Robot industrial

Los robots articulados ^{[ 5 ]} son ​​los robots industriales más comunes. ^{[ 6 ]} Se parecen a un brazo humano , por lo que también se les llama brazo robótico o brazo manipulador . ^{[ 7 ]} Sus articulaciones con varios grados de libertad permiten a los brazos articulados una amplia gama de movimientos.

Un robot autónomo es un robot que actúa sin necesidad de control humano. Los primeros robots autónomos, conocidos como Elmer y Elsie , fueron construidos a finales de la década de 1940 por W. Grey Walter . Fueron los primeros robots programados para "pensar" como lo hacen los cerebros biológicos, con la intención de que tuvieran libre albedrío . ^{[ 8 ]} A Elmer y Elsie se les solía llamar tortugas debido a su forma y a su manera de moverse. Eran capaces de fototaxis, que es el movimiento que se produce en respuesta a un estímulo luminoso. ^{[ 9 ]}

Los robots cartesianos, ^{[ 5 ]} también llamados rectilíneos, robots pórtico y robots xyz ^{[ 6 ]} tienen tres articulaciones prismáticas para el movimiento de la herramienta y tres articulaciones rotatorias para su orientación en el espacio.

Para poder mover y orientar el órgano efector en todas las direcciones, un robot de este tipo necesita 6 ejes (o grados de libertad). En un entorno bidimensional, tres ejes son suficientes: dos para el desplazamiento y uno para la orientación. ^{[ 10 ]}

Los robots de coordenadas cilíndricas ^{[ 5 ]} se caracterizan por su articulación rotatoria en la base y al menos una articulación prismática que conecta sus eslabones. ^{[ 6 ]} Pueden moverse vertical y horizontalmente mediante deslizamiento. El diseño compacto del efector permite al robot alcanzar espacios de trabajo reducidos sin pérdida de velocidad. ^{[ 6 ]}

Los robots de coordenadas esféricas solo tienen articulaciones rotatorias. ^{[ 5 ]} Son uno de los primeros robots que se utilizaron en aplicaciones industriales. ^{[ 6 ]} Se utilizan comúnmente para la manipulación de máquinas en fundición a presión, inyección y extrusión de plásticos y soldadura. ^{[ 6 ]}

SCARA ^{[ 5 ]} es un acrónimo de Selective Compliance Assembly Robot Arm (Brazo Robótico de Ensamblaje de Cumplimiento Selectivo). ^{[ 11 ]} Los robots SCARA se caracterizan por sus dos articulaciones paralelas que proporcionan movimiento en el plano xy . ^{[ 5 ]} Los ejes giratorios se colocan verticalmente en el efector. Los robots SCARA se utilizan para trabajos que requieren movimientos laterales precisos. Son ideales para aplicaciones de ensamblaje. ^{[ 6 ]}

Los robots delta ^{[ 5 ]} también se conocen como robots de eslabones paralelos ^{[ 6 ]} . Consisten en eslabones paralelos conectados a una base común. Los robots delta son particularmente útiles para tareas de control directo y operaciones de alta maniobrabilidad (como tareas rápidas de recogida y colocación). Los robots delta utilizan sistemas de eslabones de cuatro barras o paralelogramos.

Además, los robots industriales pueden tener una arquitectura en serie o en paralelo.

Los robots industriales con arquitectura serial, también conocidos como manipuladores seriales, son muy comunes. Están diseñados como una serie de eslabones conectados por articulaciones motorizadas que se extienden desde una base hasta un efector final. Los manipuladores SCARA y Stanford son ejemplos típicos de esta categoría.

Un manipulador paralelo se diseña de manera que cada cadena suele ser corta y simple, lo que le permite ser rígido frente a movimientos no deseados, a diferencia de un manipulador serial . Los errores en el posicionamiento de una cadena se promedian con los de las demás, en lugar de acumularse. Cada actuador debe moverse dentro de su propio grado de libertad , como en un robot serial; sin embargo, en el robot paralelo, la flexibilidad fuera del eje de una articulación también está limitada por el efecto de las otras cadenas. Es esta rigidez de bucle cerrado la que confiere al manipulador paralelo su rigidez global en relación con sus componentes, a diferencia de la cadena serial, que se vuelve progresivamente menos rígida a medida que aumenta el número de componentes.

