Antonio Illana Martos

Breve descripción del contenido: Componentes y cinemática de manipuladores.
Características y aplicaciones industriales

Descripción y Objetivos
La robótica es una realidad imprescindible en la actualidad, en constante
expansión. Tiene una aceptación y reconocimiento pleno en muchos procesos
industriales: soldadura, montaje, pintura, fundición, control de calidad...
El estudio del manipulador es rico en conceptos mecánicos (análisis en tres
dimensiones de sistemas con múltiples grados de libertad), y obliga a un
trabajo de síntesis de las diversas disciplinas estudiadas.
Los objetivos propios de la asignatura son: Revisión del estado actual y
perspectivas de estos mecanismos. Conocer y manejar los robots del
laboratorio. Resolver los problemas cinemáticos directo e inverso en
manipuladores industriales. Distinguir los procesos industriales en los que
resulta ventajoso el uso de robots. Seleccionar el robot comercial adecuado
para cada aplicación, en base a sus características.

Conocimientos previos
Es importante tener una cierta base de álgebra matricial (impartida
en “Matemáticas I”) y en cinemática de mecanismos (impartidas en “Teoría de
Mecanismos y Máquinas”, o bien en “Sistemas Mecánicos”).

Contenido General del Programa
El programa de la asignatura presenta temas de carácter bien diferente.
Hay cuatro capítulos de carácter descriptivo, generalista y tecnológico. El
primero es una introducción a la robótica, que empieza por sus antecedentes
históricos y desarrollo. Se aprende la terminología fundamental, se muestran
variados ejemplos de robots y se comentan las principales áreas de estudio en
robótica. El segundo tema se dedica a los componentes del robot: eslabones,
transmisiones, motores, sensores y efectores. De las características de
funcionamiento versa el tercer tema. En el último capítulo se revisan los
distintos procesos de fabricación que han sido robotizados, incidiendo en la
selección adecuada del robot.
Los capítulos 4 y 5 estudian la cinemática del robot. Tienen un tratamiento
matemático fuerte y que puede resultar árido para los alumnos con una base
insuficiente en álgebra y mecanismos.


Temas


Tema 1.     Introducción a la Robótica.
Tema 2.     Morfología y componentes de los robots.
Tema 3.     Características del robot.
Tema 4.    Cinemática de manipuladores. Problema directo.
Tema 5.    Cinemática de manipuladores. Problema inverso.
Tema 6.     Aplicaciones industriales. Selección del robot.


Práctica 1.   Identificación de componentes y descripción del mecanismo.
Práctica 2.  Manejo de robots.
Práctica 3.  Calibración de robots.
Práctica 4.  Programación por guiado.


TEMARIO  DESARROLLADO

Tema 1.    Introducción a la Robótica

1.1.  Antecedentes históricos.
1.2.  Origen y Desarrollo.
1.3.  Terminología y ejemplos.
1.3.1.  Definiciones.
1.3.2.  Clasificaciones.
1.3.3.  Movimientos del brazo.
1.3.4.  Ejemplos de Robots.
1.4.  Principales áreas de estudio en Robótica.


Tema 2.    Morfología y componentes de los robots

2.1.  Estructura mecánica.
2.1.1.  Pares cinemáticos y grados de libertad.
2.1.2.  Configuraciones usuales.
2.1.3.  Robots redundantes.
2.1.4.  Rigidez de los eslabones.
2.2.  Transmisión de movimiento.
2.2.1.  Transmisiones.
2.2.2.  Reductores.
2.2.3.  Accionamiento directo.
2.3.  Actuadores.
2.3.1.  Actuadores neumáticos.
2.3.2.  Actuadores hidráulicos.
2.3.3.  Motores eléctricos.
2.3.3.1.  Motores de corriente continua.
2.3.3.2.  Motores paso a paso.
2.3.3.3.  Motores de corriente alterna.
2.4.  Sensores.
2.4.1.  Clasificación.
2.4.2.  Sensores de posición.
2.4.3.  Sensores de velocidad.
2.4.4.  Sensores de presencia.
2.4.5.  Otros sensores.
2.5.  Efectores.


Tema 3.    Características del robot

3.1.  Área de trabajo.
3.2.  Número de grados de libertad.
3.3.  Errores de posición.
3.4.  Velocidad y capacidad de carga.
3.5.  Sistema de control.
3.6.  Disposición en la célula de trabajo.

Seguridad en el trabajo con robots.
3.7.  Tipos y causas de accidentes.
3.8.  Medidas de seguridad y normativa legal.


