Robots Manipuladores en Ingeniería: Clasificación, Componentes y Funcionamiento

Definiciones Fundamentales de Robots Manipuladores

Manipulador: Máquina cuyo mecanismo está generalmente compuesto por una serie de segmentos, articulados o deslizantes unos en relación con los otros. Tiene como finalidad coger o desplazar objetos (piezas o herramientas), generalmente según varios grados de libertad. Puede controlarse por un operador, un controlador electrónico programable o un sistema lógico.

Tipos según Control y Programación

Manipulador de secuencia fija: Efectúa cada etapa de una operación dada según un esquema de movimientos predeterminados, que no pueden cambiarse sin una modificación física.
Reprogramable: Aquellos en los que los movimientos programados o las funciones auxiliares pueden cambiarse sin modificación física.
Robot manipulador industrial: Robot manipulador que puede programarse según tres ejes o más, con control automático, reprogramable, multifunción, móvil o no, destinado a ser utilizado en aplicaciones de automatización industrial. Incluye:
- El manipulador (comprende los accionadores).
- El sistema de control (hardware y software).
Robot programable por aprendizaje: Capaz de ejecutar de manera repetitiva un programa de tareas, obtenido por aprendizaje.
Robot programable fuera de línea: Capaz de ejecutar un programa de tareas, obtenido por programación fuera de línea, y tal que el conocimiento de la cinemática del robot es suficiente para obtener las prestaciones requeridas.
Robot secuencial: Tiene un sistema de control en el cual un conjunto de movimientos se efectúa eje a eje en un orden dado, de tal forma que la finalización de un movimiento inicia el siguiente.
Robot controlado por trayectoria: Ejecuta un procedimiento controlado por el cual los movimientos de tres o más ejes controlados se desarrollan según instrucciones que especifican, en el tiempo, la trayectoria requerida para alcanzar la siguiente posición.
Robot adaptativo: Tiene funciones de control con sensores, control adaptativo o funciones de control de aprendizaje.
Robot móvil: Contiene todo lo necesario para su pilotaje y movimiento (potencia, control y sistema de navegación).

Componentes Principales del Robot

Sistema robot: Incluye:

El robot.
El elemento terminal (o elementos terminales).
Los equipamientos, dispositivos o captadores necesarios para que el robot realice su tarea.
La interfaz de comunicación que opera y controla el robot, equipamiento o sensores, en tanto que estos dispositivos periféricos son supervisados por el sistema de control del robot.

Sistema de control: Conjunto de funciones de control lógico y de potencia que permiten pilotar y controlar la estructura mecánica del robot y de comunicarse con el entorno (material y usuarios).

Brazo (Ejes principales): Conjunto interconectado de eslabones y de articulaciones motorizadas, que forma una cadena que posiciona la muñeca.

Muñeca (Ejes secundarios): Conjunto interconectado de eslabones y articulaciones motorizadas entre el brazo y el terminal que soporta, posiciona y orienta dicho terminal.

Tipos de Articulaciones

Prismática (colisa): Unión entre dos eslabones que permite a uno de ellos tener un movimiento lineal en relación con el otro.
Rotativa (Articulación giratoria): Unión entre dos eslabones que permite a uno de ellos tener un movimiento giratorio alrededor del otro.
Cilíndrica: Unión entre dos eslabones que permite a uno de ellos tener un movimiento lineal o de rotación respecto al otro, según un eje de rotación asociado a la traslación.
Esférica: Unión entre dos eslabones que permite a uno de ellos un movimiento relativo respecto del otro alrededor de un punto fijo, según tres grados de libertad.

Tipos de Estructuras Mecánicas

Robot cartesiano (Robot rectangular): Robot donde el brazo está constituido por tres articulaciones prismáticas cuyos ejes están dispuestos según un sistema de coordenadas cartesianas. (Ej.: Robot pórtico).
Robot cilíndrico: Robot donde el brazo está constituido por al menos una articulación rotativa y una articulación prismática, cuyos ejes están dispuestos según un sistema de coordenadas cilíndricas.
Robot polar: Robot donde el brazo está constituido por dos articulaciones rotativas y una articulación prismática, cuyos ejes están dispuestos según un sistema de coordenadas polares.
Robot pendular (Robot polar): Robot polar donde la estructura mecánica incluye un subconjunto que pivota según una junta universal.
Robot antropomórfico (Robot articulado): Robot donde el brazo comprende tres articulaciones rotativas.
Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm): Tiene dos articulaciones rotativas con ejes paralelos, para proporcionar conformidad en un plano dado.
Robot vertebral: Robot donde el brazo (ejes principales) está constituido por dos o más articulaciones esféricas concurrentes.
Robot paralelo: Robot donde el brazo (ejes principales) está constituido por tres articulaciones prismáticas concurrentes.

Modelos Geométricos

Modelo geométrico directo: Relación matemática que determina el sistema de coordenadas de la herramienta en función de los valores de las coordenadas de las articulaciones.

