EXPERIENCIA DOCENTE EN LA IMPARTICIÓN DE PRÁCTICASDE LABORATORIO DE LA ASIGNATURA DE CONTROL Y

PROGRAMACIÓN DE ROBOTS

Carlos Elvira Izurrategui, Montserrat Gil Martínez, Javier Bretón Rodríguez, Juan Martín Miruri Sáenz

Departamento de Ingeniería Eléctrica. Area de Ingeniería de Sistemas y AutomáticaCentro de Enseñanzas Científicas y Técnicas. Universidad de La Rioja

C/ Luis de Ulloa, 20. 26004 Logroño (La Rioja)E-mail: [carlos.elvira, montse.gil, javier.breton, juanmartin.miruri]@die.unirioja.es

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Resumen

Esta contribución plantea brevemente la experienciadocente en la enseñanza de tipo práctico relacionadacon la robótica, mostrando los aspectos necesariospara cubrirla de una forma adecuada. Para ello sedescribe el marco general en el que se desenvuelve laasignatura “Control y Programación de Robots”dentro del plan de estudios de Ingeniería TécnicaIndustrial en la Universidad de La Rioja.Posteriormente se definen los objetivos a cumplir coneste tipo de docencia práctica situados dentro de losobjetivos globales de la materia. Se continúa dandounas pautas recomendables en la metodología aseguir en los laboratorios, planteando distintassoluciones a casos comunes que nos podemosencontrar todos los docentes. Después se pasa adescribir los medios materiales que se disponen a díade hoy en el Área de Ingeniería de Sistemas yAutomática, y que son utilizados para cumplir dichadocencia con unos requisitos mínimos de calidad. Apartir de los medios citados anteriormente se realizaun planteamiento de un grupo de diez prácticas quepermiten cubrir la carga en créditos disponible. Sefinaliza aportando detalles de la experiencia prácticaobtenida en los últimos años, y sacando lasconclusiones oportunas que permitan continuar lalabor de mejorar día a día la docencia en larobótica.

Palabras Clave: Robótica, programación de robots,modelización de manipuladores, planificación detrayectorias de robots, sistemas de programación.

1 INTRODUCCIÓN

Para obtener el máximo rendimiento de lasinstalaciones robotizadas es necesario que lasempresas dispongan de especialistas cualificados concapacidad para programar este tipo de instalaciones.

La instrucción en la modelización, control yprogramación de robots es una necesidad cada díamás creciente, tanto en el ámbito industrial como enotras instituciones. Por ello, se justifica la existenciade una o varias asignaturas que cubran estas materiasen los planes de estudio.

En la Universidad de La Rioja, y con la reforma delos planes de estudio de las Ingenierías TécnicasIndustriales, aparece la asignatura de “Control yProgramación de Robots”. Dentro del objetivo globalde adaptar dichos planes de estudio a las nuevastecnologías industriales y mejorar la calidad yrendimiento de las titulaciones, aparece esta nuevaasignatura de carácter optativo. Dicha materia esimpartida por el Área de Ingeniería de Sistemas yAutomática perteneciente al Departamento deIngeniería Eléctrica.

Desde su definición e implantación en los nuevosplanes de estudio de las tres titulaciones de IngenieríaTécnica Industrial en Mecánica, Electricidad yElectrónica Industrial, la asignatura de “Control yProgramación de Robots” ha sido ofertada durante elsegundo cuatrimestre de cada año a dichasespecialidades. Dado el carácter optativo de lamateria, ésta puede ser cursada por el alumno en elsegundo o tercer curso de la carrera (donde existencréditos destinados a tal fin) tal y como marcan laslos tres títulos en sus Resoluciones correspondientes27505, 27505 y 27628 del 29 de Septiembre,publicados en el B.O.E. el 18 de Noviembre de 1993.La carga lectiva de dicha materia es de seis créditos,correspondiendo tres de ellos a la carga teórico-práctica de aula, y otros tres créditos a prácticas delaboratorio. Se debe destacar la cuantía que se leasigna a la carga en créditos de las prácticas (un 50%sobre el total), dado su carácter de asignatura finalistay las connotaciones propias de las titulaciones. Elnúmero de créditos asignados suponen dos horassemanales destinadas a las clases de aula y otras doshoras semanales para aprendizaje en el laboratorio,

aplicadas a un total de quince semanas que sedisponen en la actual estructura del cuatrimestre.

