MONOGRAFIA

TEMA.........“ROBOTICA GENERAL”............

CATEDRA................SISTEMAS INTELIGENTES.......................

INDICE

Estado actual de la robótica...................................................................................... 2 Objetivos de la robótica industrial............................................................................. 2 Clasificación general de los robots........................................................................... 3 Problemática del estudio de la robótica industrial.................................................... 4 Estructura y características generales de los robots................................................ 4 - El manipulador................................................................................................. 5 - El control.......................................................................................................... 8 - Sistemas sensitivos......................................................................................... 9 Características de los robots industriales................................................................. 9 Cinemática de robots................................................................................................ 10 Dinámica de robots................................................................................................... 12 Elementos motrices.................................................................................................. 14 El robot y su entorno................................................................................................ 16 Lenguajes de programación.................................................................................... 22 Técnicas generales de programación...................................................................... 22 - Programación gestual o directa..................................................................... 24 - Programación textual explícita....................................................................... 24 Características de un lenguaje ideal para la robótica.............................................. 26 Bibliografía............................................................................................................... 27

ROBOTICA GENERAL

ESTADO ACTUAL DE LA ROBOTICA

Puede decirse que el antecedente directo de los modernos robots industriales se encuentra en los manipuladores mecánicos con control ma­nual remoto. Estos mecanismos aparecieron hace ya más de treinta años, a raíz de la necesidad de manipular materiales, radiactivos sin peligro para el operador. En los EE.UU. el Laboratorio Nacional Argonne tuvo a su cargo este trabajo, existiendo, ya en 1950, sistemas electromecánicos con retroalimentación. Es este tipo de manipuladores el que se ha denominado, anteriormente amo-esclavo, siendo muy utilizado en centrales nucleares y laboratorios, en los submarinos oceanográficos que operan a grandes profundidades.

De los piases que más esfuerzo han invertido en la investigación sobre robots, se pueden citar, entre otros, a EE.UU., Japón, URSS, Gran Bretaña, Alemania Occidental v varios más de Europa Oriental. Dicha investigación está financiada en la mayoría de los casos, con cargo a programas de desarrollo gubernamentales, con la colaboración, en su caso, de empresas privadas.

Las líneas de investigación seguidas por diferentes países tuvieron características diversas. Así, por ejemplo, y en contraste con los americanos, los japoneses iniciaron el desarrollo usando robots más pequeños y sencillos para efectuar tareas concretas, posibilitando su control con circuitos lógicos especiales de tipo electrónico, mecánico, etc., además mediante computadora. El resultado es que, hoy en día, Japón posee fábricas más modernas y automatizadas siendo el número de robots instalados en dicho país más de diez veces superior al de EE.UU. Aún más, Japón espera disponer en breve de fábricas totalmente automatizadas, y ello como resultado de un programa de investigación comenzado en 1972, patrocinado por el gobierno, y con la colaboración de sociedades técnicas, Universidades, sindicatos y empresas. Pese a estas diferencias, no son extrañas, tampoco, las colaboraciones entre empresas de diferentes países, como, por ejemplo, en el caso de General Electric con Hitachi de Japón y DEA de Italia.

OBJETIVOS DE LA ROBOTICA INDUSTRIAL

En un primer análisis, las consecuencias más evidentes de la utilización de los robots son el aumento de la productividad la mejora de la calidad de los productos fabricados, pues la repetibilidad y la precisión son dos de sus características fundamentales. Estas ventajas, junto con las que se comentaran posteriormente, han sido reconocidas por todos los países del mundo, que, en consecuencia, se afanan por incorporar estos elementos a sus industrias, en un esfuerzo por mantener la competitividad de los productos. Este hecho se constara, más palpablemente, en los países desarrollados, como EE.UU., Japón y Europa.

Las causas que ocasionan la mejora de la productividad se pueden resumir como sigue: 1. Aumento de la velocidad en los procesos productivos. La repetición automática de los movimientos del robot, con optimización de la velocidad, representa una reducción en el ciclo parcial controlado por el manipulador, así como un incremento del rendimiento total en la línea de producción o montaje. 2. El elevado tiempo de funcionamiento sin fallos que es previsible esperar de un robot industrial repercute, favorablemente, en la consecución de un trabajo uniforme e ininterrumpido. 3. Mantenimiento reducido y empleo de módulos normalizados
en la reparación de averías, con lo que se consigue minimizar los tiempos de parada. 4. Optimización sustancial del empleo del equipo o maquinaria principal a la que el robot alimenta en numerosas aplicaciones. El robot permite trabajar a la máxima velocidad a las máquinas que atiende, así como operar con las características más favorables de los equipos junto con los que trabaja. 5. Acoplamiento ideal para producciones de series cortas y medianas. La fácil programación, unida a !a adaptabilidad de numerosas herramientas de trabajo, permite al robot constituirse como una célula flexible de fabricación. 6. Rápida amortización de la inversión. La sustitución de la mano de obra que el robot introduce va acompañada de una reducción importante de los costos directos e indirectos. Cabe destacar, entre estos últimos, un mejor uso de las herramientas, lo que implica su mayor duración y, por otra parte, un decrecimiento en los desperdicios de material.

CLASIFICACION GENERAL DE LOS ROBOTS

Dados los diferentes criterios de partida, etapas de desarrollo, generaciones y propiedades que han caracterizado a los robots a través de su evolución histórica, existen diversas clases de robots, diferentes tanto por sus aplicaciones como por su forma de trabajo.

Atendiendo a la clasificación, se van a describir, brevemente, los cuatro grandes tipos de robots industriales, comenzando por los más complejos.

I.- Robots inteligentes: son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales controlados por computadora, capaces de re­lacionarse con su entorno a través de sensores y de tomar decisiones en tiempo real (autoprogramables). Actualmente se están dedicando grandes esfuerzos a la investigación en este tipo de robots, pero se encuentran, aún, en una fase prácticamente experimental, en la que la "inteligencia artificial" de que se les intenta dotar se perfecciona día a día.

2.- Robots con control con conmutador: son similares a los del grupo anterior, pero carecen de capacidad de relacionarse con el entorno que les rodea. Como puede verse, si se les añade los sensores adecuados y el "software" operativo conveniente, se convierten en robots inteligentes.

3.- Robots de aprendizaje: se limitan a repetir una secuencia de movimientos, realizada con la intervención de un operador y memorizada.

4.- Manipuladores: son sistemas mecánicos multifuncionales, cuyo sencillo sistema de control permite gobernar el movimiento de sus elementos de las formas siguientes:

a) manual, cuando el operario controla directamente al manipulador;

b) de secuencia variable, cuando es posible alterar algunas de las características de los ciclos de trabajo.

Aunque, en Japón, todos los tipos descritos se consideran robots, los manipuladores no se tornan como tales en Europa y EE.UU; únicamente en casos especiales se aceptan los manipuladores de secuencia va­riable.

