aplicaciones industriales de la robotica

Aplicaciones industriales de la robótica. Conferencia de curso de verano. Rafael Sanz Domínguez página 1

Cuso de verano: Robots y humanos: hacia la convivenciaUniversidad de Santiago de Compostela, 19-22 julio 2004

Aplicaciones industriales de la robótica. Curso de verano 2004. USC 1Curso de verano 2004. USC 1

APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA

ROBÓTICA

Rafael Sanz DomínguezDepartamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

Universidad de Vigo

Aplicaciones industriales de la robótica. Curso de verano 2004. USC 2

Índice de la presentación

Robots industriales• ¿Qué son? ¿Para qué se usan?• Componentes de un robot industrial• Principales características• Tipos y morfologías

El robot y los procesos de producción• Célula de trabajo robotizada

Aplicaciones industriales• Descripción de algunas aplicaciones clásicas y avanzadas

La robótica industrial y la IA• ¿Qué aporta la IA a la robótica?• Robótica móvil

Otras aplicaciones de la robótica• Descripción de aplicaciones avanzadas




Manipulador automático capaz de orientar objetos y materiales a lo largo de de movimientos y trayectorias variables y programable para la ejecución de tareas variadas:• Típicamente se presenta en forma de brazo articulado

terminado en una muñeca• Dispone de servomecanismos de control de posición• Reprogramable y polivalente• Capaz de generar trayectorias complejas en el espacio• Emplea microprocesadores para el control de movimientos

y para la planificación de movimientos• Con capacidad de comunicación y coordinación con

elementos externos• Fácilmente integrable en las líneas automáticas de

producción

Definición de robot industrial


Propiedades de los robots industriales

Los robots industriales típicos hacen trabajos que son difíciles, peligrosos o simples y repetitivosPueden realizar múltiples tareas: manipulan objetos pesados, pintan, productos químicos y tareas de ensambladoRealizan el mismo trabajo con precisión hora tras hora y día tras díaNo se cansan y no comenten errores asociados con la fatigaAdaptados especialmente para la realización de tareas repetitivas




Estructura general de un robot industrial

Un robot industrial está compuesto por las siguientes partes:

• Estructura mecánica

(manipulador)

• Sistema locomotor y sensorial

• Sistema de control de bajo

nivel

• Sistema de decisión y

planificación

• Dispositivos de entrada y

salida de datos

• Sistema de comunicación


Componentes de un robot industrial (I/II)

Estructura mecánica (manipulador)• Está compuesto de varias articulaciones y sus elementos

de transmisión y reductoras• Las partes que conforman el manipulador reciben los

nombres de: cuerpo, brazo, muñeca y elemento terminal

Sistema locomotor (actuadores)• Sirve para actuar sobre la estructura mecánica

modificando su configuración y, por tanto, la situación del órgano terminal

Sistema sensorial (sensores)• Es necesario para conocer el estado del robot y de su

entorno




Componentes de un robot industrial (II/II)

Sistema de control de bajo nivel• Gobierna los accionadores del robot a partir de la definición de

movimientos a ejecutar, de acuerdo con el sistema de decisión y la información proporcionada por el sistema sensorial.

• Es el que controla cada uno de los movimientos del manipulador yguarda sus posiciones

• El controlador recibe y envía señales a otros elementos de la celda de trabajo (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas

Sistema de decisión y planificación• Elabora el movimiento del robot a partir de la definición de la tarea

a ejecutar transmitida por el operador con ayuda del sistema de comunicación.

Dispositivos de entrada y salida de datos• Los mecanismos de entrada y salida, más comunes son: teclado,

monitor y caja de comandos

Sistema de comunicación


Detalles de la estructura mecánica de un robot




Principales características de un robot

Características estáticas• Grados de libertad• Grados de maniobrabilidad• Accesibilidad• Movilidad• Espacio de trabajo

Características dinámicas• Capacidad de carga • Estabilidad (oscilaciones)• Resolución y resolución espacial (precisión)• Exactitud• Repetibilidad


Grados de libertad

El número total de grados de libertad requerido puede completarse por medio de la muñeca: articulación o conjunto de articulaciones que enlazan el elemento terminal con el elemento de trabajo.

