Diseño de un Manipulador Robótico de Cinco Grados de Libertad para Detección de Fallas por Ultrasonido

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA 
 UNIDAD AZCAPOTZALCO 
 
 
 
 
 
 
“DISEÑO DE UN MANIPULADOR ROBÓTICO DE CINCO GRADOS 
DE LIBERTAD COMO HERRAMIENTA PARA UN SISTEMA DE 
DETECCIÓN DE FALLAS MEDIANTE ULTRASONIDO DERIVADO 
DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN SIP 2008 2653” 
 
 
 
 
TESIS 
 
 
Que para obtener el titulo de: 
 
INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL 
 
 
 
 
PRESENTAN: 
 
ENRIQUE GARCÍA TRINIDAD 
IVÁN RODOLFO AGUILAR MARTÍNEZ 
JOSÉ DAVID PÉREZ VÁZQUEZ 
 
 
 
 
 
ASESORES: 
 
M. EN C. AURORA APARICIO CASTILLO 
ING. MARCO ANTONIO CÁRDENAS MARTÍNEZ 
 
 
 
 
MEXICO, D.F. 2008 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 
 
 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 
 
 
 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para la detección 
de fallas por ultrasonido (derivado del proyecto SIP20082653). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aguilar Martínez Iván Rodolfo 
 García Trinidad Enrique 
 Pérez Vázquez José David. 
 
 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Unidad Azcapotzalco 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
Resumen. 
 
 
 
 
 
Resumen 
 
El tema de esta tesis esta centrado en el ámbito de la automatización y el control de calidad, 
debido a que los procesos industriales son cada día mas variados, es necesaria una máquina flexible 
capaz de cubrir el mayor número de aplicaciones. 
En esta tesis se diseña el robot desde el punto de vista mecánico, eléctrico y electrónico. En 
el aspecto mecánico, primeramente se deducen el modelado cinemático directo e inverso, el primero 
se determina usando las representaciones de Denavit-Hartemberg y el segundo usando igualaciones 
de elementos matriciales. Seguidamente se realiza el modelado matemático dinámico del robot 
utilizando la formulación recursiva de Newton-Euler, auxiliándose de un programa de computadora 
para los cálculos. Después se analizan y diseñan los miembros estructurales del robot, entre estos los 
eslabones y árboles de cada articulación. Posteriormente se calculan los motores y la cadena 
cinemática del robot, que son en este caso, transmisión por cadenas y por husillo de bolas. En lo que 
respecta al diseño eléctrico y electrónico se deducen el tipo de dispositivos a utilizar, como son el 
tipo de microcontroladores, el lenguaje de programación a utilizar y los diversos dispositivos 
electrónicos pasivos. 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
Abstract. 
 
 
 
 
 
 
 
Abstract 
 
In this paper, the robot is designed from a mechanical, electric and electronic point of view. 
In the mechanical design, firstly is deduced the forward and inverse kinematics of the robot. 
Forward kinematics is determinate by using the Denavit-Hartemberg representations; inverse 
kinematics is obtained by using equivalent terms on the general transformation matrix. 
At next, dynamics mathematical model is determinate with the Newton-Euler recursive formulation; 
computer mathematical software is used for this purpose. Structural members of the robot are 
designed as the body and the axis of each articulation. Motors and transmissions as the roller chain 
are also designed. During the electric and electronic design, some electronic devices are chosen as 
the microcontrollers and the programming language that controls the movements of the robot. 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
Índice. 
Índice 
Resumen. 2 
Abstract. 3 
Capitulo 1. Generalidades. 6 
1.1 Introducción. 7 
1.2 Automatización. 8 
1.2.1 Evolución de la automatización. 9 
1.2.2 Objetivos de la automatización. 10 
1.2.3 Términos básicos en la producción. 11 
1.2.4 Aplicaciones de la automatización. 13 
1.2.5 la economía dentro de la automatización. 13 
1.2.6 Automatización rígida. 14 
1.2.7 Automatización flexible o programable. 16 
1.2.8 Mantenimiento total productivo (MTP). 17 
1.3 Ultrasonido. 17 
1.3.1 Análisis y diseño. 19 
1.4 Sumario. 24 
Capitulo 2. El sistema. 26 
2.1 Introducción. 27 
2.2 Definición de robot. 27 
2.2.1 Desarrollo histórico de los robots. 28 
2.2.2 Sistema básico de un robot manipulador. 33 
2.2.3 componentes de los robots. 34 
2.2.4 Tipos de robots. 36 
2.2.5 Aplicaciones de los robots. 37 
2.2.6 Selección de los robots. 38 
2.2.7 Los robots en México. 39 
2.3 los robots y la industria. 41 
2.4 los sistemas de un robot industrial. 44 
2.5 Análisis de las posibles alternativas para solucionar el problema en 
cuestión. 
45 
2.6 Sumario. 47 
Capítulo 3. Diseño del robot. 49 
3.1 Cinemática del robot. 50 
3.1.1 Modelo cinematico directo. 50 
3.1.2 Modelo cinematico inverso. 55 
3.2 Dinámica. 59 
3.3 Análisis estructural del robot. 62 
3.3.1 Diseño del eslabón 2. 64 
3.3.2 Diseño del eslabón 1. 72 
3.4 Diseño de la cintura. 81 
3.5 Diseño de la base. 82 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
Índice. 
3.6 Selección de motores. 83 
3.7 Transmisión de cadenas para el eje A. 84 
3.8 Diseño del par de engranes cónicos. 93 
3.9 Diseño de los árboles del robot. 99 
3.9.1 Diseño del árbol A del robot. 100 
3.9.2 Diseño del árbol B del robot. 105 
3.9.3 Diseño del árbol D del robot. 110 
3.10 Análisis del acoplamiento de las catarinas. 117 
3.11 Selección de rodamientos. 119 
3.12 Selección del husillo de bolas. 125 
3.13 Diseño eléctrico-electrónico. 126 
3.13.1 Requerimientos eléctricos del sistema. 127 
3.13.2 Elementos del sistema. 127 
3.13.3 Elección del lenguaje de programación para el control desde la pc. 128 
3.13.4 Elección del sistema de control. 131 
3.13.5 Elección de la etapa de potencia. 134 
3.13.6 Diseño del software. 142 
3.14 Sumario. 142 
Capítulo 4. Costos de fabricación. 144 
4.1 Introducción. 145 
4.2 Modelo de plantación y control de operaciones. 146 
4.3 Programación de la producción. 146 
4.3.1 Grafica de Gantt. 146 
4.4 Estimación del costo del prototipo. 147 
4.4.1 Costo de fabricación. 147 
4.4.2 Partidas del presupuesto industrial. 149 
4.5 Costos de fabricación de la estructura mecánica del robot. 150 
4.5.1 Fabricación de la mesa base. 150 
4.5.2 Fabricación de la base no.1. 151 
4.5.3 Fabricación de la base no.2. 152 
4.5.4 Fabricación del eslabón del brazo. 153 
4.5.5 Fabricación del eslabón antebrazo. 154 
4.5.6 Fabricación de la base del efector final. 155 
4.5.7 Fabricación de la barra guía. 156 
4.5.8 Evaluación de catarinas cadena. 157 
4.5.9 Evaluación de rodamientos. 157 
4.5.10 evaluación de engranes helicoidales. 158 
4.5.11 Evaluación de motores. 161 
4.5.12 Costo de fabricación de las tarjetas de control para el robot. 161 
4.6 Presentación de presupuestos de costos. 164 
4.7 Sumario. 165 
Apéndice A y B. 167 
Conclusión. 208 
Bibliografía. 210 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 6 - Capítulo 1. Generalidades. 
 Generalidades
En este capítulo se explican los sistemas de 
automatización y procesos donde son empleados 
estos sistemas y las variantes que afectan a la 
automatización. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 7 - Capítulo 1. Generalidades.1.1 Introducción 
 
Hasta los primeros años de la década de 1950 gran parte de las operaciones de manufactura 
eran efectuadas con maquinaria tradicional (tornos, fresadoras y prensas) que carecían de 
flexibilidad y requerían de mucha mano de obra capacitada. Cada vez que se fabricaba un producto 
diferente había que cambiar las herramientas y reconfigurar el movimiento de los materiales. El 
desarrollo de productos nuevos y piezas con formas complicadas, requería muchas pruebas por parte 
del operador para poder establecer los parámetros de procesamiento adecuados en la máquina. 
Además con la intervención humana era difícil y muy tardado fabricar piezas que se requirieran que 
fueran exactamente iguales. 
 
En estas circunstancias, que por lo sencillo y común de los métodos de procesamiento eran 
ineficientes y que los costos de mano de obra era una parte importante de los costos generales de 
producción. Se hizo latente la necesidad de reducir la parte desempeñada por la mano de obra en el 
costo del producto; así la necesidad de mejorar la eficiencia y flexibilidad de las operaciones de 
manufactura surgió, en especial por la mayor competencia nacional y global. 
 
La productividad también se volvió un asunto importante, y se define como el uso óptimo de 
todos los recursos como son: materiales, energía, capital, mano de obra y tecnología. Con el 
progreso de la ciencia y la tecnología en la manufactura, comenzó a mejorar la eficiencia de las 
operaciones de manufactura y a declinar el porcentaje que representan los costos de mano de obra 
en el costo total. 
 