Puede ser interesante, también, realizar la clasificación de los robots . desde el punto de vista del control de sus movimientos, admitiendo las dos configuraciones siguientes:

1- Sin servocontrol: el programa que controla el movimiento de los diferentes componentes del robot se realiza en un posicionamiento "punto a punto" en el espacio.

este tipo de control permite, a su vez, dos formas de trabajo:

2.- Con servocontrol:

a) gobierno de los movimientos de los elementos del robot en función de sus ejes. Los desplazamientos pueden realizares punto a punto o con "trayectoria continua";

b) los movimientos se establecen en función de la posición
respecto a los ejes de coordenadas (x, y, z) y de la orientación de la mano o herramienta del robot.

PROBLEMATICA DEL ESTUDIO DE LA ROBOTICA INDUSTRIAL

La conjunción de numerosas tecnologías en los robots industriales, algunas de ellas muy nuevas, y con un alto grado de especialización, hace que su estudio resulte, sin duda, laborioso. Pese a esta dificultad, el problema básico que se pretende resolver se puede plantear de un modo sencillo: la capacidad de colocar una herramienta (p. ej., una pinza o mano de sujeción) en una determinada posición y orientación en el espacio; dado que esa herramienta se encuentra al final de una serie de elementos del robot, su posicionamiento se realizará moviendo dichos elementos. Se trata, pues, de un problema "cinemático", que puede resolverse, con gran eficacia, utilizando una formulación matricial. Por otra parte, sería preciso aplicar unas fuerzas y momentos en los accionamientos, para mover el mecanismo hasta la posición buscada, manteniendo la estabilidad del sistema; este es el campo de interés de la "dinámica". Y además, se requerirá el "control" necesario para poder llevar a cabo los puntos

anteriores.

Los "motores" para obtener las fuerzas y momentos que deben aplicarse pueden ser eléctricos (servomotores de corriente continua o motores de paso a paso), neumáticos o hidráulicos (el análisis de los motores neumáticos es sumamente complejo, ya que son fuertemente no lineales, como consecuencia de la compresibilidad del aire). Aquí, se puede comprobar cómo la tecnología de los motores de !a índole más diversa es, también, un aspecto fundamental en la robótica.

En cuanto a los sistemas de control, están basados en el "microprocesador", por lo que será preciso conocer el "hardware" y el "software" que le acompaña.

La "programación" con sus lenguajes, el estudio de los "sensores", el "procesamiento de imágenes", en el caso de los robots dotados de visión, así como el campo de las "aplicaciones" idóneas de estos equipos suponen otros tantos temas complejos y diferentes que es necesario estudiar para poder conocer la Robótica Indus­trial.

Estructura y características generales de los robots

CONFIGURACION BASICA DE UN ROBOT

La principal diferencia entre el robot y otras maquinas es su carácter multifuncional; es decir, un mismo robot puede realizar diferentes tareas dentro de una determinada región del espacio. Los robots industriales pueden realizar labores verdaderamente complejas, y su estructura general y forma de operación son suficientemente diferentes del resto de las máquinas, como para poder distinguirlos claramente.

De una forma global, se puede considerar que un robot se compone de tres partes fundamentales, a saber:

1. El manipulador.

2. El control.

3. Los sistemas sensitivos.

El tercer componente sólo existe en los robots inteligentes, en cuyo caso el sistema de control deberá disponer de la capacidad de tomar decisiones. Conviene aclarar , aquí, que en el concepto de sensor se engloban dos tipos diferentes, que se pueden denominar internos y externos. Los internos se utilizan para medir los parámetros del robot (ángulo entre dos elementos, desplazamiento de un par prismático, etc.), mientras que los externos son los que relacionan al robot con su entorno, creando la posibilidad de los robots inteligentes.

EL MANIPULADOR

El manipulador constituye la parte mecánica del robot. Está formado por los componentes siguientes:

1. Varios elementos (rígidos, en una primera aproximación) re­lacionados entre sí mediante uniones que permiten su movi­miento relativo. Se denomina a estas uniones "pares cinemáticos" y, generalmente, el movimiento relativo permitido es una rotación alrededor de un eje (par de rotación, R) o una traslación (par prismático, P). Figura 1.

2. Dispositivos de agarre y sujeción ("gripping mechanisms"), también conocidos como "manos", y que poseen ]a capacidad de sujetar, orientar y operar sobre las piezas manipuladas. En ocasiones, en lugar de un dispositivo de agarre, se coloca una herramienta (p. ej., en aplicaciones de soldadura, pin­tura, etc.).

3. Sistemas motores, como motores eléctricos de paso a paso, dispositivos neumáticos e hidráulicos, motores eléctricos de corriente continua, etc. Estos sistemas proporcionan una ener­gía mecánica, que se transmite directamente o a través de elementos auxiliares, como engranajes, ' correas dentadas, etc.

Evidentemente, son posibles otras clases de uniones entre elementos, pero las más utilizadas son, sin duda, las R y P (también denominadas "pares de clase I", porque permiten un único movimiento relativo entre los dos elementos que relacionan).

Dado que un robot dispone, generalmente, de manos o herramientas intercambiables, se suele hacer referencia, a veces, al "manipulador", excluyendo a la mano de este nombre. Por ejemplo, en la figura 2 se presenta el esquema de un robot tipo PUMA de UNIMATION, indicando el nombre que se da, habitualmente, a cada uno de los elementos y pares.

Cuando el robot se destina a recoger piezas, se acopla, a su muñeca, la mano o pinza aprehensora; en otras aplicaciones (pintura, soldadu­ra, etc.), se utiliza otra herramienta adecuada. La flexibilidad en el traba­jo del robot se potencia con la variedad de garras o dispositivos que se pueden acoplar a su muñeca.

Se supone que, en el caso de colocar una mano de sujeción, el único movimiento propio que ésta puede realizar es el de abrir y cerrar las pinzas. Como se verá posteriormente es esta propiedad de las manos, así como el trabajo que se espera realice un robot, lo que condiciona el número de grados de libertad del manipulador.

Existen, además, otros dispositivos especiales, como ventosas, aros de expansión, garras dobles. etc.

EL CONTROL

Según el concepto de manipulador antes descrito, el sistema de con­trol debe "controlar" el movimiento del mecanismo producido por la variación en el tiempo de los grados de libertad (generalmente seis). Ahora bien, es preciso tener en cuenta que este problema es, de hecho, muy complejo, debido a que las propiedades cinemáticas y dinámicas del robot varían con la posición y a que las ecuaciones resultantes son fuertemente no lineales, lo que dificulta, extraordinariamente, su resolución rápida y con una precisión suficiente. Existen diferentes técnicas de con­trol aplicadas a robots; en efecto, se puede controlar, únicamente, la posición o, también, la velocidad ("Control cinemático"). Si, además, se tiene en cuenta las propiedades dinámicas del manipulador y de los moto­res, aparece el denominado "control dinámico". En el caso de considerar, también, la variación de los parámetros del robot con la posición, surge "el control adaptativo"

Se plantean otros interrogantes adicionales, como: ¿control de posi­ción sólo en determinados puntos del recorrido?, ¿control continuo?, etc. Si se elige el primer tipo, es evidente que no puede predecir la trayectoria

que el extremo del manipulador va a seguir entre esos dos puntos ("control punto a punto"). Este tipo de control puede ser suficiente en algunas aplicaciones, pero en otras es totalmente ineficaz, como sucede en soldadura, corte, pintura, etc. Una posible solución de compromiso puede consistir en aumentar el número de puntos de paso, pero, pese a ello, es indudable que resultará mucho más idóneo sistema de "con­trol de trayectoria" de forma continua, con el que se controla el movi­miento de todos los grados de libertad del manipulador en los puntos intermedios entre dos posiciones sucesivas .

