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Mecánica de un Robot

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Mecánica de un Robot

Mensaje por Admin el Dom Jul 13, 2014 2:17 am


Mecánica   de   un   Robot.
Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos terminales.
Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características especificas.

Mecánicamente, un robot esta formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca.

Sistemas de Robots básicos.
Los componentes básicos de un robot son:

  1. La estructura - la estructura mecánica (los eslabones, base, etc). Esto exige mucha masa, para proporcionar la rigidez bastante estructural para asegurar la exactitud mínima bajo las cargas útiles variadas.

  2. Actuadores - Los motores, los cilindros, etc., las junturas del robot. Esto también podría incluir los mecanismos para una transmisión, etc.,

  3. Control a la Computadora - Esta computadora une con el usuario, y a su vez los mandos las junturas del robot.

  4. El extremo de Brazo que labora con herramienta (EOAT) - La programación que proporciona el usuario se diseña para las tareas específicas.

  5. Enseñe la pendiente - Un método popular para programar el robot. Esto es que una mano pequeña contiene un dispositivo que puede dirigir movimiento del robot, los puntos de registro en las sucesiones de movimiento, y comienza la repetición de sucesiones. Las pendientes más prolongadas incluyen más funcionalidad.


 
El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro, o de una combinación de ambos. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de articulaciones.

Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad.


El numero de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grandos de libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como se ha indicado, las articulaciones empleadas son únicamente las de rotación y prismática con un solo con grado de libertad cada una, el numero de grados de libertad del robot suele coincidir con el numero de articulaciones de que se compone.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con características a tener en cuenta tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación. Las combinaciones más frecuentes son con tres articulaciones y que son las más importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto en el espacio.


Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con el la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos seis grados de libertad.
En la practica, a pesar de ser necesarios los seis grados de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientación del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con solo cuatro o cinco grados de libertad, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se encomiendan.


Existen también casos opuestos, en los que se precisan mas de seis grados de libertad para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. Así, si se trabaja en un entorno con obstáculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le permitirá acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstáculos, no hubieran llegado con  seis grados de libertad. Otra situación frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando así el volumen de su espacio al que puede acceder.
Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.

Condiciones básicas
Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales sólidos de un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.
El grado de Libertad (el gdl) - Cada juntura en el robot introduce un grado de libertad. Cada gdl pueden ser un deslizador, el tipo rotatorio, u otro de actuador. Los robots tienen 5 o 6 grados de libertad típicamente. 3 de los grados de libertad permiten el posicionamiento en 3D espacio, mientras el otro se usan 2or 3 para la orientación del efector del extremo. 6 grados de libertad son bastante para permitir al robot alcanzar todas las posiciones y orientaciones en 3D espacio. 5 gdl requiere una restricción a 2D espacio, el resto limita las orientaciones. Normalmente se usan 5 gdl por ocuparse de herramientas como los soldadores del arco.
 
La orientación Eslabón - Básicamente, si la herramienta se sostiene a una posición fija, la orientación determina qué dirección puede apuntarse. El rollo, diapasón y guiñada son los elementos de la orientación comunes usadas. Mirando la figura de bajo serán obvios que la herramienta puede posicionarse a cualquier orientación en el espacio.
 
 
Los elementos de la posición - La herramienta, sin tener en cuenta la orientación, puede moverse a varias posiciones en el espacio. Se satisfacen las varias geometrías del robot a las geometrías de trabajo diferentes.
 
El Punto de Centro de herramienta (TCP) - El punto de centro de herramienta se localiza en el robot, la herramienta. Típicamente el TCP se usa al referirse a la posición de los robots, así como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podría estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en el cartesiano, cilíndrico, esférico, etc., coordenadas que dependen del robot. Cuando se cambian las herramientas que nosotros reprogramaremos a menudo el robot para el TCP.
 
 
El espacio de trabajo - El robot tiende a tener una geometría fija, y limitada. El espacio de trabajo es el límite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano (como una grúa arriba) los espacios de trabajo podrían ser un cuadrado, para los robots más sofisticados los espacios podrían ser de una forma esferica.
La velocidad - se refiere a la velocidad máxima que es lograble por el TCP, o por las junturas individuales. Este número no es exacto en la mayoría de los robots, y variará encima del espacio de trabajo como la geometría del robot cambia (y de los efectos dinámicos). El número reflejará a menudo la velocidad más segura máxima posible. Algunos robots permiten el máximo tasa de la velocidad (100%) para ser aprobado, pero debe tenerse con él, gran cuidado.
La carga útil - La carga útil indica la masa máxima que el robot puede alcanzar antes de cualquier fracaso de los robots, o pérdida dramática de exactitud. Es posible exceder la carga útil máxima, y todavía tiene el robot, que operar, pero esto no se aconseja. Cuando el robot está acelerando rápidamente, la carga útil debe estar menos de la masa máxima. Esto es afectado por la habilidad de agarrar la parte firmemente, así como la estructura del robot, y el actuador. El extremo de brazo al laborar con herramienta debe ser considerado parte de la carga útil.
- La carga útil
La carga útil siempre se especifica como un valor máximo, esto puede estar antes del fracaso, o más normalmente, antes de la pérdida de la actuación seria.
· Las consideraciones Estáticas:

  1. - La gravedad que efectúa cause desviación descendente del brazo y sistemas de apoyo

  2. - Manejo a menudo de cubiertas, las cuales pueden traer cantidades notables de lentitud (la repercusión negativa) esa causa que   posiciona los errores

  3. - El trabajo de la juntura - cuando se usan miembros rotatorios largos en un sistema de esfuerzos se tuercen bajo la carga

  4. - Los efectos termales - la temperatura modifica las dimensiónales en el manipulador.


