Robot industrial

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
KUKA Industrial Robots IR

Un robot industrial és una màquina electrònica manipulador multifuncional, reprogramable, capaç de moure càrregues, matèries, peces, eines o dispositius especials, a través de moviments i trajectòries variables, programades per realitzar diferents tasques.

Camps d'aplicació[modifica | modifica el codi]

Automatització de fosa amb un robot

Cada robot està dissenyat i construït per poder realitzar una sèrie de tasques específiques. Els principals camps més destacats d'aplicació de la robòtica són:

  1. Assistència, on el robot realitza operacions amb relació directa amb l'home amb un context variable i “personal”. Dins aquest camp es pot aplicar el seu ús en pròtesis, ortosis, reabilitació...
  2. Exploració, on el robot desenvolupa tasques del tipus informatiu (cerca, localització, supervisió,...) o tasques físiques (extracció, presa de mostres, recuperació d'objectes...). Aquestes tasques es poden desenvolupar en ambients marítims, terrestres, militars, de l'espai, o en mineria.
  3. Producció, àmbit de la robòtica industrial, on el robot es troba en un entorn que és pràcticament invariant. En aquest àmbit els robots solen estar dissenyats per realitzar operacions de manipulació d'objectes (càrrega, descàrrega, manutenció,...), fabricació (tall, deformació, fresat, recobriment, ...), assemblat (soldadura, inserció, ....), verificació (mesura, inspecció, ...).

Atributs d'un robot[modifica | modifica el codi]

Comandament d'un Robot ABB 5

Es defineixen els atributs d'un robot, com cada un de les propietats o qualitats que aquest pot tenir i que el diferencien dels altres. Com a atributs es poden trobar:

  1. La mobilitat, la qual està altament associada a la forma del robot. Aquest atribut, es pot referir a tot el conjunt del robot o bé, limitar-se només a certes parts (cos, braç, elements terminals...). Es poden distingir dues formes de mobilitat; translacional i articulat.
  2. La governabilitat, és la capacitat que té un robot per ser controlat des de fonts exteriors. La forma de controlar robots, pot funcionar tant per programa, com de forma gestual o textual.
  3. Autonomia és la capacitat de que disposa un robot per captar, conèixer i/o reconèixer el seu entorn. La capacitat de prendre decisions o planificar tasques per sí sol. I La capacitat d'adaptació, cooperació i aprenentatge.
  4. La polivalència és la capacitat que té un robot per portar a terme diferents tasques amb més o menys diferència.

Morfologia[modifica | modifica el codi]

Robots amb forma de gos per ús militar

La morfologia d'un robot es defineix com la forma, parts, modificacions i transformacions que un robot té o pot realitzar gràcies a la seu funcionament, forma i disseny. A partir d'aquesta característica podem distingir els robots segons.

  1. La seva arquitectura, on es pot distingir robots de naturalesa fixa o metamòrfica, es troben: robots poliarticulats, mòbils, androides, zoomòrfics i híbrids.
  2. A partir dels seus subsistemes funcionals, havent-hi: els sistemes d'accionament (elements motors, transmissions, engranatges, ...), sistemes sensorials per detectar posició, moviment, tenir visió, tacte, i finalment sistemes de control amb diferents tipus de software i hardware.
  3. Segons els seus subsistemes estructurals, distingint: el cos (estructura del cos, elements rígids, ...), braços ( que poden ser cartesians, polars, cilíndrics, angulars, ...), elements terminals fixes o intercanviables (eines, instruments de mesura i detecció, actuadors, ...).

Tipus de robots industrials (classificació segons les articulacions)[modifica | modifica el codi]

Segons les articulacions utilitzades en la seva construcció, els robots industrials es poden agrupar en 4 classes o configuracions.

Robots cartesians[modifica | modifica el codi]

L'especificació d'un punt en l'espai de treball es realitza mitjançant les coordenades cartesianes (X, Y, Z). Totes les seves articulacions són de translació. Dins aquest tipus de robot es poden distingir els de tipus pòrtic o tipus pedestal. Com a exemples d'aplicacions d'aquest robot podem trobar el seu ús en: processos de laminació, assemblat, càrrega i descàrrega d'objectes, inserció de components dins retícules, per la realització de talls per xorro d'aigua, ...