2 OBJETIVOS GENERALES

Los aspectos más importantes a cubrir en laenseñanza de la asignatura “Control y Programaciónde Robots” son los siguientes:

- Distinguir las distintas estructuras clásicas de losrobots industriales y conocer sus prestaciones másdestacables.

- Comprender los principios de funcionamiento delos elementos tecnológicos que disponen losmanipuladores industriales.

- Conocer los sistemas de programación de los robotsindustriales.

- Modelizar las estructuras típicas de varios robots ymanipuladores utilizados en procesos industriales.

- Comprender los principios básicos del controlcinemático de un robot.

- Estudiar los modelos dinámicos de un robot en suproyección sobre técnicas de control.

El programa de prácticas, tanto por su contenidocomo por su forma de impartirse, integra junto conlas clases teóricas una unidad coherente. Susobjetivos fundamentales son la verificaciónexperimental de las técnicas de análisis y diseñovistos en el programa teórico-práctico de aula, lainterpretación de los resultados y el análisis conespíritu crítico constructivo del alumno de lasdiferencias con los resultados previstos en el estudioteórico.

Las clases de tipo práctico en laboratorio constituyenun elemento básico de cualquier materia científico-técnica. Por un lado, permiten afianzar y completarlos conocimientos teóricos, y por otro, acercar alalumno a la realidad práctica.

3 METODOLOGÍA DE LASCLASES DE LABORATORIO

Muchos son los factores a considerar a la hora deplantearse la docencia en un laboratorio. Por un lado,lamentablemente, los recursos económicos limitanenormemente el diseño y, por otro, el elevadonúmero de alumnos puede llegar a crear enormesdificultades en cuanto a la distribución de horarios yprofesores.

En cualquier caso, que la necesidad de completar unaformación teórica debe ser suficiente para vencercualquier dificultad, empleando el máximo ingenioposible con todos los recursos disponibles.

Las prácticas deben ser cuidadosamente elegidas enfunción de los fines concretos que se persiguen. Paraun mejor aprovechamiento, se entregará en cadapráctica un pequeño guión en el que se recogerán losapartados mostrados en la tabla nº 1.

Apartados de un guión de práctica.• Introducción• Objetivos de la práctica• Planteamiento y desarrollo de la práctica• Fuentes de información recomendadas.• Duración de la práctica• Conclusiones

Tabla 1: Estructura de un guión de prácticas.

A continuación se citan algunas peculiaridadesacerca de la metodología didáctica a aplicar [3]:

- Como norma general, los grupos en el laboratoriono deben ser muy numerosos. En prácticas desimulación es recomendable disponer de un equipoinformático para cada uno o dos alumnos, mientrasque en prácticas con robots reales el número dealumnos puede ser superior.

- Las prácticas deben ir coordinadas en lo posible conel ritmo de la teoría para conseguir el máximoaprovechamiento de ambas. Para que exista estasincronización, las prácticas debería empezar yacabar unas semanas más tarde que las clasesteóricas. Generalmente existen problemas por partede los centros para poder llevar a cabo esta estrategia,por lo que el profesor debe estar preparado parareaccionar ante este hecho. Por consiguiente, eldesarrollo de las prácticas se ha realizado de formaque la prácticas iniciales estén destinadas al manejobásico de robots, donde se estudian las formasbásicas de programación y sus comandos asociados.La disponibilidad de un número adecuado de estetipo de robots no siempre suele darse, por lo que ladocencia puede perder calidad. En caso de que elnúmero de equipos sea escaso se recomienda que seadopten las siguientes medidas:

El profesor hará una puesta en común de las prácticasrelacionadas con la programación de los robot,explicando de forma conjunta y resumida losobjetivos y los desarrollos a realizar.

