Robótica Industrial: Fundamentos, Componentes y Aplicaciones Esenciales

Robótica Industrial: Fundamentos y Características Clave

Grados de Libertad (GDL)

Los Grados de Libertad (GDL) representan los movimientos independientes que una articulación puede realizar respecto a la anterior. Un GDL servocontrolado se denomina eje. El número total de GDL en un robot coincide con el número de sus articulaciones.

Punto Central de Herramienta (TCP)

El Punto Central de Herramienta (TCP) es el punto de referencia central de la herramienta del robot, desde donde se toman las coordenadas. Generalmente, se define un TCP por cada herramienta utilizada.

Resolución

La resolución es el incremento de posición mínimo que la unidad de control del robot puede aceptar. Se calcula considerando los errores cuadráticos medios.

Precisión

La precisión se define como la distancia entre un punto programado y el punto realmente alcanzado por el robot.

Repetibilidad

La repetibilidad es el radio de la esfera que envuelve los puntos alcanzados por el robot al ejecutar el mismo movimiento varias veces. Se calcula utilizando la varianza de estas mediciones.

Velocidad

La velocidad de un robot está inversamente relacionada con la carga que transporta y la precisión requerida. A mayor velocidad, menor carga y menor precisión suelen ser posibles.

Anatomía del Robot Industrial

Manipulador

El manipulador es la estructura mecánica del robot, compuesta por:

• Articulaciones: Pueden ser lineales o rotativas. Cada articulación aporta 1 GDL. La mayoría de los robots industriales poseen entre 5 y 6 GDL.
• Eslabones: Son los elementos rígidos que conectan las articulaciones.

Secciones Principales del Manipulador

El manipulador se divide en dos secciones principales:

• Cuerpo-Brazo: Responsable del posicionamiento del robot.
• Montaje de Muñeca: Encargado de la orientación del elemento terminal.

Tipos de Articulaciones

Las articulaciones se clasifican en:

• Traslación:
  • Lineal (L)
  • Ortogonal (O)
• Rotación:
  • Rotacional (R)
  • Torsión (T)
  • Revolución (V)

Robot SCARA

El robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) se caracteriza por tener ejes verticales que giran horizontalmente, permitiendo un desplazamiento vertical del extremo del robot. Son ideales para tareas de ensamblaje.

Muñeca del Robot

La muñeca está unida al brazo y al efector final. Su función principal es orientar el elemento terminal. Típicamente, posee 2 o 3 GDL, que corresponden a los movimientos de:

• Roll (Alabeo)
• Pitch (Cabeceo)
• Yaw (Guiñada)

Elemento Terminal (Efector Final)

El elemento terminal es la herramienta que permite al robot realizar una tarea específica. Existen dos tipos principales:

• Garras (para sujetar objetos)
• Herramientas (para realizar operaciones como soldadura, pintura, etc.)

Componentes y Sistemas de Control del Robot

Componentes de Control

Los principales componentes que integran el sistema de control de un robot son:

• Sistema de control (unidad central)
• Sistema de accionamiento (motores, transmisiones)
• Sistema sensorial (sensores)
• Manipulador (la estructura mecánica)

Tipos de Sensores

Los sensores utilizados en robótica se clasifican en:

• Internos: Miden la posición y velocidad de las articulaciones.
• Externos: Proporcionan información del entorno para coordinar tareas, como sensores táctiles, de proximidad, ópticos, visuales o de temperatura.
• Según el tipo de accionamiento:
  • Eléctricos
  • Hidráulicos (para gran potencia)
  • Neumáticos (para pequeños robots)

Sistemas de Control del Robot

Los robots pueden operar bajo diferentes sistemas de control:

• En Secuencia: Para tareas repetitivas y sencillas como pick-and-place, con topes mecánicos.
• Punto a Punto (PTP): El robot se mueve entre puntos definidos, sin control de la trayectoria intermedia.
• Trayectoria Continua (CP): El robot sigue una trayectoria precisa y continua, controlando la velocidad y la forma del movimiento.
• Inteligente: Utiliza sensores para adaptarse a cambios en el entorno y tomar decisiones.