Por lo que se refiere a los lenguajes de programación aplicados a la robótica, son varios los que, hoy en día, están desarrollados, a saber: WAVE, LAMA, VAL, AL, MAL, AUTOPASS, etc. Asimismo, casi todos estos lenguajes están capacitados para trabajar con información proceden­te de sensores, es decir, enfocados, ya, hacia robots inteligentes. En estos robots el sistema de control debe ser capaz de:

I.- Decidir automáticamente.

2.- Planificar el trabajo.

3.- Controlar los movimientos.

4.- Interpretar los datos suministrados por los sensores.

Estos puntos son fundamentales en el estudio de la inteligencia artifi­cial. Evidentemente, la velocidad y la capacidad del computador con que se dote al robot condicionan, directamente, sus prestaciones. En efecto, no hay gran problema, en principio, en dotar a un robot de dispositivos sensores, pero de nada sirve esto si no se dispone de algún medio capaz de interpretar correctamente los datos, decidir en consecuencia y contro­lar el movimiento, todo ello en un tiempo suficientemente reducido. Volviendo al tema de los lenguajes de programación y a su relación con el control, se puede decir que, de una forma general, permiten rea­lizarlo en cuatro estadios diferentes:

1.- Motor (cada accionamiento).

2.- Mano de sujeción.

3. - Objeto manipulado.

4.--Tarea a realizar.

El cuarto punto sólo puede ser planteado en el caso de robots inte­ligentes.

SISTEMAS SENSITIVOS

Son aquellos dispositivos que permiten la interacción del robot con su entorno. Los sensores empleados pueden ser de varios tipos diferen­tes, entre los que se encuentran:

1. -- De fuerza.

2. -- De visión.

3. -- De sonido.

A veces, se denomina, también a los sensores del primer grupo, como "de contacto directo", mientras que los otros se conocen como "remo­tos" o de "no contacto".

Los sensores de contacto directo se han utilizado, principalmente, para la búsqueda de objetos mediante peso, la medición de las fuerzas y mo­mentos que se producen al realizar determinadas tareas, etc. En cuanto a los sensores remotos, su forma de operación consiste en la identifica­ción de objetos en su entorno, localización, etc. Para ello, se han utili­zado medios diversos, incluso el láser y dispositivos electro-óptico.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS ROBOT INDUSTRIALES

Características básicas que definen un robot
Término	Definición
Grados de libertad	Es el número de movimientos básicos e independientes que posicionan a los elementos de un robot. Por lo general, en los robots industriales se consideran seis grados: tres para definir la posición en el espacio y los otros tres para orientar la mano de sujeción o herramienta.
Precisión repetitiva (Repetitividad)	Es la capacidad de volver a situarse la mano en un punto determinado un número indefinido de veces
Capacidad de carga	Es el peso máximo que el robot puede manipular
Región espacial de trabajo	Es el volumen en el cual el robot puede manipular objetos. Se define según las coordenadas de programación
Area de trabajo lineal	Es la superficie plana sobre la cual el robot puede manipular objetos
Velocidad	Es la rapidez con que trabaja el robot, una medida de su rendimiento
Coordenadas de los movimientos	Es el tipo de sistema de posicionamiento y orientación del elemento terminal del robot
Tipo de actuador	Es el tipo del elemento motriz que genera los movimientos de las articulaciones del robot
Programabilidad	Es la manera como se programa el robot para sus tareas

Cinemática de robots

SINTESIS Y ANALISIS

En cualquier problema de ingeniería, debe distinguirse entre la sín­tesis y el análisis. Es evidente la mayor dificultad que reviste la síntesis, ya que constituye una labor verdaderamente creadora; en el análisis, por el contrario, se trabaja sobre un sistema cuya geometría, topología y algunas propiedades son conocidas o, al menos calculables. De cual­quier modo, hay que reconocer que síntesis y análisis se encuentran estrechamente relacionados, ya que la obtención de un diseño óptimo, de acuerdo con un criterio determinado, se basa en la aplicación repetitiva de algún método de análisis. Esta forma de diseño consiste, fundamen­talmente, en crear un sistema de partida y analizarlo, corrigiéndolo en función de los resultados obtenidos y de los buscados, hasta que se obtenga una solución satisfactoria.

Puede verse, por lo tanto, el interés que tiene el disponer de un método de análisis eficaz, ya que de este modo se simplifica, de forma apreciable, el siempre difícil proceso de diseño.

En la síntesis de un robot o de un brazo manipulador, se pueden señalar dos fases diferentes:

1.- Selección de la configuración de la cadena cinemática, es de­cir, elegir el tipo de pares que van a conectar los distintos elementos del brazo manipulador.

2.- Determinación de las dimensiones más convenientes para los elementos.

Se puede afirmar que el paso (1) debe ser considerado, de momento, como una parte del "arte" de la ingeniería. El diseñador debe apoyarse, en gran parte, en su propio ingenio, en experiencias del pasado (propias o de otros diseñadores que se hayan encontrado con problemas análogos) y en la comprensión de los principios que rigen la combinación de los elementos mecánicos, para producir cadenas cinemáticas con el número de grados de libertad preciso (síntesis estructural).

Por lo que respecta al punto (2), es susceptible de recibir un enfoque puramente analítico, habiendo sido objeto del trabajo de numerosos in­vestigadores, que han visto incrementarse. de forma extraordinariamente rápida, la necesidad de disponer de sistemas diseñados con mayor precisión, capaces de realizar las misiones que se les encomienda con velo­cidades cada vez mayores. Una parte fundamental, en el punto (2), es el conocimiento de las velocidades, aceleraciones. posición. fuerza, etc., de los diferentes diseños realizados, datos que permitirán conocer su mayor o menor aptitud para los fines propuestos.

Si el problema de diseño de un mecanismo cualquiera es, de por sí, relativamente complejo, lo es aún más en el caso de un brazo manipu­lador, ya que de él se van a exigir tareas de la índole más diversa. De una forma general, se puede decir que: "La síntesis de un robot mani­pulador con varios elementos se relaciona con la obtención de una región accesible previamente especificada, con unas relaciones óptimas entre las dimensiones de los elementos y con unos desplazamientos aceptables." Existen dos enfoques de este problema:

1- Dado un manipulador determinado, calcular su región acce­sible (también conocida como espacio de trabajo).

2.- Dado un espacio de trabajo predeterminado, obtener la es­tructura geométrica y topológica del manipulador más ade­cuado.

Es evidente que el segundo problema es más complicado, constituyendo, verdaderamente, el núcleo del problema de la síntesis, en su for­ma más general. El primer enfoque, aplicado de forma repetitiva, según un esquema de pruebas, y completado con algún criterio de corrección puede servir, también, para realizar la síntesis de un brazo manipulador.

