Tipos de Robots y Configuraciones: SCARA y Angular

Tipos de Robots en el Aula

1. Identificación de Robots

1.1. Robot Stäubli TS80

Marca: Stäubli

Modelo: TS-80

Descripción: Robot SCARA de 4 ejes, potente y adecuado para sectores exigentes como automoción, alimentación, plásticos, electricidad y electrónica. Ideal para aplicaciones de alta velocidad y precisión como carga/descarga, ensamblaje, empacado, recogida y colocación, manipulación, y más.

Especificaciones:

• Alcance de 800 mm
• Carga máxima de 8 kg (típica 2 kg)
• Repetitividad de ±0.01 mm
• Carrera de 200 a 400 mm.

1.2. Robot Stäubli TX-60

Marca: Stäubli

Modelo: TX-60

Descripción: Brazo robótico de 6 ejes, con aplicaciones comunes en dispensado, TCP remoto y soldadura.

Especificaciones:

• Carga de 3.5 kg
• Alcance de 600 mm
• Repetibilidad de 0.02 mm
• Peso de 51.4 kg

1.3. Robot KUKA KR 5 Sixx R650

Marca: KukaRobotics

Modelo: KR 5 Sixx R650

Descripción: Brazo robótico compacto de 6 ejes, ideal para aplicaciones de montaje que requieren precisión y velocidad. Puede montarse en el suelo o en el techo, y es fácil de programar y operar con un controlador KUKA basado en PC.

Especificaciones:

• Carga útil de 5 kg
• Alcance de 650 mm

2. Ventajas y Desventajas por Configuración

2.1. SCARA - Stäubli TS-80

Ventajas:

• Alta precisión
• Alta velocidad
• Gran flexibilidad
• Rigidez en sentido vertical

Desventajas:

• Software de control complejo y específico
• Área de trabajo limitada en la parte inferior del robot

2.2. ANGULARES – Kuka KR5 Sixx R650 y Stäubli TX-60

Ventajas:

• Buena relación entre el volumen del área de trabajo y el volumen ocupado por el robot
• Alta versatilidad para diversas tareas

Desventajas:

• Necesitan fabricación precisa debido a las grandes tolerancias en sus ejes, lo que puede causar errores de posicionamiento
• Sistema de control complejo y costoso, requiere alta precisión
• Difícil programación para alcanzar puntos precisos, requiere memorizar movimientos en un mismo plano

Configuraciones y Características

3. Tipos de Configuración y Características

El robot Stäubli TS-80 tiene una configuración SCARA con 4 grados de libertad, adecuada para trabajos con posicionamiento horizontal y movimientos en X-Y-Z y rotación alrededor del eje Z.

Los robots Kuka KR5 Sixx R650 y Stäubli TX-60 tienen configuraciones angulares o antropomórficas (articuladas).

Al seleccionar un robot, se deben considerar varios factores como los siguientes:

• Articulación: Tipos de movimiento y grados de libertad necesarios.
• Área de Trabajo: Zona que el robot puede alcanzar físicamente.
• Capacidad de Carga: Peso e inercia del actuador y la pieza.
• Velocidad: Importante para la productividad.
• Huella: Espacio requerido para montar el robot.
• Repetibilidad: Capacidad de regresar a la misma posición repetidamente. Estos factores diferencian las configuraciones SCARA y ANGULAR.

3.1. Robots SCARA

SCARA, acrónimo de brazo robótico articulado de cumplimiento selectivo, es compatible en el eje X-Y y rígido en el eje Z. Está diseñado para diversas operaciones de manejo de materiales, ideal para aplicaciones de pick & place, montaje y atornillado.

Características:

• Estructura: Dos brazos conectados, controlados por motores independientes para movimiento en X-Y.
• Movimientos: En X-Y-Z y rotación alrededor del eje Z.
• Áreas de trabajo: Cilíndricas, limitadas al frente y lateral, con opciones para trabajar detrás del robot.

Ventajas:

• Velocidad: Entre los robots más rápidos, con cálculos cinemáticos simplificados.
• Precisión: Alta repetibilidad, crucial para aplicaciones de montaje pequeñas y precisas.
• Espacio: Huella más pequeña comparada con robots Cartesianos o Delta de igual alcance.

