El término "Robótica" fue acuñado por Isaac Asimov para describir la tecnología de los robots. Él mismo predijo hace años el aumento de una poderosa industria robótica, predicción que ya se ha hecho realidad. Recientemente se ha producido una explosión en el desarrollo y uso industrial de los robots tal que se ha llegado al punto de hablar de "revolución de los robots" y "era de los robots". (Gonzales, 2002)
El término robótica puede ser definido desde diversos puntos de vista:
· Con independencia respecto a la definición de "robot":
"La Robótica es la conexión inteligente de la percepción a la acción"... (Paul, 1984)
· En base a su objetivo:
"La Robótica consiste en el diseño de sistemas. Actuadores de locomoción, manipuladores, sistemas de control, sensores, fuentes de energía, software de calidad--todos estos subsistemas tienen que ser diseñados para trabajar conjuntamente en la consecución de la tarea del robot"... (Flynn, 1993)
· Supeditada a la propia definición del término robot:
"La Robótica describe todas las tecnologías asociadas con los robots" (Gonzales, 2002)
De acuerdo con el diccionario universal de Oxford, un robot es:
”Un aparato mecánico que se parece y hace el trabajo de un hombre” (diccionario universal de oxford)
Podemos estar familiarizados con ese significado (aunque actualmente, cada ves más gente tiene una idea más técnica de lo que es un robot), ya que esta idea está apoyada por la ficción donde los robots son siempre seres electromecánicos de apariencia humana e inteligencia lógica igual o superior a la nuestra. Es verdad que los robots actuales, de uso industrial, tienen la apariencia de un brazo humano; pero aún están muy lejos de alcanzar capacidades intelectuales semejantes a las humanas. Y por otro lado, actualmente se construyen robots casi de cualquier forma (animales, bichos, electrodomésticos, etc.), por lo que es difícil saber cuándo estamos frente a un robot y cuándo no. (sorensic, 2010 )
Otra definición de robot, proporcionada por el ex-Instituto de Robots de América (actualmente Robotic Industries Association): “Un manipulador reprogramable y multifuncional concebido para transportar materiales, piezas, herramientas o sistemas especializados, con movimientos variados y programados, con la finalidad de ejecutar tareas diversas”. (sorensic, 2010 )
Según la Real Academia de la Lengua Española, un robot es:
Según la Real Academia de la Lengua Española, un robot es:
“Una máquina o ingenio electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas solo a las personas”. (diccionario de la Real Academia Española, 2011) .
Como estas existen muchísimas definiciones, muy variadas, cada una de ellas le da más importancia a algún aspecto o característica de la robótica. Hay algunas características con las que debe contar un robot para ser considerado como tal.
Las principales características de un robot son:
1) Es Una Máquina.
Todos estarán de acuerdo con que un ser vivo no puede ser un robot, así que haría falta especificar que un robot debe ser una máquina electro mecánica (no una máquina biológica) creada por el hombre o por otros robots (cuando el diseño es derivado de alguna idea humana o consecuencia directa de algún algoritmo diseñado por una inteligencia humana).
2) Es Autónomo y Automático.
Es autónomo y automático porque un robot se concibe actualmente como un ente independiente, que no requiere de suministros externos ni operador, está dotado de sistemas embebidos y de inteligencia computacional, con lo que puede realizar sus tareas por sí solo.
Por ejemplo una máquina autónoma es un automóvil que carga su propio combustible y tiene autonomía para desplazarse por varios kilómetros, pero no es automático porque requiere de un chofer que lo conduzca.
Del mismo modo una banda transportadora es una máquina automática, ya que realiza un proceso repetitivo y continuo por sí misma; pero carece de autonomía en muchos sentidos, por ejemplo es solo parte de un sistema mayor y depende de suministros externos.
3) Es Programable y su programa puede evolucionar.
Esta característica también ha evolucionado. Partiendo de la idea simple de que programar es “dar órdenes”, decimos que un robot es capaz de obedecer estas órdenes y actuar en consecuencia con ellas. Estas órdenes deben ser dadas en un lenguaje que tanto el programador como el robot entiendan, un lenguaje artificial con esta característica se conoce como un lenguaje de programación.