Para un grupo numeroso de alumnos (en función delas características del material y del laboratorio), elprofesor realizará la práctica guiada con el robot ycon la ayuda de algún alumno, explicando el

desarrollo detallado de las prácticas relacionadas consu programación. Luego, procederá a realizar lamisma labor con otro grupo, hasta acabar el númerode grupos. Se recomiendan grupos con un número nosuperior a seis personas. Mientras se está realizandola instrucción de un grupo se dejará al resto degrupos desarrollar los contenidos de la práctica.Naturalmente, los grupos que estén esperando a laexplicación de la práctica guiada realizarán unestudio visual de los manipuladores identificando loselementos que las componen junto con la ayuda de lainformación que se les proporciona.

La labor anterior se puede desarrollar durante losprimeros días, de forma que el resto de las clasessean destinadas a trabajo autodidacta (a partir de losguiones de prácticas) de los grupos de alumnos. Esrecomendable que en esta fase se trabaje con gruposdel menor número de personas posible en función delnúmero de manipuladores.

- Es conveniente que el alumno disponga de unmanual o guión de las prácticas a realizar con el finde que, cuando llegue al laboratorio, conozca deantemano el fundamento teórico, los objetivos y elmétodo operatorio. Pese a ello, resulta convenienteque el profesor haga al principio de la clase delaboratorio un breve resumen de todos estos aspectos.

- El esquema de funcionamiento debe serabsolutamente participativo por parte del alumnado,siendo el papel del profesor meramente orientador ycoordinador. En algunos casos en que el tipo depráctica y el tipo y disponibilidad de material así loaconseje, esta práctica puede ser de tipo demostrativoy guiada por parte del profesor. En estos casos, elalumno observa y anota, redactando luego susresultados y conclusiones, pero sin anular el grado departicipación activa que debe presidir cualquieractividad docente.

- Durante el transcurso de la sesión de laboratorio,los alumnos realizarán la práctica, anotando los datosobtenidos. Posteriormente pueden confeccionar elinforme o memoria en que especificarán losobjetivos, el fundamento teórico, el materialutilizado, el método operatorio, los datos tomados,tablas y gráficas, los resultados y sus erroresasociados, y finalmente los comentarios yconclusiones, inculcando así un esquema organizadode lo que debe ser cualquier tarea experimental.También puede sugerirse la resolución de algunascuestiones simples relacionadas con el tema objeto dela práctica realizada, o permitir que el alumno sugieracualquier comentario personal sobre la prácticaestablecida.

- Dado el número limitado de robots disponible, sepuede proponer un planteamiento de prácticas

rotadas, en las cuales los grupos de alumnos vanrotando por los distintos manipuladores disponibles.

Las prácticas de laboratorio tendrán carácterobligatorio con participación directa del alumno. Enocasiones, los grupos de trabajo (recomendables deno más de 2 personas) podrán ser más numerosos (dehasta 6 alumnos) cuando se trate de prácticas quetengan un carácter demostrativo y guiado por elprofesor.

- Para realizar un seguimiento del aprovechamientopor parte del alumno de las clases de laboratorio, elprofesor deberá anotar de forma resumida elrendimiento de los grupos de trabajo. Además, sevalorarán positivamente todos los informes omemorias entregados de forma voluntaria y en losque se deben señalar los objetivos, los principiosteóricos, la descripción, el desarrollo, elequipamiento utilizado y los resultados obtenidos conuna interpretación de los mismos comparándolos conlos indicados por la teoría. Las normas a seguir en ellaboratorio y la forma de presentar los informes esrecomendable que aparezcan en la guía de prácticas.

3 DOTACIONES Y RECURSOSMATERIALES DISPONIBLES

La dotación actual del Laboratorio del Área deIngeniería de Sistemas y Automática ha venidoincrementándose de forma notable desde el momentoen el que se implantaron los nuevos Planes deEstudios de Ingeniería Técnica Industrial, en el curso94/95. Las inversiones en equipos e instrumentalcubren las necesidades básicas. No obstante, se siguetrabajando en la línea de incrementar los mediosdisponibles, hardware y software, otros equipos, etc.,así como el espacio disponible.