Desventajas:

• Movimientos limitados: Sin inclinación y vuelco, requiere mecanismos adicionales para estos movimientos.
• Área de trabajo: Limitada en la parte trasera por cables y mangueras.

Aplicaciones:

• Pick & Place: Reubicación de piezas en X-Y-Z con rotación en el eje Z.
• Montaje: Ideal para atornillado y dispensado, adaptando herramientas en el eje del robot.

3.2. Robots Angulares

Los robots angulares simulan los movimientos de un brazo humano con 3 articulaciones de posicionamiento (brazo, antebrazo y muñeca) y, generalmente, 3 articulaciones de orientación para el actuador o herramienta. Existen configuraciones de 5, 6 y 7 ejes, con el séptimo eje permitiendo movimiento adicional gracias a una guía lineal.

Características:

• Movimientos: Tres ejes rotacionales (RRR) para posicionamiento y articulaciones adicionales para orientación.
• Área de trabajo: Volumen esférico, permitiendo gran accesibilidad y maniobrabilidad.
• Aplicaciones: Soldadura, ensamblaje, pintura, paletizado, entre otras.
• Carga: Capacidad de 1 a 200 kg, con modelos adaptados a diversas necesidades.
• Velocidad: Altas velocidades, aunque no tan rápidas como los robots SCARA.
• Repetibilidad: Alta precisión en la repetición de movimientos, con variabilidad mínima.

Ventajas:

• Accesibilidad: Excelente maniobrabilidad, ideal para espacios con obstáculos.
• Versatilidad: Útil en diversas aplicaciones industriales, desde ensamblaje hasta pintura.
• Huella: Menor en comparación con SCARA, optimizando el espacio en el entorno de trabajo.

Desventajas:

• Complejidad: La integración requiere medidas de seguridad específicas.
• Accesibilidad variable: No todos los puntos de trabajo son igualmente accesibles en todas las orientaciones.

Elementos Principales de un Robot

4. Estructura Mecánica

Un robot consta de brazos o bieletas unidos por articulaciones que permiten su movimiento relativo. Estas articulaciones, equipadas con motores eléctricos, engranajes reductores, frenos y rodamientos, controlan la orientación entre los eslabones.

4.1. Movimientos y Grados de Libertad (GDL)

• Desplazamiento lineal (prismática): 1 GDL
• Giro (rotacional): 1 GDL
• Combinaciones (planar, cilíndrico): 2 GDL

4.2. Configuraciones Comunes

• Tres primeras articulaciones: Cruciales para posicionar el extremo del brazo.
• Para posicionar objetos: Se requieren 3 GDL.
• Para orientar objetos: Se necesitan 3 GDL adicionales.
• Total libertad de movimiento: Requiere 6 GDL, aunque muchos robots industriales operan con 4 o 5 GDL.

4.3. Redundancia y Flexibilidad

• Robots con más de 6 GDL: Se denominan redundantes y pueden acceder a más posiciones y orientaciones.
• GDL adicionales: Aumentan el volumen de espacio accesible, como un carril para movimiento longitudinal.

5. Transmisiones

Las transmisiones mecánicas en robótica transfieren potencia desde el actuador hasta la articulación, generalmente utilizando reductoras para ajustar el par y la velocidad del motor a los requerimientos del robot.

5.1. Colocación de Actuadores

• En el eje de articulación: Aumenta la inercia y puede afectar la capacidad de carga y velocidad.
• En la base del robot: Optimiza el rendimiento pero presenta desafíos en la transmisión del movimiento, afectando la fiabilidad y el mantenimiento.

5.2. Características Deseadas de Transmisión

• Tamaño y peso reducidos
• Alta precisión
• Baja pérdida de energía
• Durabilidad y capacidad para funcionar continuamente a un par elevado

5.3. Reductores

Adaptan la velocidad y el par del motor a los requisitos del robot. Los reductores utilizados en robótica deben cumplir con condiciones exigentes de precisión, velocidad, tamaño, peso, bajo rozamiento, alta rigidez torsional, y mínima holgura angular.