Hay que señalar que en la mayor parte de las obras sobre robótica, se engloba con la denominación "Cinemática de Robots", únicamente al "análisis" de los problemas de posición de manipuladores, no estudiando los aspectos que hacen referencia a la síntesis ni al análisis de velo­cidades, aceleraciones, etc.

CINEMATICA DE ROBOTS, GENERALIDADES

La cinemática de robots industriales y de brazos manipuladores hace referencia al estudio de su movimiento respecto de un sistema de coor­denadas fijo (o global) en función del tiempo, independientemente de las causas que lo producen (sean fuerzas o momentos).

Un robot industrial es un manipulador que puede realizar diversas tareas, dentro de un espacio de trabajo determinado. Como cualquier otro mecanismo, está formado por varios elementos relacionados entre sí mediante pares cinemáticos, R y P (rotación traslación),en la mayoría de los casos. La es­tructura empleada en los robots es, habitualmente, disponer, sólo, dos pares cinemáticos en cada elemento. De este modo, uno de los elementos (el primero) se une al soporte o base fija, mientras que el otro (el último) está libre y dispone de una herramienta o mano de sujeción que le per­mite manipular y/o trabajar sobre los objetos.

Desde el punto de vista mecánico, un robot se compone de dos ele­mentos principales y la mano o herramienta. El manipulador utilizado más frecuentemente tiene tres grados de libertad; por lo que respecta a la mano de sujeción, se encuentra unida a una muñeca que permite otros tres grados de libertad, que generalmente son de ro­tación.

La combinación de los tres ángulos (, , ) orienta a la herramienta o mano de sujeción de acuerdo con la posición y características del ob­jeto que se desea manipular. En general, en los robots industriales con seis grados de libertad, el brazo propiamente dicho constituye el meca­nismo de posicionamiento, mientras que la muñeca es el de orientación.

Entre los diferentes tipos de movimiento del brazo manipulador, los utilizados más frecuentemente (figura 3) corresponden a cuatro clases diferentes, en cada una de las cuales puede ser conveniente emplear un tipo de coordenadas determinado, a saber:

1- Sistema cartesiano (figura 3, a).

2.- Sistema de revolución (figura 3, b)

3.- Sistema cilíndrico (figura 3, c)

4.- Sistema esférico (figura 3, d)

Dinámica de robots

PROBLEMAS DE LA DINAMICA DE ROBOTS

Desde el punto de vista de la TMM (Teoría de Mecanismos y Máquinas), un sistema mecánico está formado por un conjunto de elemen­tos. también mecánicos, entre los que existe un movimiento relativo definido, cuya finalidad es convertir fuerzas y/o movimientos que actúan en los elementos de entrada, en otras fuerzas y/o movimientos en los elementos de salida. El soporte es considerado como un elemento más.

La finalidad del análisis dinámico es llegar a conocer la naturaleza y magnitud de las fuerzas y movimientos en los elementos del sistema mecánico (incluido el elemento fijo o soporte). Los pasos a seguir en un análisis dinámico son los siguientes:

1. Elegir el modelo matemático más adecuado al sistema real.

La elección deberá hacerse teniendo en cuenta consideraciones de precisión y económicas. 2. Realizar hipótesis simplificativas, que idealizan aún más el modelo elegido y lo hacen calculable por los métodos de análisis conocidos. 3. Elegir un método de análisis dinámico adecuado al problema que se pretende resolver.

Entre las características más importantes del análisis dinámico, se puede destacar su gran dependencia del análisis cinemático, siendo éste una condición previa imprescindible para resolver los problemas dinámicos. El primer paso antes mencionado (elección del modelo matemático) es, tal vez, el más importante de los tres, ya que condiciona completamente la validez de la solución obtenida. En este sentido, se puede señalar que cualquier sistema mecánico está compuesto por elementos construidos con materiales de determinadas propiedades resistentes (rigidez finita), por lo que se deformarán más o menos bajo la acción
de las cargas que actúan sobre ellos; si se tiene en cuenta esta posibilidad de deformación, deberán utilizarse los conceptos propios de la Dinámica del Sólido Deformable (DSD). Si, por el contrario, se considera a los elementos como indeformables, el planteamiento corresponde a la
Dinámica del Sólido Rígido (DSR) aplicada a sistemas mecánicos formados por elementos relacionados entre sí mediante pares cinemáticos. Es evidente que los modelos de la DSD son más aproximados a la realidad que los utilizados en la DSR, por lo que las soluciones obtenidas serán, al menos en principio, más precisas. Sin embargo, la complejidad de los cálculos que se derivan de utilizar modelos de elementos deformables no justifica recurrir a ellos en todos los casos, ya que es más que suficiente, para muchas aplicaciones, la aproximación que se obtiene con los modelos de elementos indeformables. En la DSR de mecanismos, aparecen dos grupos principales de problemas, que se conocen con el nombre de directo e inverso, respectivamente. Se denomina problema dinámico directo al que trata de determinar el movimiento del mecanismo en función de las acciones aplicadas sobre él (tanto motrices como resistentes). Este problema conduce, siempre, a una o varias ecuaciones diferenciales que, en ocasiones, no son lineales, por lo que es difícil de resolver en la mayoría de los mecanismos. El problema inverso, también denominado cinetoestático, trata de obtener los esfuerzos motores y las reacciones en los pares del mecanismo, cuando se conoce su movimiento. Es un problema mucho más sencillo que el anterior porque conduce a sistemas de ecuaciones lineales. Si, en el modelo adoptado, se considera el efecto del rozamiento, el problema se complica extraordinariamente, más aún si .se tiene en cuenta que sus mecanismos de actuación no son bien conocidos en todos los casos.

En la dinámica de los robots, los elementos se consideran, en prin­cipio, como indeformables. Hay que señalar que el interés del análisis dinámico, desde el punto de vista de la robótica. reside, fundamentalmente, en su utilización como información a tener en cuenta en el control.

Elementos motrices: neumáticos, hidráulicos y eléctricos

En un sistema de robot industrial. se denominan "elementos motrices" o actuadores a los dispositivos que producen y controlan el movimiento de las articulaciones, ya sea directamente o mediante una transmisión por poleas, cadenas, cables, etc.

La aplicación de los robots a un gran campo de aplicaciones supone diferentes requerimientos en cuanto a la capacidad de carga, velocidades y valores de los pares y fuerzas necesarias. Ante esta amplia demanda, no es suficiente un único tipo de actuador, por lo que, en la Robótica, se emplean prácticamente todos los conocidos en la industria.

Una primera clasificación de los actuadores típicos hace referencia al tipo de energía que emplean, a saber:

1. Energía neumática.

2. Energía hidráulica.

3. Energía eléctrica.

Según la energía utilizada, los elementos motrices poseen característi­cas muy diferentes, que son las determinantes de su elección. Muchas ve­ces, se combinan actuadores eléctricos, neumáticos e hidráulicos en un mismo manipulador, para optimizar el control del movimiento de cada ar­ticulación en particular.

