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MANIPULADORES ROBOTICOS
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EL BRAZO HUMANO  Observemos nuestros propios
brazos por un momento. Rápidamente observaremos
varios puntos importantes. Primero, nuestros
brazos, sin duda, son mecanismos enormemente
adaptables. Nuestros brazos son capaces de
maniobrar en cualquier posición que se desee,
para ello, tienen dos articulaciones principales
el hombro y el codo (la muñeca, hasta donde la
robótica trata, se considera parte del mecanismo
de la mano). El hombro se puede mover en dos
planos, arriba y abajo, hacia detrás y hacia
delante. Si mueves los músculos de tu hombro
hacia arriba tu brazo entero se levanta
separándose de tu cuerpo. Si mueves los músculos
de tu hombro hacia delante tu brazo entero se
mueve hacia delante. La articulación del codo es
capaz de moverse en dos planos atrás y adelante,
arriba y abajo. Las articulaciones del brazo y
su capacidad de moverse se llaman grados de
libertad. El hombro ofrece dos grados de libertad
por sí mismo rotación del hombro y flexión del
hombro. La articulación del codo añade un tercero
y cuarto grados de libertad la flexión del codo
y la rotación del codo. Los brazos robóticos
también tienen grados de libertad. No obstante en
lugar de músculos, tendones, rótulas y huesos,
los brazos robóticos están hechos de metal,
plástico, madera, motores, electroimanes,
engranajes, poleas y otros componentes mecánicos.
Algunos brazos robóticos solo proporcionan un
grado de libertad otros proporcionan tres,
cuatro, incluso cinco grados distintos de
libertad.
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Grados de libertad.   Son los parámetros que
definen la posición y la orientación del elemento
terminal del manipulador. De una manera mas
sencilla, los grados de libertad se pueden
definir como los posibles movimientos básicos
(giratorio y de desplazamiento)
independientes.   Obviamente, un mayor numero de
grados de libertad conlleva a un aumento de la
flexibilidad en posicionamiento del elemento
terminal.   Zonas de trabajo y dimensiones del
manipulador.   La zona de trabajo de un robot es
definida por las dimensiones de los elementos del
manipulador junto con los grados de
libertad.   La zona de trabajo se subdivide en
áreas diferenciadas entre si por la accesibilidad
especifica del elemento terminal ( aprehensor o
herramienta), es distinto la que permite
orientarlo verticalmente o con determinado ángulo
de inclinación.
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Especificaciones Especiales Grados de libertad
- Rotación determina la rotación máxima del
brazo en grados (máximo 360 grados) - Vertical
utiliza un transportador de ángulos para medir el
margen de movimiento en grados del brazo (de
arriba hacia abajo) - Vertical utiliza una
regla para medir el margen de movimiento entre el
punto más bajo y más alto que puede ser alcanzado
por el extremo del brazo Alcance Horizontal -
Mide la distancia (fija) de alcance horizontal
entre la base del robot y el extremo del
brazo Tamaño de la Pinza - Mide el ancho máximo
de los dedos o mandíbulas cuando están
completamente abiertas Peso Manipulable -
Utiliza una serie de pesos pequeños para
determinar cuál es el peso máximo aproximado que
es capaz de manejar el brazo sin quedar
bloqueado Area de Trabajo Barrida - El área
barrida por el brazo manipulador cuando trabaja
puede ser de tres tipos Rectangular, Esférica
(semiesférica) y Cilíndrica.
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• LOS TRES EJES PRINCIPALES DE MOVIMIENTO DEL
  MANIPULADOR
•    Movimiento horizontal (alcance)
•    Rotación
•    Movimiento vertical
• Hay otros tres ejes secundarios ubicados en la
  muñeca del brazo robótico.Estos ejes
  secundarios de movimiento son cabeceo, guiñada y
  giro. El cabeceo es el movimiento de arriba hacia
  abajo, la guiñada es el movimiento lateral de
  lado a lado y el giro es el movimiento de
  rotación. La combinación de los ejes principales
  y secundarios proporciona al robot seis grados de
  libertad, que son los grados de libertad mínimos
  necesarios para replicar los movimientos básicos
  del brazo y muñeca humanos.

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Coordenadas de los movimientos. La estructura
del manipulador y la relación entre sus elementos
proporcionan una configuración mecánica, que da
origen al establecimiento de los parámetros que
hay que conocer para definir la posición y
orientación del elemento terminal.
