Tema 7: Control y robótica

1. INTRODUCCIÓN

Antes de comenzar aclaremos la diferencia entre máquina, autómata y robot.

• Una máquina es capaz de realizar un trabajo dirigido por un usuario.

• Un autómata es capaz de realizar el trabajo sencillo y repetitivo que le mandan sin necesidad de supervisión.

• Un robot es capaz de decidir cuál es el trabajo que debe hacer.

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.

En 1979, el “Robot Institute of America” define a un robot como: 'Un manipulador reprogramable y multifuncional diseñado para trasladar materiales, piezas, herramientas o aparatos específicos a través de una serie de movimientos programados para llevar a cabo una variedad de tareas'.

Los robots son capaces de realizar tareas repetitivas de forma más rápida, barata y precisa que los seres humanos. Se dice que un robot tiene inteligencia artificial (I.A.) debido a que tiene la capacidad de obtener información de su entorno y en función de ésta, actuar.

Se considera a un robot como un agente autónomo inteligente cuando cumple los siguientes requisitos:

• Autonomía: El sistema de navegación reside en la propia máquina, que debe operar sin conexión física a equipos externos.

• Inteligencia: El robot posee capacidad de razonar hasta el punto de ser capaz de tomar sus propias decisiones y de seleccionar, fusionar e integrar las medidas de sus sensores.

Podríamos aproximarnos a una definición de Robótica como:

Según Isaac Asimov, la Robótica es la tecnología aplicada a los robots.

(Isaac Asimov fue un escritor y bioquímico soviético, nacionalizado estadounidense, conocido por ser un prolífico autor de obras de ciencia ficción, historia y divulgación científica)

2. CARACTERÍSTICAS DE UN ROBOT

Los robots pueden ser de diferentes diseños al igual que programas, todo depende de la función que vayan a realizar. Lo que sí se conoce son las diferentes características que pueden poseer, entre estas encontramos:

• La precisión que tienen a la hora de realizar una acción o movimiento.

• La capacidad de carga, en kilogramos que el robot puede manejar.

• El grado de libertad que tienen con sus movimientos. Suele coincidir con el no de articulaciones que tiene el robot.

• El sistema de coordenadas que especifica a qué direcciones se realizaran sus movimientos y posiciones.  Estas pueden ser coordenadas cartesianas (x,y,z), cilíndricas, etc.

• La programación de cada robot o el poder de aprendizaje que cada uno tiene.

2.1. Robots de coordenadas cartesianas (tres ejes lineales)

El posicionamiento puede hacerse por movimiento lineal o vertical a lo largo de los tres ejes: atrás, adelante, adentro, hacia fuera arriba o abajo. Estos ejes son conocidos como ejes cartesianos x, y ,z.

2.2. Robots de coordenadas cilíndricas ( Dos ejes lineales y un eje rotacional)

El posicionamiento se realiza por combinación de movimiento lineal y rotativo.

2.3. Robots de coordenadas esféricas o polares (Un eje lineal y dos ejes rotacionales)

El posicionamiento se realiza por combinación de movimiento lineal y rotativo.

2.4. Robots articulados o de coordenadas angulares (Tres ejes rotacionales)

El posicionamiento se realiza mediante tres movimientos rotativos.

3. CLASIFICACIÓN DE LOS ROBOTS

Los robots pueden clasificarse bajo varios criterios, nosotros vamos a establecer una clasificación según su cronología y otra clasificación desde un punto de vista general.

3.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU CRONOLOGÍA

Desde siempre, el hombre ha querido usar los avances tecnológicos en la construcción de máquinas que hiciesen el trabajo por sí mismas. Desde la invención de la electrónica, se han ido perfeccionando los sistemas de control de esas máquinas, estableciéndose la siguiente clasificación:

• Primera Generación: Manipuladores

Esta primera etapa se puede considerar desde los años 50 ,en donde las maquinas diseñadas cuentan con un sistema de control relativamente sencillo de lazo abierto, esto significa que no existe retroalimentación alguna por parte de algún sensor y realizan tareas previamente programadas que se ejecutan secuencialmente.

• Segunda Generación: Robots de Aprendizaje

La segunda etapa se desarrolla hasta los años 80, este tipo de robots son un poco más conscientes de su entorno que su previa generación, disponiendo de sistemas de control de lazo cerrado en donde por medio de sensores adquieren información de su entorno y obtienen la capacidad de actuar o adaptarse según los datos analizados. También pueden aprender y memorizar la secuencia de movimientos deseados mediante el seguimiento de los movimientos de un operador humano, es decir, el robot lo sigue y lo memoriza.

• Tercera Generación: Robots con Control Sensorizado

Durante esta etapa, que tiene lugar durante los años 80 y 90, los robots ahora cuentan con controladores (computadoras) que usando los datos o la información obtenida de sensores, obtienen la habilidad de ejecutar las órdenes de un programa escrito en alguno de los lenguajes de programación que surgen a raíz de la necesidad de introducir las instrucciones deseadas en dichas máquinas. Los robots usan control del tipo lazo cerrado, lo cual significa que ahora son bastante conscientes de su entorno y pueden adaptarse al mismo.

