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8/17/2019 Articulo Manipuladores Roboticos

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Los manipuladores robóticos son dispositivos que han ga-nado aceptación en el medio industrial gracias a su capa-cidad de llevar a cabo un número variado de tareas conrapidez y precisión, además de que pueden adaptarse adiversas situaciones con sólo modificar el programa que

comanda los movimientos de la máquina. El incrementode su uso también obedece a que permiten reducir costos,mejorar la calidad del producto, aumentar la producción,reducir desperdicios, mejorar la seguridad del puesto detrabajo y ahorrar espacio¹.

El uso de estos equipos ha pasado de ser un lujo a ser unaherramienta más con la que cuenta el aparato producti-vo, y el conocimiento de cómo funcionan y sus caracte-rísticas, es la clave fundamental para obtener el mayorbeneficio al momento de adquirirlas.

Foto: www.kemptner.com

Manipuladores Robóticos,una Mano para la IndustriaJulio C. Correa, Ph.D.*

Rafael E. Vásquez, Ph.D.*

Juan A. Ramírez-Macías, M.Sc.*

Elkin A, Taborda, M.Sc.*

En elconocimientoestá laproductividad.

Los brazos robóticos pueden usarse encualquier industria, ya

que su funcionamientolos hace flexibles yadaptables a diferenteslabores productivas;todo depende de

su configuraciónestructural y la correcta

programación de las

órdenes requeridas.


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La versatilidad de los brazos robóticos está relacionadacon el número de ejes que poseen y con su distribución.Pero a diferencia de otras máquinas, no es intuitivo pre-decir el desplazamiento final del brazo a partir del mo-vimiento de sus ejes. Situaciones como esta pueden re-forzar la percepción de que es una tecnología complejafuera del alcance de una industria en Colombia, cuandoen realidad es muy cercana.

En la medida en que haya un conocimiento básico de loscomponentes de un manipulador, la forma como se rela-cionan y las posibilidades que existen para programarlos,se encontrará que hay gran cantidad de acciones facti-bles de desarrollar por estos aparatos.

En todo manipulador se pueden distinguir cuatro com-ponentes: mecánico, hardware, control y software.Es la suma de ellos lo que hace que los manipuladoressean versátiles, inteligentes, robustos y de excelenterepetibilidad.

Lo Complejo: Suma de Cosas Simples

A pesar de parecer complicados, mecánicamente los ma-nipuladores se arman y obtienen toda su flexibilidad apartir de un principio simple: conectar varias barras a tra-vés de articulaciones, que normalmente son rotacionales(R) o traslacionales (P)². El conectar varias barras entre sírecibe el nombre de cadena cinemática. Un robot indus-trial que se construye conectando barras una tras otra(en serie) se llama manipulador serial y está conformadopor una cadena cinemática abierta. Esta última es la con-figuración más conocida –porque hay una oferta comer-cial mayor–, y tiene dos variedades: los brazos robóticos

(Figura 1) y las mesas cartesianas (Figura 2).

Por otra parte, un robot que se construya formando cir-cuitos cerrados se llama manipulador paralelo y está con-formado por una cadena cinemática cerrada (Figura 3). Estas características son claves porque la configuraciónestá vinculada a la aplicación, espacio de trabajo, magni-tud de cargas que puede soportar y al tipo de dificulta-des a la hora de analizar su movimiento.

Los brazos robóticos son los más comunes debido a ladiversidad de aplicaciones que tienen en la industria Tie-nen espacios de trabajo relativamente grandes y sopor-tan cargas³ pequeñas –desde 3kg hasta 1300kg– compa-

radas con su tamaño y peso, que puede ser de entre 20y 4700kg.

Respecto a las mesas cartesianas, estas son una soluciónútil en máquinas de control numérico computarizado(CNC) como: fresas, ruteadoras, corte láser, corte plasma,entre otras. Esta configuración es muy acertada cuandoel movimiento es predominantemente bidimensional(horizontal o vertical).

Los manipuladores paralelos son menos conocidos perono menos útiles. El tipo más común son los robots delta,

MOTOR 3

MOTORES 4, 5 Y 6

MOTOR 2

EJE ARTICULACIÓN 1

MOTOR 1

BARRA 1

BASE FIJA

EJE ARTICULACIÓN 2

BARRA 2

BARRA 3

BARRA 4

BARRA 5

BARRA 6

EJE ARTICULACIÓN 3

PUNTO DE UBICACIÓNDEL DETECTOR FINAL

DIRECCIÓN DE

MOVIMIENTO Y

DIRECCIÓN DE

MOVIMIENTO Z

DIRECCIÓN DE

MOVIMIENTO X

MOTOR EJE Z

MOTOR EJE YMOTOR EJE X

MOTORESPLATAFORMA FIJA

BARRAS

PLATAFORMA MÓVILEFECTOR FINAL

Robot serial de seis grados de libertad KUKA KR-6

Figura 2. Esquema de mesa cartesiana

Figura 3. Esquema de robot paralelo para operaciones de pick and place

Figura 1.