Fundamentalmente, existen cuatro estructuras
clásicas en los manipuladores, que se relacionan
con los correspondientes modelos de coordenadas,
en el espacio y que se citan a continuación
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Coordenadas de revolución Los brazos con
coordenadas de revolución se modelan a partir del
brazo humano, de modo que tengan muchas de sus
capacidades. El diseño típico es algo diferente,
sin embargo, a causa de la complejidad de la
articulación del hombro humano. La articulación
del hombro humano consta realmente de dos
mecanismos. La rotación del hombro se consigue
mediante el giro del brazo en su base, casi como
si el brazo estuviera montado en una plataforma
giratoria. La flexión del brazo se consigue
moviendo la parte superior del brazo adelante y
atrás. La flexión del codo trabaja justo como en
el brazo humano, el antebrazo se mueve arriba y
abajo. Los brazos de coordenadas de revolución
son un diseño muy elegido para los robots para
aficionados, proporcionan mucha flexibilidad y,
además, parecen brazos reales.
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Coordenadas rectangulares o Cartesinas o
RectilineasLa envolvente de trabajo del brazo
de coordenadas cartesianas se parece a una caja,
es el brazo más diferente a un brazo humano y a
los demás tipos de brazos robóticos, no tiene
componentes giratorias. La base posee una cadena
que mueve la columna elevadora arriba y abajo, y
tiene un brazo interior que extiende el alcance
más cerca o más lejos del robot. El posicionando
se hace en el espacio de trabajo con las junturas
prismáticas. Esta configuración se usa bien
cuando un espacio de trabajo es grande y debe
cubrirse, o cuando la exactitud consiste en la
espera del robot.
 
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Coordenadas polares La envolvente de trabajo del
brazo de coordenadas polares tiene forma
semiesférica. Los brazos de coordenadas polares
tienen un diseño cercano al de coordenadas de
revolución y son los más flexibles en términos de
poder coger una gran variedad de objetos
esparcidos alrededor del robot. Una plataforma
giratoria rota al brazo entero, igual que en el
brazo de coordenadas de revolución. Esta función
es análoga a la rotación del hombro sin embargo,
al brazo de coordenadas polares le falta un modo
de flexionar el hombro. Su segundo grado de
libertad es la articulación del codo, que mueve
el antebrazo arriba y abajo. El tercer grado de
libertad se consigue variando el alcance del
antebrazo. Se extiende o se retrae un antebrazo
interior para llevar la pinza más o menos lejos
del robot. Sin el antebrazo interior el brazo
sólo podría alcanzar objetos colocados en un
círculo finito bidimensional frente a él, en
lugar de en una esfera, lo que no sería muy útil.
El brazo de coordenadas polares se usa a menudo
en robots de fabricación, encontrando su mayor
aplicación como dispositivo estacionario. No
obstante, puede ser montado sobre un robot móvil
para incrementar su flexibilidad.
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Dos junturas de rotación y una juntura prismática
permiten al robot apuntar en muchas direcciones,
y entonces extiende la mano a un poco de
distancia radial.
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Coordenadas cilíndricas El brazo de coordenadas
cilíndricas se parece un poco a una horquilla
elevadora robótica. Su envolvente de trabajo se
asemeja a un cilindro grueso, de ahí su nombre.
La rotación del hombro se consigue mediante una
base que gira, como en los brazos de coordenadas
de revolución y de coordenadas polares. El
antebrazo se fija a un mecanismo elevador y se
mueve arriba y debajo de esta columna para
agarrar objetos de varias alturas.Para permitir
al brazo alcanzar objetos en un espacio de tres
dimensiones, se dota al antebrazo con un
mecanismo de extensión similar al descrito en el
brazo de coordenadas polares.
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Scara (el Brazo de Complacencia Selectivo para el
ensamble) - Este robot conforma a las coordenadas
cilíndricas, pero el radio y la rotación se
obtiene por un o dos eslabones del planar con las
junturas de rotación.
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La resolución del mando.   -  La resolución
espacial es el incremento mas pequeño de
movimiento en que le robot puede dividir su
volumen de trabajo. La resolución espacial
depende de dos factores los sistemas que
controlan y los robots las inexactitudes
mecánicas.   -  Control en la resolución.- Es
determinado por el sistema de mando de posición
del robot y su sistema de medida de regeneración.
Es la habilidad de los controladores de dividir
el rango total de movimiento para la juntura
particular en incrementos individuales que pueden
dirigirse en el controlador. La habilidad de
dividir el rango de la untura en los incrementos
depende de la capacidad de almacenamiento en la
memoria de mando. El numero de incrementos
separados, identificables para un ejemplo en
particular es   Numero de incrementos 2 exp n
Velocidad. En muchas ocasiones, una velocidad de
trabajo elevada, aumenta extraordinariamente el
rendimiento del robot, por lo que esta magnitud
se valora considerablemente en la elección del
mismo.