Tema 4.    Cinemática I. Problema directo

4.1.  Introducción a la cinemática del robot.
4.2.  Sistemas de referencia y cambio de coordenadas en el espacio.
4.3.  Rotaciones y orientación en el espacio.
4.4.  Transformaciones homogéneas.
4.4.1.  Definición y aplicaciones.
4.4.2.  Interpretación geométrica.
4.4.3.  Composición de transformaciones homogéneas.
4.5.  Cadenas cinemáticas.
4.6.  Algoritmo de Denavit-Hartenberg.
4.6.1.  Parámetros D-H.
4.6.2.  Matriz de un elemento y matriz del manipulador.
4.7.  Obtención del modelo cinemático directo.

Tema 5.    Cinemática inversa y relaciones diferenciales

5.1.  Problema cinemático inverso.
5.1.1.  Definición del problema.
5.1.2.  Resolución por métodos geométricos.
5.1.3.  Resolución a partir de la matriz del manipulador.
5.1.4.  Desacoplo cinemático.
5.1.5.  Los métodos iterativos.
5.2.  Relaciones diferenciales.
5.2.1.  Matriz jacobiana.
5.2.2.  Movimientos diferenciales en el espacio.
5.2.3.  Jacobiana inversa
5.2.4.  Configuraciones singulares.

Tema 6.    Aplicaciones industriales. Selección del robot.

Entorno económico y social.
6.1.  Justificación económica.
6.2.  Mercado de robots.
6.3.  Impacto social.
Procesos industriales robotizados.
6.4.  Fundición.
6.5.  Soldadura.
6.6.  Aplicación de materiales: pintura y sellantes.
6.7.  Alimentación de máquinas.
6.8.  Corte.
6.9.  Montaje.
6.10.  Paletizado.
6.11.  Control de calidad. Metrotecnia.
6.12.  Manipulación en salas blancas.

Prácticas de Laboratorio
Las prácticas de laboratorio tienen carácter obligatorio, exigiéndose la
realización de una memoria por cada práctica realizada. Se reservan diez horas
lectivas para su realización.
Las prácticas y sus memorias correspondientes se realizan en grupos de tres-
cuatro alumnos.

Realización y entrega de ejercicios por grupos
Al arrancar el segundo bloque del programa, se hacen grupos de cuatro alumnos
y se entrega a cada grupo una colección de 12 ejercicios, aproximadamente. Los
resultados deberán presentarse antes de los exámenes finales.

Evaluación
La evaluación se apoyará en: memorias de las prácticas, corrección de la
colección de ejercicios propuestos y examen final.

Memorias de las Prácticas:
La memoria de cada práctica se entregará en la semana siguiente a su
realización. Su entrega es imprescindible para aprobar la asignatura.
Las memorias se califican de cero a diez. A aquella que se entregue fuera de
plazo, sin causa suficientemente justificada, se le adjudicará un cero. La
nota obtenida supondrá un 35 % de la calificación final del alumno.
Corrección de la colección de ejercicios propuestos:
La colección de ejercicios se entregará antes de realizar el examen final. Su
entrega es imprescindible para aprobar la asignatura.
La colección se calificará de cero a diez, atendiendo a la corrección de los
resultados, los razonamientos utilizados y la adecuada presentación. La
colección que se entregue fuera de plazo, sin causa suficientemente
justificada, será calificada con un cero. La nota obtenida supondrá un 25 % de
la calificación final del alumno.
Examen Final:
El examen final constará de dos partes bien diferenciadas, una teórica y otra
de problemas. La parte teórica se basa en cuestiones de respuesta breve. En la
parte de problemas se permite el uso de cualquier material. Ambas partes se
ponderan aproximadamente por igual.
El examen final de Junio tiene carácter de reválida de la asignatura,
exigiéndose una nota mínima de 4 sobre 10 para poder aprobar.

La nota final se compone, en consecuencia, en un 35 % de la nota de prácticas,
en un 25 % de la nota por la colección de ejercicios y en un 40 % de la nota
del examen final. Dicha nota final se traducirá en Suspenso, Aprobado,
Notable, Sobresaliente o Matrícula según la normativa al uso.

BÁSICA

- Barrientos y otros. FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA
Libro didáctico, con fotografías, diagramas y ejemplos resueltos.
Deben estudiarse los capítulos 1 a 4, 9 y 10 del texto. Trae pocos ejercicios
prácticos sobre cinemática.

- Apuntes de la asignatura.

TEXTOS DE CONSULTA

- Spong y Vidyasagar.  ROBOT DYNAMICS AND CONTROL.
Superior al anterior para la cinemática.
- Klafter, Chmielewsky y Negin.  ROBOTIC ENGINEERING, AN INTEGRATED APPROACH.
Buena visión de los componentes: motores, sensores, transmisiones...
- Fu, González, Lee. ROBÓTICA: CONTROL, DETECCIÓN, VISIÓN E INTELIGENCIA.
Texto clásico, con una buena colección de ejercicios propuestos y
ejemplos resueltos.
- AENOR. Norma UNE-EN 775, Robots Manipuladores industriales. Seguridad.