Se puede argumentar que un autómata ha sido programado en el momento de su creación (al diseñar un mecanismo para que los movimiento realizados sean los que espera el diseñador, o en el caso de los autómatas digitales el diseño también define la secuencia de pasos que seguirá), sin embargo esta programación no puede ser modificada sin modificar la estructura que define al autómata, por lo tanto la evolución del programa implicaría concepción de un nuevo autómata (el cual tampoco puede ver la evolución de su programa sin que esto implique su propia destrucción y/o modificación).
4) Posee algún grado de inteligencia Computacional Superior a la de Estimulo - Respuesta.
Probablemente esta es la principal característica, que ha definido a los robots desde la época en que Karel Kapek empleó la palabra “robot” para referirse a seres que no son simples máquinas automáticas diseñadas para realizar una o muchas tareas, si no que tienen “inteligencia”.
Modernamente se habla de una “inteligencia computacional”, que viene a ser la implementación de algoritmos que doten al robot de capacidades vinculadas con la inteligencia, tales como la inferencia, toma de decisiones, aprendizaje, evolución, etc.
En resumen y en términos sencillos, un robot: Es una Maquina
· Realiza Tareas por si solo
· Es programable
· Es inteligente
Existen varios tipos de robots, unos de ellos son los robots móviles, que son robots que poseen la capacidad de desplazarse por medio de diferentes sistemas.
A continuación se describen los pilares para el diseño mecánico de un robot móvil:
Existe una gran variedad de modos de moverse sobre una superficie sólida; entre los robots, las más comunes son las ruedas, las cadenas y las patas.
Los vehículos de ruedas son, con mucho, los más populares por varias razones prácticas. Los robots con ruedas son más sencillos y más fáciles de construir, la carga que pueden transportar es mayor, relativamente. Tanto los robots basados en cadenas como en patas se pueden considerar más complicados y pesados, generalmente, que los robots de ruedas para una misma carga útil. A esto podemos añadir el que se pueden transformar vehículos de ruedas de radio control para usarlos como bases de robots.
La principal desventaja de las ruedas es su empleo en terreno irregular, en el que se comportan bastante mal. Normalmente un vehículo de ruedas podrá sobrepasar un obstáculo que tenga una altura no superior al radio de sus ruedas, entonces una solución es utilizar ruedas mayores que los posibles obstáculos a superar; sin embargo, esta solución, a veces, puede no ser práctica.
Para robots que vayan a funcionar en un entorno natural las cadenas son una opción muy buena porque las cadenas permiten al robot superar obstáculos relativamente mayores y son menos susceptibles que las ruedas de sufrir daños por el entorno, como piedras o arena. El principal inconveniente de las cadenas es su ineficacia, puesto que se produce deslizamiento sobre el terreno al avanzar y al girar. Si la navegación se basa en el conocimiento del punto en que se encuentra el robot y el cálculo de posiciones futuras sin error, entonces las cadenas acumulan tal cantidad de error que hace inviable la navegación por este sistema. En mayor o menor medida cualquiera de los sistemas de locomoción contemplados aquí adolece de este problema.
Potencialmente los robots con patas pueden superar con mayor facilidad que los otros los problemas de los terrenos irregulares. A pesar de que hay un gran interés en diseñar este tipo de robots, su construcción plantea numerosos retos. Estos retos se originan principalmente en el gran número de grados de libertad que requieren los sistemas con patas. Cada pata necesita como mínimo un par de motores lo que produce un mayor coste, así como una mayor complejidad y menor fiabilidad. Es más los algoritmos de control se vuelven mucho más complicados por el gran número de movimientos a coordinar, los sistemas de patas son un área de investigación muy activo.
Existen varios diseños de ruedas para elegir cuando se quiere construir una plataforma móvil sobre ruedas: diferencial, sincronizada, triciclo y de coche. Tanto desde el punto de vista de la programación como de la construcción, el diseño diferencial es uno de los menos complicados sistemas de locomoción. El robot puede ir recto, girar sobre sí mismo y trazar curvas.