La automatización de la maquinaria y las operaciones había alcanzado, en forma 
abrumadora, un pico en la década de 1940. La automatización hace que un proceso u operación 
funcione usando diferentes dispositivos mecánicos, hidráulicos, neumáticos o eléctricos. 
 
En los sistemas automatizados el operador sigue controlando en forma directa, el proceso en 
particular ya que debe revisar cada paso de funcionamiento de la máquina. 
 
Por ejemplo, si se rompe una herramienta durante el maquinado, si las piezas se 
sobrecalientan durante el tratamiento térmico, si comienza a deteriorarse el acabado superficial, 
durante el rectificado o si las tolerancias dimensionales se hacen demasiado grandes en el formado 
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ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 8 - Capítulo 1. Generalidades. 
de láminas, el operador debe de intervenir y cambiar uno o más de los parámetros relevantes en el 
proceso. 
 
El siguiente paso en la mejora de la eficiencia en las operaciones manufactureras fue la 
automatización. Se acuño la palabra automatización a mediados de 1940, en la industria automotriz 
estadounidense, para indicar el manejo y el procesamiento automático de las piezas, en las máquinas 
de producción. Durante las décadas pasadas han ocurrido grandes avances e innovaciones en los 
tipos y grados de automatización, que fueron posibles principalmente por los rápidos avances en la 
capacidad y sofisticación de las computadoras y los sistemas de control. 
 
Un aspecto esencial de la manufactura es el manejo de materiales, esto es, el movimiento de 
las materias primas y las piezas en diversas etapas de acabado a través de la planta. 
 
Se ha desarrollado el manejo de materiales en diversos sistemas, en especial de los que 
incluyen el uso de robots industriales para mejorar la eficiencia. Entre los desarrollos más recientes 
están los soportes flexibles y las operaciones de ensamble. Estos métodos permiten aprovechar por 
completo las tecnologías avanzadas de manufactura, en especial la de sistema de manufactura 
flexible. 
 
1.2 Automatización 
 
Se define la automatización como el proceso de hacer que las máquinas sigan un orden 
predeterminado de operaciones con poca o ninguna mano de obra, usando equipo y dispositivos 
especializados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura. La automatización se logra 
usando diversos dispositivos, sensores, actuadores, técnicas y equipos capaces de observar y 
controlar todos los aspectos del proceso de manufactura, de tomar decisiones acerca de los cambios 
que se deben hacer en la operación y de controlar todos los aspectos de ésta. 
 
La automatización es un concepto evolutivo más que revolucionario. En las plantas 
manufactureras se ha implementado bien, resaltando, las siguientes áreas básicas de actividad: 
 
a) Procesos de manufactura. Las operaciones de maquinado, forjado, extrusión en frío, 
colado y rectificado son ejemplos de procesos que se han automatizado extensivamente. 
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ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 9 - Capítulo 1. Generalidades. 
 
b) Manejo de materiales. Los materiales y las piezas en diferentes etapas de acabado se 
mueven por la planta mediante equipo controlado por computadora, sin conducción humana. 
 
c) Inspección. Las piezas son inspeccionadas automáticamente para comprobar su calidad, 
precisión dimensional y acabados superficiales. Inspección en proceso (cuando se fabrica). 
Inspección post-proceso (inspección después de terminadas). 
 
d) Ensamble. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan en forma automática 
para formar sub-ensambles y por último el producto. 
 
e) Empaque. Los productos se empacan en forma automática. 
 
1.2.1 Evolución de la automatización. 
 
Algunos procesos del conformado metálico se inventaron desde 4000 a.C., sin embargo no 
fue sino hasta el inicio de la revolución industrial, en la década de 1750, que comenzó a introducirse 
la automatización en la producción de bienes. Las máquinas herramientas como tornos revolver, 
máquinas automáticas de tornillo y equipos automáticos de botellas se desarrollaron a finales de la 
década de 1890 y principios de la de 1900. En la década de 1920 se desarrollaron las técnicas de 
producción en masa y las máquinas de transferencia. 
 
Estas máquinas tenían mecanismos automáticos fijos y se diseñaban para fabricar productos 
específicos. Estos desarrollos se plasmaron mejor en la industria automotriz, que produjo autos en 
grandes cantidades a bajo costo (producción en masa). 
 
El gran avance en la automatización comenzó con el control numérico (C.N.) de las 
máquinas herramientas a principios de 1950. A partir de éste histórico desarrollo se ha avanzado con 
rapidez en la mayor parte de los aspectos de la manufactura. Estos aspectos implican la introducción 
de las computadoras en la automatización, el Control Numérico Computarizado (CNC), Control 
Adaptable (CA), Robots Industriales y Sistemas de Manufactura Integrados por Computadora 
(MCI), que incluyen el diseño, la ingeniería y la manufactura ayudados por computadora (CAD, 
CAE y CAM). En la tabla 1.1 se ilustran algunas fechas trascendentes y los avances que se tuvieron. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 10 - Capítulo 1. Generalidades. 
 
Tabla 1.1 Avances de acuerdo a los años. 
{Tabla tomada de Kalpakjian, Serope. Manufactura. México. 1024 pp.}; 
Fecha Avance 
1500-1600 Potencia hidráulica para el trabajo de metales; laminadoras por banda y acuñación. 
1600-1700 Torno de madera; calculadora mecánica 
1700-1800 Torno de mandrilar, cilindrar y cortar tornillos, taladro vertical 
1800-1900 Torno copiador, torno revólver, fresadora universal; calculadoras mecánicas avanzadas 
1808 Tarjetas perforadas de lámina metálica para el control automático del bordado en los 
telares 
1863 Pianola 
1900-1920 Torno con engranajes; máquina automática de tornillos; máquina automática de botellas 
1920 Uso de la palabra robot por primera vez 
1920-1940 Máquinas de transferencia;producción en masa 
1940 Primera computadora electrónica 
1943 Primera computadora electrónica digital 
1945 Uso de la palabra automatización por primera vez 
1948 Invención de transistor 
1952 Primer prototipo de máquina herramienta con control numérico 
1954 Desarrollo de APT (Automatically Programmed Tool), lenguaje simbólico; control 
adaptable 
1957 Máquinas herramientas con control numérico disponibles en el mercado 
1959 Circuitos Integrados. El término tecnología de grupo se usa por primera vez. 
1960 Robots Industriales 
1965 Circuitos Integrados en gran escala 
1968 Controladores Lógicos Programables 
1970 Primer sistema de manufactura integrado; soldadura por puntos de carrocería 
automotrices con robots 
1970 Microprocesadores; robot controlado por mini-computadoras; sistemas flexibles de 
manufactura; tecnología de grupo. 
1980 Inteligencia Artificial; robots inteligentes; sensores inteligentes; celdas de manufactura 
sin operador 
1990 Sistemas Integrados de Manufactura, máquinas inteligentes y basadas en sensores; 
telecomunicaciones y redes globales de manufactura; dispositivos de lógica difusa; 
redes neuronales artificiales; recursos de Internet. 
 
1.2.2 Objetivos de la automatización 
 
Los objetivos principales de la automatización son los siguientes: 
 
a) Integrar diversos aspectos de las operaciones de manufactura para mejorar la calidad y la 
uniformidad del producto. Minimizar los tiempos de ciclo y esfuerzos, con ello, reducir los 
costos de mano de obra. 
b) Mejorar la productividad, reduciendo los costos de manufactura gracias al mejor control 
de la producción. Las piezas se cargan, alimentan y descargan de las máquinas con más 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 11 - Capítulo 1. Generalidades. 
eficiencia; la eficacia de las maquinas es mayor y la producción se organiza con más 
eficiencia. 
c) Mejorar la calidad empleando procesos más repetibles. 
d) Reducir la intervención humana. Evitar aburrimiento y el error humano. 
e) Reducir los daños a las piezas, causados por mal manejo (manual) de las partes. 
f) Aumentar el nivel de seguridad para el personal, en especial bajo condiciones de trabajo 
peligrosas. 
g) Economizar espacio en la planta manufacturera, ordenando en forma más eficiente la 
maquinaria, el movimiento de materiales, y el equipo auxiliar. 
h) Automatización y cantidad de producción. El volumen de producción es crucial para 
determinar el tipo de maquinaria y el grado requerido de automatización para producir piezas 
en forma económica. 
 
1.2.3 Términos básicos en la producción. 
 
La cantidad total producida se define como el número total de partes por fabricar. Esta 
cantidad se puede producir en lotes individuales de diversos tamaños de lote. El tamaño de lote 
influye mucho en la economía de la producción. La rapidez de producción se define como 1a 
cantidad de partes producidas por unidad de tiempo; por ejemplo, por día, por mes o por año. En la 
tabla 1.2, se ven los intervalos aproximados de volumen de producción, aceptados en general, para 
algunas aplicaciones típicas. Los productos experimentales o prototipos representan el mínimo vo-
lumen. 
 
