calculan matemáticamente con gran precisión y se evita el posicionamiento a ojo, muy corriente en la programación gestual.

Los lenguajes de programación textual se encuadran en varios niveles, según se realice la descripción del trabajo del robot. Se relacionan a continuación, en orden creciente de complejidad

Lenguajes elementales, que controlan directamente el movimiento de las articulaciones del manipulador

Lenguajes dirigidos a posicionar el elemento terminal del manipulador

Lenguajes orientados hacia el objeto sobre el que opera el sistema

Lenguajes enfocados a la tarea que realiza el robot

Programación gestual o directa

En este tipo de programación, el propio brazo interviene en el trazado del camino y en las acciones a desarrollar en la tarea de la aplicación Esta característica determina, inexcusablemente, la programación "on-line”

la programación gestual se subdivide en dos clases:

-Programación por aprendizaje directo

-Programación mediante un dispositivo de enseñanza

En el aprendizaje directo, el punto final del brazo se traslada con ayuda de un dispositivo especial colocado en su muñeca, o utilizando un brazo maestro o maniquí, sobre el que se efectúan los desplazamientos que, tras ser memorizados, serán repetidos por el manipulador.

La técnica de aprendizaje directo se utiliza, extensamente, en labores de pintura El operario conduce la muñeca del manipulador o del brazo maestro, determinando los tramos a recorrer y aquellos en los que la pistola debe expulsar una cierta cantidad de pintura. Con esta programación, los operarios sin conocimientos de "software", pero con experiencia en el trabajo a desarrollar, pueden preparar los programas eficazmente.

La programación por aprendizaje directo tiene pocas posibilidades de edición, ya que, para generar una trayectoria continua, es preciso almacenar o definir una gran cantidad de puntos, cuya reducción origina discontinuidades. El "software" se organiza, aquí, en forma de intérprete.

La programación, usando un dispositivo de enseñanza, consiste en determinar las acciones y movimientos del brazo manipulador, a través de un elemento especial para este cometido. En este caso, las operaciones ordenadas se sincronizan para conformar el programa de trabajo.

El dispositivo de enseñanza suele estar constituido por botones, teclas, pulsadores, luces indicadoras, ejes giratorios o "joystick". Dependiendo del algoritmo de control que se utilice, el robot pasa por los puntos finales de la trayectoria enseñada. Hay que tener en cuenta que los dispositivos de enseñanza modernos no sólo permiten controlar los movimientos de las articulaciones del manipulador, sino que pueden, también, generar funciones auxiliares, como:

-Selección de velocidades.

-Generación de retardos.

-Señalización del estado de los sensores.

-Borrado y modificación de los puntos de trabajo.

-Funciones especiales.

Al igual que con la programación directa, en la que se emplea un elemento de enseñanza, el usuario no necesita conocer ningún lenguaje de programación. Simplemente, debe habituarse al empleo de los elementos que constituyen el dispositivo de enseñanza. De esta forma, se pueden editar programas, aunque como es lógico, muy simples.

La estructura del "software" es del tipo intérprete; sin embargo, el sistema operativo que controla el procesador puede poseer rutinas específicas, que suponen la posibilidad de realizar operaciones muy eficaces.

Los lenguajes de programación gestual, además de necesitar al propio robot en la confección del programa, carecen de adaptabilidad en tiempo real con el entorno y no pueden tratar, con facilidad, interacciones de emergencia.

Programación textual explícita

El programa queda constituido por un texto de instrucciones o sentencias, cuya confección no requiere de la intervención del robot; es decir, se efectúan “off-line". Con este tipo de programación, el operador no define, prácticamente, las acciones del brazo manipulador, sino que se calculan, en el programa, mediante el empleo de las instrucciones textuales adecuadas.

En una aplicación tal como el ensamblaje de piezas, en la que se requiere una gran precisión, los posicionamientos seleccionados mediante la programación gestual no son suficientes, debiendo ser sustituidos por cálculos más perfectos y por una comunicación con el entorno que rodea al sistema.

En la programación textual, la posibilidad de edición es total. El robot debe intervenir, sólo, en la puesta a punto final.

Según las características del lenguaje, pueden confeccionarse programas de trabajo complejos, con inclusión de saltos condicionales, empleo de bases de datos, posibilidad de creación de módulos operativos intercambiables, capacidad de adaptación a las condiciones del mundo exterior, etc.

Dentro de la programación textual, existen dos grandes grupos, de características netamente diferentes, a saber:

Programación textual explícita.

Programación textual especificativa.

