historia y evolución de la robótica
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INTRODUCCIÓN
La robótica es un concepto de dominio público. La mayor parte de la gente tiene
una idea de lo que es la robótica, sabe sus aplicaciones y el potencial que tiene;
sin embargo, no conocen el origen de la palabra robot, ni tienen idea del origen de
las aplicaciones útiles de la robótica como ciencia. La robótica como hoy en día la
conocemos, tiene sus orígenes hace miles de anos. Nos basaremos en hechos
registrados a través de la historia, y comenzaremos aclarando que antiguamente
los robots eran conocidos con el nombre de autómatas, y la robótica no era
reconocida como ciencia, es mas, la palabra robot surgió hace mucho después del
origen de los autómatas.
Desde el principio de los tiempos, el hombre ha deseado crear vida artificial. Se ha
empeñado en dar vida a seres artificiales que le acompañen en su morada, seres
que realicen sus tareas repetitivas, tareas pesadas o difíciles de realizar por un ser
humano. De acuerdo a algunos autores, como J. J. C. Smart y Jasia Reichardt,
consideran que el primer autómata en toda la historia fue Adán creado por Dios.
De acuerdo a esto, Adán y Eva son los primero autómatas inteligentes creados, y
Dios fue quien los programó y les dio sus primeras instrucciones que debieran de
seguir. Dentro de la mitología griega se puede encontrar varios relatos sobre la
creación de vida artificial, por ejemplo, Prometeo creo el primer hombre y la primer
mujer con barro y animados con el fuego de los cielos. De esta manera nos damos
cuenta de que la humanidad tiene la obsesión de crear vida artificial desde el
principio de los tiempos. Muchos han sido los intentos por lograrlo.
Los hombres creaban autómatas como un pasatiempo, eran creados con el fin de
entretener a su dueño. Los materiales que se utilizaban se encontraban al alcance
de todo el mundo, esto es, utilizaban maderas resistentes, metales como el cobre
y cualquier otro material moldeable, esto es, que no necesitara o requiriera de
algún tipo de transformación para poder ser utilizado en la creación de los
autómatas. Estos primeros autómatas utilizaban, principalmente, la fuerza bruta
para poder realizar sus movimientos.
Fundamentos de la
Robótica
1.- Conceptos Básicos.
Efector: es un dispositivo que produce determinados efectos en el entorno, bajo el
control del robot. Para producir un efecto en el mundo físico, el efector deberá
estar provisto de un actuador, que permite convertir comandos de software en
movimientos físico. Los actuadores por lo general son motores eléctricos o
cilindros hidráulicos o neumáticos. Para simplificar, partiremos del supuesto de
que un actuador define un solo tipo de movimiento o grado de libertad.
Los efectores se utilizan principalmente de dos maneras: para modificar la
ubicación del robot respecto de su ambiente (locomoción) y para desplazar otros
objetos del entorno (manipulación).
Robótica: Es una ciencia o rama de la tecnología, que estudia el diseño y
construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas realizadas por el ser
humano o que requieren del uso de inteligencia. Las ciencias y tecnologías de las
que deriva podrían ser: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de
estados, la mecánica o la informática.
La robótica es un área interdisciplinaria formada por la ingeniería mecánica,
eléctrica, electrónica y sistemas computacionales. La mecánica comprende tres
aspectos: diseño mecánico de la máquina, análisis estático y análisis dinámico. La
microelectrónica le permite al robot trasmitir la información que se le entrega,
coordinando impulsos eléctricos que hacen que el robot realice los movimientos
requeridos por la tarea. La informática provee de los programas necesarios para
lograr la coordinación mecánica requerida en los movimientos del robot, dar un
cierto grado de inteligencia a la máquina, es decir adaptabilidad, autonomía y
capacidad interpretativa y correctiva.
La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño,
manufactura y aplicaciones de los robots. La robótica combina diversas disciplinas
como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la
ingeniería de control. Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los
autómatas programables y las máquinas de estados.
Robótica Inteligente: El término de robótica inteligente combina cierta destreza
física de locomoción y manipulación, que caracteriza a lo que conocemos como
robot, con habilidades de percepción y de razonamiento residentes en
computadora. La locomoción y manipulación están directamente relacionadas con
los componentes mecánicos de un robot. La percepción está directamente
relacionada con dispositivos que proporcionan información del medio ambiente
(sensores); estos dispositivos pueden ser de tipo ultrasonido (radares), cámaras
de visión, láser, infrarrojos, por mencionar algunos. Los procesos de razonamiento
seleccionan las acciones que se deben tomar para realizar cierta tarea
encomendada. La habilidad de razonamiento permite el acoplamiento natural entre
las habilidades de percepción y acción.
Robot: Es un dispositivo generalmente mecánico, que desempeña tareas
automáticamente, ya sea de acuerdo a supervisión humana directa, a través de un
programa predefinido o siguiendo un conjunto de reglas generales, utilizando
técnicas de inteligencia artificial. Generalmente estas tareas reemplazan,
asemejan o extienden el trabajo humano, como ensamble en manufactura,
manipulación de objetos pesados o peligrosos, trabajo en el espacio, etc.
Robot Industrial: La definición del robot industrial, como una maquina que puede
efectuar un número diverso de trabajos, automáticamente, mediante la
programación previa, no es valida, por que existen bastantes maquinas de control
numérico que cumplen esos requisitos. Una peculiaridad de los robots es su
estructura de brazo mecánico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores o
herramientas. Otra característica especifica del robot, es la posibilidad de llevar a
cabo trabajos completamente diferentes e, incluso, tomar decisiones según la
información procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa
operativo en su sistema informático. Se pueden distinguir cinco fases relevantes
en el desarrollo de la Robótica Industrial:
1era Fase: El laboratorio argonne diseña, en 1950, manipuladores amo-
esclavo para manejar materiales radiactivos.
2da Fase: Unimation fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por
Westinghouse, realiza los primeros proyecto de robot industriales, a
principio de la década de los 60, instalado el primero en 1961 y
posteriormente 1967, un conjunto de ellos en una factorial de General
Motors. Tres años después se inicia la implantación de los robots en
Europa, especialmente en el área de fabricación de automóviles. Japón no
comenzó a interesarse por el tema hasta 1968.
3era Fase: Los laboratorios de la universidad de Stanford y el MIT
acometen, en 1970, la tarea de controlar un robot mediante computador.
4ta Fase: en el año 1975, la aplicación de microprocesadores, transforma la
imagen y las características del robot, hasta entonces grandes y caras. En
esta fase que dura hasta 1980, la conjunción de los efectos de la
microelectrónica y la revitalización de las empresas automovilísticas,
produjo un crecimiento acumulativo del parque de robot, cercano al 25%.
5ta Fase: A partir de 1980, el fuerte impulso hacia la investigación, por parte
de las empresas fabricantes de robots, otros auxiliares y diversos
departamentos de universidades de todo el mundo, sobre la informática
aplicada y la experimentación de sensores, cada vez mas perfeccionados,
potencia la configuración del “robot inteligente” capaz de adaptarse al
ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuadas para cada situación
esta situación se mantiene hasta nuestros días.
