Automatización
Industrial (AIS7201)
Prof. Christian Nievas Grondona.
Sesión 7:
Robótica Industrial.
2
Contenidos.
Historia, orígenes y concepto de robot.
 Tipos de Robots.
 Introducción a la Mécánica de Robots
Industriales.
 Aplicaciones Industriales.

3
Historia, orígenes y concepto.

Definición:
“Un manipulador reprogramable y multifuncional
diseñado para trasladar materiales, piezas,
herramientas o aparatos específicos a través de
una serie de movimientos programados para
llevar a cabo una variedad de tareas”
Robot Institute of America (1979).
4
Historia, orígenes y concepto.

Conceptos históricos:
 Revolución


Desarrollo tecnológico.
Procesos automatizados.
 Creación



industrial (siglo XVIII).
de nuevos dispositivos.
Mecanismos de relojería para producir música que podía variar,
Concertista de tímpano (1784).
Máquina de producción de tornillos y tuercas, de C. Spencer
(1801).
Primer brazo mecánico articulado para ser utilizado en
aplicaciones de pintura, por Pollard (1938).
5
Historia, orígenes y concepto.

Conceptos históricos:
 Aparición




de los primeros Robots.
Primer manipulador eléctrico servocontrolado, por Goetz
(1947).
Primera máquina de control numérico, que se programa por un
“lenguaje” simbólico (1952) Software.
El primer Robot: manipulador con memoria legíble y escribible,
desarrollado por Devol (1954)  UNIMATION.
Decadas de los 60 y 70 la Robótica se introduce en las
Universidades  MIT, CALTECH, Carnigie Mellon, Stanford.
6
Historia, orígenes y concepto.
Shakey (Stanford)
Walking Truck (GE)
7
Historia, orígenes y concepto.
Brazo de 6 grados de
libertad (Stanford)
Brazo robótico (Devol)
8
Historia, orígenes y concepto.

Conceptos históricos:
 Investigación


Proyectos Viking para estudios del planeta Marte (1970-80).
Remote Compliance Center (RCC), utilizada para tareas de
ensamblado.
 Robótica


espacial.
industrial.
Robot comercial más difundido, PUMA de UNIMATION (1978).
Avanza el desarrollo de la robótica industrial, en las décadas de
los 80 y 90, siguiendo distinto rumbos.
9
Historia, orígenes y concepto.

Niveles de complejidad.
 Teleoperación.

Manipulación a distancia (brazos).
 Telepresencia.

Retroalimantación de variables importantes (cámaras,
sensores).
 Autonomía.

Toma de decisiones propias a partir de la realimentación y lo
programado.
10
Tipos de Robots.

Se pueden clasificar de los siguientes formas:
 Clasificación
por geometría.
 Clasificación
por método de control.
 Clasificación
por la función.
11
Tipos de Robots.

Clasificación por geometría:
 Cilíndricos:

Cada Eje es de revolución total y está encajado en el
anterior.
12
Tipos de Robots.

Clasificación por geometría:
 Esféricos:

Hay ejes de rotación que hacen pivotear una pieza sobre la
otra.
13
Tipos de Robots.

Clasificación por geometría:
 Paralelógramo:

La articulación tiene una doble barra de sujeción.
14
Tipos de Robots.

Clasificación por geometría:
 Mixtos:

Poseen varios tipos de articulación, como los SCARA.
15
Tipos de Robots.

Clasificación por geometría:
 Cartesiano:

Las articulaciones hacen desplazar linealmente una pieza
sobre otra.
16
Tipos de Robots.

Clasificación por método de control:
 No


servo-controlado:
Sus articulaciones tiene un número fijo (normalmente 2) de
posiciones con topes y sólo se desplazan para fijarse en
ellas.
Suelen ser neumáticos, bastante rápidos y precisos.
 Servo-controlado:



Cada articulación lleva un sensor de posición (lineal o
angular) que es leído y enviado al sistema de control.
Se pueden para en cualquier punto deseado.
Mayor rango de uso.
17
Tipos de Robots.

Clasificación por método de control:
 Servo-controlado


punto a punto:
Para controlarlos sólo se les indica los puntos iniciales y
finales de la trayectoria; el sistema de control calcula el resto
siguiendo algoritmos.
Pueden memorizar posiciones.
18
Tipos de Robots.

Clasificación por la función:
 De


 De


producción:
Usado para la manufactura de bienes.
Pueden a su vez ser de manipulación, fabricación,
ensamblado y de testeo.
exploración:
Usados para obtener datos acerca de ambientes
desconocidos o peligrosos.
Pueden ser de exploración terrestre, minera, oceánica,
espacial.
19
Tipos de Robots.

Clasificación por la función:
 De


Rehabilitación:
Para ayudar a discapacitados.
Pueden ser una prolongación de anatomía, o sustitución de
la función de un órgano dañado.
20
Componentes Mecánicos.