Cada uno de los movimientos independientes que una articulación permite efectuar le confiere un grado de libertad a la estructura del manilpulador.El número de grados de libertad de la estructura viene determinado por la suma de los grados de libertad de cada una de las articulaciones.




Espacio de trabajo

Es el conjunto de puntos donde puede situarse el elemento terminal del robot. Corresponde, por tanto, al volumen encerrado por las superficies que determinan los puntos a los que accede el manipulador.Para diseñar el entorno de trabajo del robot necesario conocer el espacio de trabajo. Este volumen viene normalmente representado por dos secciones perpendiculares elegidas en función del tipo de robot.


Configuraciones de la estructura base

La elección del tipo de articulación entre componentes del manipulador configura una determinada estructuraConfiguraciones más habituales

• Cartesiana (pórtico, gantry) (PPP) ejes perpendiculares

• Cilíndrica (PRP o RPP) ejes prismáticos perpendiculares

• Esférica (polar) (RRP) ejes rotacionales perpendiculares

• Angular(RRR) el primero (vertical) perpendicular a los siguientes (horizontales)

• SCARA (PRR o RRP) ejes paralelos verticales

• Paralela




Estructura mecánica: configuraciones

Robot cartesiano Robot cilíndrico Robot esférico

Robot angular Robot scara Robot paralelo


Tiene una estructura PPPLa especificación de un punto del espacio se efectúa mediante coordenadas cartesianas (x, y, z)La precisión es uniforme en todo el espacio de trabajoEspecialmente apta para seguir una trayectoria previamente especificadaConstrucción rígida: la distribución de cargas no presenta problemas especialesNo resulta adecuada para acceder a puntos situados en espacios cerrados

Configuración cartesiana: características




Configuración cartesiana: espacio de trabajo


Configuración cartesiana: ejemplos (I)

ABB 840 SEIKO XM-3000




Configuración cartesiana: ejemplos (II)

VENTAX VMR-3, SE


ADEPT

AMR

Configuración cartesiana: ejemplos (III)




Configuración cilíndrica: características

Tiene una estructura RPP o PRPLa posición del punto del espacio se realiza mediante coordenadas cilíndricas (a, r, z)Ofrecen ventajas cuando la tarea a desarrollar o las máquinas servidas se encuentran situadas radialmente al robot

Sistema de coordenadas


Configuración cilíndrica: ejemplos

SEIKO RT3300

YAMAHA YP330A




Configuración esférica o polar: características

Tiene una estructura RRP

La posición del punto del espacio se

realiza mediante coordenadas

esféricas (a, b, r)

Configuración utilizada por los

primeros robots


Configuración esférica o polar: ejemplos

UNIMATE 5000

UNIMATE 1000




Configuración angular: características

Tiene una estructura RRR

La posición del punto del espacio se fija con coordenadas angulares (a, b, g)

Soluciona, en cierta forma, el acceso a espacios cerrados

Sin embargo, obliga a un esfuerzo suplementario en el sistema de control para el seguimiento de trayectorias rectilíneas


Configuración angular: ejemplos

Fanuc 2000Staubli 145




Configuración scara: características

Tiene una estructura RRP o PRR

Especialmente desarrollado para realizar tareas de ensamblado electrónico, y en general, de manipulación vertical

La mayoría de fabricantes incluyen actualmente este tipo en su oferta


Configuración scara: ejemplos (I)

ADEPT

FANUC 510




Configuración scara: ejemplos (II)

SANKYO SR8437YAMAKA Z-II


Configuración paralela: características

El elemento terminal se encuentra conectado a la base por, al menos, dos cadenas cinemáticas independientes

Inicialmente utilizada en los simuladores de vuelo

La carga se reparte entre los eslabones

La rigidez de los eslabones asegura mayor precisión de posicionamiento

Bajo coste relativo y montaje preciso




Configuración paralela: ejemplos (I)

FANUC F100 POLYTEC Hexapod


Configuración paralela: ejemplos (II)

DEMAUREX Delta




El órgano terminal: la muñeca

Completa el número de grados de libertad requerido para orientar el elemento terminalSuele constar de 1 a 3 rotaciones