La evolución de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En
poco más de 30 años las investigaciones y desarrollos sobre robótica industrial
han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las áreas productivas
y tipos de industria. En pequeñas o grandes fábricas, los robots pueden sustituir al
hombre en aquellas áreas repetitivas y hostiles, adaptándose inmediatamente a
los cambios de producción solicitados por la demanda variable.
2.- Historia y Evolución de la Robótica.
La palabra robot fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor
checo Karel Capek (1890 - 1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra
Rossum's Universal Robot (R.U.R.). Su origen es de la palabra eslava robota, que
se refiere al trabajo realizado de manera forzada.
Con el objetivo de diseñar una maquina flexible, adaptable al entorno y de fácil
manejo, George Devol, pionero de la Robótica Industrial, patento en 1948, un
manipulador programable que fue el germen del robot industrial. En 1948 R.C.
Goertz del Argonne National Laboratory desarrollo, con el objetivo de manipular
elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer tele manipulador.
Este consistía en un dispositivo mecánico maestro-esclavo. El manipulador
maestro, reproducía fielmente los movimientos de este. El operador además de
poder observar a través de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sentía a
través del dispositivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejercía sobre el entorno.
Años más tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnología electrónica y del
servocontrol sustituyendo la transmisión mecánica por eléctrica y desarrollando así
el primer tele manipulador con servocontrol bilateral. Otro de los pioneros de la
tele manipulación fue Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958
desarrollo un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en dos brazos
mecánicos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto.
Junto a la industria nuclear, a lo largo de los años sesenta la industria submarina
comenzó a interesarse por el uso de los tele manipuladores.
A este interés se sumo la industria espacial en los años setenta. La evolución de
los tele manipuladores a lo largo de los últimos años no ha sido tan espectacular
como la de los robots. Recluidos en un mercado selecto y limitado (industria
nuclear, militar, espacial, etc.) son en general desconocidos y comparativamente
poco atendidos por los investiga- dores y usuarios de robots. Por su propia
concepción, un tele manipulador precisa el mando continuo de un operador, y
salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control supervisado y
la mejora de la tele presencia promovida hoy día por la realidad virtual, sus
capacidades no han variado mucho respecto a las de sus orígenes.
La sustitución del operador por un programa de ordenador que controlase los
movimientos del manipulador dio paso al concepto de robot. La primera patente de
un dispositivo robotico fue solicitada en marzo de 1954 por el inventor británico
C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en el Reino Unido en 1957, sin embargo
fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano, inventor y autor de varias
patentes, él estableció las bases del robot industrial moderno. En 1954 Devol
concibió la idea de un dispositivo de transferencia de artículos programada que se
patento en Estados Unidos en 1961.
En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingeniería de la división aeroespacial
de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y
Engelberger comenzaron a trabajar en la utilización industrial de sus maquinas,
fundando la Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en
Unimation(Universal Automation), e instalando su primera maquina Unimate
(1960), en la fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una
aplicación de fundición por inyección.
Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construcción de maquinas
similares (Versatran- 1963). En 1968 J.F. Engelberger visito Japón y poco más
tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construcción de robots tipo
Unimate. El crecimiento de la robótica en Japón aventaja en breve a los Estados
Unidos gracias a Nissan, que formo la primera asociación robótica del mundo, la
Asociación de Robótica industrial de Japón (JIRA) en 1972. Dos años más tarde
se formo el Instituto de Robótica de América (RIA), que en 1984 cambio su
nombre por el de Asociación de Industrias Robóticas, manteniendo las mismas
siglas (RIA). Por su parte Europa tuvo un despertar más tardío. En 1973 la firma
sueca ASEA construyo el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, en
1980 se fundo la Federación Internacional de Robótica con sede en Estocolmo
Suecia.
La configuración de los primeros robots respondía a las denominadas
configuraciones esférica y antropomórfica, de uso especialmente valido para la
manipulación. En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de
Japón, desarrolla el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly
Robot Arm) que busca un robot con un número reducido en grados de libertad (3 o
4), un coste limitado y una configuración orientada al ensamblado de piezas.
Leyes de la Robótica.
Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y
son:
1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción,
que un ser humano sufra daños.
2. Un robot debe de obedecer las órdenes dadas por los seres humanos,
salvo que estén en conflictos con la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto
con las dos primeras leyes.
Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser
humano, de ésta forma su actitud contraviene a la de Kapek.
Definición de Robot Industrial.
Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que
es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre
el mercado japonés y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un
manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier
dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la
manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor
complejidad, sobre todo en lo relativo al control.
En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque existe una
idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo
a la hora de establecer una definición formal. Además, la evolución de la robótica
ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición. La definición mas
comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias
Robóticas (RIA), según la cual:
Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de
mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según
trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. Esta definición,
ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organización Internacional de
Estándares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional
reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas,
herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas
para realizar tareas diversas.
Se incluye en esta definición la necesidad de que el robot tenga varios grados de
libertad. Una definición más completa es la establecida por la Asociación Francesa
de Normalización (AFNOR) que define primero el manipulador y, basándose en
dicha definición, el robot:
Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie,
articulados entre si, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es
multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o
mediante dispositivo lógico.
Robot: manipulador automático servo controlado, reprogramable, polivalente,
capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo
trayectoria variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas.
Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca.
Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de
percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de
manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su
material. Por ultimo, la Federación Internacional de Robótica (IFR) distingue entre
robot industrial de manipulación y otros robots:
Por robot industrial de manipulación se entiende a una maquina de manipulación
automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden
posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para
la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción
industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento. En esta definición se debe
entender que la reprogramabilidad y multifunción se consigue sin modificaciones
físicas del robot. Común en todas las definiciones anteriores es la aceptación del
robot industrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y que
incorpora un control más o menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es
un concepto más amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas
de forma automática en sustitución de un ser humano y que pueden incorporar o
no a uno ovarios robots, siendo esto ultimo lo más frecuente.
Clasificación de los Robot Industriales.
La maquinaria para la automatización rígida dio paso al robot con el desarrollo de
controladores rápidos, basados en el microprocesador, así como un empleo de
servos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posición real de
los elementos del robot y establecer el error con la posición deseada. Esta
evolución ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a
continuación:
Manipuladores: Son sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo
sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los
siguientes modos:
a) Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.
b) De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de
trabajo preparado previamente.
c) De secuencia variable: Se pueden alterar algunas características de los
ciclos de trabajo.
Existen muchas operaciones básicas que pueden ser realizadas óptimamente
mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de
estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.
Robots de repetición o aprendizaje: Son manipuladores que se limitan a repetir
una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano,
haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de
robots, el operario en la fase de enseñanza, se vale de una pistola de
programación con diversos pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza
un maniquí, o a veces, desplaza directamente la mano del robot. Los robots de
aprendizaje son los mas conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo
de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual".
Robots con control por computador: Son manipuladores o sistemas mecánicos
multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un
microordenador.
En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento
de la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo.
El control por computador dispone de un lenguaje específico, compuesto por
varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un
programa de aplicación utilizando solo el terminal del computador, no el brazo.
A esta programación se le denomina textual y se crea sin la intervención del
manipulador.
Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan
imponiendo en el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de
personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo
informático.
Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, además, son
capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y tomar
decisiones en tiempo real (auto programable).
De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en fase
experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarles y
hacerles más efectivos, al mismo tiempo que más asequibles.
La visión artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las ciencias
que más están estudiando para su aplicación en los robots inteligentes.
Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigación,
existen numerosos robots de formación o micro-robots a un precio muy asequible
y, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial.
Clasificación de los robots según la AFRI.
Tipo A Manipulador con control manual o telemando.
Tipo B
Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación
mediante fines de carrera o topes; control por PLC;
accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico.
Tipo CRobot programable con trayectoria continua o punto a punto.
Carece de conocimiento sobre su entorno.
Tipo DRobot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su
tarea en función de estos.
(AFRI) Asociación Francesa de Robótica Industrial.
La IFR distingue entre cuatro tipos de robots:
1. Robot secuencial.
2. Robot de trayectoria controlable.
3. Robot adaptativo.
4. Robot tele manipulado.
Clasificación de los robots industriales en generaciones.
1° Generación.Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta
las posibles alteraciones de su entorno.
2° Generación.
Adquiere información limitada de su entorno y actúa en
consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar
esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia.
3° Generación.
Su programación se realiza mediante el empleo de un lenguaje
natural. Posee la capacidad para la planificación automática de sus
tareas.
Clasificación de los robots según T.M.Knasel.
Generación NombreTipo de
Control
Grado de
movilidad
Usos más
frecuentes
1 (1982) Pick & place
Fines de
carrera,
aprendizaje
Ninguno
Manipulación,
servicio de
maquinas
2 (1984) Servo
Servocontrol,
Trayectoria
continua, progr.
condicional
Desplazamiento
por vía
Soldadura,
pintura
3 (1989) Ensamblado
Servos de
precisión,
visión, tacto,
Guiado por víaEnsamblado,
Desbardado
4 (2000) Móvil Sensores Patas, Ruedas Construcción,
inteligentes Mantenimiento
5 (2010) Especiales
Controlados
con técnicas de
IA
Andante,
SaltarínMilitar, Espacial
Por último y con el fin de dar una visión del posible futuro, se presentaron en forma
clasificada, buena parte de los diversos tipos de robots que se puedan encontrar
hoy en día. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los
casos más futuristas están en estado de desarrollo en los centros de investigación
de robótica.
Robot de Servicio y Teleoperados.
En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como: Dispositivos
electromecánicos móviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios
brazos mecánicos independientes, controlados por un programa ordenador y que
realizan tareas no industriales de servicio.
En esta definición entrarían entre otros los robots
dedicados a cuidados médicos, educación,
domésticos, uso en oficinas, intervención en
ambientes peligrosos, aplicaciones espaciales,
aplicaciones submarinas y agricultura. Sin
embargo, esta definición de robots de servicio
excluye los tele manipuladores, pues estos no se
mueven mediante el control de un programa
ordenador, sino que están controlados
directamente por el operador humano.
Tele robots.
El diseño de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y aplican las
tecnologías para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las
aplicaciones terrestres. El telerobots dirigido, operando en un sitio utiliza
dispositivos de entrada, como la visualización gráfica, labor con herramienta,
planeando las ayudas para ordenar ejecución de una tarea a un sitio remoto
usando un sistema telerobotico. Las áreas actuales de investigación y desarrollo
incluyen:
El manipulador y el mando del robot móvil.
Las arquitecturas del telerobot remotas.
Procesado, integración, y fusión, del sistema sensorial.
Tareas interactivas que planea y ejecuta.
La visualización gráfica de las imágenes sobrepuestas.
Multisensor - el mando equilibrado.
Micromechanismos - control para el despliegue de los instrumentos.
Izquierda: (1) Vista del El Laboratorio de Telerobots dirigido; (2) Un Brazo de
Serpiente utilizado para el acceso diestro durante una inspección; (3) Un Extremo
de un Sensor Integrado efector (ISEE) utilizado en el robot sojuoner para la
inspección del planeta Marte; (4) el Rocky7 el Marte Vagabundo prototipo
probando su brazo desplegado; (5) y (6) El amo y halfs Robots que Ayudan a el
sistema de microcirugía.
Los robots teleoperados son definidos por la NASA como: Dispositivos robóticos
con brazos manipuladores y sensores con cierto grado de movilidad, controlados
remotamente por un operador humano de manera directa o atreves de un
ordenador.
El Controlador digital para un Manipulador Remoto.
Le otorgan fuerzas y desplazamientos atrasados al operador para facilitar el
mando.
El controlador para un manipulador remoto contiene un eslabón controlado por
computadora en lugar de un eslabón mecánico o servomecanismo entre la
estación de mando y el brazo del manipulador. El brazo maestro que un operador
acostumbra al controlar al manipulador, por consiguiente no tiene que parecerse al
brazo esclavo de cinemática o dinámicamente. El brazo del maestro puede ser
más pequeño y más ligero o más grande y más pesado que el brazo de
manipulador remoto. También puede requerir un volumen más pequeño o más
grande para moverse. En una versión experimental del controlador, el brazo del
maestro es operando la mano. El brazo esclavo tiene fuerza y sensores de torque
y proximidad en la muñeca, torque y sensores controlados por la mano. La mano
del controlador se localiza en una estación de mando que también incluye
imágenes bidimensionales y despliegue de televisión estereoscópica; los
despliegues gráficos para la proximidad, toque, resolución, fuerza, e información
del torque; alarmas de audio; e interruptores de mando. El brazo esclavo está en
un sitio remoto que incluye una cámara de televisión para observar al
manipulador. El controlador utiliza un sistema microordenador distribuido para los
datos se procesen. Se dedican tres microordenadores en la estación de mando
respectivamente para controlar los mecanismos de retroalimentación en el
controlador, operación de los despliegues gráficos y mando automático de ciertas
funciones para aliviar la carga en el operador. Tres microordenadores al mando de
la estación remota, el brazo esclavo, controla la cámara y procesa los datos del
sensor, respectivamente. Cada microordenador se comunica con otros en la
misma estación a través de un bus compartido y con los microordenadores en una
estación vecina, por arriba de una entrada compartiendo del estado de
rendimiento.
Sistemas de Control Modernos.
Aquí se exponen las características generales de los sistemas modernos de
control, indicándose el modo de operación del conjunto y las distintas prestaciones
de sus componentes.
Clasificación de los sistemas de control.
Los sistemas de control se clasifican básicamente en sistemas de lazo abierto y
sistemas de lazo cerrado.
En los sistemas de lazo abierto la señal de salida no tiene influencia sobre la
entrada. El proceso se ejecuta estableciendo las condiciones iníciales necesarias
para obtener un resultado determinado.
Si por acción de la variación de las condiciones externas al sistema no se logra el
resultado deseado, no hay posibilidad de poderlos cambiar durante el proceso.
En cambio, en los sistemas de lazo cerrado la señal de salida tiene influencia
sobre la entrada, es decir, que si existe una desviación entre la salida real y la
deseada, el autómata realiza los ajustes necesarios para aproximarlas lo más
posible, ya que aquí si existe realimentación de información.