En la programación textual explícita, el programa consta de una serie de órdenes o instrucciones concretas, que van definiendo con rigor las operaciones necesarias para llevar a cabo la aplicación. Se puede decir que la programación explícita engloba los lenguajes que definen los movimientos punto por punto, similares a los de la programación gestual, pero bajo la forma de un lenguaje formal. Con este tipo de programación, la labor del tratamiento de las situaciones anormales, colisiones, etc. queda a cargo del programador.

Dentro de la programación explícita, hay dos niveles:

1.º Nivel de movimiento elemental

Comprende los lenguajes dirigidos a controlar los movimientos del brazo manipulador. Existen dos tipos:

Articular, cuando el lenguaje se dirige al control de los movimientos de las diversas articulaciones del brazo.

Cartesiano, cuando el lenguaje define los movimientos relacionados con el sistema de manufactura, es decir , los del punto final del trabajo (TCP).

Los lenguajes del tipo cartesiano utilizan transformaciones homogéneas. Este hecho confiere "popularidad" al programa, independizando a la programación del modelo particular del robot, puesto que un programa confeccionado para uno, en coordenadas cartesianas, puede utilizarse en otro, con diferentes coordenadas, mediante el sistema de transformación correspondiente. Son lenguajes que se parecen al BASIC, sin poseer una unidad formal y careciendo de estructuras a nivel de datos y de control.

Por el contrario, los lenguajes del tipo articular indican los incrementos angulares de las articulaciones. Aunque esta acción es bastante simple para motores de paso a paso y corriente continua, al no tener una referencia general de la posición de las articulaciones con relación al entorno, es difícil relacionar al sistema con piezas móviles, obstáculos, cámaras de TV, etc.

Los lenguajes correspondientes al nivel de movimientos elementales aventaja, principalmente, a los de punto a punto, en la posibilidad de realizar bifurcaciones simples y saltos a subrutinas, así como de tratar informaciones sensoriales.

2.º Nivel estructurado

Intenta introducir relaciones entre el objeto y el sistema del robot, para lo que los lenguajes se desarrollan sobre una estructura formal. Se puede decir que los lenguajes correspondientes a este tipo de programación adoptan la filosofía del PASCAL. Describen objetos y transformaciones con objetos, disponiendo, muchos de ellos, de una estructura de datos arborescente.

El uso de lenguajes con programación explícita estructurada aumenta la comprensión del programa, reduce el tiempo de edición y simplifica las acciones encaminadas a la consecución de tareas determinadas.

En los lenguajes estructurados, es típico el empleo de las transformaciones de coordenadas, que exigen un cierto nivel de conocimientos. Por este motivo dichos lenguajes no son populares hoy día.

Programación textual especificativa

Se trata de una programación del tipo no procesal, en la que el usuario describe las especificaciones de los productos mediante una modelización, al igual que las tareas que hay que realizar sobre ellos.

El sistema informático para la programación textual especificativa ha de disponer del modelo del universo, o mundo donde se encuentra el robot. Este modelo será, normalmente, una base de datos más o menos compleja, según la clase de aplicación, pero que requiere, siempre, computadores potentes para el procesado de una abundante información.

El trabajo de la programación consistirá, simplemente, en la descripción de las tareas a realizar, lo que supone poder llevar a cabo trabajos complicados.

En la actualidad, los modelos del universo son del tipo geométrico, no físico. Este hecho implica, por ejemplo, la no consideración de la fuerza de la gravedad, que ha de ser tenida en cuenta por el programador constantemente, para considerar sus efectos en la manipulación de los objetos.

Dentro de la programación textual especificativa, hay dos clases, según que la orientación del modelo se refiera a los objetos o a los objetivos.

Si el modelo se orienta al nivel de los objetos, el lenguaje trabaja con ellos y establece las relaciones entre ellos. La programación se realiza "off-line" y la conexión CAM es posible.

Dada la inevitable imprecisión de los cálculos del computador y de las medidas de las piezas, se precisa de una ejecución previa, para ajustar el programa al entorno del robot.

Los lenguajes con un modelo del universo orientado a los objetos son de alto nivel, permitiendo expresar las sentencias en un lenguaje similar al usado comúnmente

Por otra parte, cuando el modelo se orienta hacia los objetivos, se define el producto final.

La creación de lenguajes de muy alto nivel transferirá una gran parte del trabajo de programación, desde el usuario hasta el sistema informático; éste resolverá la mayoría de los problemas, combinando la Automática y la Inteligencia Artificial.

El constante incremento de "inteligencia" en los sistemas de la robótica hace prever que, hacia 1990, el 70% del coste total de los mismos será de tipo informático. Sin embargo, los lenguajes que utilizan modelos están, de momento, en, fase de desarrollo e investigación y apenas se utilizan industrialmente.