Se pueden fabricar pequeñas cantidades al año en los talleres (Figura. 1.1), usando diversas 
máquinas herramientas, de propósito general (máquinas independientes) o centros de maquinado. 
Esas operaciones tienen gran variedad en las piezas, esto quiere decir que se pueden producir partes 
distintas en poco tiempo sin necesidad de hacer muchos cambios de herramienta y de operaciones 
de producción. Por otro lado, la maquinaria en los talleres requiere, en general, mano de obra 
especializada, y la rapidez y la cantidad de producción son bajas; en consecuencia, el costo por cada 
parte puede ser alto. Cuando las partes implican un gran componente de mano de obra, se dice que 
su producción es intensiva en mano de obra. 
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ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 12 - Capítulo 1. Generalidades. 
 
Tabla 1.2 Volumen anual aproximado de producción 
{Tabla tomada de Kalpakjian, Serope. Manufactura. México. 1025 pp.}; 
Tipo de producción Cantidad producida Productos característicos 
Experimental o de prototipo 1 a 10 Todos 
Piezas o lotes pequeños 10 a 5000 Aviones, maquinaria especial, 
dados, joyería, implantes 
ortopédicos y misiles 
Lotes o gran volumen 5000 a 100, 000 Camiones, maquinaria agrícola, 
motores de reacción, motores 
diesel, partes de computadoras, 
artículos deportivos 
Producción en masa 100, 000 o más Automóviles, 
electrodomésticos, sujetadores, 
recipientes para alimentos y 
bebidas 
 
 
 
 
Figura. 1.1 Fabricación anual en talleres. 
{Kalpakjian, Serope. Manufactura. México. 105 pp.} 
 
La producción de pieza componente suele implicar cantidades muy pequeñas y es adecuada 
en los talleres. La mayor parte de la producción de piezas y partes es en tamaños de lote de 50 o 
menos. En la producción en lotes pequeños, las cantidades suelen ir de 10 a 100 y en ella se usan 
máquinas y centros de maquinado de propósito general, con diversos controles computarizados. La 
A
um
en
to
 e
n 
la
 fl
ex
ib
ili
da
d 
Incremento en la productividad 
Taller 
convencional 
Línea de 
transferencia 
Línea de flujo 
convencional 
Isla de 
manufactura 
 
Línea flexible 
de 
manufactura 
Sistema 
flexible de 
manufactura 
Celda de 
manufactura 
Producción 
con control 
numérico 
independiente 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 13 - Capítulo 1. Generalidades. 
producción en lotes suele ser con tamaños de lote entre 100 y 5000, usa maquinaria parecida a la de 
la producción en lotes pequeños, pero con soportes de diseño especial, para obtener una mayor 
velocidad de producción. 
 
La producción en masa implica cantidades que a menudo son mayores que 100,000; se 
requiere maquinaria de propósito especial (máquinas especializadas) y equipo automatizado para 
transferencia de materiales y partes. Aunque la maquinaria, equipo y herramientas especializadas 
son costosos, la destreza y los costos requeridos en la mano de obra suelen ser relativamente bajos, 
por el alto nivel de automatización. Sin embargo, estos sistemas de producción se organizan para 
una clase específica de productos, por lo que carecen de flexibilidad, La mayor parte de las 
instalaciones manufactureras, trabajan en combinación varias maquinas, y diversos niveles de 
automatización y controles computarizados. 
 
1.2.4 Aplicaciones de la Automatización 
 
La automatización se puede aplicar a la manufactura de todo tipo de bienes, desde materias 
primas hasta productos terminados y en todo tipo de producción, desde talleres hasta grandes 
instalaciones manufactureras. Para tomar la decisión de automatizar una instalación nueva o 
existente de producción se debe tomar en cuenta lo siguiente: 
 
a) Tipo de producto manufacturado. 
b) Cantidad y velocidad de producción requerida. 
c) La fase particular de la operación de manufactura que se va a automatizar. 
d) Nivel de capacitación de la mano de obra que se dispone. 
e) Todo problema de confiabilidad y mantenimiento que se pueda relacionar con los 
sistemas automatizados. 
 
1.2.5 La Economía dentro de la automatización 
 
La automatización suele implicar altos costos iniciales de equipo, y requiere un 
conocimiento de operación y mantenimiento, para decidir implementarla, aunque sean bajos niveles 
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ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 14 - Capítulo 1.Generalidades. 
de automatización debe implicar un estudio cuidadoso de las necesidades reales de una 
organización. 
 
No es raro que una empresa empiece a implementar la automatización con gran entusiasmo y 
con grandes metas lejanas, solo para descubrir que las ventajas económicas eran en gran parte una 
ilusión, no una realidad y que, en la evaluación final, la automatización no fue económica. En 
muchos casos es conveniente la automatización selectiva y no la automatización total de una 
instalación 
 
En general, mientras mayor sea el nivel de mano de obra disponible, la necesidad de 
automatización se reduce, siempre y cuando los costos de mano de obra se justifiquen y haya 
disponibles los trabajadores suficientes. Por el contrario, si una instalación manufacturera ya está 
automatizada, el nivel de capacitación necesario es menor. Hay varios asuntos importantes y 
complicados que intervienen en la toma de decisiones acerca del nivel adecuado de automatización. 
 
1.2.6 Automatización rígida. 
 
En la automatización rígida, o automatización de posición fija, se diseñan las máquinas para 
producir un artículo normalizado, como por ejemplo un monoblock, una válvula, un engrane o un 
husillo. Aunque el tamaño del producto y los parámetros de procesamiento (como velocidad. avance 
y profundidad de corte) se pueden cambiar, esas máquinas son especializadas y carecen de 
flexibilidad. No se pueden modificar en grado apreciable, para procesar productos que tengan 
distintas formas, y dimensiones. Como esas maquinas son de diseño y construcción costosos, para 
usarlas en forma económica se necesita producir en muy grandes cantidades. 
 
Las máquinas que se usan en aplicaciones de automatización dura se suelen construir con el 
principio modular, o de bloque constructivo. Se llaman en general máquinas de transferencia y 
consisten en dos partes principales: unidades de producción de cabezal motorizado y mecanismos de 
transferencia. 
 
1. Unidades de producción de cabezal motorizado. Consisten en un bastidor o bancada, 
motores, cajas de engranes y husillos para herramienta, y son auto contenidas. Sus componentes se 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 15 - Capítulo 1. Generalidades. 
consiguen en el comercio en diversos tamaños y capacidades normalizados; por su modularidad 
inherente se pueden reagrupar con facilidad para producir partes diferentes, por lo que tienen cierta 
adaptabilidad y flexibilidad. 
 
2. Las máquinas de transferencia formadas por dos o más unidades de cabezal motorizado se 
pueden arreglar en modelos de línea recta, circular o en U, sobre el piso del taller. El peso y la 
forma de las piezas influyen sobre el arreglo que se seleccione. Este arreglo también es importante 
para tener continuidad de la operación en caso que falle una herramienta o una máquina, en una o 
más de las unidades. En estas máquinas se incorporan funciones de colchón ("buffer") de 
almacenamiento para permitir la operación continúa cuando se presentan esos casos. 
 
Los Mecanismos de transferencia y líneas de transferencia; son para pasar la pieza de una 
estación a otra en la máquina, o de una a otra máquina, para permitir efectuar varias operaciones 
sobre la parte. Las piezas se transfieren con diversos métodos: rieles sobre los que se empujan o 
jalan las piezas, comúnmente sobre "pallets", mediante: a) diversos mecanismos (figura. 1.2a); b) 
mesas rotatorias indexadas (figura. 1.2b) y c) transportadores aéreos. 
 
 
 
La transferencia de piezas de una estación a otra se suele controlar con sensores y otros 
dispositivos. Las herramientas, en las máquinas de transferencia, se pueden cambiar con facilidad, 
en portaherramientas con funciones de cambio rápido, y se puede equipar a esas máquinas con 
Figura 1.2 Mecanismos de transferencia. 
{Kalpakjian, Serope. Manufactura. México. 1027 pp.} 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 16 - Capítulo 1. Generalidades. 
diversos sistemas de medición e inspección. Esos sistemas se usan entre las operaciones, para 
asegurar que las dimensiones de las piezas producidas en una estación tengan tolerancias aceptables 
antes de que la parte pase a la siguiente estación. También se usan mucho las máquinas de 
transferencia en el ensamble automático. 
 
En la figura 1.3 se muestran unas líneas de transferencia o líneas de flujo de un sistema muy 
grande para producir cabezas de cilindros para motores, y están formadas por varias máquinas de 
transferencia. Este sistema es capaz de producir 100 cabezas de cilindros por hora. Nótese las 
diversas operaciones de maquinado que se hacen allí: fresado, taladrado, escariado, perforado, 
torneado, lavado y medición. 
 
 
 
1.2.7 Automatización flexible o programable. 
 
Se ha visto que la automatización no flexible (hard automation) suele implicar máquinas de 
producción en masa que carecen de flexibilidad. En " soft automation " (automatización flexible o 
programable) se alcanza más flexibilidad por el uso de control computarizado de la maquina y de 
sus funciones, con diversos programas. 
 