5.4. Accionamientos Directos

Transmiten movimiento directamente al objeto o sistema sin componentes mecánicos intermediarios, común en robots tipo SCARA.

Configuración: El eje del actuador se conecta directamente a la articulación, eliminando la necesidad de reductores intermedios.

Ventajas:

• Posicionamiento rápido y preciso
• Mayor control del sistema
• Simplificación del componente mecánico al eliminarse piezas de la cadena cinemática

Inconvenientes:

• Requieren motores con par muy elevado o bajas revoluciones, manteniendo la rapidez, lo que encarece el sistema.

6. Sistema Sensorial

El sistema sensorial permite a los robots detectar su entorno y controlar sus movimientos con precisión, adaptándose a diversas aplicaciones industriales.

6.1. Sensores Internos

• Posición: Miden la posición de articulaciones y actuadores, esenciales para el control preciso del movimiento. Ejemplos: Encoders, LVDT.
• Velocidad: Miden la velocidad de movimiento de partes del robot. Ejemplos: Tacogeneradores.
• Presencia: Detectan objetos o personas cercanas. Ejemplos: Sensores inductivos, capacitivos, ópticos.

6.2. Servomotores

Dispositivos electromecánicos que combinan un motor eléctrico con un sistema de control para lograr un movimiento preciso.

6.3. Encoders

Utilizados para retroalimentación de posición. Tipos:

• Incremental: Mide posición relativa mediante pulsos.
• Absoluto: Proporciona posición exacta en cualquier momento.

6.4. Sensores Externos

• Distancia: Miden distancia y posición lineal. Ejemplos: Sensores de distancia.
• Proximidad: Detectan objetos en un rango de distancias. Ejemplos: Sensores inductivos, ultrasónicos.
• Contacto: Responden a la presencia o ausencia de un objeto. Ejemplos: Sensores de pulsador, de fin de carrera.
• Fuerza: Transforman fuerza en señal eléctrica. Ejemplos: Sensores piezoeléctricos.

6.5. LVDT

Miden desplazamientos lineales con alta precisión y linealidad.

Funcionamiento: Utilizan un núcleo móvil y bobinas para inducir voltajes proporcionados al desplazamiento.

7. Sistema de Control de Movimiento

Estos actuadores generan el movimiento de los elementos del robot según las órdenes de la unidad de control, utilizando diferentes fuentes de energía según las necesidades específicas de la aplicación.

7.1. Tipos de Actuadores

• Neumáticos: Utilizan aire a presión para generar movimiento.
  • Cilindros Neumáticos: Pueden ser de simple efecto (movimiento en un solo sentido) o doble efecto (movimiento en ambos sentidos).
  • Motores Neumáticos: Incluyen motores de turbina de aletas y motores de pistones axiales para movimiento de rotación.
• Hidráulicos: Utilizan fluidos incompresibles (como aceite) para generar movimiento, adecuados para aplicaciones que requieren gran fuerza y precisión.
• Eléctricos:
  • Motores de CC: Utilizan corriente continua y son fáciles de controlar. Tipos:
    • Controlado por Inducido: Velocidad aumentada por la tensión del inducido.
    • Controlado por Excitación: Velocidad controlada por la corriente de excitación.
  • Brushless: Motores sin escobillas, que requieren menos mantenimiento.
  • Motores de CA: Utilizan corriente alterna, con control de velocidad mediante variación de frecuencia y conversores estáticos.
  • Motores Paso a Paso: Giran en incrementos precisos según las señales de control, adecuados para movimientos específicos y controlados.

8. Elementos Terminales (Tools)

8.1. Definición y Función

Los elementos terminales, o efectores finales, permiten al robot interactuar directamente con su entorno. Pueden ser de sujeción (para agarrar objetos) o herramientas (para realizar tareas específicas).

8.2. Tipos de Elementos Terminales

• Elementos de Sujeción:
  • Dispositivos de Sujeción Mecánica: Utilizan mecanismos físicos para agarrar objetos.
  • Ventosas: Usan succión para sujetar objetos.
  • Pinzas Magnéticas y Adhesivas: Emplean imanes o adhesivos.
  • Ganchos: Simples y efectivos para ciertas aplicaciones