Robots industriales
Por regla general, se considera que los robots industriales son máquinas independientes de manipulación susceptibles de llevar a cabo operaciones diversas mediante una programación adecuada y, además, capaces de moverse con un mínimo de tres grados de libertad. Desde este punto de vista, se pueden clasificar los robots en diversos grupos; según la actividad que pueden desarrollar; según la complejidad en que actúan; según la programación que les permite actuar se diferencia, pues, entre los manipuladores simples.
Los robots secuenciales, los robots de aprendizaje, los robots de control numérico y los robots inteligentes.
Los primeros son sencillos sistemas mecánicos dotados de varias articulaciones y que pueden desarrollar múltiples funciones.
Este tipo de ingenios son gobernados directamente por el hombre; su nivel de automatización es, por lo tanto, muy bajo e, incluso, nulo. Los robots secuenciales son manipuladores capaces de realizar, paso a paso y de forma autónoma, tareas de tipo repetitivo cuando se encuentran en un entorno adecuado con condiciones de trabajo prestablecidas. 4
Este tipo de robots puede agruparse en dos grandes grupos: los que tienen secuencia fija (aquéllos en los que no puede variarse ni la secuencia de los pasos ni las condiciones en que éstos se verifican) y los que la tienen variable (en éstos, y gracias a un cierto grado de flexibilidad, es posible modificar tanto una como los otros).
Los robots de aprendizaje constituyen otro grupo importante formado por ingenios capaces de almacenar en su memoria una secuencia que les ha enseñado con anterioridad un operador humano y que, más tarde, ejecutan de forma autónoma, A este tipo se pone el robot mediante control numérico, que recibe las instrucciones acerca de la secuencia de movimientos y las condiciones de trabajo directamente a través de la información numérica.
Finalmente, tenemos el grupo de los robots inteligentes, que representan de hecho el grupo de los robots propiamente dichos. Se trata de manipuladores equipados con sistemas de control altamente sofisticados, provistos de un cierto grado de inteligencia artificial y de una serie de sensores.
Pueden realizar un examen (si bien parcial) de las modificaciones que se producen en el entorno en el que actúan y decidir, en régimen de tiempo real y en función de las condiciones que se dan, cuáles son las acciones que deben llevar a cabo y las secuencias de trabajo que seguirán. Este grupo de robots constituye el nivel más alto de automatización que es posible alcanzar en ingenios de este tipo.
Los robots industriales están constituidos básicamente por su estructura mecánica y por el equipo de control. Ambos componentes juegan un papel fundamental en el correcto funcionamiento del robot y constituyen una demostración del hecho de que la tecnología empleada para la consecución de estas máquinas es de tipo interdisciplinario.
Para explicar con mayor detalle la propia estructura de los elementos que constituyen los robots, así como de la función de cada uno de ellos, establezcamos un paralelismo burdo entre ser humano y robot.
La estructura mecánica del robot, que en nuestro símil haría las funciones de cuerpo, se compone de dos elementos principales: el armazón (que seria el esqueleto humano) y los llamados órganos de potencia, con sus correspondientes transmisiones. El armazón está a su vez formado por diferentes cuerpos unidos entre sí mediante articulaciones, lo que permite variar las posiciones relativas de dichos cuerpos.
Para realizar dichas variaciones, se emplean dos sistemas principales, el prismático o de traslación (designado mediante una P), en la cual un cuerpo describe un movimiento longitudinal respecto de otro gracias al soporte de una guía o carril, y el angular o de rotación (designado mediante una R), el que los dos cuerpos están unidos entre sí por un punto y se desplazan uno respecto del otro angularmente.
Asimismo, en el armazón pueden considerarse tres partes claramente diferenciadas. La primera es el elemento posicionador (que haría las funciones de brazo), constituido por los tres primeros cuerpos y cuya misión es la de situar el extremo del robot en el punto del espacio en el que debe actuar. La segunda es el elemento orientador (que actuaría como la mano humana), cuya función es la de orientar el elemento prensor o herramienta.
Este elemento suele ser angular e independiente del elemento posicionador, debiendo concurrir los ejes de giro de sus articulaciones.
A veces Se emplean muñecas que no tienen tres grados de libertad (muñecas incompletas), debido a que son suficientes para la tarea que tienen encomendada. Este elemento está constituido por un número variable de cuerpos según las exigencias de orientación del sistema. Finalmente, está el elemento prensor o herramienta antes mencionado (en el caso humano, correspondería a los dedos de la mano), que permite al robot aprehender las piezas o tratarlas del modo que se desea. La tipología del órgano prensor depende por completo de la aplicación deseada y, por lo tanto, se diseña específicamente para cada una de ellas. No obstante, se lleva a cabo una investigación profunda para lograr manos de propósito general.