Los sistemas modernos de control se basan en el concepto de lazo o bucle
cerrado. En el mismo, cíclicamente se realizan las siguientes tareas durante el
proceso:
1. Captación del valor de las señales de entrada a través de los sensores y los
dispositivos de entrada respectivos.
2. Evaluación o procesamiento de los valores recibidos en comparación con
los valores deseados.
3. Si es necesario, generación de una respuesta correctiva por parte del
actuador final.
Componentes básicos:
Los sensores o detectores captan las entradas procedentes del proceso y entorno
externo. Estos transductores convierten la información física real, como tensión,
temperatura, posición, etcétera, en una señal que generalmente es de tipo
eléctrico.
Los sensores suelen clasificarse en función de la magnitud que miden
(temperatura, intensidad, velocidad, nivel, etcétera).
Asimismo, las señales que entregan pueden ser del tipo analógico o digital,
incluyéndose en este último grupo los que detectan estados ON / OFF, como por
ejemplo los límites de carrera.
Una señal analógica puede adquirir un número ilimitado de valores, dentro de un
rango limitado por un máximo y un mínimo. Por ejemplo son las generadas por
sensores de presión, temperatura, peso, flujo de caudal, etcétera.
En cambio, una señal digital sólo puede adquirir un número determinado de
valores. Los mismos habitualmente se codifican empleando un sistema binario de
numeración (basado en dos valores: 0 y 1). Habitualmente estos ceros y unos se
agrupan en conjuntos de 8 ó 16 dígitos binarios (8 y 16 bits), formando valores
interpretables por el autómata.
En los detectores ON/OFF, como los interruptores de final de carrera, adopta el
valor 0 ó 1 dependiendo de su estado (hay tensión o no hay tensión).
Las dispositivos de entrada permiten establecer el diálogo hombre-máquina para
que el operador pueda gobernar el funcionamiento correcto de las máquinas
instaladas, verificando condiciones de arranque, alterando el proceso, cambiando
la velocidad, realizando paradas de emergencia, etcétera.
También pueden medirse determinadas condiciones externas, como tensión,
intensidad y temperatura del entorno, y ser utilizadas para alterar el proceso de
control.
A menudo la señal eléctrica producida por el sensor o dispositivo de entrada no
está en una forma directamente utilizable por el autómata o controlador lógico. Por
lo tanto necesita ser previamente convertida; amplificándola si es débil, filtrándola
para cambiar su frecuencia, convirtiéndola de digital a analógica o viceversa,
etcétera.
El controlador lógico o autómata programable (PLC) es el cerebro del sistema de
control. Recibe las señales procedentes de los sensores y dispositivos de entrada,
y las interpreta para decidir cuál salida tiene que accionar, si es necesario.
Las redes de datos vinculan los distintos autómatas que intervienen en un proceso
productivo, para coordinar su funcionamiento conjunto. Las redes pueden ser
Ethernet, Profibus y otras, tanto de área local (LAN) como extendida (WAN).
Los dispositivos de actuación o actuadores convierten las señales eléctricas de
salida del controlador lógico en acciones físicas sobre el sistema controlado.
Pueden ser motores de velocidad variable, contactores, válvulas, etcétera.
Los dispositivos de indicación permiten que el autómata vaya informando al
operador el estado del proceso o las variables del mismo, mediante dispositivos
como pantallas de cristal líquido, tubos de rayos catódicos, impresoras, alarmas,
etcétera.
Estructura y funcionamiento del autómata.
El autómata programable es un dispositivo electrónico destinado a controlar las
operaciones de cualquier proceso de producción. Tiene una gran capacidad de
adaptación y con un simple ajuste del programa, cualquier producto o sistema de
producción puede sustituirse por otro para adecuarse a las necesidades de la
empresa en cada momento.
Los autómatas internamente están constituidos por un conjunto de tarjetas o
circuitos en los que se han montado diversos circuitos electrónicos integrados. Las
conexiones entre tarjetas tienen lugar a través de un circuito impreso llamado bus
de datos situado generalmente en la parte posterior. Las partes principales que
componen un autómata son: el procesador, la memoria, las tarjetas de E / S, la
interface o consola de programación, el puerto de comunicaciones y la fuente de
alimentación.
La unidad central de procesos o CPU contiene habitualmente el procesador y la
memoria. El procesador está formado por el microprocesador y el reloj. Alrededor
del microprocesador se sitúan varios circuitos integrados, principalmente la
memoria ROM del sistema destinada a que el microprocesador realice las tareas
propias del procesador del autómata.
Clasificación de los robots:
Según su cronología: La que a continuación se presenta es la clasificación más
común:
1ª Generación. Manipuladores. Son sistemas mecánicos multifuncionales con un
sencillo sistema de control, bien manual, de secuencia fija o de secuencia variable.
2ª Generación. Robots de aprendizaje. Repiten una secuencia de movimientos
que ha sido ejecutada previamente por un operador humano. El modo de hacerlo
es a través de un dispositivo mecánico. El operador realiza los movimientos
requeridos mientras el robot le sigue y los memoriza.
3ª Generación. Robots con control sensorizado. El controlador es una
computadora que ejecuta las órdenes de un programa y las envía al manipulador
para que realice los movimientos necesarios.
4ª Generación. Robots inteligentes. Son similares a los anteriores, pero además
poseen sensores que envían información a la computadora de control sobre el
estado del proceso. Esto permite una toma inteligente de decisiones y el control
del proceso en tiempo real.
Según su arquitectura: La arquitectura, es definida por el tipo de configuración
general del Robot, puede ser metamórfica. El concepto de metamorfismo, de
reciente aparición, se ha introducido para incrementar la flexibilidad funcional de
un Robot a través del cambio de su configuración por el propio Robot. El
metamorfismo admite diversos niveles, desde los más elementales (cambio de
herramienta o de efecto terminal), hasta los más complejos como el cambio o
alteración de algunos de sus elementos o subsistemas estructurales. Los
dispositivos y mecanismos que pueden agruparse bajo la denominación genérica
del Robot, tal como se ha indicado, son muy diversos y es por tanto difícil
establecer una clasificación coherente de los mismos que resista un análisis crítico
y riguroso. La subdivisión de los Robots, con base en su arquitectura, se hace en
los siguientes grupos: Poliarticulados, Móviles, Androides, Zoomórficos e Híbridos.
Poliarticulados: En este grupo están los Robots de muy diversa forma y
configuración cuya característica común es la de ser básicamente sedentarios
(aunque excepcionalmente pueden ser guiados para efectuar desplazamientos
limitados) y estar estructurados para mover sus elementos terminales en un
determinado espacio de trabajo según uno o más sistemas de coordenadas y con
un número limitado de grados de libertad". En este grupo se encuentran los
manipuladores, los Robots industriales, los Robots cartesianos y se emplean
cuando es preciso abarcar una zona de trabajo relativamente amplia o alargada,
actuar sobre objetos con un plano de simetría vertical o reducir el espacio ocupado
en el suelo.
Móviles: Son Robots con gran capacidad de desplazamiento, basados en carros o
plataformas y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Siguen su camino
por telemando o guiándose por la información recibida de su entorno a través de
sus sensores. Estos Robots aseguran el transporte de piezas de un punto a otro
de una cadena de fabricación. Guiados mediante pistas materializadas a través de
la radiación electromagnética de circuitos empotrados en el suelo, o a través de
bandas detectadas fotoeléctricamente, pueden incluso llegar a sortear obstáculos
y están dotados de un nivel relativamente elevado de inteligencia.
