ROBOTICA I.− FUNDAMENTOS DE ROBOTICA I.1 Evolución de la automatización y robótica

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
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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
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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.
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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)
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
12
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
13
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
14
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
15
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
16
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.
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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
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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.
19
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.
20
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.
21
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
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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
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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
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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
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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
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−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
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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
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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.
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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.
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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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