Definición de componentes:
 Manipulador:


Secuencia de cuerpos rígidos
(Link) que se conectan
mediante articulaciones (Joint).
Todo esto se denomina una
Cadena Cinemática.
Cadena Cinemática Abierta
Enlace
Articulación
21
Componentes Mecánicos.

Definición de componentes:
 Grado


de libertad:
Es cada una de las coordenadas independientes necesarias
para describir el estado de un sistema mecánico.
En cadenas cinemáticas abiertas, normalmente cada enlacearticulación tiene un sólo grado de libertad.
Diferentes grados de libertad
22
Componentes Mecánicos.

Definición de componentes:
 Articulación:

Puede ser rotacional, traslacional o una mezcla de ellos.
Tipos de articulaciones
23
Componentes Mecánicos.

Definición de componentes:
 Articulación:
Tipos de articulaciones
24
Componentes Mecánicos.

Definición de componentes:
 Articulación:
Tipos de articulaciones
25
Componentes Mecánicos.

Definición de componentes:
 Articulación:
Tipos de articulaciones
26
Mecánica de robots.


Se tratará la mecánica como conceptos físicos y
matemáticos (Newton).
Interés de la mecánica:
 Conocer
la posición del punto terminal (u otro punto).
 Conocer el movimiento que ejecutarán los
actuadores.

El análisis mecánico puede hacerse atendiendo
sus movimientos y las fuerzas que actúan.
27
Mecánica de robots.

Estudio Cinemático.
 Es
el estudio de los movimientos (posición y
velocidad).
 Análisis de coordenadas propias del robot hasta las
coordenadas cartesianas de posición y orientación del
punto terminal (Cinemática Directa).
 Análisis de coordenadas cartesianas hasta las
coordenadas propias del robot (Cinemática Inversa).
28
Mecánica de robots.

Estudio Dinámico.
 Análisis
de fuerzas y momentos que ejerce la carga
transportada, o el sistema robótico en si.
 Estudio de leyes de la física mecánica de Newton.
29
Mecánica de robots.

Sistemas de coordenadas.
 Posición
de un punto en el espacio está asociado a 3
magnitudes, llamados coordenadas.
 Estas coordenadas (x,y,z), están expresadas en un
sistema de referencia, formado por 3 ejes rectilíneos,
ortogonales, normalizados y dextrógiros.
Normalizado
Ortogonalidad
x  y  z
  
X Y  Z
Dextrógiro
30
Simulación.

Matlab’s Robotics Toolbox.
 Toolbox
de Matlab para simular estudios cinemáticos y
dinámicos de los brazos robóticos.
 Esencial para determinar cargas máximas, distancias
de estaciones de trabajo y disposición óptima de una
celda robótica.
 Se puede trabajar con brazos robóticos predefinidos,
tanto como diseñar nuevos brazos y ponerlos a
prueba.
31
Simulación.

Matlab’s Robotics Toolbox.
 Estudio
Cinemático.
Estudio del desplazamiento,
velocidad angular y
aceleración de los actuadores
rotacionales del brazo
robótico.
32
Simulación.

Matlab’s Robotics Toolbox.
 Estudio
Espacial.
Estudio de los movimientos,
giros y espacios de alcance de
los brazos robóticos (para
simulación de celdas de
trabajo).
33
Simulación.

Matlab’s Robotics Toolbox.
 Estudio
Dinámico.
Estudio de los torques para
cada actuador, como varían
estos dependiendo las los
movimientos, y de los ángulos.
Para determinar las verdaderas
fuerzas que se ejercen con
cada carga.
34
Aplicaciones en la industria

Introducción.
 Los
robots son introducidos en la industria para
solventar las siguientes características:






Reemplazo de tareas repetitivas que realizan operadores.
Aumento de eficiencia.
Disminución de accidentes.
Integración al sistema de control.
Trabajo “heavy duty”.
Integración a otros protocolos de Ingeniería (CAD).
35
Aplicaciones en la industria

¿Por que utilizarlos?
Relación de cantidad de procesos robotizados frente a la cantidad de paradas en un
proceso.
36
Aplicaciones en la industria

¿Por que utilizarlos?
Industria basada en robótica en países industrializados. (1996)
37
Aplicaciones en la industria

Criterios de Implantación.
 Se
debe definir el lay-out de la célula robótica en el
proceso.


Elementos activos (robots, máquinas CNC, etc.)
Elementos pasivos (mesas, alimentadores, utillajes, etc.)
 Definición
y selección de la arquitectura de control.
 Definir el tipo estructural de robot a implementar
dependiendo del proceso.
38
Aplicaciones en la industria

Criterios de Implantación.
Ejemplo de lay-out de una célula flexible robotizada para la fabricación de calzado
39
Aplicaciones en la industria

Criterios de Implantación.
 Disposición

Robot en el centro de la célula




del robot en la célula de trabajo.
Máximo aprovechamiento del campo de acción.
Robots articulares, SCARA, polares y cilíndricos
Aplicaciones: carga/descarga, soldadura, paletización,
ensamblado.
Robot en línea



Trabajo sobre líneas de transporte
Transporte intermitente o continuo
Aplicaciones: líneas de soldadura de automóviles
40
Aplicaciones en la industria