· Las consideraciones Dinámicas:

  1. - La aceleración efectúa - las fuerzas inerciales pueden llevar a la desviación en los miembros estructurales. Éstos son normalmente sólo problemas cuando un robot se está moviendo muy limitado, o cuando un camino a seguir continuo es esencial. (Pero, claro, durante el proyecto de un robot estos factores deben examinarse cuidadosamente)


· Por ejemplo:
 
 
 
 
 
 
 
Repetibilidad - El mecanismo del robot tendrá alguna variación natural en él. Esto significa que cuando el robot se devuelve al mismo punto repetidamente, no siempre detendrá a la misma posición. Se considera que Repetibilidad es +/-3 veces la desviación normal de la posición, o donde 99.5% de toda la caída de dimensiones de repetibilidad. Esta figura variará encima del espacio, especialmente cerca de los límites del espacio de trabajo, pero los fabricantes darán un solo valor en las especificaciones.
 
La exactitud - Esto es determinado por la resolución del espacio de trabajo. Si el robot se ordena para viajar a un punto en el espacio, estará apagado a menudo por alguna cantidad, la distancia máxima debe ser considerada la exactitud. Éste es un efecto de un sistema del mando que no es necesariamente continuo.
 
Tiempo de establecimiento - Durante un movimiento, el robot se mueve rápidamente, pero como los acercamientos del robot la posición final se reduce la velocidad, y los acercamientos. El tiempo de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una distancia dada de la última posición.
 
Control de la Resolución - Éste es el cambio más pequeño que puede medirse por los sensores de la regeneración, a causa del actuador, quien quiera es más grande. Si una juntura rotatoria tiene un encoder que mide cada 0.01 grado de rotación, y un motor de servo de paseo directo se usa para manejar la juntura, con una resolución de 0.5 grados, entonces la resolución del mando es aproximadamente 0.5 grados (el peor caso puede ser 0.5+0.01).
 
Las coordenadas - El robot se puede mover, por consiguiente es necesario definir las posiciones. La nota que las coordenadas son una combinación de ambos la posición del origen y orientación de los eslabones.
 
 
 
 C.  Transmisiones   y   Reductores.
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluirán junto con las transmisiones a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot.
Transmisiones.
Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su momento de inercia. Del mismo modo, los pares estáticos que deben vencer los actuadores dependen directamente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que los actuadores, por lo general pesados, estén lo mas cerca posible de la base del robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmisión que trasladen el movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del robot.
Asimismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circular en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puede ser necesario.
Existen actualmente en el mercado robots industriales con acoplamiento directo entre accionamiento y articulación. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la generalidad que en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de transmisión junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones
Es de esperar que un buen sistema de transmisión cumpla con una serie de características básicas: debe tener un tamaño y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.

Sistemas de transmisión para robots.
Entrada-Salida
Denominación
Ventajas
Inconvenientes
Circular-CircularEngranaje
Correa dentada
Cadena
Paralelogramo
Cable
Pares altos
Distancia grande
Distancia grande
-
-
Holguras
-
Ruido
Giro limitado
Deformabilidad
Circular-LinealTornillo sin fin
Cremallera
Poca holgura
Holgura media
Rozamiento
Rozamiento
Lineal-CircularParal,articulado
Cremallera
-
Holgura media
Control difícil
Rozamiento

Aunque no existe un sistema de transmisión especifico para robots, si existen algunos usados con mayor frecuencia y que se mencionan en la tabla. La clasificación se ha realizado sobre la base del tipo de movimiento posible en la entrada y la salida: lineal o circular.

En la citada tabla también quedan reflejadas algunas ventajas e inconvenientes propios de algunos sistemas de transmisión. Entre ellas cabe destacar la holgura o juego. Es muy importante que el sistema de transmisión a utilizar no afecte al movimiento que transmite, ya sea por el rozamiento inherente a su funcionamiento o por las holguras que su desgaste pueda introducir. También hay que tener en cuenta que el sistema de transmisión sea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado, y a ser posible entre grandes distancias.

Las transmisiones más habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en estas se encuentran los engranajes, las correas dentadas y las cadenas.

Reductores.
En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, si que existen determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe a que los reductores utilizados en robótica se les exige unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas características viene motivada por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisión y velocidad de posicionamiento.
La siguiente tabla muestra valores típicos de los reductores para robótica actualmente empleados.

Características de los reductores para robótica.
Características
Valores típicos
Relación de reducción
Peso y tamaño
Momento de inercia
Velocidades de entrada máxima
Par de salida nominal
Par de salida máximo
Juego angular
Rigidez torsional
Rendimiento
50 / 300
.1 / 30kg
.0001kg m²
6000 / 7000 rpm
5700Nm
7900Nm
0-2"
100 / 2000 Nm/rad
85% / 98%

Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamaño, bajo rozamiento y que al mismo tiempo sean capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un único paso. Se tiende también a minimizar su momento de inercia, de negativa influencia en el funcionamiento del motor, especialmente critico en el caso de motores de baja inercia.
Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. También existe una limitación en cuanto al par de entrada nominal permisible (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relación de transmisión a través de la relación:

T2 = nT1 (w1 / w2).

Donde el rendimiento (n) puede llegar a ser cerca del 100% y la relación de reducción de velocidades (w1 = velocidad de entrada; w2 = velocidad de salida) varia entre 50 y 300.
Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos que implican continuos arranques y paradas, es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares elevados puntuales. También se busca que el juego angular sea lo menor posible.


Este se define como el ángulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro sin que llegue a girar al eje de entrada. Por ultimo, es importante que los reductores para robótica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquel gire un ángulo unitario.
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