Androides: Son Robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma y el
comportamiento cinemática del ser humano. Actualmente los androides son
todavía dispositivos muy poco evolucionados y sin utilidad práctica, y destinados,
fundamentalmente, al estudio y experimentación. Uno de los aspectos más
complejos de estos Robots, y sobre el que se centra la mayoría de los trabajos, es
el de la locomoción bípeda. En este caso, el principal problema es controlar
dinámica y coordinadamente en el tiempo real el proceso y mantener
simultáneamente el equilibrio del Robot.
Zoomórficos: Los Robots zoomórficos, que considerados en sentido no restrictivo
podrían incluir también a los androides, constituyen una clase caracterizada
principalmente por sus sistemas de locomoción que imitan a los diversos seres
vivos. A pesar de la disparidad morfológica de sus posibles sistemas de
locomoción es conveniente agrupar a los Robots zoomórficos en dos categorías
principales: caminadores y no caminadores. El grupo de los Robots zoomórficos
no caminadores está muy poco evolucionado. Los experimentados efectuados en
Japón basados en segmentos cilíndricos biselados acoplados axialmente entre sí
y dotados de un movimiento relativo de rotación. Los Robots zoomórficos
caminadores multípedos son muy numeroso y están siendo experimentados en
diversos laboratorios con vistas al desarrollo posterior de verdaderos vehículos
terrenos, piloteando o autónomos, capaces de evolucionar en superficies muy
accidentadas. Las aplicaciones de estos Robots serán interesantes en el campo
de la exploración espacial y en el estudio de los volcanes.
Híbridos: Estos Robots corresponden a aquellos de difícil clasificación cuya
estructura se sitúa en combinación con alguna de las anteriores ya expuestas,
bien sea por conjunción o por yuxtaposición. Por ejemplo, un dispositivo
segmentado articulado y con ruedas, es al mismo tiempo uno de los atributos de
los Robots móviles y de los Robots zoomórficos. De igual forma pueden
considerarse híbridos algunos Robots formados por la yuxtaposición de un cuerpo
formado por un carro móvil y de un brazo semejante al de los Robots industriales.
En parecida situación se encuentran algunos Robots antropomorfos y que no
pueden clasificarse ni como móviles ni como androides, tal es el caso de los
Robots personales.
Aplicaciones Industriales de la Robótica.
Al evaluar la implementación de sistemas robóticos en una empresa se deben
considerar los requerimientos de manufactura, costos de producción, proyectos
nuevos, planes de inversión y estrategia general de la compañía. Además de
contar con el apoyo gerencial, el proyecto debe considerar la forma en que
afectará al personal que trabajará con estos sistemas y los eventuales conflictos
de inseguridad provocados por la automatización.
Un proyecto de estas características no puede ser sólo manejado por personal
técnico, sino que debe involucrar a un equipo de trabajo multidisciplinario que
cuente con un buen sistema de comunicación. La forma de organización en este
caso debe ser ampliamente interrelacionada, la comunicación debe fluir en todos
sentidos con facilidad y, en general, debe involucrar un esfuerzo de la compañía
entera.
La decisión de incluir robots en el proceso productivo de una empresa puede ser
tomada por diversos motivos, automatización ordenada por la gerencia, solución
de un difícil problema de manufactura, reemplazo de equipos y tecnología, etc.. La
forma en que se haga debe ser el resultado de un análisis y la ejecución de un
completo plan de acción que parta con la familiarización con la tecnología
disponible, comunicación con el personal, creación de grupos de trabajo y la
selección de los puntos en que se aplicará la automatización. En segundo lugar se
debe elaborar un diseño preliminar, mejorándolo para llegar al diseño final. Una
vez hecho esto se llega a la etapa de fabricación e instalación del sistema.
Finalmente se controla su funcionamiento de los equipos y se afina la optimización
económica de los nuevos recursos.
Al elegir los sitios en que se puede implementar con éxito un sistema robótico se
debe efectuar un análisis de la forma tradicional de manufactura buscando
trabajos que sean peligrosos, repetitivos y observando la duración del ciclo, el
tamaño del lote a procesar, la precisión requerida, la carga que se debe manejar,
espacio y ambiente de trabajo. Además de estos factores, las tareas deben ser
estructurables y divisibles en subrutinas. Considerando estas características se
identifican los sitios potenciales de trabajo que podrían ser afectados.
Para llegar a los sitios de implementación definitivos, se debe establecer una lista
de prioridades, considerando además:
El grado de complejidad de la tarea: Los trabajos simples pueden ser
hechos por maquinaria más barata. Las tareas que requieren de más
control y criterio deben ser dejadas a las personas o abordadas de distinta
manera.
La repetitividad de la tarea: el proceso debe mostrar una fuerte
repetitividad y el desorden debe ser eliminado. El grado de desorden
admisible se relaciona con la tecnología que se está usando. Los sistemas
robóticos con sensores de visión, por ejemplo, pueden tolerar más
desorden que los que no cuentan con ellos.
Velocidad: En ocasiones los robots no son tan rápidos como los humanos,
pero trabajan a un paso constante. Algunos, como los pick-and-place
pueden ser muy rápidos. Al aumentar la carga la velocidad baja o bien la
precisión se ve afectada. En ciclos de trabajo largos, o jornadas completas
los robots son más rápidos que los humanos, porque éstos se cansan,
tienen pausas y son inconsistentes.
Utilización: como norma general se considera que por cada seteo se
deben realizar a lo menos unos 25 ciclos, para que el tiempo dedicado a la
programación y seteo no sea excesivo. Si se ejecutan más de 25 millones
de ciclos al año, se puede considerar la introducción de máquinas
automáticas específicas.
Costos: Para evaluar la justificación económica del proyecto existen
distintos criterios, como el de payback y VAN. Es este último el más
aceptado considerando el valor temporal del dinero, los ahorros
introducidos, costos incrementales, las alternativas de inversión, etc...
Aceptación: Es muy importante que la presencia de un robot sea aceptada
por los trabajadores para un cierto trabajo en un ambiente específico. Si no
se logra una buena complementación con el factor humano, el proyecto
tiene poco futuro.
Cuando ya se han elegido los sitios en que se implementarán los robots comienza
la fase de ingeniería de manufactura. Se analizarán los flujos de material y del
proceso productivo, ejecutando simulaciones que permitan evaluar si el uso actual
del robot es el más adecuado o si el diseño preliminar puede ser mejorado
introduciendo algunos cambios. Las consideraciones adicionales que pueden
hacerse en esta fase se refieren al espacio físico disponible, normas de seguridad,
accesibilidad al robot para repararlo, la forma en que el ambiente puede afectar la
vida útil del robot, etc.
Al comprar los equipos necesarios cabe cuestionarse si se contrata a una
empresa consultora para que haga todo el trabajo, o si se compran sólo las partes,
se contrata servicio por separado, etc. Para elegir al proveedor de los equipos se
debe proceder considerando que se establecerá una relación comercial duradera y
que las necesidades de servicio y respaldo hacen que la estabilidad financiera de
este fabricante sea también importante.