Criterios de Implantación.
 Disposición
del robot en la célula de trabajo.
Robot en centro
Robot en fila
41
Aplicaciones en la industria

Criterios de Implantación.
 Disposición

Robot móvil



del robot en la célula de trabajo.
Desplazamiento lineal del robot sobre una vía
Aplicaciones: trabajo sobre piezas móviles, elevado campo de
acción, carga/descarga de varias máquinas
Robot suspendido



Intrínseca de robots tipo pórtico. También en articulares
Mejor aprovechamiento del área de trabajo
Aplicaciones: proyección de material, aplicación de adhesivos,
corte, soldadura al arco
42
Aplicaciones en la industria

Criterios de Implantación.
 Disposición
del robot en la célula de trabajo.
Robot móvil
Robot suspendido
43
Aplicaciones en la industria

Causas y tipos de accidentes.
 Causas


Colisión/Aplastamiento entre robots y hombre.
Proyección de una pieza o material transportada por el robot.
 Tipos





de accidentes
de accidentes
Un mal funcionamiento del sistema de control (software,
hardware, potencia).
Acceso indebido de personal a la zona de trabajo del robot.
Rotura de partes mecánicas por corrosión o fatiga.
Sobrecarga del robot (manejo de cargas excesivas).
Medio ambiente o herramienta peligrosa (láser, corte por
chorro de agua, oxicorte, plasma, etc.).
44
Aplicaciones en la industria

Seguridad.
 Estandar
de seguridad y salud ocupacional
internacional. (OSHA)
 Sección 4, capítulo 4:

INDUSTRIAL ROBOTS AND ROBOT SYSTEM SAFETY




Types and Classification of Robots
Hazards
Investigation Guidelines
Control and Safeguarding Personnel
 Referencia:


http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm_iv_4.html
(Occupational Safety & Health Administration )
45
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 KUKA


Roboter GmbH.
Principal fabricante mundial de robots industriales y sistemas
de automatización para sectores que abarcan industrias tan
diferentes como las del automóvil, metales, alimentos y
plásticos.
Actualmente, la gama de robots KUKA de 4 y 6 articulaciones
ofrece cargas útiles de 3 kg a 570 kg y un alcance de 350 mm
a 3700 mm e incluye robots SCARA, paletizadores, pórtico y
articulados, todo controlado desde una plataforma de control
común basada en PC.
46
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 KUKA

Roboter GmbH.
Tipos de robots:

Pequeños robots
KR 5 sixx R650
Robot de 6 ejes, con un alcance de 650 mm.
Este robot compacto combina ciclos altos de
trabajo y exactitudes con la probada unidad de
control KUKA basada en técnica del PC, de
fácil manejo.
47
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 KUKA

Roboter GmbH.
Tipos de robots:

Carga ligera (5 kg a 16 kg)
KR 5 arc
Con su carga de 5 kg, es ideal para las tareas
de soldadura al arco estándar.
Independientemente de si está montado sobre
el suelo o en el techo, el KR 5 arc realiza sus
tareas siempre de manera fiable.
48
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 KUKA

Roboter GmbH.
Tipos de robots:

Carga mediana (30 kg a 60 kg)
KR 30-3
El KR 30-3 resulta ideal para aquellos
conceptos de instalación en los que se busca
un ahorro de espacio y de costes.
49
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 KUKA

Roboter GmbH.
Tipos de robots:

Carga pesada (80 kg a 270 kg)
KR 100-2 PA
El nuevo robot de paletizado de KUKA alcanza
en las europaletas alturas de apilamiento
netas de hasta 3 m. Gracias al uso de los más
nuevos materiales (material compuesto de
fibra de carbono CFK), este producto resulta
extremadamente ligero y a la vez muy rígido.
50
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 KUKA

Roboter GmbH.
Tipos de robots:

Carga muy pesada (360 kg a 1000 kg)
KR 1000 L750 titan
Cuando se trata de salvar con rapidez
distancias de hasta 7,5 m y manipular con
precisión por ejemplo bloques de motor,
piedras, piezas de vidrio, vigas de acero,
piezas navales y aeronáuticas, bloques de
mármol o prefabricados de hormigón, entre
otros muchos, el KR 1000 L750 titan es la
elección correcta.
51
Aplicaciones en la industria

Fabricantes de sistemas robóticos.
 Otros




fabricantes:
ABB.
Bosch.
Mitsubishi.
Fanuc.
52
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Sistema de soldadura y cortado por plasma.
53
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Línea de montaje en industria de Automóviles.
54
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Embalaje de productos.
55
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Pintura de productos (automóviles).
56
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Centro de cirugía robótica (Clínica Indisa)
57
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Sistemas de Almacenaje/Logística (AS-RS)
58
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Autostadt (Alemania) fábrica de Volkswagen en Woflsburg.
59
Aplicaciones en la industria

Ejemplos de Aplicaciones.
Robocoaster: ¿Entretención?
60
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Tipos de articulaciones