Figura. 1.3 Una gran línea de transferencia para producir bloques de motor y cabezas de 
cilindros. {Ford Motor Company.} 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 17 - Capítulo 1. Generalidades. 
La automatización flexible es un desarrollo importante, porque la máquina se puede 
programar con facilidad y rapidez para que produzca una pieza con forma o dimensiones distintas 
de la que acaba de producir. Por esta característica la automatización flexible o programable puede 
producir piezas con formas complicadas. Entre otros avances de la automatización flexible o 
programable está el uso de computadoras modernas, que condujo al desarrollo de sistemas flexibles 
de manufactura o de manufactura Flexible, con elevadas productividades y eficiencias. 
 
1.2.8 Mantenimiento total productivo (MTP) 
 
La administración y el mantenimiento de una gran variedad de máquinas, equipos y sistemas 
son de los aspectos más importantes que afectan la productividad de una organización 
manufacturera. Los conceptos de mantenimiento total productivo y de administración total de 
equipo productivo se están desarrollando actualmente. 
 
Estos conceptos incluyen el análisis continuo de factores tales corno descompostura y otros 
problemas del equipo, vigilar y mejorar la productividad del equipo, la implementación de 
mantenimiento preventivo y correctivo, la reducción del tiempo de preparación, del tiempo muerto y 
del tiempo de ciclo; el uso total de la maquinaria y el equipo y la mejora de su eficacia, así como la 
reducción de los defectos del producto. 
1.3 Ultrasonido 
 
En términos actuales, el ultrasonido es una herramienta de amplio uso, no solo en el campo 
de la medicina, sino también es aplicada en el sector industrial, generalmente empleado en 
mediciones de materiales con espesor muy pequeño y en el análisis de integridad en diferentes tipos 
de materiales. Existen interfaces y herramientas para el trabajo con el ultrasonido, en una amplia 
gama de equipos especializados. 
 
En los equipos médicos se manejan el ultrasonido músculo-esquelético varios tipos de 
frecuencias y tipos de sensores, mas en específico tenemos los sensores longitudinales que trabajan 
a frecuencias de 3.5MHz y que se aplican a órganos internos cercanos. Dicha frecuencia aumenta 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 18 - Capítulo 1. Generalidades.conforme se requiere imágenes mas profundas los sensores transversales, que se encargan de tomar 
imágenes del hígado manejan frecuencias de 4.5MHz a 6.0MHz. 
 
Ventajas del uso del ultrasonido: 
 
• Requiere acceso solo a una superficie de la pieza. 
• Indicación instantánea de la discontinuidad. 
• Buena resolución. 
No es peligroso para el ser humano. 
 
Actualmente se encuentran en el mercado diversos equipos comerciales que permiten 
determinar los espesores, los defectos y discontinuidades de diversos materiales los cuales resultan 
ser muy costosos y difíciles de operar. Por lo que resulta importante desarrollar un sistema con 
tecnología propia que permita realizar este tipo de mediciones de manera rápida, eficiente y que 
permita utilizar cualquier PC para desplegar los resultados, reduciendo así también los costos. 
 
Es posible construir un sistema de medición de ultrasonido que relacione la geometría del 
defecto de un acero o un aluminio, con la señal obtenida del equipo 
 
Realizar un sistema basado en un transmisor y receptor para ultrasonido, además de una 
fuente de señal, que transmitirá los pulsos que penetraran los huesos, una etapa de 
acondicionamiento de señales para adecuar los datos para ser adquiridos a través de una interfaz por 
la PC. En cuanto al software se realizara un programa para adquirir los datos a través del puerto de 
la PC, su almacenamiento y su posterior procesamiento. 
 
El tratamiento de una señal ultrasónica sobre un hueso, hasta hace poco tiempo no era 
investigado ni desarrollado fuera de las aplicaciones comerciales, pues se pensaba que el ultrasonido 
solo servía en tejidos u órganos blandos, en la actualidad, captar el espectro o reconstruir una 
imagen del mismo, es un área de estudio que esta activa en la algunas universidades, en México, por 
parte de la UNAM, en EUA, por parte de la University of Colorado Healt Sciences Center, a nivel 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 19 - Capítulo 1. Generalidades. 
mundial son de los pocos lugares en donde se desarrolla esta área de investigación, obteniendo 
resultados satisfactorios. 
 
El presente prototipo de sistema pretende innovar en un método no invasivo para la obtención de 
imágenes de huesos; se vinculo por ello con el sector salud y el sector deportivo en donde podrá ser 
empleado como elemento de diagnostico en los traumas de los pacientes y deportistas. Con respecto 
a los dispositivos de obtención de imágenes músculo-esqueléticas tenemos las siguientes ventajas: 
• Empleo de un método no invasivo (a diferencia de Rayos-X). 
• Posibilidad de obtención de imágenes de manera digital. 
• Conectividad con cualquier computadora personal con sistema operativo Windows. 
 
1.3.1 Análisis y diseño 
 
Modelado del Sistema 
 
El prototipo funciona en base al empleo de un transductor como emisor y otro como 
receptor, en base a esta arquitectura el diseño del prototipo se ve simplificado. Figura 1.4 
 
 
 
 
Figura 1.4 Diagrama a Bloques del Prototipo 
 
 
 
 
 
 
 
Acondicionamiento 
Excitador 
RX 
TX 
Control 
Procesamiento 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 20 - Capítulo 1. Generalidades. 
Transductor. 
 
 Los transductores emisor y receptor son del tipo V303 de la empresa Panametrics, el 
espectro del sonido generado esta centrado en 1MHz, estas frecuencias permite mayor distancia de 
transmisión, Figura1.5 
 
 
 
 
Figura 1.5. Transductor de ultrasonido V303 
 
Excitador. 
 
 Esta etapa alimenta al transductor emisor (Tx) mediante un pulso de alto voltaje (240V) en 
intervalos pequeños de tiempo (100-500ns), la frecuencia de estos pulsos es de 1kHz lo cual permite 
ala etapa de acondicionamiento y procesamiento analizar los ecos que se reciben, 
 
 Los parámetros de excitación se alcanzan a través de la conmutación de un transistor 
HEXFET y un generador de señal a partir de compuertas lógicas de la serie 74VHC y 
amplificadores operacionales en modo corriente, Figura 1.6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.6 Diseño del Excitador. 
 
 
 
 
 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 21 - Capítulo 1. Generalidades. 
Acondicionamiento 
 
La etapa de acondicionamiento contiene dos módulos específicos: 
 
1. Amplificación 
2. Conversión Analógica-Digital. 
3. Transmisión. 
 
Amplificación 
 
 El módulo de amplificación esta diseñado a partir de amplificadores operacionales dos 
operacionales conectados en cascada, el primero de ellos sostiene una configuración diferencial, lo 
cual reduce el ruido que el receptor aporta al sistema. 
 
 Los amplificadores empleados son de la serie AD811 los cuales funcionan en modo 
corriente, lo que permite un mayor desempeño a frecuencias arriba de los 2 MHz. El amplificador 
permite obtener una máxima amplitud de la señal a 4V. Figura 1.7 
 
 Figura 1.7. Señal del receptor amplificada. 
 
Conversión Analógica Digital. 
 
 Este módulo utiliza el AD9224 (CAD de 12 bits con frecuencia de muestreo máxima de 
40MHz) como componente principal, esta configurado para tomar muestras a 2MHz. 
 
 La alta resolución de este CAD permite observar los ecos más desplazados en tiempo y por 
ello mas atenuados que son recibidos en el transductor. 
 
 El diseño incluye una red de acoplamiento y un filtro pasa-altas con frecuencia de corte de 
120Hz. Figura1.8 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 22 - Capítulo 1. Generalidades. 
 
Figura 1.8. Circuito de Amplificación y CAD. 
 
Transmisión. 
 
 La transmisión de los datos se hace mediante un endpoint de tipo bulk utilizando el 
Universal Serial Bus (USB) como interfaz hacia la etapa de procesamiento (PC). La interfaz USB se 
logra a través del microcontrolador PIC18F4550 funcionando en full-speed (12Mbits/s); el 
microcontrolador provee el espacio de almacenamiento hasta para 100us de la señal tiempo máximo 
para la recepción de un eco en el receptor. Figura 1.9 
 
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Serie1
 
Figura 1.9. Gráfica de la Señal adquirida a través del dispositivo USB 
 
 
 
 
 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 23 - Capítulo 1. Generalidades. 
Control. 
 
 Esta etapa genera un conjunto de señales que modifican el comportamiento del prototipo en 
dos estados, el primero, el estado de espera en donde el transductor se encuentra en reposo y los 
datos del CAD no son enviados hacia la PC. 
 
 En el estado activo se genera una señal cuadrada con frecuencia de 1kHz hacia el excitador, 
esta frecuencia define cuando se emite el pulso en el transductor emisor. Se activa la transmisión de 
datos hacia la PC. 
 
 El circuito encargado de generar estas señales es el mismo microcontrolador PIC18F4550 el 
cual recibe a través del endpoint de control los comandos START_DEVICE y STOP_DEVICE 
desde la PC, estos comandos corresponden al estado activo y al estado de espera respectivamente. 
 
Procesamiento 
 
 La visualización de la señal se hace mediante una computadora personal (PC) con sistema 
operativo Windows, el procesamiento se diseño en dos partes: 
 
Driver para el PIC18F4550 
Interfaz de Usuario 
 
Driver 
 
 El driver fue diseñado en base a la Windows Driver Foundation (WDF) mediante el cual se 
registra en el Kernel del sistema las funciones que definen el comportamiento del PIC18F4550. 
 