La energía hidráulica es recomendable para los manipuladores que pre­cisen de una gran capacidad de carga, con un aceptable control de velo­cidad. No obstante, requieren una fuente de energía voluminosa y cara y contaminan su entorno.

La energía neumática, que emplea aire comprimido como fuente de po­tencia, tiene cualidades excelentes, propias del elemento base, entre las que destacan:

-- El aire es abundante y barato.

-- Se transporta y almacena fácilmente.

-- Es limpio (no contamina) y carece de problemas de combustión o alteración con la temperatura.

Los elementos neumáticos alcanzan velocidades de trabajo muy altas pero, dada la compresibilidad del aire, su regulación no es constante.

Los esfuerzos de los actuadores neumáticos tienen un techo alto, aun­que limitado e inferior a los de los hidráulicos. Exigen un coste elevado en la instalación del generador de energía neumática y su manipulación es algo ruidosa, como consecuencia de los escapes existentes.

La disponibilidad del suministro de energía eléctrica en cualquier lugar hace muy cómodos a los motores que hacen uso de la misma.

Aunque, fundamentalmente, existen tres tipos de motores eléctricos (de corriente continua, de paso a paso y de corriente alterna), dada su incidencia en la Robótica, sólo se estudian, en este capítulo, los dos primeros.

Los motores de corriente continua producen un par casi proporcional al voltaje de entrada, por lo que son extremadamente controlables. Para el seguimiento de la posición de su eje, precisan de un detector apropiado que informe de la misma al sistema de control, formando un lazo cerrado. También se necesitan servoamplificadores. Estos motores son muy limpios y seguros, precisando, en muchas ocasiones, engranajes que transmitan su movimiento.

Los motores de paso a paso giran su eje un ángulo fijo al aplicarles un impulso eléctrico adecuado, por lo que, contando el número de estos últimos, se puede conocer su posición. Aunque el eje no pasa por todas las posiciones posibles y no cubre completamente el área de trabajo de los elementos que gobiernan, son baratos, limpios y sus sistemas de control resultan muy sencillos y eficientes.

LOS CIRCUITOS NEUMATICOS E HIDRAULICOS

La importante red mundial de distribución de fluido eléctrico supone un fuerte incentivo para la utilización de este tipo de energía, que también se puede apreciar en la Robótica. Sin embargo, las grandes capaci­dades de carga sólo pueden ser soportadas por los actuadores hidráulicos, mientras que la generación de movimientos rápidos y potentes sólo pue­de serlo por los neumáticos. La energía que emplean estos dos tipos de actuadores no dispone de una red mundial de distribución, por lo que hay que generarla y conducirla a través de la propia máquina, hecho que encarece el sistema, incrementa su volumen y añade los proble­mas inherentes a los elementos generadores y controladores del ruido que la transporta.

El aceite, o fluido empleado, sale y se introduce en una bomba que eleva su presión. Mediante un juego de válvulas, gobernadas por el sis­tema de control, se regula la acción del ruido a alta presión. Las válvulas se encargan de convertir. en el motor hidráulico, la alta presión del aceite en un movimiento rotatorio o lineal.

Los sistemas de robot industrial alojan a las fuentes de energía hidráu­lica o neumática, ya sea en su cuerpo o pedestal. o en el exterior, de una forma independiente.

DISPOSITIVOS Y ACTUADORES NEUMATICOS

La generación de aire comprimido se lleva a cabo mediante un com­presor que, por lo general, opera admitiendo aire exterior en un recinto hermético, reduciendo su volumen hasta alcanzar la presión deseada y per­mitiendo, entonces, su salida. El compresor más común es el de émbolo.

Como la compresión del aire genera una gran cantidad de calor, se acoplan varios compresores en serie y se procede a una refrigeración en

las etapas intermedias.

Existen, además, otros tipos de compresores, como son los de membrana, rotativos, de tornillo, etc.

El aire comprimido se canaliza, una vez obtenido, a través de tuberías de diferentes materiales (cobre, latón, acero, plástico, etc.).

Para el correcto funcionamiento de una instalación de aire comprimido, hay que prepararlo y purificarlo, con objeto de eliminar, principalmente, las impurezas de hollín y residuos de aceite y humedad, origen de las más frecuentes averías del sistema.

Las válvulas son los dispositivos que distribuyen y controlan el flujo del aire comprimido. El sistema de control gobierna a las válvulas, nor­malmente por medio de señales eléctricas (electroválvulas). Según el esta­do de activación de la válvula, el aire que penetra por una o varias entradas sale por otras.

Los elementos neumáticos de trabajo transforman la energía del aire comprimido en un movimiento lineal o giratorio. Entre los más sencillos y usados para conseguir desplazamientos longitudinales, se encuentran los cilindros de simple y doble efecto.

MOTORES ELECTRICOS

La distribución generalizada del fluido eléctrico, unida a la constante superación técnica de las características de los motores eléctricos, han supuesto el empleo masivo de estos últimos en Robótica.

Destaca, en especial, el empleo de los motores de corriente continua que, por su extraordinaria relación par/velocidad, les hacen muy apropiados en muchas aplicaciones. Por otra parte, la sencillez del control y su fácil adaptación a los circuitos electrónicos basados en microprocesadores han sido otras razones que han hecho de este tipo de motores los más extendidos en la regulación de los movimientos de los manipuladores.

Por su bajo coste y la supresión de la reglamentación en la determina­ción de la posición del eje, los motores de paso a paso son, también, muy interesantes.

El robot y su entorno: Elementos terminales y sensores.

Un sistema de robot industrial consta, además del manipulador y del controlador, de uno o varios elementos que le adaptan al trabado a realizar y que le relacionan con el entorno que le rodea. Estos dispositivos son los elementos terminales acoplables al extremo del manipulador, es decir, a su muñeca, y los sensores que informan al sistema sobre las circunstancias más interesantes que envuelven el ambiente de trabado.

Entre las labores más comunes de los robots industriales, se distin­gue la manipulación de objetos y el mecanizado o tratamiento de piezas. Para ambas operaciones, el robot ha de disponer de un elemento terminal apropiado, que sujete o transporte cómodamente los objetos, o soporte y gobierne a una herramienta de trabajo.

Por otra parte, son tareas del sistema de robot: la inspección y el control de calidad; la búsqueda y el asimiento idóneo de los objetos; evitar colisiones durante el desplazamiento del brazo o de los robots móviles, así como poseer controles de seguridad para situaciones de emer­gencia. Todas estas labores requieren una información del ambiente de trabajo, que los sensores correspondientes deben enviar.

La actuación de los sensores permite al sistema trabajar en bucle cerra­do, estando informado el controlador de la situación real del entorno, por lo que puede definir los planes de acción pertinentes.

ELEMENTOS TERMINALES

Generalmente, el brazo del manipulador termina en una muñeca, a la que hay que acoplar el dispositivo que permita realizar la labor deseada. Si bien los movimientos de las articulaciones del manipulador colocarán al elemento terminal en cualquier posición y orientación, dentro del área accesible de trabajo, la garra o herramienta final precisará de controles para su gobierno.