• Número de ejes : se requieren dos ejes para alcanzar cualquier punto en un plano; se requieren tres ejes para alcanzar cualquier punto en el espacio. Para controlar completamente la orientación del extremo del brazo (es decir, la muñeca ), se requieren tres ejes adicionales ( guiñada, cabeceo y balanceo ). Algunos diseños (por ejemplo, el robot SCARA) sacrifican ciertas limitaciones en las posibilidades de movimiento a cambio de un mayor costo, velocidad y precisión.
• Grados de libertad : esto suele ser lo mismo que el número de ejes.
• Área de trabajo : la región del espacio que un robot puede alcanzar.
• Cinemática : la disposición real de los elementos rígidos y las articulaciones del robot, que determina sus posibles movimientos. Las clases de cinemática robótica incluyen la articulada, la cartesiana, la paralela y la SCARA.
• Capacidad de carga o peso útil : cuánto peso puede levantar un robot.
• Velocidad : la rapidez con la que el robot puede posicionar el extremo de su brazo. Esta puede definirse en términos de la velocidad angular o lineal de cada eje, o como una velocidad compuesta, es decir, la velocidad del extremo del brazo cuando todos los ejes están en movimiento.
• Aceleración : la rapidez con la que un eje puede acelerar. Dado que este es un factor limitante, es posible que un robot no pueda alcanzar su velocidad máxima especificada para movimientos de corta distancia o trayectorias complejas que requieran cambios frecuentes de dirección.
• Precisión : indica la precisión con la que un robot puede alcanzar una posición determinada. El error al medir la posición absoluta del robot y compararla con la posición deseada es una medida de la precisión. Esta precisión puede mejorarse mediante sensores externos, como un sistema de visión o infrarrojos. Véase calibración del robot . La precisión puede variar según la velocidad y la posición dentro del área de trabajo, así como con la carga útil (véase cumplimiento).
• Repetibilidad : indica qué tan bien el robot regresa a una posición programada. Esto no es lo mismo que precisión. Puede ocurrir que, al ordenarle que se dirija a una posición XYZ específica, solo llegue a menos de 1  mm de dicha posición. Esta sería su precisión, la cual puede mejorarse mediante la calibración. Sin embargo, si esa posición se memoriza en el controlador y, cada vez que se envía a ella, el robot regresa a menos de 0,1 mm de la posición memorizada, entonces la repetibilidad será de 0,1 mm.

La exactitud y la repetibilidad son medidas diferentes. La repetibilidad suele ser el criterio más importante para un robot y es similar al concepto de «precisión» en la medición (véase exactitud y precisión) . La norma ISO 9283 ^{[ 20 ]} establece un método para medir tanto la exactitud como la repetibilidad. Normalmente, se envía un robot a una posición programada varias veces y se mide el error en cada retorno a dicha posición tras haber pasado por otras cuatro. La repetibilidad se cuantifica mediante la desviación estándar de esas muestras en las tres dimensiones. Un robot típico puede, por supuesto, cometer un error de posición superior a este, lo que podría suponer un problema para el proceso. Además, la repetibilidad varía en diferentes partes del área de trabajo y también cambia con la velocidad y la carga útil. La norma ISO 9283 especifica que la exactitud y la repetibilidad deben medirse a la velocidad máxima y a la carga útil máxima. Sin embargo, esto da lugar a valores pesimistas, mientras que el robot podría ser mucho más exacto y repetible con cargas y velocidades ligeras. La repetibilidad en un proceso industrial también depende de la precisión del efector final, por ejemplo, una pinza, e incluso del diseño de los "dedos" que adaptan la pinza al objeto que se sujeta. Por ejemplo, si un robot agarra un tornillo por la cabeza, este podría quedar en un ángulo aleatorio. Un intento posterior de insertarlo en un orificio podría fallar fácilmente. Estos y otros escenarios similares pueden mejorarse con "entradas de entrada", por ejemplo, haciendo que la entrada al orificio sea cónica.

