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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.
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.
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.
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.
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:
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.
Coordenadas rectangulares o Cartesinas o Rectilineas:La 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
En una situación mecánica perfecta la exactitud y la resolución del mando se determinarían continuación:
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.
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.
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.
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.
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.
Spar Aerospace Ltd., a Canadian company, designed, developed, tested and built the RMS. Remote Manipulator System
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.
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.
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.
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.
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.