La variedad de los elementos terminales confiere al robot, una gran versatilidad, así como la posibilidad de realizar labores muy diversas.

Fundamentalmente, hay dos clases de elementos terminales, a saber:

1. Dispositivos aprehensores, o manos mecánicas.

. 2. Herramientas de trabajo

La forma de aprehensión de las manos mecánicas, también llamadas garras, da lugar a la clasificación siguiente:

A) Manos de sujeción por presión

Este tipo de manos suele estar compuesto por varios dedos, general­mente dos o tres, que giran o se deslizan para sujetar el objeto. Los dedos pueden llevar adosados unas zapatas, de formas diferentes, para rodear de forma óptima a la pieza a manipular. Para mejorar la adaptabilidad, los dedos pueden ser flexibles.

B) Manos de sujeción por enganche

En este caso, la pinza adopta la forma adecuada para transportar la pieza enganchada, sin ejercer sobre ella presión alguna. Un caso muy típi­co del empleo de esta clase de pinza consiste en la manipulación de piezas con orificios.

C) Manos de sujeción con acción auxiliar

Las manos que se encuentran comprendidas dentro de este grupo son:

a) Las dotadas de electroimanes.

b) Las succionadoras de aire (ventosas), que transportan los materiales por efecto del vacío.

c) Las que emplean elementos adhesivos.

D) Manos dotadas de sensores

Dentro de este grupo, son muy conocidas las pinzas en cuyos dedos se dispone de varios presductores, o elementos detectores de presión.

E) Manos de diseño especifico

Es frecuente que, para una operación concreta, sea necesario diseñar una garra especial que se adapte, lo mejor posible, a las características de los objetos manipular.

La construcción de una pinza eficaz es compleja, puesto que hay que conjugar factores contrapuestos. Así, por ejemplo, una buena garra debe soportar mucha capacidad de carga y, al mismo tiempo, ser de poco peso.

Las dimensiones de la pinza, su superficie de contacto, la forma de realizar el asimiento, la duración v la fiabilidad son otros tantos factores que hay que tener muy en Cuenta al fabricar una garra.

Además de la mano, se puede acoplar otro tipo de elemento terminal a la muñeca del manipulador: una herramienta que el manipulador con­trola y aplica, adecuadamente. a la pieza a mecanizar.

De entre las herramientas más comunes que gobiernan a los robots, se encuentran las pinzas de soldadura por puntos, los electrodos para la soldadura por arco, pulidoras, cepillos y todo tipo de herramientas de mecanizado, como taladros y cuchillas.

SENSORES UTILIZADOS EN LA ROBOTICA

Las informaciones más importantes que el controlador necesita del robot para adaptarse al mundo exterior son:

-- Posición y proximidad.

-- Velocidad y aceleración.

-- Fuerzas y pares.

-- Dimensiones y contornos de los objetos.

-- Temperatura

Se han seleccionado los sensores más utilizados y que mejor se integran dentro de la configuración de un siste­ma de robot industrial.

SENSORES OPTOELECTRONICOS

Por su reducido tamaño. bajo costo, garantía de funcionamiento, larga duración y escaso consumo de energía, los elementos semiconductores que generan luz o alteran su comportamiento en su presencia se aplican, masivamente, en equipos industriales para determinar el posicionamiento, la proximidad, la velocidad, etc.

Diodos LED

El principio de funcionamiento de un diodo luminiscente, LED (Light Emitting Diode), se basa en el proceso conocido con el nombre de "electroluminiscencia", por el que la energía eléctrica se transforma en lu­minosa.

Cuando se aplica una tensión directa a una unión N-P, se produce un aumento del nivel energético de los portadores libres por la recombinación de electrones y huecos, lo que origina un desprendimiento de ener­gía fotónica. De esta manera se constituye en un foco emisor de luz.

Un aspecto muy interesante del diodo LED se refiere a su envoltura de plástico (epoxy). que conforma una lente concentradora y orientadora de la luz emitida. Según la lente y la distancia a la que se encuentre de la unión, se obtienen diferentes modelos y formas de las áreas de la radia­ción luminosa.

El LED posee una relación tensión-energía/luz notablemente inferior a todo tipo de lámparas luminosas, lo que unido a la variedad de modelos con diversas longitudes de onda y áreas de radiación, ha supuesto una implantación industrial significativa.

Fotodiodos y fototransistores

La resistencia interna del Germanio varía proporcionalmente con la can­tidad de luz que incide sobre él. Aprovechando esta propiedad, una unión N-P se utiliza como elemento sensible para la medida del flujo luminoso.

Concentrando los rayos de luz sobre la unión semiconductora, me­diante una lente adecuada, la intensidad que circula por aquélla es pro­porcional al flujo luminoso, que ocasiona un aumento de la energía de los electrones y de] número de roturas de enlaces covalentes, independiente­mente de la tensión de polarización aplicada. Este dispositivo recibe el nombre de "fotodiodo" o "diodo fotoeléctrico".

Para amplificar el efecto del fotodiodo, se ha diseñado el "fototransis­tor", que consiste, en esencia, en un transistor normal con un fotodiodo entre la base y el colector.

La sensibilidad del fototransistor se puede aumentar mediante un cir­cuito Darlington.

Con el fotoDarlington. se alcanza una gran ganancia y unas corrientes de salida elevadas para pequeñas variaciones luminosas; sin embargo, la velocidad de respuesta es bastante lenta.

Dispositivos compactos emisores-receptores

Existen en el mercado dos versiones de elementos optoclectrónicos, que constan de un emisor y un receptor. Una de ellas es de tipo interrup­tor y la otra, de reflector.

El módulo emisor/receptor, con un funcionamiento similar al de un in­terruptor, dispone de dos bloques: un emisor y un receptor, separados por un espacio vacío por el que se desplaza la luz emitida por el LED, hasta el fototransistor existente en el otro bloque.

Cuando no existe ningún objeto entre el emisor y el receptor, este último recibe el máximo flujo luminoso y con­duce una corriente constante. Al situarse un objeto entre los dos bloques puede obstruir total o parcialmente el flujo luminoso, con lo que la co­rriente del fototransistor varía, activando así a un circuito de disparo que informa de esta situación.

En los módulos compactos de tipo reflector, el diodo emisor y el foto­transistor alinean sus ejes de forma que converjan en un punto a través de las ventanas orientadoras.

APLICACIONES DE LOS SENSORES OPTOELECTRONICOS EN LA ROBOTICA

Los sensores optoelectrónicos anteriormente descritos proporcionan, normalmente, una información digital segura y económica, conseguirla con un tamaño físico reducido, acerca del posicionamiento, la proximidad y la velocidad de los objetos.

SENSORES ELECTROMECANICOS

Dada la enorme variedad de captadores de esta categoría que pueden utilizarse en la robótica, así como los diferentes fundamentos físicos en los que se basan, se citan, simplemente. a continuación, indicando su propie­dad captadora.

Presductores. Son, en general, células digitales de presión. Pueden emplearse conjuntos de presductores, en forma de matriz, para situar la posición de una pieza.

Galgas extensométricas. Conjuntos de cuatro galgas, dispuestas ortogonalmente, conforman dispositivos usados en la determinación de los pares de fuerza.