Avantatges d'un robot cartesià:

  • Moviments programables i controlables fàcilment.
  • Molta precisió.
  • Velocitat, precisió i capacitat de càrrega constants dins de tot el rang de moviments possible.
  • Simplicitat del sistema de control.
  • Familiaritat amb el sistema de coordenades X, Y, Z.
  • Rigidesa inherent de l'estructura.
  • Cobertura a una gran àrea de treball.
  • Alta capacitat de càrrega.
  • Estructuralment simple, oferint d'aquesta forma bona seguretat.
  • Fàcilment ampliable (ja que sol ser modular).

Desavantatges d'un robot cartesià:

  • Molt voluminós en relació a l'espai de treball cobert.
  • Dificultat per accedir a espais de treball amb difícil accés.
  • Necessitat de manteniment elevat (guies lineals).

(Vídeo d'un robot cartesià)

Robots angulars[modifica | modifica el codi]

Robot antropomòrfic ABB 3

Aquest robot presenta totes les articulacions de rotació i és anomenat antropomòrfic ja que té molta similitud amb un braç humà. La posició de treball s'estableix mitjançant coordenades angulars. Aquest robots es poden trobar en aplicacions de: soldadura a l'arc, manipulació de materials, pintura d'objectes, aplicació de cola, ...

Avantatges d'un robot articulat:

  • Alta maniobrabilitat.
  • Gran accessibilitat.
  • Espai de treball extens en relació al volum ocupat pel propi robot.
  • Disseny mecànic estilitzat, cosa que permet situar-lo en espais de treball reduïts.
  • Operació molt ràpida.
  • Habilitat per efectuar trajectòries complexes de forma contínua.

Desavantatges d'un robot articulat:

  • Té problemes de càrregues i d'inèrcies.
  • És intuïtivament difícil de preveure la seva trajectòria.
  • Els errors de posicionat augmenten a mesura que el braç s'estén.
  • Complicació del sistema de control per poder fer trajectòries rectilínies.

Robots cilíndrics[modifica | modifica el codi]

Aquest robot, presenta una articulació de rotació i dues de translació. La posició del punt de l'espai es realitza mitjançant coordenades cilíndriques. Aquest tipus de robots s'utilitzen en tasques que es realitzen en una àrea de treball cilíndrica.

Avantatges d'un robot cilíndric:

  • Moviments fàcilment controlables i programables.
  • Simplicitat del sistema de control.
  • Bona precisió.
  • Capacitat d'operació ràpida.
  • Bona accessibilitat a les seves zones frontals i laterals.
  • Estructuralment simple.
  • Adequat per l'ús en espais de treball radials.

Desavantatges d'un robot cilíndric:

  • Presenta un espai de treball relativament petit.
  • Necessitat de manteniment elevat degut a la presència de guies prismàtiques.

Robots polars[modifica | modifica el codi]

Aquest robots presenten dues articulacions de rotació i una de translació. La posició a l'espai es realitza mitjançant coordenades esfèriques.

Avantatges d'un robot polar:

  • Moviments fàcilment controlables i programables.
  • Representació de la posició en coordenades polars fàcilment comprensibles.
  • Gran capacitat de càrrega.
  • Operació ràpida.
  • Bona precisió i repetibilitat en el seu abast.
  • Apreciat en aplicacions on cal entrar en túnels horitzontals o inclinats.

Desavantatges d'un robot polar:

  • En general el seu abast no cobreix els 360º.

Altres tipus de robots industrials[modifica | modifica el codi]

A part dels ja esmentats, existeixen també altres tipus de configuracions possibles de robots industrials (que en general no estan tan esteses com les anteriors).

Robot SCARA[modifica | modifica el codi]

Robot industrial SCARA KUKA KR10

Anomenats així per l'acrònim anglès “Selective Compliance Automàtic Robot Arm”, pot presentar 2 o 3 articulacions de rotació i 1 articulació de translació. Aquest robots estan especialment desenvolupats per realitzar tasques d'assamblat electrònic en general de manipulació vertical. A part d'aquest ús principal, també es poden utilitzar per altres tipus de tasca, com ara, l'obertura de portes en les cadenes de fabricació d'automòbils. Aquest robots poden instal·lar-se de forma suspesa per evitar ocupar espai el lloc de treball per la pròpia estructura. Una particuliaritat important és que es pot plegar sobre el "link" anterior.

