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Tema de discusión: Diseño de brazo robótico y cómo funciona
¿Qué es un brazo robótico?
El brazo robótico es un mecanismo formado por articulaciones, interconectadas a través de articulaciones adecuadas, para lograr los grados de libertad y movimiento espacial requeridos para el trabajo previsto. El manipulador robótico a menudo se puede programar para tareas específicas. Debido a su similitud funcional con una mano humana, también se la conoce como antropomórfica.
Considere una industria manufacturera donde los humanos usan herramientas pero llevan a cabo tareas de extremo a extremo para fabricar un producto ellos mismos. Ahora, un brazo robótico puede realizar muchas operaciones, desde corte de metal, unión de metal, recogida y colocación y ensamblaje de componentes hasta etiquetado de productos, pintura en aerosol, etc., por sí mismo sin intervención humana. El uso de motores eléctricos y dispositivos electrónicos, como microcontroladores, para accionar los enlaces mecánicos y las uniones hace que el manipulador sea autosuficiente y parte importante del diseño del brazo robótico.
La capacidad de un brazo robótico para reproducir los resultados con un error mínimo aumenta su eficiencia y velocidad de operación, por lo que el diseño ideal del brazo robótico reduce el tiempo y el costo del ciclo del producto. Sin la intervención humana, el riesgo de lesiones también se reduce en gran medida, lo que facilita la manipulación de materiales peligrosos.
Tipos de brazo robótico
Robot cartesiano / robot de pórtico: El movimiento espacial y la ubicación se definen en el sistema de coordenadas cartesiano, y su brazo consta de tres articulaciones prismáticas. Los usos de este robot van desde trabajos de recogida y colocación, manipulación de máquinas herramienta, realización de soldadura por arco, aplicación de sellador y realización de operaciones de montaje.
Robot cilíndrico: Los ejes de este robot están configurados en el sistema de coordenadas cilíndricas. Se utiliza para la manipulación de máquinas de fundición a presión, manipulación de máquinas herramienta, realización de operaciones de montaje y soldadura por puntos.
robot esferico / robot polar: Sus ejes forman el sistema de coordenadas polares, y se utiliza en operaciones de soldadura por gas, arco y puntos, fundición a presión de mecanismos de desbarbado y manipulación de máquinas herramienta.
Robot SCARA: Implica el brazo robótico de ensamblaje de cumplimiento selectivo, que es particularmente útil para pequeñas operaciones de ensamblaje robótico. Como sugiere el nombre, proporciona cumplimiento en un plano con dos juntas giratorias paralelas y es rígido en la tercera dirección. Se utiliza para manejar máquinas herramientas, aplicación de selladores, operaciones de ensamblaje y trabajos de recogida y colocación.
Robot articulado: El brazo de este robot tiene al menos tres articulaciones giratorias. Los usos de Robotic Arm Design van desde soldadura por arco y gas, pintura en aerosol, máquinas de desbarbado, fundición a presión y operaciones de ensamblaje.
Robot paralelo: Un robot con juntas prismáticas o giratorias concurrentes. Ejemplos famosos son Stewart Platform y Delta robot. Este tipo de robot se utiliza en simuladores de vuelo en cabina y alineación de fibra óptica.
Robot antropomorfo: Un diseño de robot que se asemeja a una mano humana con dedos independientes.
¿Qué se entiende por diseño de brazo robótico? ?
Diseño mecanico de brazo robótico
Inspirado por una mano humana, el aspecto mecánico del diseño de un brazo robótico se compone de varios enlaces que pueden considerarse como una cadena cinemática. Los enlaces están conectados por articulaciones, que proporcionan las capacidades de rotación y traslación necesarias al mecanismo. La parte del diseño de un brazo robótico que interactúa con el entorno suele ser el último eslabón y se denomina efector final o herramientas de final de brazo (EOAT). Aquí es donde estaría la mano en un brazo humano.
Grados de libertad
En Robotic Arm Design, el grado de libertad (DoF) de un robot se determina utilizando el número total de libertad del cuerpo rígido menos el número de restricciones sobre su movimiento. Estas limitaciones de movimiento a menudo provienen de las articulaciones. Por ejemplo, las uniones prismáticas y de revolución ofrecen cada una un único grado de libertad entre los dos cuerpos que conectan. Una junta universal ofrece dos DoF relativos y una junta esférica ofrece tres DoF relativos.
En el diseño de brazo robótico de sistemas de manipuladores en serie y en paralelo, el efector final se coloca con cinco grados de libertad, que consta de tres DoF de traslación y dos de orientación. Por tanto, se puede obtener una relación directa entre la posición del actuador y la configuración del manipulador.
La fórmula de Grubler se utiliza repetidamente para determinar la DoF de un brazo robótico, que considera que las restricciones a condición de que las articulaciones sean autónomas.