Breve descripción de los principales lenguajes de programación para robots

A continuación, se describen, someramente, los lenguajes más conocidos, divididos según el tipo de programación que emplean.

Lenguajes de programación gestual punto a punto

Se aplican con el robot "in situ", recordando a las normas de funcionamiento de un magnetofón doméstico, ya que disponen de unas instrucciones similares: PLAY (reproducir), RECORD (grabar), FF (marcha adelante), FR (marcha atrás), PAUSE, STOP, etc. Además, puede disponer de instrucciones auxiliares, como INSERT (insertar un punto o una operación de trabajo) y DELETE (borrar).

Conceptualmente, al estar el manipulador en línea, funciona como un digitalizador de posiciones.

Los lenguajes más conocidos en programación gestual punto a punto son el FUNKY, creado por IBM para uno de sus robots, y el T3, original de CINCINNA TI MILACROM para su robot T3.

En el lenguaje FUNKY se usa un mando del tipo "joystick" para el control de los movimientos, mientras que el T3 dispone de un dispositivo de enseñanza {"teach pendant"}.

Como en un grabador de casetes, y en los dos lenguajes mencionados, los movimientos pueden tener lugar en sistemas de coordenadas cartesianas, cilíndricas o de unión, siendo posible insertar y borrar las instrucciones que se desee. Es posible, también, implementar funciones relacionadas con sensores externos, así como revisar el programa paso a paso, hacia adelante y hacia atrás.

El lenguaje FUNKY dispone de un comando especial para centrar ala pinza sobre el objeto.

El procesador usado en el T3 es el AMO 2900 ("bit slice"), mientras que en el FUNKY está constituido por el IBM SYSTEM-7.

Lenguajes de programación a nivel de movimientos elementales

Como ya se dijo anteriormente, en este apartado se tratan los movimientos de punto a punto, expresados en forma de lenguaje. Se citan, entre los más importantes, los siguientes:

ANORAD

EMILY

RCL

RPL

SIGLA

VAL

MAL

Todos ellos mantienen el énfasis en los movimientos primitivos, ya sea en coordenadas articulares, o cartesianas. Frente a los lenguajes punto a punto del apartado anterior, tienen, como ventajas destacables, los saltos condicionales y a subrutina, además de un aumento de las operaciones con sensores, aunque siguen manteniendo pocas posibilidades de programación "off-Iine".

Estos lenguajes son, por lo general, del tipo intérprete, con excepción del RPL, que tiene un compilador. La mayoría dispone de comandos de tratamiento a sensores básicos: tacto, fuerza, movimiento, proximidad y presencia. El RPL dispone de un sistema complejo de visión, capaz de seleccionar una pintura y reconocer objetos presentes en su base de datos.

Los lenguajes EMILY y SIGLA son transportables y admiten el proceso en paralelo simple. Otros datos interesantes de este grupo de lenguajes son los siguientes:

ANORAD. -Se trata de una transformación de un lenguaje de control numérico de la casa ANORAD CORPORATION, utilizado para el robot ANOMA TIC. Utiliza, como procesador, al microprocesador 68000 de Motorola de 16/32 bits.

VAL. -Fue diseñado por UNIMATION INC para sus robots UNIMATE y PUMA. Emplea, como CPU, un LSI-11, que se comunica con procesadores individuales que regulan el servocontrol de cada articulación. las instrucciones, en idioma inglés, son sencillas e intuitivas.

RPL. -Dotado con un LSI-11 como procesador central, y aplicado a los robots PUMA, ha sido diseñado por SRI INTERNATIONAl.

EMILY. -Es un lenguaje creado por IBM para el control de uno de sus robots. Usa el procesador IBM 370/145 SYSTEM 7 y está escrito en Ensamblador.

SIGLA.-Desarrollado por OLIVETTI para su robot SUPER SIGMA, emplea un minicomputador con 8 K de memoria. Escrito en Ensamblador, es del tipo intérprete.

MAL.-Se ha creado en el Politécnico de Milán para el robot SIGMA con un Mini-multiprocesador. Es un lenguaje del tipo intérprete, escrito en FORTRAN.

RCL. -Aplicado al robot PACS y desarrollado por RPI, emplea, como CPU, un PDP 11/03. Es del tipo intérprete y está escrito en Ensamblador.

Lenguajes estructurados de programación explícita

Teniendo en cuenta las importantísimas características que presenta este tipo de programación, merecen destacarse los siguientes lenguajes:

AL

HELP

MAPLE

PAL

MCL

MAL EXTENDIDO

Con excepción del HELP, todos los lenguajes de este grupo están provistos de estructuras de datos del tipo complejo. Así, el AL utiliza vectores, posiciones y transformaciones; el PAL usa, fundamentalmente, transformaciones y el MAPLE permite la definición de puntos, líneas, planos y posiciones.