Un problema importante es cómo resolver el equilibrio del robot, hay que buscarle un apoyo adicional a las dos ruedas ya existentes, esto se consigue mediante una o dos ruedas de apoyo añadidas en un diseño triangular o romboidal. El diseño triangular puede no ser suficiente dependiendo de la distribución de pesos del robot, y el romboidal puede provocar inadaptación al terreno si éste es irregular lo que puede exigir alguna clase de suspensión.
Otra consideración a hacer en este diseño es cómo conseguir que el robot se mueva recto, para que el robot se mueva en línea recta sus ruedas tienen que girar a la misma velocidad.
Cuando los motores encuentran diferentes resistencias (una rueda sobre moqueta y la otra sobre terrazo) las velocidades de los motores varían y el robot girará incluso aún cuando se le haya ajustado inicialmente para que vaya recto. Esto quiere decir que la velocidad debe ser controlada dinámicamente, o sea, debe existir un medio de monitorizar y cambiar la velocidad del motor mientras el robot avanza. De esta manera la simplicidad del diseño queda minimizada por la complejidad del sistema de control de la velocidad; no obstante la reducción de la complejidad mecánica en detrimento de la complejidad de la electrónica y del software es frecuentemente una elección más barata y fiable. (Gonzales, 2002)
También está el diseño sincronizado: En este diseño todas las ruedas (generalmente tres) son tanto de dirección como motrices, las ruedas están enclavadas de tal forma que siempre apuntan en la misma dirección. Para cambiar de dirección el robot gira simultáneamente todas sus ruedas alrededor de un eje vertical, de modo que la dirección del robot cambia, pero su chasis sigue apuntando en la misma dirección que tenía. Si el robot tiene una parte delantera (es asimétrico) presumiblemente donde se concentran sus sensores, se tendrá que arbitrar un procedimiento para que su cuerpo se oriente en la misma dirección que sus ruedas. El diseño sincronizado supera muchas de las dificultades que plantean el diseño diferencial, en triciclo y de coche, pero a costa de una mayor complejidad mecánica.
El diseño de coche con sus cuatro ruedas con suspensión proporciona una buena estabilidad, el diseño en triciclo tiene unas prestaciones similares con la ventaja de ser mecánicamente más simple ya que el coche necesita alguna unión entre las ruedas direccionables. En general en estos dos diseños las ruedas direccionarles no son motrices, y no es necesario controlar la velocidad de las ruedas para que el robot se mantenga recto. Esta simplificación tiene su precio como veremos en el próximo apartado. (Gonzales, 2002)
También existen otros diseños Para el desplazamiento del robot en los cueles no voy a profundizar pues no son los más apropiados para el proyecto.
Hay una gran cantidad de plataformas móviles disponibles para adaptarlas como base de robots móviles: coches de radio-control, vehículos filodirigidos y otros juguetes de pilas. La mayoría de los sistemas de locomoción de ruedas excepto el sincronizado están bien representados en las tiendas de juguetes.
Es una buena elección escoger el sistema de locomoción y suspensión de un juguete como base de un robot móvil por varias razones. Lo primero es que nos exigirá menos esfuerzo de diseño y construcción ya que la mayor parte de estos problemas los habrá resuelto de antemano el fabricante, y lo segundo que resultará más barato que comprar los componentes por separado.
El diseñador del robot, sin embargo, debe tener presente que existen algunos problemas al hacer esto. Normalmente la plataforma no se adaptará directamente a su uso como robot. Los motores de los juguetes requieren más corriente y tienen poca eficacia, lo que significa que la electrónica será más complicada y el tiempo de funcionamiento será más corto.
Por lo general, los motores y engranajes de los juguetes se diseñan para hacer al juguete más rápido, por tanto, se producen problemas de control cuando el robot debe moverse despacio para responder a los sensores, también es complicado añadirles codificadores de eje. Lo ideal sería encontrar un modelo que tuviera un motor y transmisión independiente a cada rueda.