Después de comprados los equipos se da comienzo al entrenamiento del personal
y a la instalación de los robots en sus lugares de trabajo. El post-análisis sigue a
continuación sin dejar de lado el monitoreo continuo, buscando el mejoramiento
continuo del sistema.
Celdas Robóticas y sus Partes.
Dispositivo específicamente concebido para fijarse a la superficie de montaje en el
extremo de la estructura articulada del robot que permite a este realizar su trabajo.
Ejemplos: Pinzas, atornillador, pistola de soldar, pistola de pintar.
Accionador: Órgano de potencia capaz de generar un movimiento del robot.
Ejemplo: Un motor que transforma la energía eléctrica, hidráulica, o neumática en
movimiento del robot.
Brazo: Ejes principales. Conjunto interconectado de eslabones y de articulaciones
motorizadas, que forma una cadena que posiciona la muñeca.
Muñeca: Ejes secundarios. Conjunto interconectado de eslabones y articulaciones
motorizadas entre el brazo y el terminal que soporta, posiciona y orienta este
terminal.
Estructura articulada: Conjunto de eslabones y de articulaciones que constituyen
el brazo y la muñeca. Configuración Conjunto de valores de los desplazamientos
de las articulaciones, igual al número de ejes principales, que determinan
completamente y en todo instante la forma que adopta el brazo.
Eslabón: Cuerpo rígido que mantiene unidas las articulaciones. Dispositivo de
acoplamiento del terminal Brida en el extremo de la estructura articulada y
elementos de fijación o piezas complementarias que fijan el terminal en el extremo
de la estructura articulada.
Cambiador automático del terminal: Dispositivo de acoplamiento entre la
superficie de montaje en el extremo de la estructura articulada del robot y el
terminal, que permite un cambio automático de los terminales.
Articulaciones
Articulación prismática. Colisa: Unión entre dos eslabones que permite a uno
de ellos tener un movimiento lineal en relación con el otro.
Articulación rotativa.
Articulación giratoria/rotativa: Unión entre dos eslabones que permite a uno de
ellos tener un movimiento giratorio alrededor del otro.
Articulación cilíndrica: Unión entre dos eslabones que permite a uno de ellos
tener un movimiento lineal o de rotación respecto al otro, según un eje de rotación
asociado a la traslación.
Articulación esférica: Unión entre dos eslabones que permite a uno de ellos un
movimiento relativo respecto del otro alrededor de un punto fijo, según tres grados
de libertad.
Tipos de Controladores.
Como su nombre indica, es el que regula cada uno de los movimientos del
manipulador, las acciones, cálculos y procesado de la información. El controlador
recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de
entrada/salida) y almacena programas.
Existen varios grados de control que son función del tipo de parámetros que se
regulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de controladores:
De posición: el controlador interviene únicamente en el control de la
posición del elemento terminal.
Cinemático: en este caso el control se realiza sobre la posición y la
velocidad.
Dinámico: además de regular la velocidad y la posición, controla las
propiedades dinámicas del manipulador y de los elementos asociados a él.
Adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, además, se ocupa
de controlar la variación de las características del manipulador al variar la
posición
Otra clasificación de control es la que distingue entre control en bucle abierto y
control en bucle cerrado.
El control en bucle abierto da lugar a muchos errores, y aunque es más simple y
económico que el control en bucle cerrado, no se admite en aplicaciones
industriales en las que la exactitud es una cualidad imprescindible. La inmensa
mayoría de los robots que hoy día se utilizan con fines industriales se controlan
mediante un proceso en bucle cerrado, es decir, mediante un bucle de
realimentación. Este control se lleva a cabo con el uso de un sensor de la posición
real del elemento terminal del manipulador. La información recibida desde el
sensor se compara con el valor inicial deseado y se actúa en función del error
obtenido de forma tal que la posición real del brazo coincida con la que se había
establecido inicialmente.
Sensores de la Robótica.
Sensores reflectivos y por intercepción (de ranura): Los sensores de objetos
por reflexión están basados en el empleo de una fuente de señal luminosa
(lámparas, diodos LED, diodos láser, etc.) y una célula receptora del reflejo de
esta señal, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor, LDR, incluso chips
especializados, como los receptores de control remoto. Con elementos ópticos
similares, es decir emisor-receptor, existen los sensores "de ranura" (en algunos
lugares lo he visto referenciado como "de barrera"), donde se establece un haz
directo entre el emisor y el receptor, con un espacio entre ellos que puede ser
ocupado por un objeto.
LDR (Light-Dependent Resistor, resistor dependiente de la luz): Un LDR es un
resistor que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la cantidad de
luz que incide sobre él. Se le llama, también, fotorresistor o fotorresistencia. El
valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él
(en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohms) y muy alto cuando
está a oscuras (puede ser de varios megaohms).
Fotoceldas o celdas fotovoltaicas: La conversión directa de luz en electricidad a
nivel atómico se llama generación fotovoltaica. Algunos materiales presentan una
propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de
luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el
resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para
alimentar circuitos. Esta misma energía se puede utilizar, obviamente, para
producir la detección y medición de la luz.
Fotodiodos: El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unión
PN, como muchos otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en
este caso el semiconductor está expuesto a la luz a través de una cobertura
cristalina y a veces en forma de lente, y por su diseño y construcción será
especialmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los
semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los
fotodiodos, diseñados específicamente para esto, la construcción está orientada a
lograr que esta sensibilidad sea máxima.
Fototransistores: Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor
normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen
dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por
supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es
en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar
que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el
efecto fotoeléctrico.
CCD y cámaras de vídeo: La abreviatura CCD viene del inglés Charge-Coupled
Device, Dispositivo Acoplado por Carga. El CCD es un circuito integrado. La
característica principal de este circuito es que posee una matriz de celdas con
sensibilidad a la luz alineadas en una disposición físico-eléctrica que permite
"empaquetar" en una superficie pequeña un enorme número de elementos
sensibles y manejar esa gran cantidad de información de imagen (para llevarla al
exterior del microcircuito) de una manera relativamente sencilla, sin necesidad de
grandes recursos de conexiones y de circuitos de control.
Microinterruptores: No es necesario extenderse mucho sobre estos
componentes (llamados "microswitch" en inglés), muy comunes en la industria y
muy utilizados en equipos electrónicos y en automatización.
Con seguridad con la recopilación de imágenes que presentamos a la izquierda
será suficiente.
Sensores de presión: En la industria hay un amplísimo rango de sensores de
presión, la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una
membrana. En robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos
hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de
presión disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que
realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida
adaptación. Se puede mencionar un sensor integrado de silicio como el MPX2100
de Motorola, de pequeño tamaño y precio accesible.
Sensores de fuerza: Un sensor de fuerza ideal para el uso en robótica es el
sensor FlexiForce. Se trata de un elemento totalmente plano integrado dentro de
una membrana de circuito impreso flexible de escaso espesor. Esta forma plana
permite colocar al sensor con facilidad entre dos piezas de la mecánica de nuestro
sistema y medir la fuerza que se aplica sin perturbar la dinámica de las pruebas.