Sólo el PAL, y el HELP carecen de capacidad de adaptación sensorial. Los lenguajes AL, MAPLE y MCL, tienen comandos para el control de la sensibilidad del tacto de los dedos (fuerza, movimiento, proximidad, etc.). Además, el MCL posee comandos de visión para identificar e inspeccionar objetos.

Seguidamente, se exponen las características más representativas de los lenguajes dedicados a la programación estructurada.

AL. -Trata de proporcionar definiciones acerca de los movimientos relacionados con los elementos sobre los que el brazo trabaja. Fue diseñada por el laboratorio de Inteligencia Artificial de la Universidad de Stanford, con estructuras de bloques y de control similares al ALGOL, lenguaje en el que se escribió. Está dedicado al manipulador de Stanford, utilizando, como procesadores centrales, a un PDP 11145 y un PDP KL-1O.

HELP.-Creado por GENERAL ELECTRIC para su robot ALLEGRO y escrito en PASCAL/FORTRAN, permite el movimiento simultáneo de varios brazos. Dispone, asimismo, de un conjunto especial de subrutinas para la ejecución de cualquier tarea. Utiliza, como CPU, a un PDP 11.

MAPLE.-Escrito, como intérprete, en lenguaje PL-l, por IBM para el robot de la misma empresa, tiene capacidad para soportar informaciones de sensores externos. Utiliza, como CPU, a un IBM 370/145 SYSTEM 7. P

AL. -Desarrollado por la Universidad de Purdue para el manipulador de Stanford, es un intérprete escrito en FORTRAN y Ensamblador, capaz de aceptar sensores de fuerza y de visión. Cada una de sus instrucciones, para mover el brazo del robot en coordenadas cartesianas, es procesada para que satisfaga la ecuación del procesamiento. Como CPU, usa un PDP II/70.

MCL. -Lo creó la compañía Mc DONALL DOUGLAS, como ampliación de su lenguaje de control numérico APT. Es un lenguaje compilable que se puede considerar apto para la programación de robots "off-line".

MAL EXTENDIDO.-Procede del Politécnico de Milán, al igual que el MAL, al que incorpora elementos de programación estructurada que lo potencian notablemente. Se aplica, también, al robot SIGMA.

Lenguajes de programación especificativa a nivel objeto

En este grupo se encuentran tres lenguajes interesantes:

RAPT

AUTOPASS

LAMA

RAPT.-Su filosofía se basa en definir una serie de planos, cilindros y esferas, que dan lugar a otros cuerpos derivados. Para modelar a un cuerpo, se confecciona una biblioteca con sus rasgos más representativos. Seguidamente, se define los movimientos que ligan a los cuerpos a ensamblar (alinear planos, encajar cilindros, etcétera).

El lenguaje RAPT fue creado en la Universidad de Edimburgo, departamento de Inteligencia Artificial; está orientado, en especial, al ensamblaje de piezas. Destinado al robot FREDY, utiliza, como procesador central, a un PDP lO. Es un intérprete y está escrito en lenguaje APT.

AUTOPASS. -Creado por IBM para el ensamblaje de piezas, utiliza instrucciones, muy comunes, en el idioma inglés. Precisa de un computador de varios Megabits de capacidad de memoria y, además de indicar, como el RAPT, puntos específicos, prevé, también, colisiones y genera acciones a partir de las situaciones reales.

El AUTOPASS realiza todos sus cálculos sobre una base de datos, que define a los objetos como poliedros de un máximo de 20,000 caras. Está escrito en PL/I y es intérprete y compilable.

LAMA.-Procede del laboratorio de Inteligencia Artificial del MIT, para el robot SILVER, orientándose hacia el ajuste de conjuntos mecánicos. Aporta más inteligencia que el AUTOPASS y permite una buena adaptación al entorno. La operatividad del LAMA se basa en tres funciones principales:

1.º Creación de la función de trabajo. Operación inteligente.

2.º Generación de la función de manipulación.

3.º Interpretación y desarrollo, de una forma interactiva, de una estrategia de realimentación para la adaptación al entorno de trabajo.

Lenguajes de programación en función de los objetivos

La filosofía de estos lenguajes consiste en definir la situación final del producto a fabricar, a partir de la cual se generan los planes de acción tendentes a conseguirla, obteniéndose, finalmente, el programa de trabajo. Estos lenguajes, de tipo natural, no son realistas en 1985, suponiendo una potenciación extraordinaria de la Inteligencia Artificial, para descargar al usuario de las labores de programación. Prevén, incluso, la comunicación hombre-máquina a través de la voz.