Los robots industriales trabajan generalmente con otros elementos de la cadena de producción:• Transportadores de piezas• Máquinas de producción• Dispositivos de fijación• Herramientas

El robot y el equipo asociado forman una célula de trabajoA veces se incluyen operarios humanos en la célula de trabajo para realizar determinadas operaciones que no se realizan de forma automática, como por ejemplo: inspección, empaquetado, etc.El diseño de la célula de trabajo es una cuestión importante junto con la propia programación del robot

Concepto de célula de trabajo robotizada




Ejemplo de célula robotizada


Elementos de la célula robotizada

Robot(s)

Herramientas

Piezas

Mecanismos para alimentar y retirar las piezas de la célula

Posicionadores de piezas

Controladores (de célula y robot)

Otro equipamiento de procesado

Operadores humanos




Consideraciones en el diseño de la célula de trabajo (I/II)

Cambios a otros equipos en la célula• A veces es necesario realizar modificaciones en los equipos para

que la célula trabaje de manera integrada• Se emplean accesorios especiales y dispositivos de control:

Dispositivos de retención de piezas, fines de carrera y otros mecanismos para posicionar y orientar las piezas a manipularCambios en las máquinas para incrementar la accesibilidad del robot, intercomunicación entre componentes de la célula

Posición y orientación de la pieza• Se debe diseñar la célula para que las piezas a manipular se

posicionen de forma precisa para la operación robotizada

Problema de identificación de la pieza• Cuando se procesa o manipula más de un tipo de pieza se debe

diseñar un método para identificar cada uno de ellos: Limitadores con fines de carrera o sistemas ópticos


Consideraciones en el diseño de la célula de trabajo (II/II)

Protección del robot de su entorno• En ciertas aplicaciones es necesario proteger al robot de

los efectos del entorno: pintura, viruta, polvo, elementos radiactivos, piezas calientes

Instalaciones auxiliares• Se debe considerar las instalaciones necesarias en la

estructura de la célula de trabajo: electricidad, aire comprimido, etc.

Control de la célula de trabajo• Las actividades del robot se deben coordinar con la de los

otros equipos de la célulaSeguridad• Se debe proteger a las personas que se mueven en el

entorno del robot• Es necesario diseñar sistemas de seguridad: barreras,

protecciones, etc.





Orientan las piezas y facilitan el accesoSe suelen usar como alimentadoresPueden tener varios ejes de movimientoSu movimiento se puede controlar de múltiples maneras, como por ejemplo, incluyendo ejes adicionales del robot mesa fija



noriacabezal / contrapunta brazo en L

inclinación y giro mesa indexadamesa giratoria drop center




Controladores

Controlador de dispositivo

• Interfaz entre el dispositivo y el supervisor de la celda

• Dispositivos: cinta transportadora, autómata, sistema de visión, etc.

Controlador del robot

• Comunicaciones típicamente vía módulos E/S discreta (lógica ON/OFF)

• El software propietario y los protocolos hardware dificultan el uso de equipamiento de otros fabricantes


Control de la célula de trabajo

La coordinación de las actividades que se realizan en la célula es un problema que hay que tratar en el diseño de la célula.

La mayoría de las actividades son secuenciales, aunque también algunas pueden ser simultáneas.

La coordinación de las actividades se efectúa mediante un dispositivo denominado controlador de la célula de trabajo.

Las funciones pueden ser realizadas por el propio controlador del robot o por un dispositivo de control de nivel superior (porejemplo, un autómata programable o un PC industrial).