Como se muestra en la Figura 1 se dispone de unlaboratorio básico con material informático paradesarrollar simulaciones tanto en las prácticas de laasignatura de Control y Programación de Robotscomo en otras asignaturas impartidas en el área deIngeniería de Sistemas y Automática. El diseño ypuesta en marcha del laboratorio se desarrollótomando como punto de partida el caráctermultidisciplinar de todas las asignaturas a las cualesestá vinculado [2].

Se debe destacar, que en los últimos años los catorceequipos informáticos han sido renovados acorde a lascrecientes y elevadas innovaciones en el mundoinformático. En estos equipos informáticos serealizan programaciones y simulaciones utilizandopara ello varios paquetes software disponibles.

Figura 1: Laboratorio de prácticas multidisciplinar.

Uno de estos paquetes es el desarrollado por Festo yse denomina COSIMIR [5]. Este software en susdistintas versiones (educacional, profesional,industrial) permite simular la cinemática de variostipos de robots industriales (Abb, Fanuc, KUKA,Siemens, Staubli, Adept, etc) y varias aplicacionesindustriales (células CIM, etc). En la Figura 2 sepuede observar una simulación del guiado sobre unrobot específico.

Figura 2: Programa COSIMIR.

Otro software que permite desarrollar otro grupo deprácticas es el programa MATLAB elaborado porMathworks [7]. Constituye un entorno deprogramación básico con un núcleo algebraico-matricial muy potente. Por lo tanto, resulta muyadecuado para el desarrollo de prácticas deprogramación de modelos cinemáticos basados en laformulación matricial de Denavit-Hartenberg.Además, dispone de varias toolboxes que permitenampliar su rango de aplicación. Destacar entre todosellos “The Control Toolbox” [8], herramienta queaporta funciones idóneas para desarrollarsimulaciones dinámicas y de control dinámico. Elconjunto del programa también puede ser utilizadopara desarrollar prácticas de control cinemático detrayectorias. En la Figura 3 se muestra el resultado dela programación en este entorno de la posición de unaarticulación utilizando trayectorias LSPB (linear

segment with parabolic blends). También existenunas herramientas de simulación basadas en elentorno de programación de MATLAB, específicaspara materias de robótica [1][6], las cuales puedenser utilizadas para el desarrollo de este tipo deprácticas docentes.

-1 0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5

6

7Interpolación LSPB

t [s]

q(t)

[rad/

s]

Figura 3: Resultado de la simulación en la ejecuciónde una trayectoria LSPB.

Desde el punto de vista industrial se dispone de unmanipulador modular cartesiano mostrado en laFigura 4, formado a partir de tres módulos lineales dela marca NSK. Dicho conjunto mecánico secomplementa con un controlador M-EXC30A331A00 de la misma marca, la consola deprogramación (“teach-pendant”) y otros accesorios.La realización de prácticas en este manipulador seaproxima bastante a la realidad industrial. Tambiéndispone de un equipo informático industrial con elque se puede programar el robot utilizando elprotocolo RS-232.

Figura 4: Robot cartesiano modular.

También se dispone de un manipulador cartesiano detipo didáctico desarrollado en su totalidad (partesmecánica, electrónica, programación, etc) en elmarco de un Proyecto Fin de Carrera [4]. En laFigura 5 se observa dicho manipulador, que esutilizado básicamente para identificar los distintosactuadores, sensores y otros elementos básicos, y lastecnologías utilizadas en un robot.

Figura 5: Robot cartesiano didáctico.

Otro robot industrial de tipo antropomórficodisponible en los laboratorios es el RX-60 de lamarca Staubli. En las Figuras 6 y 7 se puede observardicho robot integrado dentro de una célula deautomatización industrial con diverso equipamientoutilizado en otras disciplinas.