Los sensores FlexiForce utilizan una tecnología basada en la variación de
resistencia eléctrica del área sensora. La aplicación de una fuerza al área activa
de detección del sensor se traduce en un cambio en la resistencia eléctrica del
elemento sensor en función inversamente proporcional a la fuerza aplicada.
Sensores de contacto (choque): Para detectar contacto físico del robot con un
obstáculo se suelen utilizar interruptores que se accionan por medio de actuadores
físicos. Un ejemplo muy clásico serían unos alambres elásticos que cumplen una
función similar a la de las antenas de los insectos. En inglés les llaman "whiskers"
(bigotes), relacionándolos con los bigotes sensibles de los animales como —por
ejemplo— los perros y gatos. También se usan bandas metálicas que rodean al
robot, o su frente y/o parte trasera, como paragolpes de autos.
Piel robótica: El mercado ha producido, en los últimos tiempos, sensores planos,
flexibles y extendidos a los que han bautizado como "robotic skin", o piel robótica.
Uno de estos productos es el creado por investigadores de la universidad de
Tokio. Se trata de un conjunto de sensores de presión montados sobre una
superficie flexible, diseñados con la intención de aportar a los robots una de las
capacidades de nuestra piel: la sensibilidad a la presión.
Micrófonos y sensores de sonido: El uso de micrófonos en un robot se puede
hallar en dos aplicaciones: primero, dentro de un sistema de medición de
distancia, en el que el micrófono recibe sonidos emitidos desde el mismo robot
luego de que éstos rebotan en los obstáculos que tiene enfrente, es decir, un
sistema de sonar; y segundo, un micrófono para captar el sonido ambiente y
utilizarlo en algún sentido, como recibir órdenes a través de palabras o tonos, y, un
poco más avanzado, determinar la dirección de estos sonidos. Como es obvio,
ahora que se habla tanto de robots para espionaje, también se incluyen
micrófonos para tomar el sonido ambiente y transmitirlo a un sitio remoto.
Rangers (medidores de distancia) ultrasónicos: Los medidores ultrasónicos de
distancia que se utilizan en los robots son, básicamente, un sistema de sonar. En
el módulo de medición, un emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos y espera el
rebote, midiendo el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da como resultado
la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Se pueden
señalar dos estrategias en estos medidores: los que tienen un emisor y un
receptor separados y los que alternan la función (por medio del circuito) sobre un
mismo emisor/receptor piezoeléctrico. Este último es el caso de los medidores de
distancia incluidos en las cámaras Polaroid con autorango, que se obtienen de
desarme y se usan en la robótica de experimentación personal.
Hay dos sensores característicos que se utilizan en robots: 1. Los módulos de
ultrasonido contenidos en las viejas cámaras Polaroid con autorango, que se
pueden conseguir en el mercado de usados por relativamente poco dinero. 2. Los
módulos SRF de Devantech, que son capaces de detectar objetos a una distancia
de hasta 6 metros, además de conectarse al microcontrolador mediante un bus
I2C.
Medidores de distancia por haz infrarrojo: La empresa Sharp produce una línea
de medidores de distancia basados en un haz infrarrojo, que forman la familia
GP2DXXX. Estos sensores de infrarrojos detectan objetos a distintos rangos de
distancia, y en algunos casos ofrecen información de la distancia en algunos
modelos, como los GP2D02 y GP2D12. El método de detección de estos sensores
es por triangulación. El haz es reflejado por el objeto e incide en un pequeño array
CCD, con lo cual se puede determinar la distancia y/o presencia de objetos en el
campo de visión. En los sensores que entregan un nivel de salida analógico para
indicar la distancia, el valor no es lineal con respecto a la distancia medida, y se
debe utilizar una tabla de conversión.
Acelerómetros, sensores de vibración: Un acelerómetro es un dispositivo que
permite medir el movimiento y las vibraciones a las que está sometido un robot (o
una parte de él), en su modo de medición dinámica, y la inclinación (con respecto
a la gravedad), en su modo estático. De los antiguos acelerómetros mecánicos, de
tamaño grande y dificultoso de construir, porque incluían imanes, resortes y
bobinas (en algunos modelos), se ha pasado en esta época a dispositivos
integrados, con los elementos sensibles creados sobre los propios microcircuitos.
Estos sensores, disponibles en forma de circuito integrado, son los que se utilizan
normalmente en robótica experimentales. Uno de los acelerómetros integrados
más conocidos es el ADXL202, muy pequeño, versátil y de costo accesible.
Sensores pendulares (Inclinómetros): Queda claro que la inclinación de un
robot se puede medir con facilidad utilizando las características de medición
estática del sensor ADXL202 que describimos aquí arriba. Las ventajas de este
sensor son grandes, debido a su pequeño tamaño, sólida integración y facilidad de
conexión con microcontroladores. De todos modos, existen otras soluciones para
determinar la posición de la vertical (en base a la fuerza de la gravedad), y las
listaremos brevemente.
El mercado ofrece dispositivos con diversas soluciones mecánicas, todas basadas
en un peso, a veces suelto aunque flotando en un medio viscoso, a veces ubicado
sobre una rueda cargada sobre un lado de su circunferencia, en ocasiones una
esfera. Hasta hay sensores basados en el movimiento de un líquido viscoso y
conductor de la electricidad dentro de una cavidad. Las partes móviles en muchos
casos están sumergidas en aceite, para evitar que la masa que hace de péndulo
quede realizando movimientos oscilantes. Los sensores pueden estar basados en
efecto capacitivo, electrolítico, de torsión (piezoeléctrico), magnético (inducción
sobre bobinas) y variación resistiva.
Contactos de mercurio: También para medir inclinación, aunque en este caso sin
obtener valores intermedios, sino simplemente un contacto abierto o cerrado,
existen las llaves o contactos de mercurio, que consisten en un cilindro (por lo
general de vidrio) en el que existen dos contactos a cerrar y una cantidad
suficiente de mercurio que se puede deslizar a un extremo u otro del cilindro y
cerrar el contacto.
Giróscopos: El giróscopo o giroscopio está basado en un fenómeno físico
conocido hace mucho, mucho tiempo: una rueda girando se resiste a que se le
cambie el plano de giro (o lo que es lo mismo, la dirección del eje de rotación).
Esto se debe a lo que en física se llama "principio de conservación del momento
angular".
En robots experimentales no se suelen ver volantes giratorios. Lo que es de uso
común son unos sensores de pequeño tamaño, como los que se utilizan en
modelos de helicópteros y robots, basados en integrados cuya "alma" son
pequeñísimas lengüetas vibratorias, construidas directamente sobre el chip de
silicio. Su detección se basa en que las piezas cerámicas en vibración son sujetas
a una distorsión que se produce por el efecto Coriolis.
Termistores: Un termistor es un resistor cuyo valor varía en función de la
temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC (Negative Temperature
Coefficient, Coeficiente de Temperatura Negativo), que es una resistencia variable
cuyo valor se decrementa a medida que aumenta la temperatura; y PTC (Positive
Temperature Coefficient, Coeficiente de Temperatura Positivo), cuyo valor de
resistencia eléctrica aumenta cuando aumenta la temperatura.
