El robot no puede alcanzar ni tocar algo y no puede por tanto manipular su entorno.
Los robots más sofisticados en la Ciencia, Industria e Investigación y Desarrollo tienen al menos un brazo para sujetar, reorientar o mover objetos. Los brazos extienden el alcance de los Robots y los hacen más parecidos a los humanos. Debido a todas las capacidades extra que proporcionan a un robot es interesante que los brazos no sean en absoluto difíciles de construir. los diseños que tu hagas de brazos se pueden emplear como robots estacionarios del tipo de los utilizados en la fábricas, o se pueden colocar sobre un robot móvil como un apéndice.
Aquí tratamos del concepto y diseño teórico de brazos robóticos. Cuando hablamos de brazos por lo general queremos decir solo el mecanismo del brazo, excluida la mano. Sobre la construcción de mano robóticas y de cómo pueden ser añadidas a los brazos para completarlos añadiéndoles una nueva función hablaremos más adelante.
EL BRAZO HUMANO
Observemos nuestros propios brazos por un momento. Rápidamente
observaremos varios puntos importantes. Primero, nuestros brazos, sin duda,
son mecanismos enormemente adaptables. Nuestros brazos son capaces de maniobrar
en cualquier posición que se desee, para ello, tienen dos articulaciones
principales: el hombro y el codo (la muñeca, hasta donde la robótica
trata, se considera parte del mecanismo de la mano). El hombro se puede
mover en dos planos, arriba y abajo, hacia detrás y hacia delante.
Si mueves los músculos de tu hombro hacia arriba tu brazo entero
se levanta separándose de tu cuerpo. Si mueves los músculos
de tu hombro hacia delante tu brazo entero se mueve hacia delante. La articulación
del codo es capaz de moverse en dos planos: atrás y adelante, arriba
y abajo.
Las articulaciones del brazo y su capacidad de moverse se llaman grados de libertad. El hombro ofrece dos grados de libertad por sí mismo: rotación del hombro y flexión del hombro. La articulación del codo añade un tercero y cuarto grados de libertad: la flexión del codo y la rotación del codo. Los brazos robóticos también tienen grados de libertad. No obstante en lugar de músculos, tendones, rótulas y huesos, los brazos robóticos están hechos de metal, plástico, madera, motores, electroimanes, engranajes, poleas y otros componentes mecánicos. Algunos brazos robóticos solo proporcionan un grado de libertad; otros proporcionan tres, cuatro, incluso cinco grados distintos de libertad.
TIPOS DE BRAZOS
Los brazos robóticos se clasifican por la forma del área
que el extremo del brazo (donde se coloca la pinza) puede alcanzar. Esta
área accesible se llama envolvente de trabajo. En beneficio de la
simplicidad, la envolvente de trabajo no tiene en consideración
el movimiento del cuerpo del robot sino solo los mecanismos de brazo.
El brazo humano tiene una envolvente de trabajo casi esférica. Podemos alcanzar casi cualquier cosa dentro del alcance de la longitud del brazo, aproximadamente en el interior de tres cuartos de una esfera. Imagina que estás en el interior de una cáscara de naranja vacía, si estás colocado en su interior puedes tocar la piel de la naranja en sus tres cuartas partes.
En un robot, un brazo robótico capaz de tener una envolvente esférica se diría que tiene coordenadas de revolución. Los otros tres tipos importantes de brazos robóticos son coordenadas polares, coordenadas cilíndricas y coordenadas cartesianas o rectangulares. Se observará que hay tres grados de libertad en estos cuatro tipos básicos de brazos robóticos. Miremos un poco más de cerca a cada uno de ellos.
Coordenadas de revolución
Los brazos con coordenadas de revolución se modelan a
partir del brazo humano, de modo que tengan muchas de sus capacidades.
El diseño típico es algo diferente, sin embargo, a causa
de la complejidad de la articulación del hombro humano.
La articulación del hombro humano consta realmente de dos mecanismos. La rotación del hombro se consigue mediante el giro del brazo en su base, casi como si el brazo estuviera montado en una plataforma giratoria. La flexión del brazo se consigue moviendo la parte superior del brazo adelante y atrás. La flexión del codo trabaja justo como en el brazo humano, el antebrazo se mueve arriba y abajo.
Los brazos de coordenadas de revolución son un diseño muy elegido para los robots para aficionados, proporcionan mucha flexibilidad y, además, parecen brazos reales.
Coordenadas polares
La envolvente de trabajo del brazo de coordenadas polares tiene
forma semiesférica. Los brazos de coordenadas polares tienen un
diseño cercano al de coordenadas de revolución y son los
más flexibles en términos de poder coger una gran variedad
de objetos esparcidos alrededor del robot.
Una plataforma giratoria rota al brazo entero, igual que en el brazo de coordenadas de revolución. Esta función es análoga a la rotación del hombro; sin embargo, al brazo de coordenadas polares le falta un modo de flexionar el hombro. Su segundo grado de libertad es la articulación del codo, que mueve el antebrazo arriba y abajo. El tercer grado de libertad se consigue variando el alcance del antebrazo. Se extiende o se retrae un antebrazo interior para llevar la pinza más o menos lejos del robot. Sin el antebrazo interior el brazo sólo podría alcanzar objetos colocados en un círculo finito bidimensional frente a él, en lugar de en una esfera, lo que no sería muy útil.
El brazo de coordenadas polares se usa a menudo en robots de fabricación, encontrando su mayor aplicación como dispositivo estacionario. No obstante, puede ser montado sobre un robot móvil para incrementar su flexibilidad.
Coordenadas cilíndricas
El brazo de coordenadas cilíndricas se parece un poco
a una horquilla elevadora robótica. Su envolvente de trabajo se
asemeja a un cilindro grueso, de ahí su nombre. La rotación
del hombro se consigue mediante una base que gira, como en los brazos de
coordenadas de revolución y de coordenadas polares. El antebrazo
se fija a un mecanismo elevador y se mueve arriba y debajo de esta columna
para agarrar objetos de varias alturas.
Para permitir al brazo alcanzar objetos en un espacio de tres dimensiones, se dota al antebrazo con un mecanismo de extensión similar al descrito en el brazo de coordenadas polares.
Coordenadas rectangulares
La envolvente de trabajo del brazo de coordenadas cartesianas
se parece a una caja, es el brazo más diferente a un brazo humano
y a los demás tipos de brazos robóticos, no tiene componentes
giratorias. La base posee una cadena que mueve la columna elevadora arriba
y abajo, y tiene un brazo interior que extiende el alcance más cerca
o más lejos del robot.
Técnicas de activación
Hay tres maneras en general de mover las articulaciones de un
brazo robótico:
- Eléctrica
- Hidráulica
- Neumática
La actuación hidráulica utiliza la presión de depósitos de aceite similares a los usados en equipos de movimiento de tierras y frenos de vehículos. La actuación neumática es análoga a la hidráulica, excepto que se emplea aire comprimido en lugar de aceite u otro fluido. Tanto los sistemas hidráulicos como los neumáticos proporcionan más potencia que los sistemas eléctricos, pero son más difíciles de usar. Además de los propios cilindros de actuación se requiere una bomba que comprima el aire o el aceite, se necesita un vaso de expansión que estabilice la presión y se necesitan válvulas para controlar la retracción o extensión de los cilindros.
