Comprender la envolvente de trabajo en robótica
Los robots son diseñados basados en el espacio de trabajo requerido, el volumen al que el efector final de este robot puede alcanzar se conoce como el espacio de trabajo. Por ejemplo, para este robot mostrado, el volumen en sombra azul es el espacio de trabajo. Aprendamos más sobre este concepto crucial de la robótica.
El espacio de trabajo es diferente para diferentes robots. El espacio de trabajo de un robot depende de tres características físicas. La primera es el rango de los joints del robot, tanto lineales como angulares. La segunda característica es el tamaño de su cuerpo, brazo y muñeca. La última característica es el tipo de joints. Diferentes espacios de trabajo son creados modificando estas tres características.
Veamos estos conceptos con la ayuda de un desafío de diseño de robot. Supongamos que tenemos que recolectar cajas de una cinta transportadora y colocarlas en una ubicación destacada. El espacio de trabajo requerido para el robot es obviamente rectangular en forma.
¿Puedes adivinar qué tipo de configuración de robot se ajusta mejor para completar esta tarea? Sí, necesitarías un robot con movimientos lineales en las tres direcciones dentro de este volumen. Este robot tiene tres joints lineales para realizar movimientos en las direcciones X, Y y Z. El efector final de este robot puede recoger el objeto en cualquier lugar dentro de este rectángulo de espacio de trabajo, moverse en los tres ejes y colocarlo según sea necesario. Este tipo de robots se llaman robots cartesianos.
Ahora consideremos el mismo robot, pero esta vez utilizando un efector final diferente, un cortador de metal. Debido a la naturaleza del trabajo, el operador tiene que estar dentro del espacio de trabajo que definimos anteriormente, lo cual puede ser altamente peligroso. Con fines de seguridad, no querrás que este nuevo efector final se acerque a la mano del operador. En resumen, debes bloquear el movimiento del robot en la dirección Y después de este plano rojo.
Para lograr esto, los ingenieros a menudo restringen el movimiento del robot utilizando interruptores de límite electromecánicos, lo cual crea un borde más allá del cual el robot no puede ir en ninguna condición dada. En resumen, aunque el espacio de trabajo sea grande, este robot solo podrá trabajar dentro de este volumen rojo. Este nuevo volumen rojo se llama un espacio de operación.
Continuemos con nuestro siguiente robot y estudiemos un espacio de trabajo diferente. Supongamos que el robot tiene que mover estas cajas de una cinta transportadora a otra. El espacio de trabajo necesario para esta tarea es obviamente de forma cilíndrica. ¿Puedes sugerir algunas modificaciones de diseño para el robot anterior para lograr el nuevo espacio de trabajo? Para lograr el volumen cilíndrico, necesitamos dos movimientos lineales y uno rotativo. Simplemente reemplaza un joint lineal del robot cartesiano por un joint rotativo. Ahora el robot puede girar 360 grados alrededor de su eje central.
Este tipo de robots cilíndricos se utilizan principalmente como mediadores entre dos o tres máquinas masivas para transferir un objeto de una estación a otra. Si observas cuidadosamente, verás que el espacio de trabajo aquí no es un cilindro sólido, tiene una zona muerta en el centro.
¿Sabes por qué hay una zona muerta? Es debido a la limitación física del cuerpo del robot. En este caso, puedes ver que el brazo del robot solo puede retraerse hasta su cuerpo y no más allá. Por lo tanto, siempre habrá un volumen de zona muerta dentro del espacio de trabajo del robot cilíndrico.
Con una simple modificación de diseño, podemos convertir este robot cilíndrico en un robot más versátil que realiza tareas como soldadura de chasis de automóviles. Para esta tarea, el robot tiene que girar en diferentes ángulos complicados. El robot cilíndrico no puede realizar esta tarea.
Todo lo que tienes que hacer para lograrlo es reemplazar otro joint lineal por un joint rotativo. Ahora este joint rotativo puede ir desde aproximadamente 30 grados positivos hasta el suelo. Ahora, usando tu habilidad de visualización, ¿puedes predecir el espacio de trabajo de este robot? Simplemente gira esta forma 360 grados en el eje Z. Obtendrás un espacio de trabajo parcialmente esférico.
Este tipo de robots esféricos pueden realizar fácilmente esta tarea de soldadura con un ángulo. Lo que ves en el área central es la zona muerta de una configuración esférica parcial. Este espacio puede ser una debilidad de eficiencia. Si reemplazamos el último joint lineal de nuestro robot con otro joint rotativo, esto lo convertirá en un robot de coordenadas revolutas, lo que debería reducir la zona muerta y brindarle al robot un mayor alcance. Este robot se parece al brazo humano en este momento.
El siguiente desafío es deducir su espacio de trabajo. Primero, congelemos la rotación del eje Z y descubramos el espacio de trabajo en 2D que surge de los dos joint rotativos restantes del robot. Cuando ambos brazos están completamente extendidos, el efector final puede dibujar un círculo de 280 grados.
Puedes observarlo desde la vista superior. Por qué este joint no puede ir más allá de este límite angular de 280 grados. De todos modos, este es el círculo más grande que este robot puede dibujar. Ahora debemos descubrir el círculo más pequeño que este robot puede trazar.
Este robot traza el círculo más pequeño posible cuando los brazos están doblados de esta manera. Sin embargo, después de cierto movimiento, el círculo no se puede trazar más porque el brazo inferior tocará el cuerpo del robot. El truco para extender el trazado del círculo es simple, simplemente dobla los brazos en dirección opuesta. Ahora puedes trazar el círculo más allá. Esta es la forma 2D combinada que estos dos movimientos de los brazos pueden trazar.
Es fácil descubrir el espacio de trabajo final. El último joint rotativo en la base puede mover todo el robot 360 grados. Así que simplemente gira la forma 2D 360 grados. Ahí lo tienes, este robot tiene un espacio de trabajo esférico. Este robot completamente esférico también tiene una zona muerta, que es mucho más pequeña que la configuración anterior.
En muchas industrias, se utilizan versiones avanzadas de estos robots con joint rotativos más complejos para líneas de ensamblaje, soldadura, pintura en aerosol, etc. Conocer el espacio de trabajo te ayuda de muchas maneras. Esperamos que ahora entiendas los espacios de trabajo de los robots.