• Control de movimiento : para algunas aplicaciones, como el ensamblaje simple de recogida y colocación, el robot solo necesita regresar repetidamente a un número limitado de posiciones preprogramadas. Para aplicaciones más sofisticadas, como la soldadura y el acabado ( pintura con aerosol ), el movimiento debe controlarse continuamente para seguir una trayectoria en el espacio, con orientación y velocidad controladas.
• Fuente de alimentación : algunos robots utilizan motores eléctricos , otros, actuadores hidráulicos . Los primeros son más rápidos, los segundos son más robustos y ventajosos en aplicaciones como la pintura en aerosol, donde una chispa podría provocar una explosión ; sin embargo, la baja presión de aire interna del brazo puede evitar la entrada de vapores inflamables y otros contaminantes. Actualmente, es muy improbable encontrar robots hidráulicos en el mercado. Los sellos adicionales, los motores eléctricos sin escobillas y la protección contra chispas han facilitado la construcción de unidades capaces de operar en entornos con atmósferas explosivas.
• Accionamiento : algunos robots conectan los motores eléctricos a las articulaciones mediante engranajes ; otros conectan el motor a la articulación directamente ( accionamiento directo ). El uso de engranajes produce un juego libre medible en un eje. Los brazos robóticos más pequeños suelen emplear motores de CC de alta velocidad y bajo par, que generalmente requieren relaciones de transmisión elevadas; esto tiene la desventaja del juego libre. En estos casos, se suele utilizar el accionamiento armónico .
• Conformidad : esta es una medida de la cantidad de ángulo o distancia que se desplaza el eje de un robot al aplicarle una fuerza. Debido a la conformidad, cuando un robot se desplaza a una posición con su carga máxima, estará ligeramente por debajo de la posición en la que se encuentra sin carga. La conformidad también puede provocar un sobreimpulso al transportar cargas elevadas, en cuyo caso sería necesario reducir la aceleración.

La configuración o programación de movimientos y secuencias para un robot industrial se suele realizar conectando el controlador del robot a un ordenador portátil , un ordenador de sobremesa o una red (interna o de Internet) .

Un robot y un conjunto de máquinas o periféricos se denominan celda de trabajo o simplemente celda. Una celda típica puede contener un alimentador de piezas, una máquina de moldeo y un robot. Las distintas máquinas están integradas y controladas por un único ordenador o controlador lógico programable . La forma en que el robot interactúa con las demás máquinas de la celda debe programarse, tanto en lo que respecta a su posición dentro de la celda como a su sincronización con ellas.

Software: El ordenador viene con el software de interfaz correspondiente instalado . El uso del ordenador simplifica enormemente el proceso de programación. El software especializado para robots se ejecuta en el controlador del robot, en el ordenador o en ambos, según el diseño del sistema.

Hay dos elementos básicos que deben programarse: datos de posición y procedimiento. Por ejemplo, para mover un tornillo desde un alimentador hasta un orificio, primero se deben programar las posiciones del alimentador y del orificio. En segundo lugar, se debe programar el procedimiento para llevar el tornillo desde el alimentador hasta el orificio, junto con cualquier entrada/salida involucrada, como una señal que indique cuándo el tornillo está en el alimentador listo para ser recogido. El propósito del software del robot es facilitar ambas tareas de programación.

Enseñar posiciones al robot se puede lograr de varias maneras:

Comandos de posición El robot puede dirigirse a la posición requerida mediante una interfaz gráfica de usuario o comandos basados ​​en texto en los que se puede especificar y editar la posición xyz requerida.

Panel de programación: Las posiciones del robot se pueden programar mediante un panel de programación. Se trata de una unidad de control y programación portátil. Las características comunes de estas unidades incluyen la capacidad de enviar manualmente el robot a la posición deseada, o realizar ajustes de posición mediante movimientos cortos o progresivos. También permiten cambiar la velocidad, ya que generalmente se requiere una velocidad baja para un posicionamiento preciso o durante la prueba de una rutina nueva o modificada. Suele incluirse además un botón de parada de emergencia de gran tamaño . Normalmente, una vez programado el robot, el panel de programación deja de ser necesario. Todos los paneles de programación están equipados con un interruptor de seguridad de 3 posiciones . En el modo manual, permite que el robot se mueva solo cuando está en la posición central (parcialmente presionado). Si se presiona completamente o se suelta por completo, el robot se detiene. Este principio de funcionamiento permite utilizar los reflejos naturales para aumentar la seguridad.

Control manual: esta técnica la ofrecen muchos fabricantes de robots. En este método, un usuario sujeta el manipulador del robot mientras otro introduce un comando que lo desactiva, dejándolo inmóvil. A continuación, el usuario mueve el robot manualmente hasta las posiciones o la trayectoria requeridas, mientras el software registra estas posiciones en la memoria. Posteriormente, el programa puede hacer que el robot se desplace a estas posiciones o siga la trayectoria programada. Esta técnica es popular para tareas como la pulverización de pintura .