El grado de libertad es descriptivo de un brazo robótico. Por ejemplo, en el caso de un robot en serie, el número denota característicamente el número de juntas rotativas de un solo eje en el brazo, donde un número mayor especifica una mayor flexibilidad en la alineación de una herramienta, por lo que es un parámetro importante para el diseño del brazo robótico.
Espacio de trabajo del robot
El espacio de trabajo del robot (también conocido como espacio alcanzable) se define mediante la colección de todos los puntos a los que puede llegar el efector final. Hay muchas variables de las que depende el espacio de trabajo: las longitudes de los enlaces, los límites de rotación y traslación, la configuración general del mecanismo, etc. El espacio de trabajo de un diseño de brazo robótico en serie se describe en la figura siguiente. Es un espacio de trabajo típico de un brazo robótico de 4 DoF. El grado de libertad (DoF) que ofrece la rotación de la muñeca no se incluye ya que el espacio de trabajo del robot no depende de su orientación.
El volumen de trabajo creado de esta manera define el espacio de trabajo para el robot, que puede modificarse cambiando las longitudes de los enlaces y los grados de libertad permitidos para el mecanismo.
El diseño mecánico puede limitarse a 6 DoF ya que permite todos los movimientos necesarios. Esto puede ayudar a controlar el costo y la complejidad del robot.
A continuación se proporciona una representación típica del espacio de trabajo para varios tipos de brazos robóticos:
Diseño Electrónico de brazo robótico
Control servo motor
Dependiendo de la fuente de alimentación de entrada, los servos son motores AD o DC (operados por batería). En general, los servomotores proporcionan una alta relación de par a inercia, que se logra a través de un sistema de engranajes incorporado. El circuito de control de retroalimentación permite una precisión muy alta. Los servomotores de CC pequeños y compactos son muy populares entre los juguetes, las aplicaciones robóticas educativas y los aviones RC. La mayoría de los servomotores tienen un límite de rotación de aproximadamente 90 a 180 grados.
Sin embargo, algunos motores pueden proporcionar movimientos angulares más altos. La capacidad de ofrecer un nivel extremadamente alto de precisión para la orientación espacial hace que los servomotores sean una opción ideal para su uso en brazos y piernas de robots, dirección de piñón y cremallera y escáner de sensor. Es fácil implementar los lazos de control de velocidad y ángulo ya que estos servos son completamente autónomos.
Cableado del servo: Normalmente, los servomotores tienen tres cables: La tierra se identifica mediante negro o marrón. El poder se identifica a través de rojo. El cable de señal se identifica mediante amarillo, naranja o blanco (3-5 V).
Servo voltaje (cables rojo y negro / marrón): El voltaje de operación del servomotor varía típicamente de 4.8V a 6V. Algunos servomotores de tamaño micro operan a un voltaje menor, y también están disponibles algunos servomotores Hitec, que operan a un voltaje nominal más alto.
Cable de señal (cable amarillo / naranja / blanco): Si bien se proporciona energía al servomotor a través de los cables negro y rojo, los comandos para operar el servo se proporcionan a través del cable de señal. Generalmente, se envía una onda cuadrada lógica de una longitud de onda específica (~ 50Hz) al servo, que lo orienta en un ángulo particular a medida que la longitud de onda se asigna directamente al ángulo del servo. Por ejemplo, en el caso de Arduino Mega, recibe i / ps de la PC para generar la onda cuadrada, que luego controla la orientación angular del servomotor.
Microcontrolador (concepto básico de Arduino)
Los servomotores utilizan microcontroladores para controlar su precisión y ubicación angular. Los arduinos (un microcontrolador de placa única) son un ejemplo que se puede programar según la aplicación. Está diseñado para un procesador Atmel AVR, con estructuras de E / S integradas que se alimentan con conexiones USB.
Control de brazo robótico
Los brazos robóticos pueden tener control manual o capacidad autónoma. En el modo manual, un operador capacitado (programador) le enseña a un robot a realizar su tarea y utiliza un dispositivo de control portátil (una consola portátil) para llevar a cabo el objetivo. Este es un procedimiento relativamente lento.
Un brazo robótico típico tiene una configuración de control de varios niveles, que incluye un microcontrolador, un controlador y una interfaz de usuario basada en computadora. Los conceptos de cinemática inversa se utilizan para proporcionar flexibilidad en los métodos de programación y control. Esta implementación también es posible a través del modo manual. Un microcontrolador típico tiene una placa de programación / desarrollo asociada.
Cinemática inversa
El concepto básico de la cinemática directa es determinar la orientación y la posición del efector final cuando se conocen los ángulos de articulación y las longitudes de enlace del brazo del robot. En Cinemática Inversa ocurre lo contrario cuando se conoce la posición deseada del efector final y el objetivo es conocer los ángulos de articulación para lograr el objetivo.