Figura 6: Robot antropomórfico Staubli RX-60.

Los dos robots industriales disponibles permitenplantear ejercicios donde se ponen en práctica susdistintos sistemas de programación, reconocer lastecnologías empleadas en sus elementos (sensores,

actuadores, etc), y desarrollar aplicacionesespecíficas.

Figura 7: Robot integrado en una célula deautomatización industrial.

En la Figura 8 se muestra uno de los dos sistemas deservomotores brushless CVS22 de la marca SCSubicados en los laboratorios. Mediante estos dosequipos se desarrolla alguna aplicación prácticarelacionada con la modelización dinámica de unsistema de control de posición y de velocidad.

Figura 8: Servosistemas brushless CVS22.

4 DESARROLLO DEL PROGRAMADE PRÁCTICAS

De acuerdo a la disponibilidad de tres créditosprácticos de laboratorio para la asignatura, se tendráun total de treinta horas distribuidas en elcuatrimestre para desarrollar los contenidosprácticos. La distribución en horas semanales iniciales de dos horas-alumno. El programa de las prácticasse desarrolla teniendo en cuenta esta planificaciónhoraria semanal.

Es reseñable en esta asignatura que el desarrollo desus prácticas se centra en la experimentación prácticasobre varios tipos de robots del ámbito educativo e

industrial, así como la utilización de paquetes desimulación de robots, que sirvan como sustento en eléxito del programa global de la asignatura.

No hay que olvidar que la mitad de la carga de loscréditos de la asignatura es de tipo práctico en ellaboratorio, por lo que la optimización de losrecursos y del tiempo pueden ser fundamentales. Paraello, es recomendable disponer de personal técnicode laboratorio que pueda realizar tareas demantenimiento de todo el equipamiento, y labores desupervisión de los laboratorios en las horas en las queestén abiertos a los alumnos para labores definalización o ampliación de las prácticas propuestas.

La distribución de los contenidos de las prácticas seha efectuado de forma tal que, en las primeras, secomienza enseñando al alumno el funcionamiento delos robots disponibles para poder realizar posterioresaplicaciones con ellos. También se realizaránprácticas simuladas con el software de simulación derobots, que complementen los aspectos teórico-prácticos de la asignatura. Se intentará (según ladisponibilidad de medios) que las prácticas desimulación precedan a las prácticas sobre los robotsreales. Dado el número limitado de robots disponible,es recomendable describir al principio del curso todoel cuerpo de prácticas realizando el profesor lasprácticas de programación de robots a todo elcolectivo de alumnos, y dejando así el resto de lashoras del curso a los grupos para poder trabajar sobrelos robots. En este caso, habrá que documentarperfectamente las prácticas para que el alumno puedatrabajar el máximo tiempo posible de formaindependiente.

El número propuesto de prácticas a desarrollar en ellaboratorio es de diez. Se ha pretendido lograr unadistribución lo más acorde posible con los contenidosteóricos y los objetivos de la materia troncal,manteniendo además siempre una adecuadasincronización.

En la Tabla 2 se proponen un conjunto de prácticas adesarrollar por el alumno. Dicha propuesta puedellevarse a la práctica con el conjunto de mediosdescritos anteriormente. En algunos casos la prácticapuede ser planteada con distintas herramientas. Porejemplo, las prácticas nº 2, 3 y 6 de programación delos robots industriales puede ser desarrollada porcualquiera de los robots disponibles. Igualmente lasprácticas 4 y 5 de simulación de la cinemática puedeser programada totalmente con el software deMATLAB y luego puede ser simulada directamentecon un proyecto desarrollado directamente con elprograma COSIMIR. Por citar otro ejemplo, lasprácticas nº 7 y 9 relacionadas con la dinámicapueden plantearse utilizando la programación ysimulación en MATLAB y/o utilizando los

servomotores brushless. Esta flexibilidad en lapropuesta permite una modificación en losplanteamientos prácticos de la asignatura que serealizan anualmente de acuerdo a las circunstancias yevolución docente de la enseñanza en el aula.También se puede optar por complementar alguna delas prácticas (sobre todo la práctica nº 1 y 10) convídeos didácticos o de aplicaciones industriales, y silas circunstancias lo permiten, con visitas a empresaso instituciones con instalaciones y aplicaciones conrobots.