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ampliamente utilizados en aplicacio-nes de posicionamiento rápido de ob-

jetos (pick and place), muy útiles en laindustria alimenticia. Se caracterizanprincipalmente por sus altas velocida-des y áreas de trabajo más reducidasque las de los robots seriales. La ca-pacidad de carga típica de estos ma-nipuladores es de 3kg, pero puedenencontrarse modelos que cargan los8kg. El peso típico de todo el aparatoestá alrededor de los 130kg.

Los robots industriales pueden

realizar manipulación de materiales,

aplicación de pegantes, procesos

de soldadura, corte, pintura,

ensamble, fundición, inspección,

control de calidad, pulido de partes,

alimentación de piezas a unamáquina, empaque de productos,

entre otras.

Como ejemplo puede observarse la(tabla 1), en la cual son comparadosdos modelos particulares de un mismofabricante. Ambos robots tienen lamisma capacidad de carga, pero tie-nen pesos, zonas de trabajo y gradosde libertad diferentes.

Lograr lo Requerido

El objetivo de todo manipuladorconsiste en generar trayectorias yposicionar de forma adecuada unaherramienta, que técnicamente reci-be el nombre de efector final. Estaherramienta puede ser un gripper(garra), un electrodo de soldadura,una boquilla de corte, una pistolade pintura, entre otros. La variedadde elementos a manipular justifica el

amplio rango de capacidades de car-ga; un robot puede llevar una pistolade pintura y otro tendrá que levantarel chasis completo de un automóvil.

El éxito de un manipulador está en

que el efector final realice los movi-mientos que se le ordenan. Cuandoestos movimientos son relativamen-te simples no hay problema, perola mayoría de las aplicaciones que

justifican la adquisición de un robotrequieren de trayectorias comple-

jas, y una vez se falla en lograr lastrayectorias deseadas, se pierde lainversión. La frontera entre perder yganar está en el conocimiento.

Un robot tiene varios actuadores,que pueden ser motores (eléctricos,

por lo general) o actuadores linea-les (conjuntos camisa-émbolo). Cadauno de los actuadores aporta un gra-do de libertad, es decir, un robot deseis grados de libertad es un robotcon seis actuadores o con seis ejes.

La importancia de esto radica en queentre más actuadores se tengan másflexible y compleja es la máquina.Por ejemplo, un robot de tres gradosde libertad (o tres ejes) podría ge-nerar trayectorias en un espacio detrabajo 3D; pero uno de seis, además

de esto, podría poner la herramien-ta en el ángulo que se desee y, si seañade un séptimo eje, sería posiblehacer que la pieza de trabajo roteindependientemente.

Por ello, a la hora de escoger un ro-bot, la cantidad de ejes depende dequé tan complejo es el movimientorequerido por la producción de laempresa, y es fundamental que cada

uno de los actuadores se mueva conexactitud para que el efector final sedesplace correctamente.

También debe verificarse que el siste-

ma tenga la capacidad de aprenderel tipo de tareas que el usuario espe-ra ejecutar; la cantidad de puertos deentrada y salida de señales extra dispo-nibles, en el caso de implementacionesfuturas, como por ejemplo un séptimoeje; y el tipo de alimentación (voltaje ycorriente) necesaria en el sitio de ins-talación, ya que el robot normalmenteno incluye el regulador de voltaje.

Si el movimiento solo busca posicio-nar la herramienta sin importar losángulos, tres grados de libertad son

suficientes. En caso que sea requeri-do que la herramienta tenga ángulosespecíficos, seis grados de libertad entotal es el estándar. Pero si el despla-zamiento es más complicado, es ne-cesario agregar más. La tabla 2 pre-senta algunas aplicaciones de robotssegún sus grados de libertad.

Para conocer cómo se relaciona el mo-vimiento de los actuadores con el mo-vimiento del efector final, existen dosconceptos fundamentales³: el primeroes el ‘análisis directo’, que permite co-

nocer el movimiento de la herramien-ta a partir del movimiento dado encada uno de los ejes; y el segundo esel ‘análisis inverso’, el cual determinacuál es el movimiento requerido encada eje para que el efector final rea-lice el movimiento deseado. La solu-ción correcta de este último es la clavepara que cada actuador aporte en lamedida justa al movimiento exitosode la herramienta.