 El envío de comandos y la recepción de datosdebe de ser mediante el propio Kernel 
mediante la llamada de sistema DeviceIoControl. 
 
 El diseño permite el envío de datos mediante un lector continuo en el endpoint de tipo bulk, 
lo cual incrementa la velocidad de transferencia hasta 0.7 MBytes/s (La velocidad se divide a la 
mitad debido al protocolo de verificación de errores que el host USB aplica sobre los endpoint de 
tipo bulk). 
 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 24 - Capítulo 1. Generalidades. 
 
Interfaz de Gráfica de Usuario. 
 
 El programa de aplicación genera la interfaz gráfica de usuario, mediante la cual se puede 
visualizar la señal que se obtiene en el receptor o bien cambiar el estado de la etapa de Control. 
Figura 1.10 
 
 
Figura 1.10. Señal recibida en el sistema, el pulso corresponde a la señal recibida desde el dedo 
pulgar del cuerpo humano 
 
 
1.4 Sumario 
 
En la década de 1950 la mayor parte de las operaciones de manufactura eran efectuadas con 
maquinaria tradicional, que carecían de flexibilidad y requerían mucha mano de obra capacitada. 
Por esta razón una gran parte del costo general de producción de una pieza era el costo de mano de 
obra y se tuvo la necesidad de reducir el costo y mejorar la eficiencia y la flexibilidad de las 
operaciones de manufactura, en especial por la competencia tanto nacional como global. 
 
La productividad se volvió un asunto importante. Gracias al progreso de la ciencia y de la 
tecnología en la manufactura. La automatización de la maquinaria y las operaciones había alcanzado 
en forma abrumadora un pico en la década de 1950. 
 
La automatización se define como el proceso de hacer que las maquinas sigan un orden 
predeterminado de operaciones con poca o ninguna mano de obra, utilizando equipo y dispositivos 
especializados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura. 
 
La automatización suele implicar altos costos iniciales de equipo, y requiere un 
conocimiento de operación y mantenimiento, antes de implementarla debe realizarse un cuidadoso 
estudio de las necesidades reales de una organización. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653). 
 - 25 - Capítulo 1. Generalidades. 
 
La industria mexicana se esta automatizando velozmente. Solo en los años 2002-2005 se han 
instalado la mitad de los robots que están operando en la industria nacional, especialmente en la 
automotriz. 
 
Debido a que en México no se cuenta con una industria de robots propia, y que lo único que 
existe en México son investigaciones básicas en robótica, trabajos con algunos algoritmos y diseño 
de prototipos, se están integrando comunidades de especialistas en el área en centros e instituciones 
de investigación con el fin de comercializar algunos robots industriales. 
 
El País está obligado a seguir los pasos de China, Corea y la India para no atrasarse en el 
avance tecnológico, porque la robótica forma parte de la revolución del siglo XXI. 
 
El siguiente capítulo se centra en la investigación para el diseño y construcción de un 
mecanismo. El cual es un brazo mecánico de cinco grados de libertad capaz de realizar diversas 
tareas, con las mínimas modificaciones de este mismo al igual que de su entorno. 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 26 - Capítulo 2. El sistema. 
El Sistema
En este capítulo se hace una mención detallada 
de lo que se esta realizando a lo largo; 
descripción de alternativas, descripción del 
robot ha diseñar, dispositivos empleados, y 
clasificación de los robots de acuerdo a sus 
características. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 27 - Capítulo 2. El sistema. 
2.1 Introducción 
 
Esta tesis se centra en la investigación, diseño y construcción de un mecanismo el cual es un 
brazo mecánico de cinco grados de libertad. 
 
Se ha ideado un brazo mecánico de 5 grados de libertad (manipulador antropomórfico), 
(figura 2.1), que por demás es versátil en comparación con otros sistemas automatizados, con el fin 
de eliminar las pérdidas de piezas en un 100%, eliminar los accidentes de trabajo en dicha área y 
disminuir los costos de producción debido a la manipulación correcta y automatizada de estas 
piezas. {Hernandez, A. Optimización en diseño y fabricación de herramentales para fundición. 
México, 2000. 6 pp.} 
 
 
Figura 2.1 Diseño CAD conceptual del robot (bosquejo). 
 
2.2 Definición de Robot 
 
De acuerdo con la RIA (Robot Industry Association, antes Robot Institute of America) la 
definición es la siguiente: 
 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 28 - Capítulo 2. El sistema. 
Un robot es un manipulador reprogramable multifuncional diseñado para mover materiales, 
piezas o dispositivos especializados, a través de movimientos programados variables para la 
realización de una diversidad de tares. 
 
La definición de la BRA, Asociación de Robótica Británica, es la siguiente: 
 
Un mecanismo diseñado para manipular y transportar piezas, herramientas o útiles 
especiales, por medio de movimientos variables, programado para la ejecución de tareas 
especificas de manufactura. 
 
Ahora bien, el concepto robot es algo más amplio que el que conocemos como “robot 
industrial”. Basta citar a los robots empleados en la ciencia, los de rescate en fondos submarinos o 
los vehículos guiados automáticamente. {Audí Piera, Daniel. Cómo y cuando usar un robot 
industrial. España. 1988. 13 pp.} 
 
Japón, desde hace bastante años, ha insistido en mantener una clasificación mas amplia, en la 
que separan a los robots en clases distintas, al menos siete, y procura presentar su estadística de 
acuerdo con este criterio (Tabla 2.1). 
 
Por resultar algo complicado, no ha conseguido imponerlo hasta la fecha a los demás, pero el 
tema sigue siendo debatido. 
 
2.2.1 Desarrollo Histórico de los Robots 
 
La idea de crear maquinaria que imitara a los hombres o animales es muy antigua. Se dice 
que Arquitas de Tarento construyó una paloma de madera que volaba [400 a.C.]. Existen 
descripciones escritas de los ideados por Herón de Alejandría, aunque no se tiene la seguridad de si 
fueron o no construidos. 
 
Leonardo da Vinci se dedicó con su conocida inquietud, al intento de crear máquinas que 
imitaran a los pájaros, pero al parecer sin obtener éxitos prácticos. A partir del siglo XVI, los 
relojeros, que habían construido el primer reloj de cuerda [1500], se dedicaron con cierta 
regularidad a crear muñecos mecánicos, en general, para diversión de la nobleza. Algunos de ellos 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 29 - Capítulo 2. El sistema. 
se conservan y son bastantes notables. {Audí Piera, Daniel. Cómo y cuando usar un robot industrial. 
España. 1988. 9 pp.} 
 
Tabla 2.1. Propuesta japonesa de clasificación de robots. 
{Audí Piera, Daniel. Cómo y cuando usar un robot industrial. España. 1988. 14 pp.} 
No. Clasificación Definición 
1 Manipulador manual Manipulador controlado por el hombre. 
2 
Manipulador de 
secuencia 
Manipulador que ejecuta cada pasó de una operación dada, de acuerdo con un 
programa de movimientos que no puede ser cambiado sin ninguna alteración 
física. 
3 
Robot operacional 
Un robot que teniendo un controlador y un actuador para su movilidad o 
manipulación, es remotamente controladopor un operador. 
4 Robot con secuencia 
controlada 
Robot que opera secuencialmente de acuerdo con una información pre-
establecia. (Secuencia, condiciones, posiciones.) 
5 Robot de aprendizaje Robot capaz de repetir una tarea programable, entrada a través de enseñanza. 
6 
Robot CNC 
Robot que puede ejecutar la operación encomendada de acuerdo con la 
información cargada numéricamente, tanto en secuencias, condiciones y 
posiciones, sin ser movido el robot. 
7 
Robot inteligente 
Robot capaz de determinar sus acciones a través de su inteligencia artificial, es 
decir, la facultad de realizar artificialmente el reconocimiento, aprendizaje y 
conceptualización abstracta, adaptabilidad al entorno y similares. 
7-2 Robot controlado 
adaptativamente 
Robot con control adaptativo.[1] 
7-3 
Robot controlado por 
aprendizaje 
Robot con una función de control por aprendizaje, es decir, un esquema de 
control en donde la experiencia es automáticamente utilizada para cambiar los 
parámetros o algoritmos de control. 
[1] Robot capaz de adaptase a su entorno. 
 
Leonardo da Vinci se dedicó con su conocida inquietud, al intento de crear máquinas que 
imitaran a los pájaros, pero al parecer sin obtener éxitos prácticos. A partir del siglo XVI, los 
relojeros, que habían construido el primer reloj de cuerda [1500], se dedicaron con cierta 
regularidad a crear muñecos mecánicos, en general, para diversión de la nobleza. Algunos de ellos 
se conservan y son bastantes notables. {Audí Piera, Daniel. Cómo y cuando usar un robot industrial. 
España. 1988. 9 pp.} 
 
A finales del siglo XVIII y en el siglo XIX, se desarrollaron algunas invenciones mecánicas 
con una finalidad industrial, fundamentalmente para la manufactura textil. Se pueden citar la 
hiladora giratoria de Hargraves, la hiladora mecánica de Crompton, el telar mecánico de Cartwright 
y el telar de Jacquard. {TodoRobots, Historia de la Robótica, 1998} 
 
Estos antecedentes no suponen, sin embargo, ninguna influencia desde el punto de vista del 
desarrollo de robots industriales. No es hasta el siglo XX, con los manipuladores y el control 
numérico, que podemos encontrar las tecnologías más importantes para el desarrollo de la robótica. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 30 - Capítulo 2. El sistema. 
 