Los lenguajes más conocidos de este grupo son:

STRIPS

HILAIRE

STRIPS.- Fue diseñado, en la Universidad de Stanford, para el robot móvil SHAKEY. Se basa en un modelo del universo ligado a un conjunto de planteamientos aritmético-lógicos que se encargan de obtener las subrutinas que conforman el programa final. Es intérprete y compilable, utilizando, como procesadores, a un PDP-1O y un PDP-15.

HILAIRE.-Procedente del laboratorio de Automática y Análisis de Sistemas (LAAS) de Toulouse, está escrito en lenguaje LISP. Es uno de los lenguajes naturales más interesantes, por sus posibilidades de ampliación e investigación.

III.2 Inteligencia artificial

Alan Turing, uno de los pioneros de la computación, propuso lo que ha llegado a conocerse como juego de preguntas y respuestas de Turing para la definición de la inteligencia artificial. La idea en la que se sustenta esta definición es la del juego en el que un jugador, que sostiene una conversación con otra persona, debe determinar si ésta se trata de un hombre o una mujer. Una tercera persona actúa como intermediario de manera que el jugador no pueda ver o escuchar, sino que obtiene toda su información haciendo preguntas. Turing sugirió que si se estableciera un juego similar con una máquina, y el jugador no pudiera determinar si su "oponente" oculto es un ser humano o una máquina, entonces podría asegurarse que la máquina ha alcanzado el nivel de inte1igencia del ser humano.

La inteligencia artificial se desenvuelve en dos planos principales; uno es entender los principios de un comportamiento o conducta inteligentes y el otro es construir modelos funcionales de comportamiento inteligente (Winston, 1977). El campo de la inteligencia artificial abarca una amplia gama de actividades de investigación que se traslapan en mayor o menor grado, incluyendo la percepción visual, comprensión del lenguaje, sistemas expertos, manejo de datos, programación automática y juegos.

IV. EL ROBOT APLICADO A LA MANUFACTURA

Objetivo: El alumno analizará la factibilidad de la participación del robot en las tareas relacionadas con la manufactura.

IV.1 El robot en el manejo de materiales.

El robot como único elemento de transporte de la pieza entre máquinas

Se considera para cadencias relativamente bajas, 15 a 60 piezas/hora.

Al aparecer los primeros robots UNIMATE polares, bastante voluminosos, fuertes, pero lentos, se generalizaron un tipo de células de trabajo en que se disponían las máquinas formando un arco de circunferencia, con el robot en su centro.

El robot se encargaba del paso directo de la pieza de una máquina a otra, no sólo transportándola sino cargándola y descargándola en cada máquina.

Este método sólo es apto para cadencias bajas, ya que un solo robot efectúa toda la manutención, y además las interrupciones afectan a todas las máquinas de la célula, por lo que su uso ha quedado relegado en general para la producción de productos fabricados en series cortas y medianas, y para piezas medianas y grandes; (éstas tienen el tiempo máquina más largo, lo que da tiempo al robot para efectuar los pasos de piezas de máquina a máquina).

Transporte en líneas de cadencias relativamente altas

En líneas con ritmos de 250 a 450 piezas/hora.

En este caso hay que ayudar a los robots con otros mecanismos. La llegada de piezas en bruto, tornillería, remaches, arandelas, etc. acostumbra a ser desordenada, lo que nos obliga al empleo de mecanismos ordenadores si queremos que la carga sea automática. Los mecanismos más empleados hoy se representan en la tabla siguiente.

-Cubas vibratorias

-Cubas giratorias

-Cintas sin fin con alojamientos inclinados

-Rampas con cangilones

-Depósitos con un elemento oscilante

Oscila el elemento recolector

Oscila el depósito

-Robots con visión

Dos dimensiones

Tres dimensiones

Cuando la carga automática presenta serias dificultades, o el mecanismo resulta demasiado caro, se recurre a la carga semi-automática con operario, mediante "cargadores" o "cadenas cargadoras", cuyo ciclo de carga sea más corto que el de producción, lo que permite al operario cargar varias máquinas o dedicarse parcialmente a otras tareas.

A partir de la primera máquina lo mejor es no perder el orden en la posición de las piezas ya que ello puede ahorrarnos mucho dinero.

La forma de la pieza influye en la dificultad de su manutención, así las piezas de revolución serán las más fácilmente manipulables. Ello explica que los aros, rodillos y bolas de los cojinetes (rodamientos) tuvieron el proceso totalmente automatizado antes de aparecer los robots. Bastaba proveer para el paso de máquina a máquina, pequeños mecanismos como ascensores, rampas y pequeños manipuladores del más bajo nivel, para efectuar la carga y la descarga de la máquina.