Modelo geométrico inverso: Relación matemática que determina los valores de las coordenadas de las articulaciones en función de los valores del sistema de coordenadas de la herramienta.

Conceptos de Posicionamiento y Movimiento

Eje: Dirección utilizada para indicar el movimiento del robot, de forma lineal o angular. También, unión mecánica del robot.

Posición: Combinación de posición y orientación en el espacio.

Ordenada / Programada: Prescrita por el programa de trabajo.
Posición alcanzada: Posición real alcanzada por el robot en respuesta a la posición ordenada.
Posición de referencia: Posición prescrita para establecer una referencia geométrica del robot.

Métricas de Rendimiento

Precisión de distancia: Diferencia entre una distancia ordenada y la media de las distancias realizadas.

Repetibilidad de distancia: Grado de acuerdo entre las distancias realizadas para la misma distancia de consigna, repetida en la misma dirección.

Tiempo de estabilización de posicionamiento: Período de tiempo necesario para que una respuesta oscilatoria amortiguada o una respuesta amortiguada de la interfaz mecánica se encuentre en el interior de un límite de amplitud prescrito, después de que el robot haya dado la señal de consigna de «posición alcanzada».

Características y Estructura General del Robot

Características Principales

Del comportamiento y funcionalidad de un robot se pueden extraer sus cuatro características fundamentales:

Movilidad: Esta característica depende de la estructura del robot y expresa su capacidad de movimiento.
Gobernabilidad: Capacidad de ser controlado para ejecutar las tareas deseadas.
Autonomía: Capacidad de realizar tareas con mínima intervención humana, a menudo utilizando sensores.
Polivalencia: Capacidad de ser reprogramado o adaptado para realizar diferentes tareas.

Estructura General de un Robot

Se pueden distinguir cuatro elementos fundamentales:

La estructura mecánica: Constituye el esqueleto del robot y está formada por un conjunto de eslabones rígidos acoplados mediante articulaciones.
Los actuadores: La estructura mecánica articulada es movida por medio de los actuadores. Pueden ser de tipo neumático, hidráulico o eléctrico. Los motores eléctricos de imanes permanentes (como los paso a paso) son comunes; su velocidad de rotación está gobernada por la velocidad a la que son conmutadas las bobinas del estator y el sentido de rotación, por la secuencia real de conmutación. En los motores paso a paso, cada estado de excitación es estable, permitiendo detener el eje indefinidamente y mantener la posición sin necesidad de bucles de realimentación complejos.
Los sensores: Son elementos que dan al robot información sobre sí mismo (sensores internos, ej. posición de articulaciones) y sobre su entorno (sensores externos, ej. cámaras, sensores de fuerza).
Unidad de control: Constituida por el equipo electrónico (hardware y software) capaz de almacenar los programas y ejecutarlos adecuadamente para poder realizar la tarea deseada.

Sistemas de Coordenadas Utilizados en Robótica

De taller (World Coordinate System): Sistema fijo, asociado a la tierra o al entorno de trabajo, independiente de los movimientos del robot.
De la base (Base Coordinate System): Sistema asociado a la superficie de fijación de la base del robot.
De la interfaz mecánica (Flange Coordinate System): Sistema asociado a la brida o placa de montaje donde se acopla la herramienta.
De coordenadas de articulación (Joint Coordinate System): Sistema asociado a los ejes de las articulaciones, en el cual se definen las coordenadas de articulación con respecto a las de la articulación anterior o respecto a otro sistema de coordenadas.
De la herramienta (Tool Coordinate System – TCS): Sistema asociado a la herramienta o al terminal fijado a la interfaz mecánica, usualmente definido en un punto de interés de la herramienta (Tool Center Point – TCP).
Coordenadas cartesianas: En esta estructura (aplicable a robots cartesianos, pero también para describir la posición del efector final en cualquier robot), los tres movimientos básicos son de tipo prismático (traslación). Su espacio de trabajo es definido por el paralelepípedo limitado por la envolvente de las puntas extremas que puede alcanzar el brazo. La especificación de la posición de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas X, Y, Z.
Coordenadas cilíndricas: Son un sistema de coordenadas para definir la posición de un punto del espacio mediante un ángulo (rotación alrededor de un eje), una distancia radial con respecto a ese eje y una altura en la dirección del eje (traslación).
Coordenadas polares (o esféricas en 3D): Son un sistema de coordenadas bidimensional (polares) o tridimensional (esféricas). En 2D (polares), cada punto del plano se determina por un ángulo y una distancia desde un origen (polo) respecto a un eje polar. En 3D (esféricas), un punto se define por una distancia radial desde el origen y dos ángulos (similar a la latitud y longitud). Los robots polares/esféricos utilizan estas coordenadas de forma nativa en sus articulaciones.
Coordenadas angulares (o de articulación): Se refieren a los valores específicos de cada articulación del robot (ángulos para las rotativas, distancias para las prismáticas). Definen la configuración interna del robot.