A fin de facilitar las operaciones, se emplean a menudo órganos a prensores dobles. Entre los tipos más usuales, se encuentran las pinzas, dotadas de un número variable de dedos, formas de presión diversas, ventosas e imanes.
En cuanto a los elementos mencionados, los robots pueden clasificarse de diversas formas. Si se atiende a la función de las articulaciones del elemento posicionador, los robots pueden dividirse en cuatro clases principales, designadas con las letras
correspondientes a las coordenadas que se emplean para determinar la posición espacial de su extremo. Estas cuatro clases son las siguientes: robots cartesianos, cilíndricos, polares y angulares. Los robots cartesianos tienen tres articulaciones prismáticas y se designan mediante la secuencia PPP. Existe, asimismo, un tipo especial de estos robots, llamado robot pórtico, que se caracteriza por estar suspendido del techo.
Los robots cilíndricos, que se designan mediante la secuencia RPP, tienen una primera articulación angular y, las dos restantes, prismáticas. Los robots del tipo polar están dotados de las están dotados de las dos primeras articulaciones angulares y una tercera prismática, por lo que se designan mediante la secuencia RRP. Por último, los robots angulares tienen todas sus articulaciones de este tipo (y se designan, por lo tanto, mediante las letras RRR).
Aunque no hay normas fijas para designar cada una de las partes que constituyen los robots, es práctica generalizada darles nombres de partes del cuerpo humano. La parte fija se llama base; los tres primeros cuerpos, tronco, brazo y antebrazo; la segunda articulación, hombro; la tercera articulación, codo y, la cuarta, muñeca.
En cuanto a los órganos de potencia, encargados de dotar de movimiento al armazón descrito, los robots pueden clasificarse según la fuente de energía empleada para accionar los motores de los accionadores y de los sistemas de transmisión (que hacen todos las funciones dela musculatura), Los tres tipos de robots principales, en cuanto al método de accionamiento, son los neumáticos, los hidráulicos y los eléctricos. Los robots del primer tipo son de movimientos simples y carecen de servocontrol de posición. Son muy rápidos, y extremadamente limpios, pueden desarrollar una gran potencia instantánea y no plantear ningún tipo de problemas.
Pero, si bien se impusieron en un principio para tareas simples de manipulación de cargas, hoy han sido completamente desplazados por otros sistemas. Los robots de accionamiento hidráulico son adecuados para realizar las tareas que requieren una mayor potencia.
Este tipo de motor, además de tener una excelente relación potencial masa, es especialmente apto para su empleo en la realización de trabajos en ambientes peligrosos. Presenta ciertas desventajas: su alto costo debido a un funcionamiento que requiere una mecánica muy precisa, un mantenimiento muy cuidadoso y ocasionales problemas de obturaciones de los circuitos de distribución del líquido, así como pérdidas de éste. Por fin, están los robots accionados eléctricamente, cuyo empleo se extiende cada vez más para los empleos en el rango de las potencias bajas y medias.
Presentan la ventaja de la facilidad de transporte y control unida a alta precisión y calidad de movimientos. Se han hecho imprescindibles en ciertas aplicaciones especiales. Los más empleados en los accionamientos eléctricos son los motores de paso a paso, que permiten controlarla posición sin necesidad de medirla, y los de continua. Por su parte, los motores hidráulicos se emplean cuando hay que realizar desplazamientos rápidos sin alejarse de una posición determinada.
Otro elemento que forma parte, progresivamente, de los robots son los sensores (que hacen las veces de los sentidos humanos). Este tipo de dispositivos se clasifican en dos grandes grupos: los propioceptivos (con los cuales se miden propiedades del robot tales como los ángulos de las articulaciones, las velocidades de los movimientos de sus elementos y el funcionamiento de los motores que los accionan, etc.) y los exteroceptivos (que determinan las características del entorno en el que se encuentra el robot y la interacción de éste con él). El primer grupo comprende sensores de posición o velocidad; el segundo, los de percepción táctil, visión, tratamiento de la voz, etc.
El último componente de los robots y, a su vez, el más importante, es el formado por los diversos dispositivos electrónicos complejos (entre los que se cuentan, por ejemplo, los microprocesadores), que se ocupan de realizar cuatro tareas principales: el control de la estructura mecánica, la seguridad de la totalidad del sistema y la programación y tratamiento de la información recogida por los sensores. Su función respecto del símil humano empleado seria la que cumplen en el hombre el cerebro y el sistema nervioso. En cuanto al control del robot, hay tres tipos, que corresponden a tareas y posibilidades diferentes.