Pero cuando la pieza es irregular, se pierde fácilmente el orden, lo que con una persona en la máquina siguiente no representaba ningún problema. Cuando instalamos un robot, se convierten en “no aptos" unos medios de transporte que veníamos utilizando con éxito desde hace varias décadas.

Pulmones entre máquinas

Cuando el ritmo de producción de las máquinas de una misma cadena es muy distinto, o cuando hay muchas interrupciones, ya sea por cambios de programa o por incidentes, nos vemos obligados al uso de pulmones entre máquinas con una regular capacidad de acumulación de piezas. He aquí tres ejemplos:

En hélice

-sin palet (piezas de revolución).

-con palet (piezas irregulares)

Hay que evitar golpes entre piezas, a veces mediante frenos.

En espiral

En general usado para piezas de revolución o piezas muy regulares. Las piezas no se golpean peligrosamente entre sí, sólo se mantiene un ligero contacto.

Pater-nosters

Este sistema puede acumular gran cantidad de piezas. Es muy apto para piezas simétricas y presenta dificultades cuando se trata de piezas irregulares.

El transporte en el montaje

Lo dicho para el transporte entre máquinas-herramientas es también válido para las líneas de montaje. La antigua cadena Ford, de movimiento uniforme, resulta hoy en día poco apta.

Resulta mucho más cómodo el trabajo a pieza parada, cuando proliferan las operaciones automáticas. La habilidad del hombre se pone de manifiesto una vez más por su capacidad para trabajar en cadenas en movimiento.

No es que no se haya intentado la automatización con las cadenas o los conveyors aéreos en marcha continua, pero si bien conocemos algunas aplicaciones que trabajan con éxito, también hemos visto convertir en chatarra varias instalaciones de este tipo, en las que se había invertido generosamente.

Se intuye con facilidad donde reside el problema: cada máquina debe poseer un movimiento de traslación paralelo al de la cadena, que debe sincronizarse con el movimiento de la misma, con el agravante de que en general las cadenas poseen un variador de velocidad. Una vez terminada la operación, el mecanismo debe retroceder hasta la posición de la próxima pieza. La solución es tomar el movimiento de la cadena misma, pero todavía hay que conectar y desconectar en el momento oportuno.

Para los robots, esta operación resulta algo más fácil, si es posible mantener constante la velocidad de la cadena. En algunos casos se aplica todavía este sistema, por ejemplo en cadenas de pintura para automóviles; pero se evita en las de soldadura por puntos de los mismos (ya que los errores de sincronización tendrían peores efectos en el segundo caso).

El montaje a pieza parada posee otra ventaja decisiva: podemos localizar la pieza con gran precisión. Por ello utilizamos dos métodos fundamentales:

Conjuntos perfectamente localizables en un palet de precisión.

Grandes conjuntos difícilmente orientables con precisión respecto al palet o elemento de transporte.

En los primeros proveemos al palet de un enclavamiento de precisión. En cada máquina enclavamos el palet por estas referencias. La máquina actúa sin problemas ya que las desviaciones son del orden de centésimas.

En los segundos proveemos a la pieza con unas señales fácilmente reconocibles. Por medios ópticos reconocemos estas señales y ordenamos a los robots o máquinas, la mini-corrección de la orientación, para acoplarse al pequeño desvío respecto a la posición prevista; (se emplea este método en soldadura de carrocerías de automóviles y en calderería).

IV.2 El robot en las operaciones, el ensamble y la inspección

Operaciones

Son tres las principales operaciones que pueden llevarse a cabo prensando: corte, conformación y ensamble. Las primeras dos están confinadas a producir componentes a partir de metal laminado, mientras que la tercera abarca una gran variedad de componentes. Una operación de prensado requiere la aplicación de una fuerza de compresión, por lo general en sentido vertical, por medios mecánicos o hidráulicos. El papel del robot en las operaciones con prensas es en esencia el de cargador y descargador.

Primero se resumen las operaciones de prensado en que resulta aplicable el uso de un robot. Las operaciones de recorte y perforación se distinguen entre sí por el hecho de que un recorte consiste en cortar el perfil de una parte y la perforación implica cortar orificios en una parte. Un punzón se fuerza contra la placa metálica, con lo que se realiza un corte de acuerdo con la forma de un dado estacionario. La placa de liberación separa la placa del punzón en el golpe de retroceso. Debe considerarse también el proceso de conformación. El doblado produce uno o más dobleces sobre un mismo eje a todo lo largo de la placa; el ajuste de la herramienta se hace por lo general a unos cuantos grados adicionales con respecto al ángulo deseado con el fin de tomar en cuenta la ligera recuperación elástica al liberar la parte. Si se sujeta la placa por medio de tenazas, puede utilizarse una prensa para alargar la forma del material y, en caso de ser necesaria una deformación adicional, puede recurrirse al proceso de estirado profundo. Diversas operaciones de ensamble resultan adecuadas para su ejecución por medio de prensas; un ejemplo característico es el ensamble de una rueda automotriz por medio de una maza y pernos, en donde los pernos se fuerzan en la maza por medio de una prensa.