Tabla1. Comparativo entre modelos del mismo fabricante4

Robot Serial Robot Paralelo Delta

Capacidad de carga (kg) 8 8

Número de ejes 6 4

Peso del robot (kg) 273 120

Voltaje 200 - 600 200 - 600

Espacio de trabajo Un volumen casi esférico de 3.6m

(metros) de diámetro

Un cilindro de 1.13m de diámetro

por 0.35m

Tabla 2. Aplicaci ones de los brazosrobóticos

Grados delibertad

Aplicaciones típicas

3 Centros CNC, manipulación de

elementos

4 Paletizado, manipulación,

empacado

5 Paletizado, manipulación,

ensamble, soldadura

6

Manipulación, ensamble,

pintura, cortes complejos,

soldaduras complejas


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Los robots son máquinas mecatrónicas, es decir, son unacombinación de piezas mecánicas y componentes eléctri-cos y electrónicos. Estos últimos brindan la infraestructu-ra para que el robot sea inteligente, pueda “aprender” yrealizar nuevas tareas de forma rápida, segura y haga elmonitoreo de su funcionamiento.

El Papel de la Electrónica

Los principales componentes electrónicos típicos en unrobot industrial son:

• Unidad central de procesamiento (CPU): puede ser un mi-croprocesador o micro controlador, que trata de ser el ce-rebro del sistema y está a cargo de los cálculos relacionados

con el movimiento (cinemática) y el control que aseguranque las posiciones, velocidades y aceleraciones de cada mo-tor sean correctas.

• Memoria: se encarga de almacenar los programas que eje-cuta el procesador y los datos que se pueden obtener du-rante el proceso.

• Controladores de los motores (drivers): son los traductoresentre el procesador y los motores. Cada motor tiene undriver que recibe las instrucciones enviadas por el proce-sador; luego el driver manipula la corriente y voltaje para

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Un gabinete de control de un brazo robótico consta demandos manuales, filtros, fuentes de potencia, drivers yun controlador maestro.


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que el motor ejecute el movimientoadecuado.

• Sensores: son los sentidos que le in-dican al sistema de control si todoestá en orden, si cada motor se en-

cuentra en la posición esperada,e incluso a qué velocidad opera.En los robots se utilizan principal-mente sensores de desplazamien-to (encoders, sensores de efectoHall, etc), de límite de carrera paraevitar exceder ciertas posiciones,además de otros de acuerdo a lastareas y riesgos del sistema en si-tuaciones determinadas.

• Consola de comandos: es la inter-faz hombre-máquina y puede reco-nocerse como un panel de controlo un control remoto. Permite que

el usuario le indique al robot cómooperar y le enseñe tareas por me-dio de programas nuevos.

• Componentes electrónicos de se-guridad: son elementos que buscanproteger a los operarios y a los ro-bots mismos. Esto incluye los siste-mas de parada de emergencia, derespaldo de energía (UPS) en casode cortes del suministro eléctrico,y sensores que indican la presenciade personas o elementos extrañosen el área de trabajo, entre otros.

Vale aclarar que lo descrito anterior-mente se refiere a elementos básicospara que el robot funcione por símismo. Dependiendo de la aplica-ción pueden adicionarse elementosy sensores en el área de trabajo, elrobot o la herramienta. Un ejemploson los sensores de choque que utili-zados en aplicaciones de soldadura,los cuales son ubicados entre la he-rramienta de soldadura y el brazorobótico. En caso de que se presenteuna presión o deformación que ex-ceda los parámetros del sensor, este

hará detener el robot.

El mantenimiento de los

manipuladores robóticos es sencillo,

dado que los sistemas que controlan

el funcionamiento de las máquinas

alertan al operario cuando la

máquina ya está próxima a requerir

mantenimiento o cambio de piezas

por desgaste u horas trabajadas.

Manejar el Robot conPrecisión

El sistema de control para unrobot industrial coordina todos loscomponentes mecánicos y electrónicos,garantizando que el robot realice

sus labores (posiciones, velocidades yaceleraciones de la herramienta) demanera eficiente.

Dicho sistema tiene varios niveles,y en cada se ejecutan tareasespecíficas con diferentes grados deresponsabilidad. Una estructura decontrol general tiene tres niveles de

jerarquía: alto nivel, medio nivel ybajo nivel (Figura 4).

Cuadro 1. 2011: El año más exitoso para los robo ts indu striales desde 1961

En 2011, las ventas de robots volvieron a aumentar en un 38% a 166.028 unidades; cifra jamás regis-

trada durante un año. La tendencia hacia la automatización - interrumpida por la crisis de 2009 - reinició

en 2010 y continuó en 2011. La industria del automóvil y la industria del metal fueron los principales im-pulsores de la fuerte recuperación. Los países más importantes del crecimiento fueron China, Estados

Unidos y Alemania con tasas de crecimiento entre 39% y 51%. Sin embargo, todavía podría no llegar a

los niveles de los dos mercados más grandes, que sólo aumentaron abajo del promedio. Japón está de

vuelta en la parte superior seguido por la República de Corea.