Sensores de proximidad. Pueden ser de tipo electromagnético o capacitativo, detectando la aproximación de otros cuerpos. Mediante méto­dos basados en la triangulación, se usan, también. módulos ópticos de tipo reflector para el cálculo de medidas y volúmenes.

Sensores eléctricos. En motores, como los de corriente continua, la medida de voltajes e intensidades, puede propiciar el conocimiento real del estado del motor y de sus características de trabajo.

Dinamos tacométricas. Generan una tensión proporcional a la velocidad del eje al que se aplican.

Resolver. Se emplean para la medida de la posición del eje de un motor. Constan de dos arrollamientos estatóricos fijos, alimentados con una tensión y un tercero rotórico móvil, alimentado con otra tensión desfasada 90° respecto a la anterior. El desfase de la respuesta del resolver es una medida de la posición del eje.

Transductores de vibración. Para cuantificar la vibración de un cuerpo
se emplean, entre otros, los sensores de velocidad y los acelerómetros.
Un sensor de velocidad está formado por una gran bobina, soportada
por resortes dentro del habitáculo del instrumento, junto con un amortiguador.

Rodeando a la bobina móvil, se encuentra un imán permanente. Al vibrar el cuerpo sobre el que se ha adosado el sensor de velocidad, la bobina, suspendida por los resortes, se desplaza en el campo del imán, induciéndose en ella una tensión directamente proporcional a la velocidad del movimiento.

Los acelerómetros emplean. como elemento transductor, un cristal piezoeléctrico, que genera una energía eléctrica proporcional a la fuerza conque se le comprime. Como esta última es proporcional a la acelera­ción. la salida del cristal es un fiel reflejo de dicho parámetro. Por lo tan­to, un acelerómetro consta de una gran masa, montada especialmente para comprimir un cristal.

Interruptores variados. Cierran sus contactos, generalmente, como consecuencia de la presión. aforrando una información muy interesante acerca de las proporciones de las piezas. Colocando un número apropiado de microinterruptores en !a mano del manipulador, se obtienen datos im­portantes sobre el objeto aprehendido.

Se fabrican, también, membranas de Mylar con una matriz interna de puntos de detección por contacto y que, mediante un decodificador, infor­man sobre el área de presión del objeto que se está, en ese momento, sujetando.

Sensores de efecto Hall. Son dispositivos semiconductores que generan un voltaje cuando un campo magnético les cruza perpendicularmente. Una aplicación de este tipo de sensores es el cálculo de la velocidad de rotación de ejes y discos, sobre los que se adosan unos pequeños imanes que provocan impulsos de tensión al cruzar el sensor de efecto Hall.

SENSORES ULTRASONICOS

Las especiales características de propagación de las ondas ultrasonoras, de más de 15.000 Hz, unidas a la existencia en el mercado de conjuntos emisores-receptores de bajo precio, con un funcionamiento fácil y seguro, ha determinado que se empleen en la robótica, para la detección de obje­tos y el cálculo de distancias.

La velocidad con que las ondas ultrasónicas atraviesan a los materia­les depende de su elasticidad y de su densidad. Si el medio de propa­gación es un gas, como el aire, influye, también, la temperatura.

Cuando las ondas ultrasonoras que circulan por un medio chocan con otro diferente, una parte de ellas se refleja hacia su origen. Teniendo en cuenta la velocidad de propagación y el tiempo que transcurre hasta el regreso de las ondas al emisor, se puede calcular, fácilmente, la distancia entre el foco de ultrasonidos y el objeto reflector, así como el espesor de los materiales.

Como generador y a la vez detector de ultrasonidos, se emplea un transductor piezoeléctrico, que puede ser un cristal de cuarzo. Los cristales piezoeléctricos generan una tensión eléctrica proporcional a la pre­sión aplicada a sus superficies, y viceversa, de manera que. a menores espesores de cristal, corresponde una frecuencia natural mayor. Cuando se les aplica una tensión de corriente alterna, cuya frecuencia coincida con su propia de resonancia, se obtiene una gran energía de vibración.

Para generar ultrasonidos basta aplicar un voltaje de corriente alterna de una frecuencia superior a 15.000 Hz y coincidente con la de resonan­cia del cristal. Las vibraciones de este último se transmiten al espacio circundante mediante unas láminas de metal o un diafragma adecuado.

El receptor ultrasónico es, también, un cristal piezoeléctrico, que reci­be las ondas reflejadas por un objeto. Si la frecuencia de emisión es igual a la natural del cristal detector. sus pequeñas vibraciones se transforman en una débil señal de corriente alterna que, convenientemente amplifica­da, puede actuar sobre el sistema de control.

Para evitar interferencias, los generadores emiten, secuencialmente, varias ondas de diferentes frecuencias; por ejemplo, de 48 a 64 MHz, realizándose la detección en el mismo orden, y consiguiendo, al mismo tiempo, una gran exactitud. La posibilidad de montar los sistemas ultrasónicos en plataformas giratorias supone la exploración de todo el en­torno. Utilizando dos o más sistemas colocados en diferentes puntos y combinando sus resultados, se puede obtener un mapa general del entorno, con los obstáculos que rodean al robot.

SISTEMAS CON RAYOS LASER

Los avances de la tecnología de los rayos láser permiten contar, en estos momentos, con. dispositivos muy eficaces para la medida de distancias.

Una de las primeras aplicaciones del láser fue la telemetría, cuyo prin­cipio de funcionamiento es muy simple y, hasta cierto punto, parecido al de los sistemas de ondas ultrasónicas.

Un emisor láser está formado .por una cavidad resonante que contiene un material activo y una óptica especial de emisión. Genera un impulso de luz no visible, de mucha energía de pico y poca duración, que se pro­yecta hacia el objeto cuya distancia se quiere determinar.

Una pequeña parte de la energía emitida es reflejada por el obstáculo hacia el propio generador donde se captura mediante una óptica compleja y se concentra sobre un fotodiodo muy sensible a la luz. Procesando el tiempo transcurrido entre la emisión y la percepción, se calcula, fácilmen­te, la distancia entre el foco origen del láser y el objeto.

SENSORES DE TEMPERATURA

Uno de los parámetros más influyentes en los procesos y dispositivos industriales ha sido, siempre, la temperatura. En efecto. ésta no sólo les afecta directamente, sino que incide, también, sobre el propio sistema de control, que de ser electrónico exige unos márgenes de temperatura estrictos para su correcto funcionamiento.

Teniendo en cuenta que muchos cuerpos varían su resistencia con la temperatura, hace bastante tiempo que se vienen empleando captadores térmicos fundamentados en esta propiedad.

Un sensor de temperatura básico funciona por la medición de la re­sistencia de un hilo largo de níquel, platino o cobre, arrollado en forma de bobina. También, y con el mismo fin, se suelen emplear delgadas láminas de platino.

Otros dispositivos que varían su resistencia con la temperatura son los denominados "NTC" y "PTC". Las resistencias NTC (Coeficiente Nega­tivo de Temperatura) presentan una resistencia elevadísima a baja tempe­ratura, que va disminuyendo a medida que esta última se incrementa. El comportamiento de una PTC es opuesto al de una NTC.