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Capacidad de carga.   La capacidad de carga no es
mas que el peso, en kilogramos, que puede
transportar la garra de manipulador. Es una de
las características que mas hay que considerar
para la selección de un robot según la tarea a la
que se le destinará.   Exactitud y
repetibilidad.   Factores que perturban la
repetibilidad   1.      Resolución. El uso de
sistemas digitales y otros factores, limitan el
numero de posiciones del robot. 2.      La
cinemática, el error modelado. El modelo de la
cinemática del robot, no describe exactamente al
de un robot real. Por esta, los cálculos de
ángulo de la juntura requeridos contienen un
pequeño error. 3.      Los errores de la
calibración. La posición determinada durante la
calibración puede estar apagada ligeramente,
mientras se esta produciendo un error en la
posición calculada. 4.      Los errores del azar.
Son los errores que no están intrínsecos al
sistema, como la fricción, torcimiento
estructural, la expansión termal, la repercusión
negativa, la falla en la transmisión, etc.
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Repetibilidad. Es la capacidad que el robot tiene
de alcanzar una misma posición con un mismo
movimiento antes efectuado.   La Resolución de
punto esta basada en un número limitado de puntos
que el robot puede alcanzar para éstos se
muestran aquí como los puntos negros. Estos
puntos están típicamente separados por un
milímetro o menos, dependiendo del tipo de robot.
Esto es más complicado por el hecho que el
usuario podría pedir una posición como 456.4mm, y
el sistema sólo puede mover al milímetro más
cercano, 456mm, éste es el error de exactitud de
0.4mm.
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En una situación mecánica perfecta la exactitud y
la resolución del mando se determinarían
continuación  
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La Cinemática de punto y errores de la
calibración son básicamente el cambio en los
puntos en el espacio de trabajo que produce un
error E '. Típicamente las característica
técnicas del vendedor asumen esa calibración y
los errores modelados son cero.  
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Los puntos al azar son errores que impedirán al
robot volver a la misma situación exacta cada
tiempo, y esto puede mostrarse con una
distribución de probabilidad sobre cada punto.  
 
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(No Transcript)
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Puntos en que los cálculos fundamentales son  
Precisión en la repetibilidad. Es la magnitud que
establece el grado de exactitud en la repetición
de los movimientos de un manipulador al realizar
una tarea programada.
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  Clasificación de los robots según la AFRI.
Tipo A Manipulador con control manual o telemando.
Tipo B Manipulador automático con ciclos preajustados regulacion mediante fines de carrera o topes control por PLC accionamiento neumatico, electrico o hidraulico.
Tipo C Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno.
Tipo D Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de estos.
(AFRI) Asociación Francesa de Robótica
Industrial.
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• Técnicas de activación
•  Hay tres maneras en general de mover las
  articulaciones de un brazo robótico
• Eléctrica
• Hidráulica
• Neumática
• La actuación eléctrica tiene que ver con el
  empleo de motores, electroimanes y otros
  dispositivos electromecánicos, es la más sencilla
  y común de aplicar. Los motores para la flexión
  del codo así como los motores para el mecanismo
  de la pinza se pueden colocar en la base o cerca
  de ella. Los motores se conectan a las
  articulaciones a las que sirven mediante cables,
  cadenas o correas.
• La actuación hidráulica utiliza la presión de
  depósitos de aceite similares a los usados en
  equipos de movimiento de tierras y frenos de
  vehículos.
• La actuación neumática es análoga a la
  hidráulica, excepto que se emplea aire comprimido
  en lugar de aceite u otro fluido.

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Tanto los sistemas hidráulicos como los
neumáticos proporcionan más potencia que los
sistemas eléctricos, pero son más difíciles de
usar. Además de los propios cilindros de
actuación se requiere una bomba que comprima el
aire o el aceite, se necesita un vaso de
expansión que estabilice la presión y se
necesitan válvulas para controlar la retracción o
extensión de los cilindros.
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(No Transcript)
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Spar Aerospace Ltd., a Canadian company,
designed, developed, tested and built the RMS.
Remote Manipulator System
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MÚSCULOS ARTIFICIALES Movimiento sin Motor Hay
dos maneras usuales de generar movimiento a
partir de la electricidad Motores y bobinas.