La lectura de temperaturas en un robot, tanto en su interior como en el exterior,
puede ser algo extremadamente importante para proteger los circuitos, motores y
estructura de la posibilidad de que, por fricción, esfuerzo, trabas o excesos
mecánicos de cualquier tipo se alcancen niveles peligrosos de calentamiento.
RTD (Termorresistencias): Los sensores RTD (Resistance Temperature
Detector), basados en un conductor de platino y otros metales, se utilizan para
medir temperaturas por contacto o inmersión, y en especial para un rango de
temperaturas elevadas, donde no se pueden utilizar semiconductores u otros
materiales sensibles. Su funcionamiento está basado en el hecho de que en un
metal, cuando sube la temperatura, aumenta la resistencia eléctrica.
Termocuplas: El sensor de una termocupla está formado por la unión de dos
piezas de metales diferentes. La unión de los metales genera un voltaje muy
pequeño, que varía con la temperatura. Su valor está en el orden de los milivolts, y
aumenta en proporción con la temperatura. Este tipo de sensores cubre un amplio
rango de temperaturas: -180 a 1370 °C.
Diodos para medir temperatura: Se puede usar un diodo semiconductor
ordinario como sensor de temperatura. Un diodo es el sensor de temperatura de
menor costo que se puede hallar, y a pesar de ser tan barato es capaz de producir
resultados más que satisfactorios. Sólo es necesario hacer una buena calibración
y mantener una corriente de excitación bien estable. El voltaje sobre un diodo
conduciendo corriente en directo tiene un coeficiente de temperatura de alrededor
de 2,3 mV/°C y la variación, dentro de un rango, es razonablemente lineal. Se
debe establecer una corriente básica de excitación, y lo mejor es utilizar una
fuente de corriente constante, o sino un resistor conectado a una fuente estable de
voltaje.
Circuitos integrados para medir temperatura: Existe una amplia variedad de
circuitos integrados sensores de temperatura (se puede encontrar una lista en el
link de abajo con la información detallada). Estos sensores se agrupan en cuatro
categorías principales: salida de voltaje, salida de corriente, salida de resistencia y
salida digital. Con salida de voltaje podemos encontrar los muy comunes LM35
(°C) y LM34 (°K) de National Semiconductor. Con salida de corriente uno de los
más conocidos es el AD590, de Analog Devices. Con salida digital son conocidos
el LM56 y LM75 (también de National). Los de salida de resistencia son menos
comunes, fabricados por Phillips y Siemens.
Pirosensores (sensores de llama a distancia): Existen sensores que, basados
en la detección de una gama muy angosta de ultravioletas, permiten determinar la
presencia de un fuego a buena distancia. Con los circuitos que provee el
fabricante, un sensor de estos (construido con el bulbo UVTron) puede detectar a
5 metros de distancia un fósforo (cerilla) encendido dentro de una habitación
soleada. En el mercado de sensores industriales se puede encontrar una variedad
amplia de sensores de llama a distancia, algunos que detectan también
ultravioleta y otros que se basan en los infrarrojos, aunque por lo que pude ver, la
mayoría son de tamaño bastante grande. Otro sensor que se utiliza en robótica, en
este caso sensible a los infrarrojos, es el módulo TPA81.
Sensores de humedad: La detección de humedad es importante en un sistema si
éste debe desenvolverse en entornos que no se conocen de antemano. Una
humedad excesiva puede afectar los circuitos, y también la mecánica de un robot.
Por esta razón se deben tener en cuenta una variedad de sensores de humedad
disponibles, entre ellos los capacitivos y resistivos, más simples, y algunos
integrados con diferentes niveles de complejidad y prestaciones.
Para el uso en robótica, por suerte, se puede contar con módulos pequeños,
versátiles y de costo accesible, como el SHT11 de Sensirion.
Sensores magnéticos: En robótica, algunas situaciones de medición del entorno
pueden requerir del uso de elementos de detección sensibles a los campos
magnéticos. En principio, si nuestro robot debe moverse en ambientes externos a
un laboratorio, una aplicación importante es una brújula que forme parte de un
sistema de orientación para nuestro robot. Otra aplicación es la medición directa
de campos magnéticos presentes en las inmediaciones, que podrían volverse
peligrosos para el "cerebro" de nuestro robot si su intensidad es importante. Una
tercera aplicación es la medición de sobre corrientes en la parte motriz
(detectando la intensidad del campo magnético que genera un conductor en la
fuente de alimentación). También se podrán encontrar sensores magnéticos en la
medición de movimientos, como el uso de detectores de "cero movimiento" y
tacómetros basados en sensores por efecto Hall o pickups magnéticos.
Sistema de posicionamiento global: Si bien nos puede parecer demasiado lujo
para nuestros experimentos, lo cierto es que un sistema de posicionamiento global
(GPS, Global Positioning System) aporta una serie de datos que pueden ser muy
útiles para un robot avanzado. Un ejemplo de este servicio es el módulo DS-GPM,
fabricado por Total Robots, que entrega datos de latitud, longitud, altitud,
velocidad, hora y fecha y posición satelital. Estos datos se comunican desde los
registros del módulo a través de interfaces I2C y RS232. Si bien no es barato, en
realidad no es tan inaccesible: un dispositivo de estas características se vende en
el mercado de EEUU a un valor cercano a los us$ 400.
Receptores de radiobalizas: Por medio de un grupo de emisores de
radiofrecuencia codificados, ubicados en lugares conocidos por el sistema, es
posible establecer con precisión la posición de un robot, con sólo hacer una
triangulación. Al efecto el robot debe poseer una antena de recepción direccional
(con reflector parabólico, o similar) que pueda girar 360°, y así determine la
posición de las radiobalizas. En el robot es posible usar receptores integrados muy
pequeños y de bajo costo, como el RWS-433, o el RXLC-434, y otros similares,
que trabajan en frecuencias de entre 303 y 433 Mhz. La elección de los
transmisores dependerá de la distancia a que se ubiquen las radiobalizas, pero si
se trata de áreas acotadas es posible utilizar los módulos transmisores
hermanados con los anteriores, como el TWS-433 y el TXLC-434.
Sensores de proximidad: Los sensores de proximidad que se obtienen en la
industria son resultado de la necesidad de contar con indicadores de posición en
los que no existe contacto mecánico entre el actuador y el detector. Pueden ser de
tipo lineal (detectores de desplazamiento) o de tipo conmutador (la conmutación
entre dos estados indica una posición particular). Hay dos tipos de detectores de
proximidad muy utilizados en la industria: inductivos y capacitivos.
Los detectores de proximidad inductivos se basan en el fenómeno de
amortiguamiento que se produce en un campo magnético a causa de las
corrientes inducidas (corrientes de Foucault) en materiales situados en las
cercanías. El material debe ser metálico. Los capacitivos funcionan detectando las
variaciones de la capacidad parásita que se origina entre el detector propiamente
dicho y el objeto cuya distancia se desea medir. Se emplean para medir distancias
a objetos metálicos y no metálicos, como la madera, los líquidos y los materiales
plásticos.
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Maracaibo Estado Zulia
Realizado por:
Rafael Balestrini
C.I.: V- 16.355.098
Maracaibo, Noviembre de 2010.