Niveles de Control

La arquitectura de control de un robot se puede estructurar en niveles:

• Nivel 0: Control de articulaciones y procesamiento de datos de sensores.
• Nivel 1: Controlador principal y programa de ejecución.
• Nivel 2: Supervisor de célula o sistema, coordinando múltiples robots o procesos.

Cinemática y Programación de Robots

Localización y Sistemas de Coordenadas

Para especificar la posición del extremo del robot, se utilizan dos tipos de sistemas de coordenadas:

• Mundo: Con origen y ejes relativos a la base del robot.
• De Herramienta: Con ejes orientados con la placa frontal de la muñeca o el TCP.

Cinemática Robótica

La cinemática se ocupa del estudio del movimiento de los robots sin considerar las fuerzas que lo causan:

• Cinemática Directa: Determina la posición y orientación del extremo del robot conociendo los valores de las coordenadas articulares.
• Cinemática Inversa: Calcula los valores de las coordenadas articulares necesarios para alcanzar una posición y orientación deseadas del extremo.

Programación de Robots

La programación define las acciones que el robot realizará durante su funcionamiento, incluyendo:

• Posicionamiento
• Manipulación
• Diálogo con el operador o sistemas externos
• Sincronización con otros equipos

En la ejecución del programa intervienen la memoria del sistema de control, los algoritmos de control cinemático y dinámico, y las entradas y salidas digitales/analógicas.

Tipos de Programación

• Online (por aprendizaje): El robot se mueve físicamente a través de la trayectoria deseada, y el sistema registra los puntos.
• Offline (textual): Se utiliza software de programación para definir la trayectoria y las acciones sin necesidad de mover el robot físicamente.

Comandos Comunes de Movimiento

• MoveL: Movimiento lineal (en línea recta).
• MoveC: Movimiento circular.
• MoveJ: Movimiento conjunto (cada articulación se mueve a su destino de forma independiente).

Disposición en Planta y Normativas

Disposición de Robots en Planta

Los robots pueden ser dispuestos en la planta de diversas maneras:

• Robots en el Centro de la Célula: El robot es el elemento central de una estación de trabajo.
• En Línea: Las piezas se desplazan a lo largo de una línea de producción donde el robot realiza su tarea.
• Móvil: El robot se desplaza sobre un eje o riel para cubrir un área de trabajo más grande.
• Suspendido: El robot se monta en el techo o una estructura elevada, liberando espacio en el suelo.

Normativas de Seguridad y Rendimiento

La operación de robots industriales está regulada por diversas normativas para garantizar la seguridad y el rendimiento:

• UNE-EN 775: Robots manipuladores industriales - Seguridad.
• ISO 10218:1992: Robots industriales - Requisitos de seguridad (riesgos y peligros).
• ANSI/RIA R15.06-1999: Robots industriales y sistemas de robots - Requisitos de seguridad.
• ISO 9283:1998: Robots manipuladores - Criterios de rendimiento y métodos de prueba relacionados.

Aplicaciones Industriales y Criterios de Selección

Aplicaciones Industriales Comunes

Los robots industriales se utilizan en una amplia gama de operaciones, incluyendo:

• Operaciones de procesamiento (soldadura, pintura, corte, etc.)
• Manipulación de materiales (carga y descarga, paletizado, pick-and-place)
• Medición e inspección
• Control de calidad
• Formación e investigación

Criterios de Selección de Robots

Al seleccionar un robot para una aplicación específica, se deben considerar varios criterios:

• Volumen de trabajo (cantidad de piezas o ciclos)
• Accesibilidad al área de trabajo
• Precisión requerida para la tarea
• Capacidad de carga (peso máximo que puede manipular)