LA ROBÓTICA AL ALCANCE DE TUS MANOS

Cuando pensamos en la robótica, seguramente nos recuerda historias de ciencia ficción en las cuales entidades robóticas asumen roles protagónicos en las mismas, sin embargo, con el desarrollo de nuevas tecnologías urgidas por la industria 4.0 han surgido y evolucionado nuevas tendencias tecnológicas tales como la inteligencia artificial, el internet de las cosas, y al darle cuerpo a las mismas, la robótica asume un papel que cada día asume un rol protagónico en diversas áreas ya sea para la mejora de la calidad de vida (electrodomésticos como las aspiradoras automatizadas o interactivos como el caso del robot mesonero) y hasta en el área industrial, como es el caso de los robots industriales que en su mayoría son representados por brazos robóticos, robots cartesianos, entre otros.

Un robot consiste en un mecanismo que se caracteriza por dos atribuciones:

• Versatilidad en sus funciones: Capaz de realizar una gran variedad de tareas.
• Programable: Dependiendo de la tarea que se debe ejecutar, se le establecerá las instrucciones específicas que se debe llevar a cabo para cumplir su propósito.

La robótica le da vida a un nuevo ente que mejora la calidad de vida al ser humano en diversas situaciones, y más allá de ser un tema de ciencia ficción, hoy en día es una realidad el hecho de ser una tendencia en constante crecimiento y desarrollo, debido a su versatilidad y precisión en las tareas que desempeñe.

COMPONENTES MORFOLÓGICOS DE UN ROBOT

Dependiendo de la morfología del mecanismo, las partes que lo componen pueden variar, sin embargo las mismas pueden simplificarse en:

Elementos: Son las extensiones que dan forma al cuerpo del robot, pueden ser eslabones que conforman el cuerpo de un brazo robot, como también las ruedas que permiten el movimiento de un robot móvil (como el caso de los coches a control remoto)

Actuadores: Componente electromecánico responsable del movimiento de los componentes, dichos componentes se selecciona de acuerdo al tipo de movimiento que se desee que el robot desempeñe. Entre los más destacados se encuentran los servomotores, los cuales a diferencia de los motores  de corriente continua o alterna convencionales que giran a una determinada velocidad de forma definida, estos aplican un movimiento de desplazamiento angular determinado y con mayor precisión que permite a las articulaciones realizar un movimiento definido por un ángulo inicial y final.

Sensores: Así como los seres humanos disponemos de nuestros ojos para tener vista, oídos para escuchar y tacto para percibir proximidad, los sensores le otorga “sentidos” a los robots que permite darles conocimiento acerca de su entorno, los cuales se disponen de gran variedad, entre los cuales se destacan por sus funciones:

• Proximidad: Para detectar la distancia entre cualquier obstáculo y el robot
• GPS: Ubicación geográfico del ente artificial
• Sonido: Lectura de ondas sonoras en el espacio
• Fuerza: Permite percibir el grado de fuerza o presión que está aplicando cualquier elemento del robot.

ESTUDIOS MATEMÁTICOS DE UN BRAZO ROBOT

Un brazo robot, tal como lo dice su nombre, es un ente mecánico y electrónico con una morfología similar al brazo humano, es decir, cuenta con una serie de elementos (como hombro, antebrazo, mano, dedos) y articulaciones electromecánicas que unen los elementos (como la muñeca, manguito rotador), siendo su extremo final el efector final (como los dedos).

Para una actividad sencilla como lo sería agarrar una taza, nuestros músculos, huesos y articulaciones se posicionan de forma tal que nuestros dedos alcancen el mango de la taza, dicho movimiento lo realizamos de manera intuitiva gracias a nuestro avanzado sistema nervioso, sin embargo el robot no realiza sus movimientos por arte de magia, ni tampoco los adivina, más allá de la activación de cualquier componente electromecánico, detrás de un simple movimiento como lo es la rotación del eslabón de un brazo robot hay una muy amplia serie de procedimientos y cálculos realizados por el cerebro de la máquina, que a su vez, es programada por un usuario experto en el área de la programación de la robótica. No obstante, antes de escribir cualquier código se requiere de los conocimientos básicos para desarrollar las instrucciones básicas necesarias para cumplir el objetivo.