Por ejemplo, considere la representación de un brazo robótico plano de 2 DoF, como se muestra arriba. Para ubicar el efector final en una posición conocida en el espacio cartesiano, las coordenadas del efector final se convertirán en las variables de entrada xey con respecto a la base, que se toma como origen.
Selección del efector final
Los robots se utilizan para una variedad de aplicaciones. El efector final debe elegirse para cumplir con dicho objetivo. Puede ser una pinza manual diseñada para operaciones de recogida y colocación en una ubicación específica como se muestra a continuación, o una interfaz de soldadura para sujetar los electrodos. El manipulador puede tener una interfaz de una pistola de pintura en aerosol para pintar o una plataforma para simuladores, lo que lo convierte en un mecanismo complejo y la parte más crucial del brazo robótico. El efector final puede ser neumático, eléctrico o hidráulico. Un servomotor generalmente controla los efectores finales.
Ventajas y desventajas del brazo robótico
Ventajas del brazo robótico
- Aumento de la productividad.
- Estos son capaces de utilizar eficazmente los recursos y las materias primas.
- Esto proporciona flexibilidad en el trabajo.
- Reduce el tiempo de ciclo de fabricación del producto.
- Menor rechazo de producto cuenta por defectos.
- Repetibilidad y precisión extremadamente altas, lo que minimiza los errores y mejora el rendimiento.
- Es más seguro manipular materiales peligrosos ya que se reduce el riesgo de muerte.
Desventajas del brazo robótico
- Responsable del paro laboral.
- Costos elevados de instalación de instalaciones y equipos.
- Flexibilidad y funcionalidad limitadas por el diseño en comparación con la mano humana, que puede realizar múltiples tareas.
- La programación para tareas de alta precisión es un desafío.
- Amplio requisito de instalación de sensores para retroalimentación para realizar trabajos de precisión.
- Próximos retos relacionados con la inteligencia artificial y la visión artificial.
- Mantenimiento posterior a averías y retrasos en la línea de producción.
Aplicaciones notables de Robotic Arm
Los brazos robóticos afectan nuestras vidas a gran escala, ya que desempeñan un papel esencial en industrias que van desde el envasado de alimentos hasta la fabricación de automóviles y las aplicaciones espaciales. A continuación se enumeran algunos ejemplos dignos de mención:
En el espacio, la Estación Espacial Internacional (ISS) se instala con el canadá y su sucesor Canadarm2, que son brazos robóticos de múltiples DoF. Canadarm1, oficialmente reconocido como Shuttle Remote Manipulator System (SRMS), se empleó para desplegar, maniobrar y transportar carga útil en orbitadores de transbordadores espaciales. También se equipó con el sistema de sensores Orbiter Boom (OBSS) para evaluar el daño al sistema de protección térmica.
Canadarm-2 juega un papel vital en el montaje y mantenimiento de la ISS y apoya el acoplamiento de naves espaciales y los paseos espaciales de los astronautas.
La Curiosity vagabundo, que aterrizó en el planeta Marte, utilizó un brazo robótico para elegir y colocar instrumentos y recolectar muestras del terreno. Otro módulo de aterrizaje de Marte llamado InSight cuenta con un brazo robótico llamado Instrument Deployment Arm (IDA), que mide alrededor de 1.8 m de largo con articulaciones de hombro y muñeca para llevar a cabo funciones como el despliegue de la sonda de flujo de calor en las profundidades del terreno. También tiene una pinza de cinco dedos y una disposición para montar cámaras.
La misión de la NASA de estudiar asteroides y tomar muestras utilizando la nave espacial OSIRIS-Rex, utiliza el brazo robótico TAGSAM para recolectar las muestras.
Para la seguridad humana y para ayudar a las fuerzas armadas, se fabrican brazos robóticos únicos. El diseño del brazo robótico puede sincronizar su movimiento con el operador, que se encuentra a distancia.
El sistema quirúrgico da Vinci aprobado por la FDA consta de tres a cuatro brazos robóticos interactivos que brindan asistencia quirúrgica con un enfoque mínimamente invasivo.
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Tengo experiencia en Ingeniería Aeroespacial, actualmente trabajando en la aplicación de la Robótica en la Defensa y la Industria de las Ciencias Espaciales. Soy un aprendiz continuo y mi pasión por las artes creativas me mantiene inclinado hacia el diseño de conceptos novedosos de ingeniería.
Con los robots sustituyendo casi todas las acciones humanas en el futuro, me gusta llevar a mis lectores los aspectos fundamentales del tema de una manera fácil pero informativa. También me gusta mantenerme actualizado con los avances en la industria aeroespacial simultáneamente.