Varias regiones experimentaron diferentes situaciones en las ventas de robots en 2011. El continente

americano tuvo una tasa de crecimiento del 53% a cerca de 26.200 unidades, el nivel más alto jamás

registrado. En los Estados Unidos se incrementaron los envíos de robots en un 43% a un nuevo nivel

máximo de 20.555 unidades en 2011, en comparación con 2010. La necesaria modernización de la

producción facilitó en los Estados Unidos dicho impulso. En Canadá, los envíos aumentaron en un 72%

a 1.848 unidades, pero no alcanzó el nivel máximo de 2007 (3.026 unidades).

Los envíos de robot a México aumentaron más del doble a un record de 1.938 unidades.

En cuanto a Brasil las ventas llegaron a 1.440 unidades en 2011, un 125% más que en 2010. Además,

en Argentina aumentó considerablemente el comercio a 407 unidades, frente a 96 en 2010.

Cerca de 43.800 robots industriales se venden en Europa, un 43% más que en 2010, nueva cifra

record. Esto volvió a ser el resultado de importantes inversiones de la industria automotriz, con un

aumento del 66% respecto a 2010. Todas las demás industrias sólo crecieron un 16%.

En 2011, 19.533 nuevos robots industriales fueron suministrados a Alemania – el mayor robot mercado

en Europa – 39% más que en 2010. Tras la fuerte recuperación en 2010, este es el número más alto ja-

más registrado en un año, y equivale al 45% del total suministrado a Europa. La industria del automóvil

fue una vez más - como en 2010 – el principal motor del fuerte crecimiento. También los proveedores

de partes automotrices, ordenaron muchos más robots que en 2010.

En 2011, las ventas totales de los robots industriales se incrementaron un 13% hasta 5091 unidades en

Italia después de una recuperación sustancial en 2010. La industria de la automoción, la alimentación,

las bebidas y la del metal y la maquinaria, aumentaron órdenes respecto al anterior. En 2011, 3.058

robots industriales se vendieron en Francia, 49% más que en 2010.

Para los países de Europa Central y del Este, las ventas aumentaron de nuevo en un 89%; en el Reino

Unido crecieron un 72% en comparación con 2010 a 1514 unidades.

Para leer el informe completo remitirse a la página www.worldrobotics.org seleccionar ‘Descargas’ y

descargar el PDF Resumen Ejecutivo (documento del cual fue tomada la información).

Altonivel

Medio

nivel

Bajo

nivel

Tareas

Posición

Velocidad

Generación de

trayectorias

Sensores

Control Robot

Planeación de

tareas

Figura 4. Esquema de control para un robotindustrial


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En el alto nivel se planean las tareas que debe realizarel robot, según su aplicación. Por ejemplo en un procesode soldadura automatizada, se planea el tipo de cordónque se va a realizar y se ajustan los parámetros de di-cho proceso como velocidad de avance, punto de inicioy parada, distancia entre el electrodo y las piezas. Esnecesario el conocimiento de las capacidades del robotcomo grados de libertad, capacidad de carga, velocida-des máximas, precisión, repetibilidad, entre otras.

En el medio nivel se realiza la traducción de las tareas delalto nivel, a una serie de trayectorias deseadas en cadaeje² (X, Y, Z) que deben ser seguidas por el robot, y éstassu vez son traducidas a los movimientos requeridos decada uno de los ejes, con el uso de la cinemática inversa.

En el bajo nivel se realizan las labores de control parahacer que la velocidad y posición de los ejes de cada ar-ticulación correspondan a los valores deseados que fue-ron obtenidos en el medio nivel. Es posible encontrar

en la literatura cómo se han desarrollado diversidad dealgoritmos que permiten realizar el control retroalimen-tado de cada articulación (y de todo el robot), de talforma que se garantice el cumplimiento de las tareasplaneadas para la herramienta del robot.

Actualmente, en Colombia ciertas universidades tienenel conocimiento teórico y práctico para guiar al indus-trial en el proceso de implementación y utilización delos robots, con el objetivo de fomentar su uso y rompercon la idea de que son máquinas con tecnologías inal-canzables. El conocimiento es la herramienta primordialpara manipular y tener la rentabilidad deseada con losmanipuladores robóticos.

Autores

• Elkin Taborda ([email protected]), Rafael Vásquez ([email protected] ), Juan Alberto Ramirez. ([email protected]) y Julio Correa ([email protected]).

• *Grupo de Automática y Diseño A+D, Escuela de Ingenierías de laUniversidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia.

Corrector de estilo

• Carlos Elías Sepúlveda Lozano. [email protected].

Bibliografía

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2. L.W. Tsai. 1999. Robot Analysis: The Mechanics of Serial and ParallelManipulators, Wiley-Interscience, New York.

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