Pero hay una manera distinta y mucho más nueva
para generar movimiento a partir de la
electricidad Aleaciones con Memoria de la Forma
o SMA,s. Estas aleaciones metálicas especiales
sufren cambios en su forma y dureza cuando
experimentan cambios de temperatura y lo hacen
con gran fuerza. Los Músculos Artificiales o
Músculos de Alambre tiran con una sorprendente
fuerza (capaces de levantar miles de veces su
propio peso) y se mueven en silencio con la
apariencia de estar casi vivos. Se pueden
calentar directamente con electricidad y se
pueden emplear en multitud de aplicaciones con
rapidez y precisión.
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Mecanismo y Circuito Básicos Cuando se conecta
el dispositivo, el alambre se contrae levantando
la palanca y el peso. Este dispositivo consta de
las partes que se encuentran en cualquier sistema
de músculos de alambre
Alimentación Proporciona energía para calentar
el Músculo de Alambre. Por ejemplo dos pilas
tipo AA. Sistema de Control Proporciona el
control del "encendido y apagado" del Músculo de
Alambre. Por ejemplo mediante los ojos, manos y
cerebros del operador. Sistema de Regulación
Una parte del sistema eléctrico que limita la
energía del Músculo de Alambre y le protege del
daño sufrido por sobrecalentamiento. Aquí, la
propia resistencia interna de las pilas limita la
máxima cantidad de corriente que pueden producir,
así como que su tamaño está de acuerdo con la
longitud y diámetro del alambre.
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Músculo de Alambre Es el que genera el
movimiento, al estar alimentado, controlado y
protegido por los otros sistemas. Tiene que estar
bien conectado tanto mecánica como eléctricamente
al resto del sistema. Mecanismo Consta de las
grapas, palanca, soporte y demás componentes que
permiten que el músculo de alambre actúe del modo
deseado. El mecanismo también protege al músculo
de alambre de sobreesfuerzos, curvaturas
excesivas y otras solicitaciones que podrían
dañarlo o degradar sus prestaciones. Músculos
de Alambre forma de trabajo Los Músculos de
Alambre pertenecen a la clase de las aleaciones
metálicas que exhiben una propiedad conocida como
Efecto de Memoria de la Forma (SME). Estas
Aleaciones con Memoria de la Forma (SMAs) tienen
una estructura cristalina uniforme que cambia
radicalmente a una estructura diferente a
diferentes temperaturas. Cuando la aleación con
memoria está por debajo de la "temperatura de
transición" se la puede deformar y tensionar sin
daño permanente, más que a la mayoría de los
demás metales. Después de haber deformado la
aleación, si se la calienta (eléctricamente o por
una fuente de calor externa) por encima de su
"temperatura de transición", la aleación
"recupera" la forma anterior y deshace por
completo la deformación previa.
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Aplicaciones Un solo músculo de alambre puede
ejercer una fuerza extremadamente elevada para su
pequeña masa, pero nuevas formulaciones, métodos
de proceso y, lo más importante, nuevos diseños
de circuitos y mecanismos afrontan el lograr un
incremento grande de la eficacia global y la
utilidad de los dispositivos accionados por
grupos de músculos de alambre. Actuadores
Integrados Para incrementar la fuerza total
disponible de un dispositivo accionado por
Músculos de Alambre, se diseñan módulos que
combinan grupos de alambres con sensores de
posición y fuerza, aislamiento térmico,
comunicación y sistemas activos de refrigeración.
Estos actuadores serían los equivalentes
robóticos de los grupos de músculos en los seres
vivos.Cuando se conectan al esqueleto de una
máquina y se conectan a una fuente de energía y
una red de comunicación, estos grupos de
actuadores pueden crear movimiento suave, lineal
y eficaz, sin fuentes de presión neumática o
hidráulica y sin los inconvenientes de tamaño y
peso de los motores.
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Extremidades Artificiales Las extremidades
artificiales constan de un bastidor fuerte pero
ligero, de varios actuadores, incluyen
electrónica de control y están revestidos por una
cubierta de apariencia natural, de manera que
pueden parecerse a un brazo humano y ofrecer un
movimiento muy real y funcional.El usuario
podría controlar el brazo de varias maneras vía
sensores que detectan impulsos en las
terminaciones nerviosas, sensores que actúan
sobre señales de otros músculos, o a través de
interfaces asistidas por ordenador que
interpreten las acciones de los ojos y cabeza y
los conviertan en movimientos del brazo.
Prótesis Activas con Amplificadores
Musculares Puestos sobre las piernas como
prótesis convencionales, las prótesis activas
tienen sensores, amplificadores y grupos de
actuadores de Músculos de Alambre integrados que
permiten a una persona con capacidad muscular
reducida a desplazarse sin muletas ni silla de
ruedas.