Controlador de la célula robotizada

Controlador de la celda• Supervisa el estado de todos los dispositivos, por medio

de los controladores de dispositivos• Coordina las actividades de las celdas y se asegura de

que ocurran en el orden adecuadoLas funciones del controlador de célula son:• Control de secuencias de actividades• Comunicación con el operador• Toma decisiones basadas en las señales de entrada• Realiza los cálculos necesarios• Trata eventos especiales (herramientas rotas, p. ej.)• Realiza actividades irregulares: limpieza o cambio de

herramienta, por ejemplo• Supervisión de seguridad


Enclavamientos

Es un método para prevenir que la secuencia o ciclo de trabajo continúe a menos que cierta condición o conjunto de condiciones sean satisfechasSon esenciales en la mayoría de las células, ya que los elementos de la misma deben trabajar de forma coordinadaSe reciben señales de otros dispositivos de la célula que se comunican a otra partes de ellaSirven para:• Intercomunicar los elementos de la célula de trabajo• Proporcionar un mecanismo de sincronización y cadencia

de actividades• Evitar el inicio de actividades antes de que se den

determinadas condiciones• Ayudar a prevenir el riesgo




Enclavamientos

Se realizan, a menudo, mediante fines de carrera y otros dispositivos de corte simples.Otras veces son necesarios dispositivos sensores más sofisticados: dispositivos de seguimiento de cordones de soladura por arco, identificación de la posición y orientación de una pieza, etc.Los enclavamientos se dividen en dos categorías:• Enclavamientos de salida• Enclavamientos de entrada

Ejemplos:• Detectar que una pieza está en el lugar adecuado antes de

permitir que el robot se mueva para tomarla• Detectar que la garra sujeta realmente la pieza antes de

abandonar el área de recogida• Detectar que una mesa giratoria ha rotado una pieza ya

procesada fuera del camino del robot


Ciclo de trabajo típico de un robot

1. La cinta transportadora de entrada entrega una pieza a una posición fija.

2. El robot toma la pieza de la cinta y la carga en una máquina.

3. La máquina procesa la pieza.4. El robot extrae la pieza de la máquina y la sitúa en la

cinta transportadora de salida.5. La cinta transportadora

de salida entrega la pieza fuera de la célula.

6. El robot vuelve a la posición inicial cerca de la cinta transportadora de entrada.




Red de comunicaciones de la célula

estación de trabajo gráfica

controlador PC o autómata

Supervisor de la célula

sevidorde datos

otros dispositivos (p. ej. visión)

PC industrial

cinta transportadora sensoreslector de código

de barrasrobot

red de supervisión, control y monitorización


Buses de campo

Conjunto de redes de comunicación para uso industrialSustituye las conexiones punto a punto Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligenteObjetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para control distribuidoVentajas:• mejora del funcionamiento del sistema • ahorro en el coste de instalación• ahorro en el coste de mantenimiento• reducción en el cableado• necesidades de mantenimiento de la red sean menores• mayor flexibilidad al usuario en el diseño del sistema




Diseño de una célula robotizada

Elementos de diseño• Definición (o diseño) y selección de elementos de la célula

Elementos activos (robots, máquinas CN, etc.)Elementos pasivos (mesas, alimentadores, utillajes, etc.)

• Definición y selección de la arquitectura de control• Definición del lay-out en un proceso iterativo

Ayuda de sistemas CADUtilización de simuladores

Características a considerar del robot• Área de trabajo: Se ha de tener en cuenta orientaciones y

puntos singulares• Grados de libertad: Típicamente entre 3 (paletizado) y 6

(pintura, soldadura al arco) • Coste del robot: proporcional al número de GDL• Características mecánicas: resolución, repetibilidad,

precisión, velocidad, capacidad de carga, etc.


Simulación gráfica de células de trabajo

La simulación gráfica se puede emplear para diseñar la

célula de trabajo y para analizar los tiempos de ciclo

Ahorra un considerable tiempo de diseño, teniendo en

cuenta que:

• Del 60 al 80% del tiempo de realización de la célula se

emplea en cuestiones relacionadas con el diseño y con la

fabricación de la célula

• El restante 20 al 40% se dedica a la programación y

puesta a punto de la célula




Simulación gráfica de células de trabajo

La simulación es útil para:• Modelar los componentes de la célula: robots,

transportadores, etc.