La cinemática permite realizar un estudio del movimiento del robot, la misma se puede realizar de dos formas:

Directa: Predecir la posición del efector final del brazo robot en base a la posición de cada una de las articulaciones.

Inversa: Calcular la posición en cada uno de las articulaciones en base a la posición deseada del efector final.

Para realizar el estudio de la cinemática directa, se realiza una secuencia de pasos dividida en tres etapas:

• Desarrollo de tramas: El procedimiento consiste en implementar una serie de sistema de coordenadas en cada una de las articulaciones que permita representar matemática a cada uno de los componentes, siendo el origen del sistema la articulación, el eje z su eje de rotación y su eje x el eslabón adjunto.
• Matriz de transformación: De acuerdo a la implementación de las tramas, se estructura la matriz de rotación que permite definir la orientación de cada eslabón con respecto al anterior de forma secuencial.
• Algoritmo Denavit-Hartenberg: Se construye una matriz homogénea que dependerá de los datos geométricos del robot, específicamente la distancia perpendicular y horizontal entre articulaciones secuenciales y orientación del eje de rotación de cada articulación. Una vez obtenida la matriz se procede al producto matricial entre la matriz de rotación y la matriz homogénea.

HERRAMIENTAS PARA SIMULACIÓN

Una de las principales desventajas de implementar un robot son los altos costos que puede representar obtener cada uno de sus componentes, convirtiéndose en un alto riesgo de inversión para la industria. Sin embargo, hoy en día se han creado una amplia serie de simuladores que permite realizar un modelo virtual que sea capaz de imitar las características físicas y mecánicas del robot, dándole también al usuario la posibilidad de enviar instrucciones al robot, así como también recibir lecturas suministradas por el robot modelado.

• Simulador numérico: Como se ha observado previamente, se requiere de herramientas matemáticas que permiten realizar los cálculos necesarios para transmitir las instrucciones concretas que nos permitirá obtener los resultados deseados, Matlab permite al usuario contar con múltiples facilidades matriciales que permite representar al robot como una función matemática.
• Simulación dinámica: El simulador Gazebo es uno de los más usados hoy en día, ya que consiste en un simulador de mundo virtual que permite interactuar con nuestro mecanismo de forma recíproca, facilitándole al usuario todo tipo de herramientas para hacer un modelo lo más fiel posible al ente que se desea simular, ya sea sus elementos, articulaciones, sensores tomando en cuenta características como la colisión, geometría (la cual puede ser moldeada por medio de figuras básicas o cualquier software CAD como Blender) y cada detalle del mundo virtual en el que se desenvuelve como la gravedad, campo magnético, obstáculos, entre otros. Gracias a este tipo de simuladores es posible verificar el correcto diseño del robot, así como comprobar si el código redactado para el mismo funciona de manera adecuada.

HERRAMIENTAS PARA PROGRAMACIÓN

La programación de un robot depende netamente de no solo la funcionalidad del robot, sino de su composición electrónica, ya que al redactar un código, para implementarlo a un sistema físico, ya sea un motor o un sensor se requieren de interfaces específicas que varían dependiendo de la marca del componente. Sin embargo alguna delas herramientas con las que se cuenta para iniciar el desarrollo de un controlador robótico se cuenta con:

Arduino:  es una placa que dispone de los componentes electrónicos (micro controlador, pines de entrada y salida, conectores de energía, etc) necesarios para realizar operaciones mecatrónicas haciendo uso de su software de fuente abierta que consiste en un lenguaje C básico. El Arduino cuenta con una amplia serie de aplicaciones simples, sin embargo su gran versatilidad hace posible una serie de funciones, siendo una de las la programación de robots diferenciales y brazos robot.

ROS: Robot Operating System es un entorno de trabajo que facilita el procedimiento de desarrollo de aplicaciones robóticas, contando con una amplia serie de librerías que resumen el procedimiento, entre las cuales destacan las herramientas de navegación. Usualmente un código suele ser exclusivo para un modelo de robot específico, una de las principales ventajas que ofrece ROS es la posibilidad de reutilizar herramientas informáticas desarrolladas para un modelo específico para un modelo diferente por medio de la implementación de múltiples nodos con funciones independientes que en conjunto permiten realizar la función deseada. El entorno funciona en lenguaje Python y C++. Una de sus principales facilidades es la disposición de simuladores que permiten testear el código con un modelo virtual.

