Robòtica, estructura i moviments

Explica amb les teves paraules què és un robot i quines tres capacitats el defineixen (moure's mecànicament, ser programable i actuar sobre el seu entorn). Raona per què un braç robòtic industrial és un robot però una cinta transportadora fixa, encara que es mogui, no ho és.

Relaciona cada descripció amb el seu tipus de robot: (1) braç fix a terra que solda carrosseries, (2) màquina amb rodes que transporta caixes per un magatzem i (3) braç lleuger que treballa juntament amb persones sense tanca de seguretat, amb: (a) robot mòbil, (b) robot col·laboratiu i (c) robot manipulador industrial.

Un robot col·laboratiu pot compartir taula de treball amb una persona. Explica quines dues mesures de seguretat ho fan possible (limitar-ne la força i la velocitat, i aturar-se en detectar un contacte inesperat) i per què un robot industrial convencional necessita, en canvi, una gàbia o tanca.

Explica què és un grau de llibertat (GDL) d'un robot: cada moviment independent que pot fer una articulació. Posa'n dos exemples: una porta amb frontisses (un sol GDL) i el teu propi braç, que en té molts, i raona per què més GDL signifiquen més postures possibles.

Les articulacions d'un robot poden ser de rotació (giren, com un colze) o lineals, també anomenades prismàtiques (s'estiren, com un calaix). Explica la diferència i posa un exemple quotidià de cada tipus de moviment.

Un braç robot té una base que gira sobre si mateixa, una articulació a l'«espatlla», una altra al «colze» i un canell que rota. (a) Compta els seus graus de llibertat. (b) Explica quin moviment aporta cada articulació a la posició i orientació de l'efector final. (c) Raona per què no podria orientar la pinça en qualsevol direcció sense el canell rotatori.

Entre el motor i l'articulació d'un robot gairebé sempre hi ha un reductor. Explica per què: els motors elèctrics giren molt ràpid amb poc parell, i les articulacions necessiten just el contrari (poca velocitat i molt de parell), i el reductor fa aquesta conversió.

L'articulació d'un robot la mou un motor de $3000\ \text{rpm}$ a través d'un reductor de relació $50:1$. (a) Calcula la velocitat de gir de l'articulació. (b) Si el motor dóna un parell de $0{,}2\ \text{N} \cdot \text{m}$, calcula el parell ideal a la sortida del reductor i el real amb un rendiment del $80\ \%$. (c) Explica què s'ha guanyat i què s'ha perdut en intercalar el reductor.

Un braç robòtic articulat consta d'una barra horitzontal de longitud $L = 0{,}6\ \text{m}$ i massa pròpia $m_b = 4\ \text{kg}$ (amb centre de gravetat al seu punt mitjà), que sosté al seu extrem una pinça amb una peça de massa total $m_p = 2{,}5\ \text{kg}$.

(a) Calcula el parell estàtic total que ha de vèncer l'articulació de l'espatlla quan el braç es troba totalment estés en posició horitzontal ($g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$).

(b) Si el braç s'eleva girant fins a formar un angle de $60^\circ$ per sobre de l'horitzontal, prediu quantitativament el nou parell que experimenta l'eix de l'espatlla i justifica físicament la variació respecte a la posició horitzontal.

(c) Per accionar aquesta articulació es proposa un conjunt format per un servomotor de parell nominal continu $\tau_m = 0{,}35\ \text{N}\cdot\text{m}$ acoblat a un reductor amb relació de transmissió $i = 80:1$ i un rendiment mecànic $\eta = 75\,\%$. Determina mitjançant càlcul si el conjunt motorreductor és capaç de sostenir la càrrega horitzontal en règim continu sense sobreescalfar-se.

Explica què és l'efector final d'un robot (l'«eina» que porta al canell i que realitza la tasca) i anomena tres efectors diferents amb la tasca que realitza cadascun: pinça, ventosa i torxa de soldar.

Els sensors d'un robot poden ser propioceptius (informen del mateix robot) o exteroceptius (informen de l'entorn). Classifica aquests sensors: (a) l'encoder que mesura l'angle d'una articulació, (b) una càmera, (c) un sensor de contacte a la pinça i (d) el giroscopi que mesura la inclinació del xassís.

Per a cada tasca d'un robot mòbil, tria el sensor adequat i justifica-ho: (a) seguir una línia pintada a terra (sensors òptics de reflexió); (b) no xocar amb persones ni prestatgeries (ultrasons o làser de distància); (c) agafar un objecte sense aixafar-lo (sensor de pressió a la pinça). Indica en cada cas si és propioceptiu o exteroceptiu.