Es posible atender herramientas de prensado utilizando solamente tres grados de libertad. Lo anterior requiere que el robot se coloque en la posición adecuada con respecto al dado ya la placa a ser sujetada con una orientación correcta de la herramienta (el eje de rotación debe ser normal a la placa). Ocasionalmente se encuentran tenazas mecánicas en este tipo de aplicación, pero en los trabajos de prensado es mucho más común el uso de tenazas de vacío o magnéticas.

Las máquinas de prensado que se atienden en forma manual requieren interacciones de seguridad muy completas. El pistón no debe comenzar su desplazamiento sino hasta que se opriman los dos interruptores de un dispositivo de seguridad manejado a dos manos y hasta que la pantalla protectora haya bajado por completo. Si la celda del robot está protegida en forma adecuada es posible eliminar algunas de las precauciones inherentes a la operación de una prensa; aun así, se requiere una interacción adecuada para asegurar que no se inicie la operación de prensado hasta que las tenazas hayan librado la máquina y que el robot no se acerque a la máquina sino hasta que el pistón se haya retraído completamente. Se requieren sensores en las tenazas para comprobar que tanto los productos como el material de desperdicio se han retirado por completo del dado.

Las partes producidas por medio de prensas con frecuencia requieren más de una operación, por lo que es común que una prensa flexible dé cabida a más de un dado para realizar operaciones sucesivas en cada parte. La tendencia actual es hacia máquinas flexibles que ofrecen un sistema por completo automatizado que maneja varias operaciones, además de la habilidad para cambiar a lotes de productos diferentes sin necesidad de cambiar los dados en forma manual. Una máquina de este tipo incorpora un robot que acepta piezas de un alimentador automático que se eleva para mantener el nivel máximo de alimentación posible y carga y descarga cuatro dados en la prensa (Mizutame y colaboradores, 1984). Los dados pueden escogerse en forma automática de un grupo de 16 diferentes; se incorporan además bandas transportadoras para la recolección automática de productos y desperdicios.

Algunos problemas especiales se presentan durante el desempeño de operaciones de doblado. El doblado se lleva a cabo por medio de una prensa de pie y, como es posible que en el proceso estén involucradas grandes láminas del metal, es importante asegurar que el robot pueda cargar y decargar la prensa de pie y sin sufrir una colisión.

Ensamble

Aun cuando no se trata de la aplicación más común de los robots, las operaciones de ensamble, dada su elevada utilización de mano de obra, son la aplicación con mayor potencial de desarrollo. El ensamble manual se clasifica con frecuencia como una operación "no calificada", pero en lo que respecta al empleo de robots, es una operación complicada ya que requiere retroalimentación generada por sensores. Los robots de la primera generación no tuvieron mucho impacto sobre la automatización de las operaciones de ensamble, pero las máquinas más recientes, con su gran precisión y mejor acondicionadas para procesar datos generados por sensores, están remediando esta situación.

El principio del grado de cedencia se ha extendido en el brazo de robot para ensam- ble con grado de cedencia selectivo (Selective Compliance Robot Arm, SCARA) (Makino y Furuya, 1982), que es una configuración en particular adecuada para el manipulador de un robot para ensamble. En su forma original el SCARA contaba con cuatro motores: la posición de las articulaciones del hombro y del codo definían las Coordenadas de la muñeca en el plano horizontal y dos motores en la muñeca controlaban la orientaci6n y la elevación del efector final. Al contar con cuatro grados de libertad, la máquina estaba restringida a operaciones de ensamblaje sobre una mesa con desplazamientos verticales y horizontales. Una característica exclusiva de la configuración SCARA es que el grado de cedencia puede controlarse -grado de cedencia selectivo. Como los brazos del manipulador son relativamente rígidos, el grado de cedencia derivado en las articulaciones puede controlarse al alterar los parámetros del sistema para control de las coordenadas de la máquina. La configuración SCARA permite una rotación continua de la muñeca, lo que hace que resulte adecuada para tareas de perforación e inserción de tornillos sin necesidad de motores adicionales. En realidad, uno de los primeros usos del Picmat SCARA fue la inserción y apriete de los diversos tornillos del ensamble del bastidor de una puerta (figura 21(a).