Controles Lógicos Programables: Por medio del uso de la lógica de reles, los PLC facilita el control de un robot, siendo su principal ventaja su capacidad de operar en ambientes industriales.

SIMULACIÓN Y PROGRAMACIÓN INDUSTRIAL

Los robots industriales (especialmente los brazos robóticos) han dispuesto de una tendencia creciente los últimos años, de acuerdo con la IFR (Federación Industrial de Robótica) en los años 2017 y 2018 se ha estimado el comercio a nivel internacional de mas de 380 mil unidades de robots industriales. Este hecho ha demandado el desarrollo de nuevas herramientas informáticas que permiten agilizar el proceso de programación de robots industriales con fines de manufactura.

Autodesk ha proporcionado la herramienta PowerMill, programa CAM (Manufactura asistida por ordenador) que permite al usuario proporcionar las instrucciones necesarias para que la maquina a operar realice las maniobras necesarias con el fin de obtener los resultados deseados, ha sido aplicado a tecnologías CNC, la cual consiste en control numérico asistido por computadora que permite establecer las coordenadas donde opera la máquina herramienta.

PowerMill Robot proporciona las herramientas necesarias para el desarrollo de programas robóticos que instruirán al robot cada uno de los pasos que el operador desea que ejecute.

¿Cómo funciona?

El procedimiento consiste en la generación de trayectorias (puntos a seguir para lograr el desplazamiento deseado por medio del recorrido más eficiente), simular la trayectoria para analizar y  confirmar que el programa funciona correctamente, crear el programa e implementarlo al robot.

Primero que nada, es importante destacar que existen diversos diseños de robots industriales patentados, y como se mencionó anteriormente, se requiere de drivers y componentes específicos que son requeridos para realizar la interfaz entre el operador y la máquina, las herramientas informáticas que son proporcionadas por PowerMill Robot soportan los robots de las manufactureras:

• Kuka
• ABB
• Kawasaki
• Hyundai
• Universal Robot
• Staubli
• Motoman
• Fanuc
• Comau
• Epson
• Nachi

PowerMill cuenta con una ventana de generación de trayectorias y un área gráfica, las cuales son usadas para la planificación de las instrucciones a realizar para el proceso de manufactura por la herramienta correspondiente por medio del control numérico computacional (CNC). PowerMill Robotics proporciona las herramientas necesarias para la programación y simulación del robot que se hará cargo de manipular la herramienta de corte para el proceso de manufactura. El proceso de simulación se ejecuta en las siguientes etapas:

• Posicionamiento del robot: Por medio de la librería suministrada por PowerMill Robot que incluye robots de las manufactureras seleccionadas previamente, se posiciona el robot que se desea simular y posteriormente crear su programa.
• Posicionamiento del objeto a moldear: Se posiciona el objeto a moldear en la simulación.
• Simulación de trayectoria planificada: Se analiza la trayectoria que el robot ejecutará para realizar las operaciones por medio de la recreación del movimiento de cada uno de sus articulaciones para posicionar al efector final en cada punto del recorrido para ser corregido en caso de no presentar un comportamiento adecuado.

Una vez creadas y verificadas cada una delas trayectorias, el programa calculara los ángulos de cada una de las articulaciones que se deben posicionar en cada instante de tiempo con el fin de que se logre la trayectoria deseada de la herramienta.

En resumen, la robótica mejora la calidad de vida del ser humano, y lejos de ser un área difícil de abarcar, es accesible para el usuario hacer uso de la misma para su propio beneficio, la manufactura avanza cada día y gracias a la robótica el proceso se simplifica y está al alcance de todos, generando como consecuencia más oportunidades y mejores resultados en el proceso.

 

Autor: Pastor Adrián Vicuña, Ingeniero Mecánico de la Universidad Central de Venezuela, con énfasis en automatización industrial y mecatrónica.