Avantatges d'un robot SCARA:

  • Té una gran senzillesa geomètrica.
  • Gran rigidesa en l'eix Z i gran docilitat en el pla (eixos X, Y).
  • És un dels robots amb major nombre de ventes malgrat les seves limitacions.
  • Són molt aptes per tasques d'inserció.

Robot Pendular[modifica | modifica el codi]

Robot trompa d'elefant

Aquest robot presenta tres articulacions de rotació compostes per actuar com a una articulació de tipus ròtula. Sol estar instal·lat en una columna o penjat del sostre. Un dels seus usos principals és de muntatge a gran velocitat.

Robot Trompa d'elefant[modifica | modifica el codi]

Aquest robot presenta 6 graus de llibertat i múltiples graus de mobilitat. Disposa d'una gran flexibilitat en totes les direccions, per aquesta raó és molt útil en tasques que requereixen l'accés a espais de difícil accessibilitat. Es pot presentar en una única trompa d'elefant sencera o bé com a element acoblat en altre tipus de robot. Un del seu ús pot ser el de pintat d'interiors de vehicles en cadenes de producció d'automòbils.

Robot de construcció específica[modifica | modifica el codi]

A més a més, existeixen altres tipus de robots de construcció específica que s'han construït per poder realitzar tasques d'una forma diferents o especial que els anteriors robots mencionats no poden realitzar.

Elements terminals d'un robot industrial[modifica | modifica el codi]

Element terminal d'un Robot ABB 1
Robot per tall de peces
Robot KUKA subjectant un vidre

L'element terminal d'un robot es defineix com un mecanisme especial que s'acobla al canell del robot i li permet realitzar una tasca específica. Sovint el disseny de l'element terminal és específic i necessita d'un estudi tant o més exhaustiu que la pròpia elecció d'un robot en un procés. Interessa que els elements terminals utilitzats proporcionin la màxima eficàcia i senzillesa, pesar el mínim possible i aportar un bon grau de fiabilitat en el procés.

Cal distingir els elements terminals segons:

  • La seva capacitat de càrrega.
  • La força d'aprehensió que pot exercir.
  • La geometria i les dimensions de les peces que haurà de manipular.
  • Les toleràncies màximes que presenta degut a la seva pròpia geometria.

Les característiques que cal tenir en compte dels elements terminals són:

  • Moviments que pot realitzar (pot afegir graus de llibertat i mobilitat al robot).
  • El tipus d'actuador que el mou.
  • El temps d'actuació dels seus mecanismes.
  • Tipus de superfícies de contacte de la que està dotat.
  • Tipus de superfícies amb les quals ha d'interaccionar.
  • Les limitacions ambientals inherents a la tasca a la que es destina.

Segons com realitzen la interacció amb els materials a manipular, es poden distingir diferents tipus d'elements terminals:

  1. Element terminal de subjecció a pressió. Aquesta família està formada majoritàriament per pinces que per fregament permeten retenir i transportar elements. Aquest element terminal és el més utilitzat pels robots de manipulació. Aquest element terminal tan pot ser accionat amb tecnologia pneumàtica, elèctrica o hidràulica. La força exercida per la pinça cal que sigui adequada per no causar cap mal a l'objecte manipulat.
  2. Element terminal de subjecció per enganxada. Aquesta família s'utilitza quan és necessari evitar exercir pressió sobre el cos a manipular. Generalment són de disseny específic i adequats de forma òptima al tipus d'objecte que han de manipular.
  3. Element terminal de subjecció d'eines. Aquest tipus d'elements terminals permeten la subjecció de diferents tipus d'eines, pel seu posterior ús, o estan formats per canviadors d'eines que permeten canviar i utilitzar diversos tipus d'eines que porten incorporats. En molts casos, és necessari transportar diferents tipus de senyals (elèctric, pneumàtics o hidràulics) per l'accionament de l'eina.
  4. Element terminal de subjecció per contacte. La família d'elements terminals de subjecció per contacte estan destinats a la manipulació de cossos amb superfície llisa tals com plàstic, vidre, cartró, etc. Aquests elements terminals es subdivideixen en tres subclasses:
  1. Per succió (tipus ventosa), s'aconsegueix crear un buit que manté l'objecte a l'element terminal. Es molt utilitzat degut a la seva simplicitat mecànica, la seva facilitat de manteniment, la seva adaptabilitat i el baix cost d'implantació. A l'hora de seleccionar aquest tipus d'element terminal cal tenir en compte el pes a suportar per escollir la forma i grandària de les ventoses i que l'element a subjectar no sigui porós.
  2. Per imantació, útils per manipular objectes ferromagnètics en ambients nets de llimadures i altres desaprofitaments. És necessari però un control d'imantació que dosifiqui la imantació i que la desactivi quan no es manipulin objectes.
  3. Per adhesiu, utilitzat per la manipulació de petits components quan no son possibles les pinces i es difícil fer el buit. Un exemple podria ser el seu ús en la manipulació de teles tèxtils.