Fig. 21 Configuración de robots para ensamblaje: (a) manipulador SCARA, (b) sistema de brazos múltiples suspendidos.

Otra configuración de robot que ha resultado útil para el trabajo de ensamblaje es una disposición de armaduras suspendidas. Un ejemplo figura 21(b ) es el robot SERIE 3 de Olivetti, que puede ser una máquina con varios brazos. Las máquinas pueden agruparse sobre una banda transportadora; las piezas de trabajo por lo general se montan en plataformas estándar que se sujetan para lograr una ubicación precisa en cada estación de ensamble. Algunas de las aplicaciones citadas para este robot (Ruder, 1982), por ejemplo, conectores electrónicos, cubiertas de motores, válvulas de inyección, caracterizan muchas tareas de ensamble donde las partes por ensamblar consisten en partes o subensambles de gran tamaño que llegan en una plataforma proveniente de operaciones previas, y pequeñas partes para fijación de los componentes, por ejemplo, tornillos o rondanas. Con frecuencia se ha encontrado que resulta práctico suministrar a la estación de trabajo las partes y subensambles de gran tamaño en plataformas. Las partes pequeñas como tornillos pueden manejarse en forma más adecuada por medio de alimentadores de cubo y depósitos. La detección es una característica esencial para lograr un ensamblaje adecuado; un ejemplo es en la operación de insertar un tornillo, en la cual el robot debe ser capaz de detectar que el tornillo se ha sujetado de manera adecuada, que algún desarmador neumático se ha atorado, que haya alguna cuerda macho o hembra barrida, etc. Estas operaciones de detección se dan por hechas en un sistema manual, pero en un sistema automático requieren sensores e instrucciones apropiadas para el equipo y los programas.

Inspección

Existen muchas aplicaciones, como el ensamble, la soldadura por arco y la fundición por inyección a presión en donde la inspección es una parte necesaria e integral del proceso, que debe llevarse a cabo durante el ciclo de operación. Esta sección se ocupa de sistemas automáticos de inspección en donde los componentes esenciales son un robot, un sistema sensor automático y un medio de comunicación entre los dos. Los robots y los sensores deben instalarse juntos cuando es necesario transportar el sensor hasta la parte, o la parte hasta el sensor. Se ha visto ya una aplicación de este último caso en el ejemplo anterior de inyección. Al igual que el ensamble, la inspección abarca varios procesos y puede ilustrarse en forma más adecuada mediante el estudio de algunos ejemplos específicos. Se ha empleado con éxito un robot para transportar un sensor ultrasónico que sc usa en la inspección de partes de fibra de carbono compuesta fabricadas en la industria aeroespacial (Campbel y colaboradores, 1984 ). Este material está construido a partir de varias capas de material tejido con fibras de carbono que están unidas con una matriz de resina. Después de curado el material no deberán existir Cisuras o burbujas de gas en la matriz, ni tampoco ninguna separación entre capas posteriores, conocida como delaminación. El método de prueba no destructivo para probar estas fallas consiste en transmitir una señal ultrasónica a través del material; se identifica la presencia de fisuras o delaminaciones a partir del patrón de la señal atenuada recogida por un receptor en el otro lado del material.

La inspección de una parte compuesta requiere un barrido regular, por lo general en forma de rejilla; en el caso de partes relativamente planas, esto puede lograrse con facilidad con máquinas de tres ejes construidas con esta finalidad específica. Como es necesario mantener la cabeza de barrido normal a la superficie de la parte, se requieren cuando menos cinco grados de libertad cuando se trabajan partes curveadas, por lo que en este sistema se utiliza un robot para transportar la cabeza de barrido. Una configuración de calibrador para la montura de la cabeza permite el acceso a componentes profundos. La capacidad de los robots de primera generación con frecuencia puede mejorarse en gran medida si estos se conectan a una microcomputadora (Harris e Irvine, 1984); este ejemplo sirve para ilustrar el punto. No es necesario programar la ruta del robot por medio de la enseñanza, dado que se cuenta con información sobre el diseño de la parte en una base de datos de diseño asistido por computadora (CAD). La microcomputadora lleva a cabo dos funciones: recopila información de diseño del sistema de diseño asistido por computadora y la transforma en datos de coordenadas adecuados para su transmisión al robot y, además, interpreta la información del sistema ultrasónico para desplegar una representación bidimensional de la parte. La sincronización del sistema depende de las señales que el robot le envía a la computadora al inicio del barrido de cada línea para comenzar un muestreo de la señal del scnsor. La computadora realiza el muestreo a una velocidad calculada para monitorear puntos a intervalos de 3 mm.

Automatización y robótica

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