• Cuarta Generación: Robots Inteligentes

Esta generación se caracteriza por tener sensores mucho más sofisticados que mandan información al controlador y la analizan mediante estrategias complejas de control. Debido a la nueva tecnología y estrategias utilizadas estos robots se califican como "inteligentes", se adaptan y aprenden de su entorno utilizando "conocimiento difuso" , "redes neuronales", y otros métodos de análisis y obtención de datos para así mejorar el desempeño general del sistema en tiempo real, donde ahora el robot puede basar sus acciones en información más solida y confiable, y no solo esto sino que también se pueden dar la tarea de supervisar el ambiente que les rodea, mediante la incorporación de conceptos "modélicos" que les permite actuar a situaciones determinadas.

• Quinta Generación y más allá

La siguiente generación será una nueva tecnología que incorporará 100% inteligencia artificial y utilizara métodos como modelos de conducta y una nueva arquitectura de subsumción, además de otras tecnologías actualmente en desarrollo como la nanotecnología. Esta etapa depende totalmente de la nueva generación de jóvenes interesados en robótica, una nueva era de robots nos espera.

3.2. CLASIFICACIÓN GENERAL

Desde un punto de vista muy general los robots pueden ser de los siguientes tipos:

• Androides

Los androides son artilugios que se parecen y actúan como seres humanos. Los robots de hoy en día vienen en todas las formas y tamaños, pero a excepción de los robots que aparecen en las ferias y espectáculos, no se parecen a las personas y por tanto no son androides. Actualmente, los androides reales sólo existen en la imaginación y en las películas de ficción.

• Móviles

Los robots móviles están provistos de patas, ruedas u orugas que los capacitan para desplazarse de acuerdo a su programación. Elaboran la información que reciben a través de sus propios sistemas de sensores y se emplean en determinado tipo de instalaciones industriales, sobre todo para el transporte de mercancías en cadenas de producción y almacenes. También se utilizan robots de este tipo para la investigación en lugares de difícil acceso o muy distantes, como es el caso de la exploración espacial y de las investigaciones o rescates submarinos.

• Industriales

Los robots industriales son artilugios mecánicos y electrónicos destinados a realizar de forma automática (sin la intervención humana) determinados procesos de fabricación o manipulación. Los robots industriales, en la actualidad, son los más frecuentemente encontrados. Japón y Estados Unidos lideran la fabricación y consumo de robots industriales siendo Japón el número uno.

• Robots para prótesis médicas

Son las prótesis robóticas y los recientes robots de asistencia en quirófano (como el robot cirujano Da Vinci).

4. ARQUITECTURA DE UN ROBOT

La arquitectura de un robot se refiere a las partes que lo componen. En general, se pueden distinguir cuatro unidades funcionales:

• Sensores: Que se encargan de medir magnitudes físicas (velocidad, temperatura, humedad, posición, etc.) y los transforman en magnitudes eléctricas. Dentro del robot hay dos tipos de sensores: los que se ocupan del estado interno de la máquina y los que se ocupan del entorno.

• Actuadores: Que reciben las órdenes desde el controlador y efectúan movimientos. Los más habituales son motores, relés o accionadores hidráulicos y neumáticos.

• Alimentación: Que proporciona la energía para el funcionamiento de todo el sistema. Suelen ser baterías o placas fotovoltáicas, para garantizar autonomía.

• Controladores: Que dirigen el trabajo de los actuadores. La entrada es la información obtenida de los sensores. La salida está formada por las órdenes eléctricas enviadas a los actuadores (paro/puesta en marcha). La mayor parte de los robots están controlados por ordenadores.

Como podemos ver, la arquitectura de un robot es similar a la de cualquier sistema automático, básicamente se compone de sensores, controladores (suele ser un microcontrolador, o sea, un ordenador miniaturizado) y actuadores.

Un robot posee componentes electrónicos, mecánicos (reductores de velocidad, motores, etc.) y si es programable, un software. Por lo tanto en la robótica se engloban principalmente conocimientos técnicos de mecánica, electrónica e informática.

5. LOS ROBOTS EN LA INDUSTRIA

Los robots industriales surgen por la necesidad de:

• Fabricar productos de manera económica.

• Que los productos sean de calidad.

• Que de un mismo producto se puedan elegir muchas opciones.

Como ejemplo, piensa en un automóvil, de un mismo modelo, puedes elegir, el color, el número de puertas, el tipo de llantas, con o sin alerón y todas las opciones de acabado interior. Una fábrica de coches, que construye cada día unos mil coches, cada uno con sus distintas opciones, necesita utilizar robots para que estos coches los podamos comprar a un precio asequible y tengamos garantía de su funcionamiento.

Los robots suelen emplearse en la industria en todo tipo de tareas, pero particularmente en tareas repetitivas, peligrosas o pesada.

Las principales tareas que suelen llevar a cabo los robots industriales son:

• Soldadura. El robot puede soldar ahorrándole al operario el peligro de las altas temperaturas y los vapores tóxicos que se desprenden en el proceso.

• Aplicación de pintura, esmalte y adhesivos. Es un trabajo repetitivo adecuado para que lo haga una máquina en el que además se suele trabajar con productos tóxicos.

• Operaciones de corte. Tornos, fresadoras, taladrados, pulidos, etc. Las máquinas de control numérico permiten llevar a cabo estas operaciones con la máxima precisión y sin riesgo.

• Plantas nucleares. Los robots pueden trabajar en las zonas sometidas a radiaciones.

• Movimiento de piezas. Los robots se encargan de colocar las piezas o los materiales en plataformas, de suministrárselas a las máquinas o de extraer de estas últimas los productos terminados.

• Montaje y ensamblado. Son robots quienes se encargan de piezas muy pequeñas necesitadas de una gran precisión, como pueden ser los componentes eléctricos o electrónicos.