Actualmente, existen sensores de temperatura fabricados con tecnolo­gía planar, que aprovechan, también, las variaciones de la resistividad del silicio con la temperatura. Por sus características y comportamiento, aven­tajan a los que incorporan resistencias NTC y PTC. Los sensores de silicio disponen de un margen muy amplio para la detección de temperaturas, con una precisión del orden de un ± 1,5 %.

Para incrementar la fiabilidad y la exactitud, los sensores de tempera­tura se combinan con un conjunto de resistencias, conformando los denominados "puentes de Wheatstone".

Otros transductores de temperatura emplean el principio de la expan­sión y contracción de los materiales cuando se les calienta y enfría. Los sensores bimetálicos constan de dos metales distintos, unidos íntimamente. Al someterlos a variaciones térmicas y ser dispares sus coeficientes de dilatación, se produce una deformación en el conjunto bimetálico, cuyo valor es proporcional al de la temperatura. Los sensores aludidos se co­mercializan bajo diferentes presentaciones, siendo muy compactos y resis­tentes.

Lenguajes de programación

PROBLEMATICA DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACION DE ROBOTS

El lenguaje es el medio que utiliza el hombre para comunicarse con la máquina, de manera que una gran parte del éxito en el rendimiento y productividad del robot radica en su buena programabilidad, fundamentada en el empleo de un lenguaje adecuado.

Aunque se han desarrollado, hasta el momento, numerosos lengua­jes de programación para robots, se tiene la impresión de que aún no ha aparecido el ideal que. destacando sobre los demás, cumpla la mayor parte de los requisitos para ser considerado de buena calidad. Las dos causas principales de la existencia de esta amplia gama de lenguajes inadecuados han sido:

1. Cada lenguaje se ha diseñado tomando, como base, a un robot concreto del mercado. Este hecho anula, en gran medida, la universalidad y la posibilidad de emplearlo en modelos diferentes.

2. Otros lenguajes se dirigen a una aplicación específica (ensamblaje, pintura, etc.), lo que restringe, notoriamente, su uso para tareas diferentes.

La realización de un lenguaje válido para cualquier robot y aplica­ción, que reúna, además, las prestaciones necesarias para la elaboración de un software óptimo, es un de las metas actuales de los equipos de investigación.

TECNICAS GENERALES DE PROGRAMACION EN LA ROBOTICA

Para la organización del "software" relacionado con los robots, se han mantenido dos líneas tradicionales:

Programación explícita del sistema

El operador es el responsable de las acciones de control y de las instrucciones adecuadas que !as implementan. .

Modelación del mundo exterior

Basándose en una amplia descripción de la tarea y del entorno, es el propio sistema el que lleva a cabo la toma de ciertas decisiones.

En el presente, la más utilizada en la industria, es la programación explícita, existiendo dos técnicas fundamentales:

A) Programación gestual.

B) Programación textual.

En la programación gestual o directa, muy extendida en los robots industriales, el operador guía al brazo, directamente, a través del cami­no que ha de seguir en su trabajo de aplicación. Posteriormente, el sis­tema repetirá dicho camino cíclicamente.

La programación textual consiste en la confección de un programa de instrucciones o sentencias, con las que las acciones del brazo mani­pulador se definen y regulan.

En un principio, la programación y su lenguaje van a ser totalmente dependientes del tipo de descripción del trabajo que el robot debe rea­lizar, existiendo, en este aspecto, los niveles siguientes:

1. Nivel de control del elemento motriz o accionador que go­bierna el movimiento de cada articulación del brazo.

2. Nivel de control del elemento final de trabajo, es decir, la garra, pinza o herramienta.

3. Nivel del objeto sobre el que el sistema opera.

4. Nivel de la tarea que el robot realiza.

En los diferentes apartados que hay en la programación gestual y textual, se utilizan los cuatro niveles de descripción, que son determinantes de importantes características del lenguaje que las soporte.

PROGRAMACION GESTUAL O DIRECTA

En este tipo de programación, el propio brazo manipulador 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-Iine".

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 del 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.

PRÒGRAMACION TEXTUAL EXPLICITA

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:

l. Programación textual explícita.

2. Programación textual especificativa ( no se detalla ).

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 !levar a cabo la aplicación. Se puede de­cir que la programación explícita engloba a los lenguajes que definen los movimientos punto a 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. Nivel de movimiento elemental

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

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

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

Los lenguajes del tipo cartesiano utilizan transformaciones homogéneas. Este hecho confiere "portabilidad" 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 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.

2. 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.

CARACTERISTICAS DE UN LENGUAJE IDEAL PARA LA ROBOTICA

Las seis características básicas de un lenguaje ideal son:

1.- Claridad y sencillez.

2.- Claridad de la estructura del programa.

3.- Sencillez de aplicación.

4.- Facilidad de ampliación.

5.- Facilidad de corrección y mantenimiento.

6. - Eficacia.

Estas características son insuficientes para la creación de un lenguaje "universal" de programación en la robótica, por lo que es preciso aña­dir las siguientes:

- Transportabilidad sobre cualquier equipo mecánico o informático.

- Adaptabilidad a sensores (tacto, visión, etc.)

- Posibilidad de descripción de todo tipo de herramientas acoplables al manipulador.

- Interacción con otros sistemas.

En el aspecto de claridad y sencillez, la programación gestual es la más eficaz, pero impide la confección de programas propiamente dichos. Los lenguajes a nivel de movimientos elementales dispo­nen de bastantes comandos para definir acciones muy parecidas, que fueron surgiendo según las necesidades y que, en gran medida, oscu­recen su comprensión y conocimiento.

Aunque, inicialmente, las técnicas de programación estructurada son más difíciles de dominar, facilitan, extraordinariamente, la comprensión y corrección de los programas.

Es imprescindible que los lenguajes para los robots sean fácilmente ampliables, por lo que se les debe dotar de una estructura modular, con inclusión de subrutinas definidas por el mismo usuario.

La adaptabilidad a sensores externos implica la posibilidad de una toma de decisiones, algo muy interesante en las labores de ensamblaje. Esta facultad precisa de un modelo dinámico del entorno, así como de una buena dosis de Inteligencia Artificial.

Finalmente, el camino para la superación de los problemas propios de los lenguajes actuales ha de pasar, necesariamente, por la potenciación de los modelos dinámicos del entorno que rodea al robot, acom­pañado de un aumento sustancial de la Inteligencia Artificial.

bibliografía

Autor: ANGULO USATEGUI, José; AVILES GONZALES, Rafael: “CURSO DE ROBÒTICA”

Segunda Edición

Lugar: Madrid

Editorial PARANINFO

1985

430 Pàg.

Figura 1. Pares cinemáticos P y R.

Figura 2. Robot industrial tipo PUMA de UNIMATION, con seis pares R.

Figura 3.

Figura 3 (continuación).

Figura 4. Circuito de generación y suministro de energía hidráulica.

Figura 5. Sistema neumático.

Figura 6. Tipos de programación existentes en el campo de la robótica.