Los primeros trabajos que condujeron a los robots industriales de hoy en día se remontan al 
período que siguió inmediatamente a la Segunda Guerra Mundial. Durante los años finales de la 
década de los cuarenta, comenzaron programas de investigación en Oak Ridge y Argonne National 
Laboratories para desarrollar manipuladores mecánicos controlados de forma remota para manejar 
materiales radioactivos. Estos sistemas eran del tipo maestro-esclavo, diseñados para reproducir 
fielmente los movimientos de mano y brazos realizados por un operario humano. El manipulador 
maestro era guiado por el usuario a través de una secuencia de movimientos, mientras que el 
manipulador esclavo duplicaba a la unidad maestra tan fidedignamente, como le era posible. 
Posteriormente se añadió la realimentación de la fuerza acoplando mecánicamente el movimiento de 
las unidades maestro y esclavo de forma que el operador podía sentir las fuerzas que se 
desarrollaban entre el manipulador esclavo y su entorno. A mediados de los años cincuenta, el 
acoplo mecánico se sustituyó por sistemas eléctricos e hidráulicos en manipuladores tales como el 
Handyman de General Electric y el Minotaur I construido por General Mills. 
 
El trabajo sobre manipuladores maestro-esclavo fue seguido rápidamente por sistemas más 
sofisticados capaces de operaciones repetitivas autónomas. A mediados de los años cincuenta, 
George C. Devol desarrolló un dispositivo que él llamo dispositivo de transferencia programada 
articulada, un manipulador cuya operación podía ser programada y que podía seguir una secuencia 
de pasos de movimientos determinados por las instrucciones del programa. Posteriores desarrollos 
de este concepto por Devol y Joseph F. Engelberger condujo al primer robot industrial, introducido 
por Unimation Inc. en 1959. La clave de este dispositivo era el uso de una computadora en 
conjunción con un manipulador para producir una máquina que podía ser enseñada para realizar una 
variedad de tareas de forma automática. Al contrario que las máquinas de automatización de uso 
dedicado, estos robots se podían reprogramar y cambiar de herramienta a un coste relativamente 
bajo para efectuar otros trabajos cuando cambiaban los requisitos de fabricación. 
 
Aunque los robots programados ofrecían una herramienta de fabricación nueva y potente, se 
hizo latente en los años sesenta que la flexibilidad de estas máquinas se podía mejorar 
significativamente mediante el uso de una realimentación sensorial. Al comienzo de esa década, H. 
A. Ernst [1962] publicó el desarrollo de una mano mecánica controlada por computador con 
sensores táctiles. Este dispositivo, llamado el MH-1, podía sentir bloques y usar esta información 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 31 - Capítulo 2. El sistema. 
para controlar la mano de manera que apilaba los bloques sin la ayuda de un operario. Este trabajo 
es uno de los primeros ejemplos de un robot con la capacidad de conducta adaptativa en un entorno 
razonablemente no estructurado. El sistema manipulativo consistía en un manipulador ANL, modelo 
8, con 6 grados de libertad, controlado por una computadora TX-0 mediante un dispositivo de 
interfase. Este programa de investigación posteriormente evolucionó como parte del proyecto MAC, 
y se le añadió una cámara de televisión para comenzar la investigación sobre la percepción de la 
máquina. Durante el mismo período, Tomovic y Boni [1962] desarrollaron una mano prototipo 
provista con un sensor de presión que detectaba el objeto y proporcionaba una señal de 
realimentación de entrada a un motor para iniciar uno de dos modelos de aprehensión. Una vez que 
la mano estaba en contacto con el objeto, se enviaba a una computadora información proporcional a 
su tamaño y su peso mediante estos elementos sensibles a la presión. En 1963, la American Machine 
y Foundry Company (AMF) introdujo el robot comercial VERSATRAN. Comenzando en este 
mismo año, se desarrollaron diversos diseños de brazos manipuladores, tales como el brazo 
Roehampton y el Edinburgh. 
 
A finales de los años sesenta, McCarthy [1968] y sus colegas en el Stanford Artificial 
Intelligence Laboratory publicaron el desarrollo de una computadora con manos, ojos y oídos (es 
decir, manipuladores, cámaras de TV y micrófonos). Demostraron un sistema que reconocía 
mensajes hablados, veía bloques distribuidos sobre una mesa, y los manipulaba de acuerdo con 
instrucciones. Durante este período, Pieper [1968] estudió el problema cinemático de un 
manipulador controlado por computadora, mientras que Kahn y Roth [1971] analizaban la dinámica 
y el control de un brazo restringido utilizando instrucciones que se procesaban en un tiempo 
mínimo. 
 
Mientras tanto, otros países (en particular Japón) comenzaron a ver el potencial de los robots 
industriales. Ya en 1968, la compañía japonesa Kawasaki Heavy Industries negoció una licencia con 
Unimation para sus robots. Uno de los desarrollos poco usuales en robots sucedió en 1969, cuando 
se desarrolló un camión experimental por la General Electric para la armada americana. En el 
mismo año se desarrolló el brazo Boston y al año siguiente el brazo Stanford, que estaba equipado 
con una cámara y controlado por computadora. Algunos de los trabajos más serios en robótica 
comenzaron cuando estos brazos se utilizaron como robots manipuladores. Un experimento en el 
brazo Stanford consistíaen apilar automáticamente bloques de acuerdo con diversas estrategias. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 32 - Capítulo 2. El sistema. 
Esto era un trabajo muy sofisticado para un robot automatizado de esa época. En 1974, Cincinnati 
Milacron introdujo su primer robot industrial controlado por computadora. Lo llamo The Tomorrow 
Tool (la herramienta del mañana) o T3, que podía levantar más de 100 libras así como seguir a 
objetos móviles en una línea de montaje. 
 
Durante los años sesenta se centró un gran esfuerzo de investigación sobre el uso de sensores 
externos para facilitar las operaciones manipulativas. En Stanford, Bolles y Paul [1973], utilizando 
realimentación tanto visual como de fuerza, demostraron que un brazo Stanford controlado por 
computadora, conectado a una PDP-10[2], efectuaba el montaje de bombas de agua de automóvil. 
Hacia la misma época, Will y Grossman [1975] en IBM desarrollaron un manipulador controlado 
por computadora con sensores de contacto y fuerza para realizar montajes mecánicos en una 
máquina de escribir de veinte piezas. Inoue [1974], en el Artificial Intelliegence Laboratory del 
MIT, trabajó sobre los aspectos de inteligencia artificial de la realimentación de fuerzas. Se utilizó 
una técnica de búsqueda de aterrizajes, propia de la navegación aérea, para realizar el posicionado 
inicial de una tarea de montaje precisa. En el Draper Laboratory, Nevins y colaboradores [1974] 
investigaron técnicas sensoriales basadas en el control coordinado de fuerza y posición. Este trabajo 
desarrolló la instrumentación de un dispositivo Remote Center Compliance (RCC) (Centro Remoto 
de Control Coordinado de Fuerza y Posición) que se unió a la placa de montaje de la última 
articulación del manipulador para cerrar el conjunto de coincidencias de piezas. Bejczy [1974], en el 
Jet Propulsión Laboratory, desarrolló una técnica de control basada en una computadora sobre su 
brazo Stanford ampliado para proyectos de exploración espacial. Desde entones han sido propuestos 
diversos métodos para manipuladores mecánicos. {Lee, Fu. Robótica: Control, Detección, Visión e 
Inteligencia, México, 1988. 5, 6, 7 pp.} [3] 
 
La Universidad Yamanashi de Japón desarrollo el robot SCARA [1979] (Selective 
Compliant Articulated Robot Arm). Posteriormente, Sankyo e IBM realizaron su comercialización. 
 
Influenciados por la gran inversión que hicieron las empresas automovilísticas [1980’s], se 
produjo un crecimiento exponencial de las industrias fabricantes de robots. 
 
 
[2] Computadora industrial 
[3] Se ha tomado gran información acerca de la historia de los robots de 1940 a 1974 del libro referido. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 33 - Capítulo 2. El sistema. 
 
Empresas como Cognex, CRS Robotics Corp., Adept, Stäubli, Computer Motion, Barret 
Technology fueron fundadas durante esta década. La demanda de robots no fue, sin embargo, tan 
alta como para asumir toda la producción generada y muchas desaparecieron. A mediados de los 90, 
la industria ha empezado a repuntar de nuevo, conservándose ese crecimiento actualmente. {Miño 
Salamanca, Santiago. Breve Introducción Histórica a la Robótica Industrial. España. 2003. 4 pp.} 
 
2.2.2 Sistema Básico de un Robot Manipulador 
 
Un robot manipulador operando individualmente necesita como mínimos los siguientes com-
ponentes (figura 2.1): 
 
El robot [4] debe consistir en un sistema de articulaciones mecánicas (eslabones, engranajes, 
transmisión por cadena o correa), actuadores (motores eléctricos o hidráulicos) y sensores de 
posición usados en el sistema de control de bucle cerrado. 
 