La programación offline consiste en mapear gráficamente toda la celda, el robot y todas las máquinas o instrumentos del espacio de trabajo. A continuación, se puede mover el robot en pantalla y simular el proceso. Un simulador de robótica se utiliza para crear aplicaciones integradas para un robot, sin depender del funcionamiento físico del brazo robótico y el efector final. Las ventajas de la simulación de robótica radican en que ahorra tiempo en el diseño de aplicaciones robóticas. También puede aumentar el nivel de seguridad asociado a los equipos robóticos, ya que se pueden probar diversos escenarios hipotéticos antes de la activación del sistema.[8] El software de simulación de robots proporciona una plataforma para enseñar, probar, ejecutar y depurar programas escritos en diversos lenguajes de programación.

Las herramientas de simulación robótica permiten escribir y depurar programas de robótica de forma sencilla y sin conexión, probando la versión final en un robot real. La posibilidad de previsualizar el comportamiento de un sistema robótico en un entorno virtual permite probar diversos mecanismos, dispositivos, configuraciones y controladores antes de aplicarlos a un sistema real. Los simuladores robóticos pueden calcular en tiempo real el movimiento simulado de un robot industrial mediante modelado geométrico y cinemático.

Las herramientas de programación de robots independientes del fabricante representan una forma relativamente nueva, pero flexible, de programar aplicaciones robóticas. Mediante un lenguaje de programación visual , la programación se realiza arrastrando y soltando plantillas o bloques de construcción predefinidos. Suelen incluir la ejecución de simulaciones para evaluar la viabilidad y la programación offline de forma combinada. Si el sistema es capaz de compilar y cargar código nativo del robot en el controlador, el usuario ya no necesita aprender el lenguaje propietario de cada fabricante . Por lo tanto, este enfoque puede ser un paso importante para estandarizar los métodos de programación.

Además , los operarios de máquinas suelen utilizar dispositivos de interfaz de usuario , normalmente pantallas táctiles , que funcionan como panel de control. El operario puede cambiar de programa, realizar ajustes dentro de un programa y controlar una gran variedad de periféricos integrados en el mismo sistema robótico. Estos incluyen efectores finales , alimentadores que suministran componentes al robot, cintas transportadoras , controles de parada de emergencia, sistemas de visión artificial, sistemas de enclavamiento de seguridad , impresoras de códigos de barras y un sinfín de otros dispositivos industriales a los que se accede y controla mediante el panel de control.

El panel de programación o la computadora generalmente se desconectan después de la programación, y el robot ejecuta el programa instalado en su controlador . Sin embargo, a menudo se utiliza una computadora para supervisar el robot y sus periféricos, o para proporcionar almacenamiento adicional que permita acceder a numerosas rutas y rutinas complejas.

El periférico más esencial del robot es el efector final , o herramienta de extremo de brazo (EOAT). Algunos ejemplos comunes de efectores finales incluyen dispositivos de soldadura (como pistolas de soldadura MIG, soldadoras por puntos, etc.), pistolas pulverizadoras y también dispositivos de rectificado y desbarbado (como amoladoras neumáticas de disco o banda, rebabas, etc.), y pinzas (dispositivos que pueden sujetar un objeto, generalmente electromecánicos o neumáticos ). Otros métodos comunes para recoger objetos son el vacío o los imanes . Los efectores finales suelen ser muy complejos, diseñados para adaptarse al producto que se manipula y, a menudo, capaces de recoger varios productos a la vez. Pueden utilizar diversos sensores para ayudar al sistema robótico a localizar, manipular y posicionar los productos.

Para un robot dado, los únicos parámetros necesarios para ubicar completamente el efector final (pinza, soplete de soldadura, etc.) son los ángulos de cada una de las articulaciones o los desplazamientos de los ejes lineales (o combinaciones de ambos para formatos de robot como SCARA). Sin embargo, existen muchas maneras diferentes de definir los puntos. La forma más común y conveniente es especificar una coordenada cartesiana , es decir, la posición del efector final en mm en las direcciones X, Y y Z con respecto al origen del robot. Además, dependiendo del tipo de articulaciones que pueda tener un robot en particular, también se debe especificar la orientación del efector final en guiñada, cabeceo y balanceo, así como la ubicación del punto de la herramienta con respecto a la placa frontal del robot. Para un brazo articulado , estas coordenadas deben ser convertidas a ángulos de articulación por el controlador del robot; dichas conversiones se conocen como transformaciones cartesianas, que pueden requerir un proceso iterativo o recursivo para un robot multieje. Las matemáticas que describen la relación entre los ángulos articulares y las coordenadas espaciales reales se denominan cinemática.