• Modelar la célula de trabajo, ensamblando los componentes de la misma

• Definir los movimientos del robot

• Construir secuencias de movimiento

• Detectar colisiones entre el robot y los elementos de la célula de trabajo

• Analizar tiempos de ciclo


Simuladores de células robotizadas

Simulación empleando el simulador Cosimir




Usar robots evitan la presencia humana en tareas peligrosas

Algunas de las mejores aplicaciones de robots han sido desarrolladas por motivos de seguridad

Manipulación de objetos pesados

Seguridad


Seguridad

Evaluación de riesgo• Debe realizarse en cada etapa de desarrollo

• Debe documentarse convenientemente

Mantenimiento• Debería realizarse de modo periódico

• Debería incluir (aunque no restringirse a ello) las recomendaciones del fabricante da cada equipamiento: robot, cintas transportadoras, herramientas, alimentadores de piezas, sensores, etc.

Formación en seguridad• Operadores, programadores y personal de mantenimiento

deben recibir formación adecuada en seguridad




Aplicaciones industriales

Los robots industriales se encuentran en una variedad de empresas, incluyendo las industrias automovilísticas e industrias de manufactura.Sin ser exhaustivos, aquí mencionamos algunos de los trabajos realizados por robots industriales: • Manipulación de cargas, alimentación de máquinas

herramientas y cambio automático de herramientas• Mecanizados: troquelado de moldes, taladrado, soldado,

remachado, moldeado de piezas, forjado, desbarbado• Pintado y limpiado por chorro de piezas• Procesado de vidrio• Tratamientos de calor• Mediciones y control de calidad• Monitorizado de radiaciones• Clasificación de piezas, y un largo etc.


Características del robot por aplicaciones

PROCESADO• Sistema de programación

• 5-6 grados de libertad

• Campo de acción similar al humano

• Control de trayectoria continua

ENSAMBLADO • Elevada precisión y rapidez

• Campo de acción similar al humano

• Potencia del sistema de programación

• Sistema sensorial




Características del robot por aplicaciones

PINTURA• Programación por guiado• Campo de acción similar al humano• Estructura antropomórfica• 6 grados de libertad

PALETIZADO• Elevada capacidad de carga• Relación grande entre área de trabajo y tamaño del robot• Control PTP


Aplicación de un robot en procesado

Robot de corte con chorro de agua





Desbarbado de una pieza metálica



Mecanizado de una pieza de madera(vaciado)




Aplicación de un robot en ensamblado

Ensamblado y soldaduras combinados


Aplicación de un robot en paletizado

Paletizado de cajas mediante ventosas




Aplicación de un robot en control de calidad

Verificación de tarjetas electrónicas



Sellado de juntas en una carrocería de coche




Aplicación de un robot en manipulación

Manipulación y soldadura por puntos combinados


Aplicaciones industriales avanzadas

Muchas aplicaciones robotizadas en procesos industriales requieren el perfecto posicionamiento de las piezas a manipularA veces, es imposible conseguir que las piezas y el material a manipular ocupen siempre la misma posiciónOtras, ni siquiera es posible conocer la pieza o el volumen que tieneEn todos estos casos es necesario disponer de sensores para identificar las piezas a manipular y determinar su posición exactaSe utilizan:• Sensores de ultrasonidos o infrarrojos• Sensores magnéticos• Sistemas de visión artificial




Inteligencia artificial y robótica

La IA estudia la naturaleza de la inteligencia humana y cómo reproducirla (modelado de la inteligencia en el computador)La IA es una disciplina que provee técnicas de ingeniería para resolver problemas complejos de difícil solución por técnicas Algunos problemas de índole compleja pueden aparecer también en aplicaciones de robótica, en concreto:• La percepción del entorno es necesario para realizar la

tarea encomendada• La toma de decisiones depende de esa percepción• Pueden aparecer situaciones en las que son necesarias

modificar el comportamiento del sistema automáticoCampos de aplicación en robótica:• Sistemas autónomos• Robótica móvil


Precursores de los robots móviles autónomos: • Carretillas de transporte sobre vías• Vehículos autónomos guiados (AGVs)

Inicio de la robótica móvil• Años 70: banco de pruebas para estudiar técnicas de IA• Años 80/90: abaratamiento y desarrollo de los

computadores y sensores• La robótica incluye vehículos terrestres, marinos o aéreos

Intervienen técnicas de campos diversos:• Visión artificial• Interpretación e integración sensorial• Modelado del entorno• Control de sensores y actuadores• Planificación de trayectorias • Monitorización