Conceptes bàsics dels robots industrials[modifica | modifica el codi]

Es defineixen conceptes bàsics com a conceptes que cal conèixer a l'hora de dissenyar o escollir un robot per una certa tasca.

Nombre de graus de llibertat 
Nombre de moviments independents que pot efectuar respecte a un sistema de coordenades associat. Cada moviment independent que pot realitzar un robot, li afegeix un grau de llibertat. En l'actualitat els robots industrials presenten valors que van entre 3 i 6 graus de llibertat. El nombre de graus de llibertat que té un robot determina la seva accessibilitat i la seva capacitat per orientar el seu element terminal. Es freqüent que el nombre de graus de llibertat que presenta un robot comercial coincideixi amb el nombre d'articulacions que té. L'elecció del nombre de graus de llibertat necessaris ve determinat pel tipus d'aplicació a la que es destinarà el robot. El màxim nombre de graus de llibertat possibles en un espai 3D és de 6 (3 per posició i 3 per orientació). Per abusos del llenguatge se sol confondre graus de llibertat amb graus de mobilitat (nombre d'articulacions que presenta un robot). El màxim nombre de graus de mobilitat en un espai 3D és infinit. Un augment del nombre de graus de llibertat porta a un augment del preu del robot.
Error de posició 
Un altre de les prestacions en la utilització de robots per a la realització de tasques industrials, és a més de la velocitat i flexibilitat presentats, el baix error de posicionament que posseeixen. Per tal de definir aquest error és necessari tenir en compte tres conceptes bàsics que estan relacionats: Precisió, repetibilitat i resolució.
Resolució
Mínima distància que pot ser garantida a l'hora de moure el TCP (Tool Center Point) és a dir, és el moviment més petit que pot fer. Aquesta característica depèn del sistema de control (nombre de bits) i de les imprecisions mecàniques del robot. Cada eix del robot pot presentar la seva pròpia resolució.
Resolució espacial
Es refereix al mínim increment de moviment del canell (sense element terminal) que pot ser controlat per un robot. La resolució espacial depèn de la resolució del sistema de control del robot (sistema de posicionat i sistema sensorial) i de les imprecisions mecàniques de les seves articulacions. La resolució espacial és la suma de la resolució del sistema de control i de les imprecisions mecàniques. Factors que determinen la resolució de control són el rang de moviments del braç, el nombre de bits del controlador per cada moviment, el moviment del braç pot ser dividit en moviments bàsics i la resolució de cada grau de llibertat es determina de forma separada, la resolució total del sistema de control es calcula a partir de la suma de les resolucions de cada component.
Precisió 
Diferència entre el punt destí programat i el valor mitjà dels punts assolits al repetir diverses vegades el mateix moviment amb càrrega i temperatura nominals. Aquest fet existeix degut a males calibracions, errors en l'arrodoniment dels càlculs, jocs en els elements mecànics, deformacions d'origen tèrmic i dinàmic,... En els catàlegs subministrats pels fabricants apareix la precisió del TCP, però un robot no sempre presenta la mateixa precisió a cada un dels seus eixos.
Repetibilitat
Radi de l'esfera que conté els punts assolits per un robot després d'haver fet diverses vegades el mateix moviment amb condicions de temperatura i càrrega iguals. Per tant, es pot dir que és la capacitat d'un robot per situar-se en un punt on havia anat prèviament. L'error de repetibilitat és degut principalment a causa d'imprecisions mecàniques. Els valors normals de repetibilitat en els robots industrials comercials van entre ±2mm i ±0,01mm.
Capacitat de càrrega 