Cuando el robot debe realizar una gran variedad de tareas distintas, se lo controla directamente (a distancia); en este caso, la unidad de control es el cerebro del ser humano que lo guía.
Cuando el robot tiene que desarrollar tareas sencillas y repetitivas, el sistema de control suele ser, por regla general, un microprocesador, cuando se le encarga tareas complicadas (soldadura, pintura de piezas, etc), el dispositivo que controla su actividad es un ordenador.
En función de la técnica empleada para el control del robot, éstos se clasifican en dos grupos fundamentales: el de los servocontrolados y el de los no servocontrolados. El último grupo se caracteriza por la imposibilidad de fijar la posición de cada articulación más que en las posiciones extremas. Estas posiciones se fijan generalmente mediante topes de tipo mecánico.
La única posibilidad de variación consiste en el desplazamiento de los topes, lo cual limita al robot en un escaso número de posiciones.
Los robots de esta clase suelen ser de tipo neumático y se agrupan bajo la denominación inglesa de «pick and place». Con los robots servocontrolados, el sistema de control tiene la capacidad de actuar sobre cada una delas articulaciones, fijando sus posiciones en cualquiera de los puntos intermedios de los recorridos que pueden efectuar.
Esta clase de robots comprende, por ejemplo, los de aprendizaje, control numérico e inteligente. Las técnicas de control empleadas en los robots de Servocontrol son muy variadas y dependen de muy diversos factores. Entre ellos, se encuentran los tipos de variables que se controlen: por ejemplo, la posición o la velocidad (control cinético), la actividad de los motores que los accionan (control dinámico) o totalidad de los parámetros del sistema (control de adaptación).
De hecho, el control de los robots se realiza mediante el llamado control punto a punto; es decir, se controlan los puntos de partida y de llegada del extremo del robot, al margen del camino que recorre entre ellos. De todos modos, el control punto a punto ha debido llegar hasta cotas de 80 puntos por segundo para los robots encargados de, por ejemplo, pintar carrocerías.
En esos casos complicados, es muy importante la trayectoria que sigan entre dos puntos consecutivos, que debe ser lo más aproximada posible al control de trayectoria continua. La tendencia general es a realizar los sistemas de control de los robots mediante el empleo de microprocesadores con un componente muy elevado de sistema lógico.
El empleo de sistemas electrónicos de control obliga a que los puntos por los cuales debe pasar el robot se graben en una memoria programando por su parte el robot llevándolo a los puntos por los cuales se desea que pase (programación por enseñanza).
Para realizar dicha programación existen diversos medios: entre ellos, el mando humano del robot hasta las posiciones que se desea que recorra y la grabación de cada una de ellas y el empleo del joystick en la consola de programación, que permite el movimiento simultáneo de dos articulaciones.
Los microprocesadores permiten introducir en los programas un grado mucho más alto de sofisticación. Permiten también el empleo de diversas herramientas informáticas como las subrutinas, los saltos condicionales, los subprogramas, el uso de lenguajes de programación propios para los robots que se pueden introducir mediante una consola de programación adecuada.
Actualmente, existen lenguajes de alto nivel para la programación de robots, que los dotan de gran flexibilidad. Entre los lenguajes de este tipo, destaca el FORTH, las instrucciones que se emplean en estos lenguajes son del tipo 90 ROT L (giro a la izquierda de 90°).
Estos lenguajes están pensados, en su mayoría, para tratar la información recogida por los sensores complejos de los que dispone el robot (visión, tacto, etc.) y para adoptar decisiones en función de las informaciones recibidas por estas vías.
En virtud del empleo de dichos lenguajes de programación, el control del robot puede verificarse hasta en cuatro niveles diferentes: el nivel accionador (que determina el comportamiento del accionador correspondiente a cada uno de los grados de libertad), el nivel extremidad (que controla el desplazamiento y las operaciones que lleva a cabo la extremidad del robot), el nivel objeto (que se encarga de las operaciones que el robot debe realizar con los objetos exteriores a él, tales como el desplazamiento de una pieza de una posición a otra) y, el nivel objetivo (que se emplea para especificar el objetivo que se desea alcanzar gracias a la actividad del robot: por ejemplo, ordenar las piezas (de acuerdo con un cierto criterio, de mayor a menor) que se encuentran distribuida aleatoriamente sobre una superficie cualquiera.
Este último nivel de control implica que el robot disponga de una inteligencia suficiente como para establecer de forma independiente las acciones que debe llevar a cabo y alcanzan entonces, el objetivo impuesto.
