Elements i articulacions de robots industrials

Elements i articulacions

Element: peça o conjunt de peces rígides unides entre elles que té un moviment independent dins d’un mecanisme.

Articulació o parell cinemàtic

Articulació: unió mòbil entre dos elements, el moviment relatiu dels quals és determinat per la geometria del contacte. Aquestes articulacions o parells es poden restringir en graus de llibertat, segons aquesta restricció.

Parells cinemàtics de classe I

En robòtica s’utilitzen prioritàriament els parells cinemàtics o articulacions de classe I següents:

1. Articulació de revolució (moviment de rotació).
2. Articulació prismàtica (moviment de translació).

Cadena cinemàtica

Cadena cinemàtica: conjunt d’elements units entre ells mitjançant parells cinemàtics o articulacions.

Tipus:

• Tancada
• Oberta
• Mixta

Estructura articulada

Parts: base, braç, puny.

Estructures del braç

Classificació dels robots en funció del braç: cartesià o rectangular, cilíndric, esfèric o polar, angular (braç articulat antropomòrfic), SCARA, alimentador de màquina eina o manipulador, vertebrat.

Estructures de puny

Puny: part més allunyada de la base.

Funció del puny: orientació del terminal. En funció del tipus i de la complexitat de la tasca a realitzar, el puny té una estructura d'1 a 3 elements articulats.

• Puny d'1 eix: comú en robots de 4 eixos.
• Puny de 2 eixos: comú en robots de 5 eixos.
• Puny de 3 eixos: comú en robots de 6 eixos.

Configuració

Configuració de l'estructura articulada d'un robot industrial és el conjunt de posicions que adopten cadascun dels seus elements en un moment determinat.

Mobilitat

Mobilitat és la capacitat de l'estructura articulada del robot (o d'una part) per adoptar un gran nombre de configuracions. El concepte de mobilitat també es pot aplicar a una articulació.

Dos tipus de paràmetre

• Grau de mobilitat (DM): nombre de variables necessàries per definir una configuració de l'estructura articulada (o d'una part). En general el grau de mobilitat coincideix amb el nombre d'eixos.
• Camp de mobilitat dels eixos: camp d'existència d'aquestes variables delimitat per les posicions extremes a què poden arribar els eixos.

Grau de llibertat (DM)

El grau de mobilitat DM d'un robot industrial d'estructura oberta enllaçada per articulacions és igual al nombre d'eixos, que coincideix amb el d'elements i amb el d'articulacions.

(Robot industrial amb 5 articulacions i 5 elements mòbils: DM = 5.)

Grau de llibertat del robot (DFR)

El grau de llibertat del robot (DFR) és el nombre de variables que són necessàries per definir la posició del terminal i el seu moviment (DFR ≤ DM).

Grau de llibertat d'una tasca (DFT)

DFT: nombre de variables independents necessàries per realitzar els moviments del terminal en l'execució d'una tasca. (DFT ≤ DFR.)

DFR = DM: no és redundant. DFR < DM: és redundant.

Grau de redundància (DR)

Grau de redundància (DR).

Tipus de redundància:

• Redundància local
• Redundància (pròpiament dita)

Accionaments

Un robot industrial té per missió fonamental l'execució de tasques que impliquen el moviment de l'estructura articulada. Per tant, cal un sistema d'accionament capaç de situar el terminal en una configuració determinada amb la velocitat i precisió especificades.

Símil antropomòrfic

• L'estructura articulada seria l'esquelet del sistema.
• L'accionament seria la musculatura i el sistema neurovegetatiu.

Tipus d'accionament

Actualment, predominança d'accionaments de tipus elèctric.

Motors

Els motors poden seguir una senyal de consigna, controlats en precisió i velocitat.

Característiques:

• Baixa relació pes/potència.
• Parell màxim alt.
• Velocitat màxima elevada.
• Inèrcia pròpia molt baixa.

Tecnologies bàsiques d'actuadores

Les tecnologies bàsiques utilitzades com a motors (o actuadors) per a robòtica són la pneumàtica, la hidràulica i l'elèctrica.

• Pneumàtica: adequada per a sistemes de precisió molt baixa i càrregues moderades.
• Hidràulica: adequada per a robots sotmesos a grans acceleracions o a grans càrregues.
• Elèctrica: ofereix molt bona precisió i possibilitats de control; però, a causa de les grans reduccions necessàries, les acceleracions de la càrrega resulten moderades i el pes pot ser elevat.

Transmissions

Les transmissions per a robòtica han de complir diverses condicions per funcionar correctament:

• Tenir poca massa i inèrcia baixa.
• Tenir rigidesa elevada.
• Eliminar, en la mesura que sigui possible, els jocs.
• Els reductors han d'admetre velocitats d'entrada elevades i parells màxims alts.

Conjunt motor-transmissió

- L'ús de sistemes hidràulics, que no necessiten reductors i tenen una relació pes/potència baixa, va portar a optar per la situació immediata de l'actuador a l'eix accionat.

- En els primers robots elèctrics hi havia necessitat de grans reduccions i un elevat pes del conjunt.

- Evolució: robots elèctrics amb situació immediata de l'actuador a l'eix.

Sensors

De posició

Potenciòmetres (basats en una resistència variable) i resolvers (basats en una tensió induïda), que donen un senyal analògic.

Codificadors (basats en el comptatge d'impulsos fotoelèctrics creats per un disc amb ranures), que donen un senyal digital. Els codificadors poden ser:

• Incrementals: per comptatge; es coneix la posició a partir d'una referència inicial.
• Absoluts: basats en una lectura múltiple que permet conèixer la posició absoluta.

Controlador

La funció del controlador és comparar el valor real de la variable amb el valor de consigna i originar un senyal de control que tendeixi a corregir aquesta desviació.

Control de posició i velocitat: el controlador implementa llaços per mantenir la posició i la velocitat desitjades del terminal, ajustant l'accionament segons les diferències observades.