Algunos conceptos de robótica móvil




No están limitados a caminos preestablecidosCapacidad de percepción:• Integración sensorial• Modelado del entorno e incorporación de la información

sensorial en el modelo precompilado del entorno, si existe• Representación explícita de la incertidumbre• Predicción y confirmación de las lecturas de los sensores

Razonamiento espacial:• Planificación y replanificación de trayectorias• Evitación de obstáculos (comportamiento reactivo )• Reconocimiento de marcas o lugares característicos

Control a varios niveles:• Seguimiento de trayectorias y posicionamiento• Control de los actuadores

Características de los robots móviles


Entornos impredecibles y dinámicamente cambiantes• No son adecuados los modelos estáticos precompilados

del entorno• Debe procesar y utilizar abundante información sensorial• Tienen una gran importancia los sensores de entorno

Autonomía • Limitada por la capacidad de la fuente de energía

Acumuladores: requieren frecuentes recargasCombustibles fósiles: sistemas ruidosos y poco limpios

Determinación de la posición• En robots de exteriores: GPS• En robots de interiores es una de las principales

dificultades• No existe una solución elegante adecuada para todos los

casos

Dificultades inherentes a los robots móviles




El problema de planificación

Es uno de los problemas más relevantes a resolver en robótica móvilEl robot debe resolver tres cuestiones para realizar su tarea:

• ¿Dónde estoy? ¿A dónde voy?• ¿Cómo puedo llegar hasta allí?

Soluciones a estas preguntas:• A la primera: navegación (posicionamiento)• A la segunda: planificación de tareas• A la tercera: planificación movimientos

Niveles de planificación:• Planificación de tareas • Planificación de movimientos (global)• Planificación de trayectorias (planificación local)• Generación y seguimiento de trayectorias, y comportamiento

reactivo


Transporte de materiales• Transporte de componentes en industrias• Pequeños paquetes en oficinas y hospitales• Vehículos de carga sin piloto

Labores de limpieza• Limpieza automática de grandes superficies• Operación en ambientes peligrosos

Vigilancia y prospección• Exploración marina y espacial• Acceso a lugares remotos o inaccesibles (tuberías, minas,

…)Ayuda • Robots guía (guía en grandes centros, guía turístico,…)• Ayuda a discapacitados (robot lazarillo, silla de ruedas

inteligente,…)Aplicaciones especiales (militares, antiterroristas, espaciales, …)

Campos de aplicación




Otras aplicaciones de la robótica

Aparte de las tareas que realizan los robots en procesos de fabricación y manufactura, los robots pueden realizar otros trabajos importantes.Entre estos, podemos mencionar:• Trabajos de inspección en entornos peligrosos• Trabajos de mantenimiento• Extinción de incendios• Trabajo intensivo en granjas• Extracción y transporte de mineral en minas• Exploración terrestre y marítima• Exploración espacial• Operaciones quirúrgicas• Militares


Aplicación avanzada en entornos peligrosos

Robot Pioneer en trabajos de inspección en Chernobil




Aplicación avanzada en exploración terrestre

Robot Dante II bajando el cráter del monte Spurr en Alaska


Aplicación avanzada en exploración marítima

Robot submarino teleoperado Phantom para investigaciones en pecios




Aplicación avanzada en agricultura

Cosechadora con guiado autónomo


Aplicación avanzadas en exploración terrestre

Robot explorador Nomad




Robots sociales

Es un campo de desarrollo crecienteUn robot social está destinado al desarrollo de aplicaciones en las que es necesario la interacción del robot con el humanoEl robot suele configurarse como un humanoide con rasgos faciales que asemejan a los de un humano¿Realidad o ciencia ficción?


Aplicaciones industriales de la robótica

BIBLIOGRAFÍAPara profundizar:

Fundamentos de RobóticaA. Barrientos, L.F. Peñín, C. Balaguer, R. Aracil Ed. McGraw-Hill, 1997ROBÓTICA: Control, Detección, Visión, e Inteligencia Fu, González, LeeEd. McGraw-HillInteligencia artificial. Un enfoque modernoS. Russell y P. NorvigEd. Prentice-Hall, 1996

aplicaciones industriales de la robotica

Engineering