Nº Título propuesto Horas1 Identificación de la estructura

morfológica de un robot.2

2 Programación de los parámetros deinicialización de un robotindustrial.

2

3 Programación textual (por consolau otro medio) de un robotindustrial.

2

4 Simulación de movimientos delsólido mediante transformacioneshomogéneas.

4

5 Simulación del modelo cinemáticode un robot.

6

6 Programación de aplicaciones enun robot industrial.

4

7 Simulación del modelo dinámicodel robot.

2

8 Simulación de trayectoriascontinuas de las articulaciones deun robot.

4

9 Simulación y programación delcontrol PID de una articulación deun robot.

2

10 Estudio e identificación de losactuadores, sensores ytransmisiones de un robot

2

Tabla 2: Propuesta de prácticas de laboratorio.

Como se puede observar en el planteamientoanterior, el grupo de prácticas incluye el desarrollo dedistintas habilidades por parte del alumno. Una deestas habilidades es la de poner en práctica conceptosde programación adquiridos en otras asignaturas.Otra de las destrezas que puede adquirir el alumno esla de conocer y practicar con sistemas deprogramación de robots industriales. Por último enalgunas de las prácticas planteadas el alumno puedeadquirir destreza en el manejo de entornos ylenguajes de simulación relacionados con la robótica.Todas estas habilidades permiten al alumno cubrir elconjunto de objetivos marcados en la docencia.

5 EXPERIENCIA DOCENTE

En los primeros años de implantación del actual plande estudios, se ha observado que la realizaciónadecuada de un programa de prácticasexperimentales presentó algunos obstáculos comoson, la insuficiencia de medios materiales, equipos ypersonal técnico para llevarlas a cabo. Además, ellaboratorio debían compartirse con las prácticas delaboratorio de otras asignaturas. Este hecho sumadoal elevado número de alumnos perjudicabanotablemente la calidad de la docencia. En losúltimos años estas dificultades han idodesapareciendo paulatinamente con la llegada denuevos recursos materiales, disminución del númerode alumnos, etc, consiguiendo una mejora sustancialen el resultado académico final.

6 CONCLUSIONES

En esta contribución se ha visto la necesidad decubrir una docencia práctica con calidad en materiasrelacionadas con la Robótica. En particular se hapresentado la experiencia desarrollada en laasignatura de Control y Programación de Robotsimpartida en Ingeniería Técnica Industrial de laUniversidad de La Rioja. A partir de dichaexperiencia se han realizado un planteamientometodológico y una propuesta flexible de prácticasque han sido desarrolladas en el Área de Ingenieríade Sistemas y Automática perteneciente alDepartamento de Ingeniería Eléctrica para elcumplimiento de los objetivos de dicha asignatura.

Referencias

[1] Corke P. (1996), ”Robotics Toolbox for usewith Matlab”, .Users Guide.

[2] Elvira C., Bretón J. (1996) “XVII Jornadas deAutomática”. Santander.

[3] Elvira C. (1998) “Proyecto Docente”. Concursode Méritos para Plaza de T.E.U. en el Dpto. deIngeniería Eléctrica de la U.R.

[4] Falces A. (1998), ”Diseño y confección de unrobot para aplicaciones de tipo didáctico”,.Proyecto Fin de Carrera.

[5] Festo., ”Short introduction into 3D Simulationand Offline Programming of robot-basedworkcells with COSIMIR”, Getting Started.

[6] Paquette C., Harper C., Toogood R. (1996),”Symbolic Robotics Toolbox for use withMatlab”, .Users Guide.

[7] The Mathworks Inc. ”Matlab. The language ofTechnical Computing”, Using Matlab.

[8] The Mathworks Inc. ”Control SystemToolbox”, .Users Guide.