El posicionamiento mediante coordenadas cartesianas puede realizarse introduciendo las coordenadas en el sistema o utilizando un panel de programación que mueve el robot en las direcciones XYZ. Para un operador humano, es mucho más sencillo visualizar los movimientos (arriba/abajo, izquierda/derecha, etc.) que mover cada articulación individualmente. Una vez alcanzada la posición deseada, esta se define mediante un método específico del software del robot, como se muestra a continuación (P1-P5).

La mayoría de los robots articulados funcionan almacenando una serie de posiciones en la memoria y moviéndose a ellas en distintos momentos de su secuencia de programación. Por ejemplo, un robot que traslada objetos de un lugar (contenedor A) a otro (contenedor B) podría tener un programa sencillo de "recogida y colocación" similar al siguiente:

Defina los puntos P1–P5:

1. A una distancia segura por encima de la pieza de trabajo (definida como P1)
2. 10  cm por encima del contenedor A (definido como P2)
3. En posición para tomar parte del contenedor A (definido como P3)
4. 10  cm por encima del contenedor B (definido como P4)
5. En posición para participar desde el contenedor B. (definido como P5)

Definir programa:

1. Pasar a P1
2. Pasar a P2
3. Pasar a P3
4. Pinza cerrada
5. Pasar a P2
6. Pasar a P4
7. Pasar a P5
8. Pinza abierta
9. Pasar a P4
10. Pasar a P1 y terminar

Para ver ejemplos de cómo se vería esto en lenguajes de programación de robots populares, consulte la programación de robots industriales .

La norma estadounidense para robots industriales y sistemas robóticos — Requisitos de seguridad (ANSI/RIA R15.06-1999) define una singularidad como "una condición causada por la alineación colineal de dos o más ejes del robot, lo que resulta en un movimiento y velocidades impredecibles del robot". Es más común en brazos robóticos que utilizan una "muñeca de triple rotación". Esta es una muñeca en la que los tres ejes que controlan la guiñada, el cabeceo y la rotación pasan por un punto común. Un ejemplo de singularidad de muñeca ocurre cuando la trayectoria del robot provoca que el primer y el tercer eje de la muñeca (es decir, los ejes 4 y 6) se alineen. El segundo eje de la muñeca intenta entonces girar 180° en tiempo cero para mantener la orientación del efector final. Otro término común para esta singularidad es "giro de muñeca". El resultado de una singularidad puede ser bastante drástico y tener efectos adversos en el brazo robótico, el efector final y el proceso. Algunos fabricantes de robots industriales han intentado sortear la situación modificando ligeramente la trayectoria del robot para evitar esta condición. Otro método consiste en reducir la velocidad de desplazamiento del robot, disminuyendo así la velocidad necesaria para que la muñeca realice la transición. La norma ANSI/RIA exige que los fabricantes de robots informen al usuario sobre las singularidades que se produzcan durante la manipulación manual del sistema.

Un segundo tipo de singularidad en robots articulados verticalmente de seis ejes con muñeca dividida se produce cuando el centro de la muñeca se sitúa sobre un cilindro centrado en el eje 1 y con un radio igual a la distancia entre los ejes 1 y 4. Esto se denomina singularidad de hombro. Algunos fabricantes de robots también mencionan singularidades de alineación, donde los ejes 1 y 6 coinciden. Este es simplemente un subcaso de las singularidades de hombro. Cuando el robot pasa cerca de una singularidad de hombro, la articulación 1 gira muy rápidamente.

El tercer y último tipo de singularidad en robots de seis ejes articulados verticalmente con la muñeca dividida se produce cuando el centro de la muñeca se encuentra en el mismo plano que los ejes 2 y 3.

Las singularidades están estrechamente relacionadas con el fenómeno del bloqueo de cardán , que tiene una causa raíz similar: la alineación de los ejes.