La capacitat de càrrega d'un robot ve proporcionada pel fabricant i es mostra en el full de característiques del robot. Aquesta dada correspon a la càrrega nominal que pot transportar el robot sense que perdi característiques dinàmiques i considerant sempre la configuració més desfavorable. A l'hora d'avaluar la capacitat de càrrega necessària, s'ha de tenir en compte que l'element terminal no es troba contemplat en les característiques donades.

Velocitat 
La velocitat a la que es pot moure un robot i la càrrega que transporta estan inversament relacionades (a major càrrega menor velocitat i a la inversa). També sol existir una relació inversa entre l'error de posicionament i la velocitat d'un robot. La velocitat d'un robot, pot ser donada per la velocitat de cada una de les seves articulacions o bé per la velocitat mitjana del seu extrem (més útil per l'usuari però més imprecís). La velocitat nominal d'un robot és una dada rellevant pel càlcul dels temps de cicle, sobretot en robots que s'utilitzen per la manipulació o assemblatge. S'ha de considerar que la dada proporcionada pel fabricant correspon al funcionament en règim permanent (implica moviments suficientment llargs). Els temps de parada i arrancada són significatius (fins a assolir la velocitat nominal). Els valors habituals de velocitat oscil·len entre 1 i 4 m/s amb càrrega màxima. La velocitat i l'acceleració màxima a la que pot operar un robot depèn també de la forma en que es troba funcionant.
Docilitat
Capacitat que té un robot per efectuar desplaçaments del canell en resposta a una força exercida sobre ell.
Maniobrabilitat 
Capacitat que presenta un robot per esquivar obstacles a l'hora de fer trajectòries indicades.
Accessibilitat 
Capacitat que presenta el robot d'accedir a un mateix punt de l'espai amb diferents orientacions del TCP.
Àrea de treball o espai de treball
És definit per tots els punts de l'espai on el robot pot col·locar el seu punt extrem. Mai s'ha d'utilitzar l'element terminal acoblat al canell del robot per calcular l'àrea de treball. Cal recordar que l'element terminal es tracta d'un element afegit al robot i varia segons la tasca a la que aquest es troba destinat. En els catàlegs de fabricants sol venir indicada l'àrea de treball mitjançant un dibuix acotat. Si la informació és de tipus numèric l'àrea de treball s'indica mitjançant el rang de recorregut de cada articulació. Un robot industrial ha d'estar dissenyat de manera que el seu espai de treball li permeti arribar a tots els punts necessaris per poder fer la tasca indicada.

Sensors[modifica | modifica el codi]

Robot per magatzem automatitzat

Depenent de la tasca que han de realitzar o bé de la seguretat que hi ha d'haver, molts dels robots industrials estan dotats d'una sèrie de sensors que li permeten obtenir informació tant de l'interior com de l'exterior del robot i poder actuar segons aquestes informació captada.

Per exemple, un robot d'un magatzem automatitzat que transporta objectes i es guia a partir de seguir una línia de color en el terra, és necessari que disposi d'un sensor capaç de captar, reconèixer i distingir aquesta línia. Un altre exemple molt clar de la necessitat de sensors es pot trobar en la situació de que el robot ha de treballar en una zona on hi poden accedir persones i per tant és necessari poder captar aquest fet per tal d'evitar accidents.

Els principals sensors utilitzats en els robots industrials són:

Actuadors[modifica | modifica el codi]

Un actuador és un element motor que li permet al robot realitzar moviments i accions. Tot i que el robot en sí pot ser considerat com a un actuador complex, aquest caldrà que disposi d'elements motors capaços de convertir els senyals de governabilitat i control en moviments i/o accions.

D'aquests actuadors cal tenir en compte la potència consumida, la seva controlabilitat, el pes, volum, la seva velocitat de reacció i resposta, el seu cost i el manteniment necessari.

Els actuadors més comuns són:

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Robot industrial