El controlador, generalmente, basado en una computadora, que recibe las señales de los 
sensores de posición y envía comandos a la unidad de potencia. 
 
La unidad de potencia que alimentan a los motores que mueven las articulaciones. 
 
 
 
 
[4] De ahora en adelante se referirá a los manipuladores y a los brazos mecánicos como robots. 
Figura 2.1 Componentes básicos de un robot. 
 {Iñigo, Rafael y Vidal, Enric. Robots Industriales Manipuladores. México. 2004. 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 34 - Capítulo 2. El sistema. 
 
Dependiendo del tipo de aplicación, un robot puede contar también con sensores externos, de 
los cuales el más poderoso es un sistema de visión consistente en cámara de video, interfaz y una o 
varias computadoras procesadoras de imagen. La información obtenida por este sistema es 
procesada y sirve para controlar y dirigir los movimientos del robot. 
 
2.2.3 Componentes de los robots 
 
1. Manipulador. También se llama brazo y muñeca. El manipulador es una unidad mecánica 
que permite movimientos (trayectorias) parecidos a los de un brazo y una mano humanas. El 
extremo de la muñeca puede llegar a un punto en el espacio que tenga un conjunto específico de 
coordenadas, en una orientación específica. La mayor parte de los robots tiene seis articulaciones 
rotacionales. También hay robots con cuatro grados de libertad y otros con cinco, pero por 
definición, estos robots no son muy exactos, porque para serlo se necesitan seis grados de libertad. 
También se consiguen robots con siete grados de libertad (o “redundantes”). Existen robots con 
articulaciones de movimiento lineal, pero cada vez son más raros. La manipulación se efectúa con 
dispositivos mecánicos, como tornillos sin fin, engranajes y varias articulaciones. 
 
2. Efector final. El extremo de la muñeca de un robot tiene un efector final, llamado también 
herramienta de extremo de brazo o comúnmente en el ambiente “gripper”. Según el tipo de 
operación, los efectores finales pueden estar equipados con lo siguiente: 
 
a) Sujetadores, ganchos, palas, electroimanes, ventosas y dedos adhesivos, para manejar 
materiales. 
b) Pistolas de aspersión para pintar. 
c) Accesorios para soldar por puntos y con arco, y para corte con arco. 
d) Herramientas motorizadas, como taladros, llaves de tuercas y destornilladores. 
e) Instrumentos de medición, como indicadores de carátula. 
 
Los efectores finales se suelen fabricar a la medida de necesidades especiales de manejo. Los 
sujetadores mecánicos son los que más se usan y tienen dos o más dedos. La selección del efector 
final adecuado para determinada aplicación depende de factores tales como la capacidad de peso, el 
ambiente, la confiabilidad y el costo. 
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 - 35 - Capítulo 2. El sistema. 
 
Existen algunos efectores llamados “efectores dóciles” que se usan para el manejo de 
materiales frágiles, o para facilitar el ensamble. Estos efectores pueden usar mecanismos elásticos 
para limitar la fuerza que aplican a la pieza, o también se pueden diseñar con una rigidez especial. 
 
1. Fuente de poder. Cada movimiento del manipulador, en los ejes lineales y de rotación, se 
controla y regula mediante actuadores independientes que usan una fuente de poder eléctrica, 
neumática o hidráulica. Cada fuente de energía y cada tipo de motor tiene sus propias 
características, ventajas y limitaciones. 
 
2. Sistema de control. Conocido también como controlador, el sistema de control es el 
sistema de comunicaciones y de procesamiento de información que emite los comandos de 
movimientos del robot. Es el cerebro del robot; almacena datos para iniciar y finalizar los 
movimientos del manipulador. También es uno de los sistemas principales del robot, ya que se 
interconecta con computadoras y otrosequipos, como celdas de manufactura o sistemas de 
ensamble. Los manipuladores y los efectores son los brazos y las manos del robot. 
 
3. Los dispositivos de retroalimentación. Son parte importante del sistema de control. Los 
robots con un conjunto fijo de movimientos tienen control de lazo abierto [5], a diferencia de la 
retroalimentación en los sistemas de lazo cerrado [6], no se comprueba la precisión de los 
movimientos. Como en las máquinas de control numérico, los tipos de control en los robots 
industriales son de punto a punto y de trayectoria continua. Dependiendo de una tarea en particular, 
la repetibilidad de posicionamiento necesaria puede ser mínima, como en las operaciones de 
ensamble de circuitos electrónicos impresos. Los robots especializados pueden alcanzar tal 
precisión, aunque la mayoría no lo hacen. La precisión y repetitividad varían mucho con la carga y 
la posición dentro del espacio de trabajo, y en consecuencia son muy difíciles de cuantificar en la 
mayor parte de los robots. 
 
 
 
 
 
 
 
[5] En el control de lazo abierto, se dan los comandos y el brazo del robot hace sus movimientos. 
[6] En el control de lazo cerrado, no se comprueba la precisión de los movimientos. 
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 - 36 - Capítulo 2. El sistema. 
 
2.2.4 Tipos de robots 
 
Los robots se pueden clasificar por su configuración de la siguiente manera: 
a) Cartesianos. 
b) Cilíndricos. 
c) Esféricos o polares. 
d) De revolución o antropomórficos. 
 
Robots Cartesianos. La configuración cartesiana (figura 2.2) tiene tres ejes lineales 
perpendiculares entre si. Es usada cuando la precisión es más importante que la flexibilidad. [7] 
 
 
Figura 2.2 Robot Cartesiano. 
 
Robots Cilíndricos. Este tipo de robots tiene menos precisión que la configuración 
cartesiana, pero más flexibilidad (figura 2.3). 
 
Figura 2.3 Robot Cilíndrico. 
 
[7] Respuesta rápida a los cambios en la demanda del producto o proceso y en las necesidades de los clientes. 
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 - 37 - Capítulo 2. El sistema. 
 
Robots Esféricos. Con dos grados de rotación y uno de desplazamiento está especialmente 
indicada para levantar y colocar grandes pesos, tales como motores de vehículos (figura. 2.4). 
 
 
Figura 2.4 Robot Esférico. 
 
Robots antropomórficos. Es el tipo de robot más flexible y adaptable y se usa extensivamente 
cuando no se requiere un alto grado de precisión y el movimiento de piezas pesadas (figura 2.5). 
 
 
Figura 2.5 Robot Antropomórfico. 
 
2.2.5 Aplicaciones de los robots 
 
Las principales aplicaciones de los robots son las siguientes: 
 
a) Manejo de material. Consiste en la carga, descarga y transferencia de las piezas en las 
instalaciones manufactureras. Estas operaciones las pueden hacer los robots en forma 
confiable y repetible, mejorando así la calidad y reduciendo las pérdidas por desperdicio, por 
ejemplo, las operaciones de fundición y moldeo en las que se manejan metal fundido, 
materias primas, lubricantes y partes en varias etapas de terminación, sin interferencia del 
operador; en el tratamiento térmico, cuando las piezas se cargan y descargan de hornos y 
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 - 38 - Capítulo 2. El sistema. 
baños de temple; en las operaciones de formado, en las que se cargan y descargan las partes 
en las prensas y en otros tipos de maquinaria de trabajo de metales. 
b) Soldadura por puntos de carrocerías de automóvil y camión. En esta se producen 
soldaduras de buena calidad. También los robots ejecutan otras operaciones parecidas, como 
la soldadura con arco, corte con arco y remachado. 
c) Operaciones como rectificado y pulido. Estas se tienen que hacer con las herramientas 
adecuadas fijas a los efectores finales. 
d) Aplicación de adhesivos y selladores. Este tipo de operación tiene gran utilidad, por 
ejemplo en el sellado de uniones en una carrocería de automóvil. 
e) Pintura por aspersión. Es utilizada principalmente en el pintado de formas complejas y 
operaciones de limpieza. Estas son aplicaciones frecuentes, porque las operaciones en una 
pieza se repiten con mucha precisión en la siguiente. 
f) Operaciones de ensamble automático. 
g) Inspección y calibración en diversas etapas de manufactura. En este tipo de aplicación se 
permiten tener velocidades mucho mayores que las que pueden alcanzar los humanos. 
 
En la actualidad se ha generalizado el uso de robots en muchas aplicaciones que requieren 
movimientos repetitivos sencillos, pero la industria automovilística, que fue en un principio la 
pionera en el uso de robots, continua siendo la que más los usa, siendo los tipos principales de 
aplicación los antes mencionados. En ninguna de estas aplicaciones es necesario el uso de un 
sistema de visión, siempre y cuando se organice el trabajo en forma tal que las partes a soldar, 
pintar, etc. se encuentren siempre en el lugar determinado y en el momento preciso. 
 
2.2.6 Selección de los robots 
 
Los factores que influyen sobre la selección de los robots en la manufactura son los 
siguientes: 
a) Capacidad de carga. 
b) Velocidad de movimiento. 
c) Confiabilidad. 
d) Repetibilidad. 
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 - 39 - Capítulo 2. El sistema. 
e) Configuración del brazo. 
f) Grados de libertad. 
g) Sistema de control. 
h) Memoria de programa. 
e) Espacio o volumen de trabajo. 
 
Economía. Además de los factores técnicos, las consideraciones de costos y beneficios 
también son aspectos importantes en la selección y uso de los robots. La disponibilidad y la 
confiabilidad cada vez mayores, y los costos reducidos de los robots inteligentes complicados, están 
teniendo un gran impacto económico sobre las operaciones de manufactura, y esos robots están 
desplazando en forma gradual a la mano de obra humana. Los salarios por hora aumentan 
continuamente, en especial en las naciones industrializadas; el costo de operación del robot, por 
hora, también ha aumentado, pero en forma mucho más gradual. 
 
Seguridad en los robots. Según el tamaño de la envolvente de trabajo de un robot, su 
velocidad y su proximidad a los humanos, las consideraciones de seguridad en un ambiente con 
robots pueden ser importantes, en especial para el personal de mantenimiento, quienes interaccionan 
en forma directa con el robot. Además, el movimiento del robot con respecto a otra maquinaria 
requiere un gran nivel de fiabilidad, para evitar choques y daños graves al equipo. Sus actividades 
de manejo de materiales requieren el aseguramiento adecuado de las materias primas y las partes en 
la pinza del robot, en diversas etapas de la línea de producción. 
 
2.2.7 Los robots en México 
 
La Industria Mexicana se está automatizando de manera veloz. Sólo durante los años 2002-
2005 se han instalado la mitad de los robots que están operando en la industria nacional, 
especialmente en el sector automotriz, pero se espera que esta tendencia se intensifique y se 
extiendan a otras ramas productivas. 
 
En el 2004, México fue el segundo país en América con mayor adquisición de robots 
industriales, después de Estados Unidos y adelante de Canadá, según el más reciente estudio de la 
Federación Internacional de Robots (IFR, por sus siglas en inglés). 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 40 - Capítulo 2. El sistema.En el documento World Robotics 2005 se precisa que en el 2005 se instalaron en Estados 
Unidos 12 mil 117 robots; en México, 877 y en Canadá, 440, esto es 6 por ciento más en relación 
con el 2003 para los tres países, cifra récord para un periodo anual. La tasa de crecimiento, colocó al 
bloque de Norteamérica como el segundo mayor mercado en crecimiento, sólo detrás de Japón. Esto 
debido a un mayor crecimiento en la región causada por dos factores: el incremento de las 
inversiones del mercado automotriz en EU y las fuertes inversiones en autopartes y armadoras en 
México. [8] 
 
De acuerdo con la empresa ABB Robotics México, se estima que en el país hay una base 
instalada de 6 mil robots, de la cual 50 por ciento se ha puesto a operar en los años 2002-2005. 
 
Los robots son utilizados en México, en general, para mover piezas pesadas entre líneas de 
producción o para distribución y procesos muy rutinarios. Estos realizan trabajos de alta precisión, 
como por ejemplo soldaduras milimétricas (especialmente en la electrónica) o aplicaciones de 
pintura, que requieren de una mayor calidad en el acabado; así como actividades que implican un 
riesgo para la salud de los empleados, como resulta el manejo de sustancias peligrosas en 
laboratorios o en la metalurgia para labores bajo altas temperaturas. 
 
En Japón, país con el mayor número de robots, su densidad hasta el 2004 fue de 329 robots 
por cada 10 mil empleados; mientras que en Estados Unidos fue de 69 robots, de acuerdo con la 
IFR. 
 
Los principales usuarios de robots en el país son las empresas transnacionales, que los han 
integrado para mantener la competitividad de su planta local o por decisión del corporativo para 
automatizar sus procesos. Respecto al crecimiento futuro de la industria, los proveedores de robots, 
han pronosticado su expansión debido a la reducción de precios que han tenido ya que cada vez los 
robots tienen más aplicaciones y habilidades, además de ser más pequeños y fáciles de manejar. 
 
 
 
 
 
[8] Las cifras y datos presentados en esta sección has sido obtenidos del boletín “Las buenas noticias también son 
noticias” de enero de 2006, de la Presidencia de la República (México). 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 41 - Capítulo 2. El sistema. 
 
Debido a que México no cuenta con una industria de robots propia, ya que lo único que 
existe en México son investigaciones básicas en robótica, trabajos con algunos algoritmos y diseño 
de prototipos, se están integrando comunidades de especialistas en el área en centros e instituciones 
de investigación con el fin de comercializar algunos robots industriales. 
 
El País está obligado a seguir los pasos de China, Corea y la India para no atrasarse en el 
avance tecnológico, porque la robótica forma parte de la revolución del siglo XXI. 
 
2.3 Los robots y la Industria. 
 
En la actualidad los robots se usan de manera extensa en la industria, siendo un elemento 
indispensable en una gran parte de los procesos de manufactura. Impulsados principalmente por el 
sector metalúrgico, los robots han dejado de ser máquinas misteriosas propias de la ciencia-ficción 
para ser un elemento más de muchos de los talleres y líneas de producción. 
 
Por su propia definición el robot industrial es multifuncional, esto es, puede ser aplicado a un 
número, en principio ilimitado, de funciones. No obstante, la práctica ha demostrado que su 
adaptación es óptima en determinados procesos (soldadura, paletización, etc.) en los que hoy día el 
robot es sin duda alguna, la solución más rentable. 
 
La implantación de un robot industrial en una planta manufacturera es un proceso que exige 
un detallado estudio previo del proceso en cuestión, examinando las ventajas e inconvenientes que 
conlleva la introducción del robot. Será preciso siempre estar dispuesto a admitir cambios en el 
desarrollo del proceso primitivo (modificaciones en el diseño de piezas, sustitución de unos sistemas 
por otros, etc.) que faciliten y hagan viable la aplicación del robot. 
 
En cuanto al tipo de robot a utilizar, habrá que considerar aspectos de diversa índole como 
espacio de trabajo, velocidad de carga, capacidad de control, costeo, etc. 
 
La alimentación y desalimentación de máquinas especializadas es otra tarea de manipulación 
de posible robotización. La peligrosidad y monotonía de las operaciones de carga y descarga de 
máquinas como prensas, estampadoras, hornos o la posibilidad de usar un mismo robot para 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
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 - 42 - Capítulo 2. El sistema. 
transferir una pieza a través de diferentes máquinas de procesado, ha conseguido que gran número 
de empresas hayan introducido robots en sus talleres. 
 
En la industria metalúrgica se usan prensas para conformar los metales en frío, estampación 
y embutido, obtener piezas de complicadas formas a partir de planchas de metal. En ocasiones la 
misma pieza pasa consecutivamente por varias prensas hasta conseguir su forma definitiva. La carga 
y descarga de estas máquinas se realiza tradicionalmente a mano, con el elevado riesgo que esto 
conlleva para el operario, al que una pequeña distracción puede costarle un serio accidente. Estas 
circunstancias, junto con la superior precisión de posicionamiento que puede conseguir el robot, y la 
capacidad de éste de controlar automáticamente el funcionamiento de la máquina y dispositivos 
auxiliares, han hecho que el robot sea una solución ventajosa para estos procesos. 
 
Por otra parte, los robots usados en estas tareas son, por lo general, de baja complejidad, 
precisión media, número reducido de grados de libertad y de control sencillo, bastando en ocasiones 
con manipuladores secuenciales. En cuanto a la carga, varía mucho, pudiéndose necesitar robots con 
capacidad de carga de pocos kilogramos, hasta cientos kg (existen robots capaces de manipular 
hasta tonelada y media). Las estructuras más frecuentemente utilizadas son la cilíndrica, esférica y 
articular. También la cartesiana puede aportar en ocasiones la solución más adecuada. 
 
El robot es el complemento ideal de estas máquinas. Sus tareas pueden comenzar con la 
recogida de la pieza del sistema de transporte encargado de evacuarlas o para llevarla a otra 
máquina. Asimismo, el robot puede ocuparse de cargar el alimentador automático de herramientas 
de la máquina, reponiendo herramientas gastadas o seleccionando las adecuadas para la producción 
de una determinada pieza. 
 
Las características de los robots para estas tareas de alimentación de máquinas herramientas 
son por lo general similares a las necesarias para la alimentación de otras máquinas. Las únicas 
discrepancias estriban en su mayor precisión y capacidad de carga inferior (algunas decenas de 
kilogramos). 
 
Las operaciones de montaje; por la gran precisión y habilidad que normalmente exigen, 
presentan grandes dificultades para su automatización flexible. Sin embargo, el hecho de que estas 
Diseño de un manipulador robótico de cinco grados de libertad como herramienta para detección de fallas mediante 
ultrasonido (Derivado del proyecto SIP20082653) 
 - 43 - Capítulo 2. El sistema. 
operaciones representen una buena parte de los costos totales del producto, ha propiciado las 
investigaciones y desarrollos en esta área, consiguiéndose importantes avances. 
 
Muchos procesos de ensamblado se han automatizado empleando máquinas especiales que 
funcionan con gran precisión y rapidez. Sin embargo, el mercado actual precisa de sistemas muy 
flexibles, que permitan introducir frecuentes modificaciones en los productos con unos costos 
mínimos. Por este motivo el robot industrial se ha convertido en muchos casos en la solución