Los juguetes móviles más baratos tienen un solo motor y maniobran mediante una serie de movimientos adelante, atrás y giros. Cuando el motor gira en una dirección el juguete se mueve adelante, y cuando el motor gira al revés un embrague simple montado en el eje hace que sólo gire una de las ruedas y por tanto el juguete gira. Por tanto, el juguete sólo gira cuando va hacia atrás. Es posible realizar un robot que actúe de esa manera, aunque se puede quedar “pegado” cuando no puede ir hacia atrás. Los juguetes que llevan este sistema de movimiento se reconocen con facilidad porque su control remoto sólo tiene un botón. Cuando el juguete se enciende, anda solamente adelante y cuando se pulsa el botón gira al ir atrás.
Los juguetes que son más útiles tienen o transmisión con diferencial o cadenas o un motor de tracción separado del motor de direccionamiento.
Un modo de saber de qué tipo de mecanismo de transmisión posee un juguete es encenderlo y observar su comportamiento, si las ruedas cambian su velocidad relativa al girar es probable que el mecanismo de tracción sea de tipo diferencial, si el juguete tiene ruedas de direccionamiento que varían de posición entre dos o tres opciones, es más probable que sea de dirección por solenoide; sin embargo, si las ruedas de dirección cambian suavemente de posición es casi seguro que están asistidas por un servomotor.
La razón de modificar un juguete es hacer posible su control mediante un microprocesador, ya que utilizaremos sus motores, transmisión y servos, pero descartaremos sus mecanismos electromecánicos de control. Por tanto, será necesario diseñar una circuitería nueva que sustituya a la antigua de control del juguete. Antes de que esto sea factible debemos obtener información de las características de los motores, para ello deberemos mantener, de momento, los motores conectados a la circuitería antigua, mientras realizamos las mediciones necesarias.
Lo primero será desarmar el juguete para que queden accesibles los motores y servos o actuadores, luego identificar el o los motores de tracción que estarán unidos a los ejes de las ruedas mediante trenes de engranajes. La tensión de empleo de los motores y servos será normalmente la que den las pilas del juguete, sin embargo, no es infrecuente que haya un divisor de tensión para llevar la mitad de la tensión a cada rueda; si todo esto no es posible mide la tensión en cada motor mientras el juguete está funcionando.
En casi todos los juguetes los motores de tracción están unidos al resto de la circuitería por dos cables, pero a menudo se suelda un condensador directamente entre los contactos de los motores de tracción. Este condensador suprime los picos de tensión que producen los motores y se debe dejar en su lugar. (Gonzales, 2002)
Un aspecto muy importante que se debe tener en cuenta a la hora de construir un robot son los sensores o transductores, ya que son estos los que permitirán que el robot cumpla con las tareas que le asignaremos o programaremos.
Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad). Cualquier sensor o transductor necesita esta calibrado para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida. Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida. Los dos tipos son: Transductores analógicos Transductores digitales Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos. (Escalona) .
Existen varios tipos de sensores, cada uno cumple con una función determinada y se deben seleccionar de acuerdo a las necesidades del robot para cumplir con la tarea programada, pues de ellos se valdrá para cumplir con esta.
La clasificación de los sensores es la siguiente:
Internos: información sobre el propio robot
- Posición (potenciómetros, inductosyn, ópticos...)
- Velocidad (eléctricos, ópticos...)
- Aceleración
Externos: información sobre lo que rodea al robot
- Proximidad (reflexión lumínica, láser, ultrasonido...)
- Tacto (varillas, presión, polímeros...) - Fuerza (corriente en motores, deflexión...) - Visión (cámaras de tubo)
Otras clasificaciones: sencillos / complejos, activos / pasivos
Todos los robots son sistemas, es decir, constan de componentes que forman un todo. El sistema robótico se puede analizar de lo general a lo particular utilizando el análisis sistemático. El primer paso es considerar al sistema como una "caja negra", no sabemos qué hay en su interior, pero podemos identificar la entrada y salida del sistema. La entrada genuina al robot está constituida por las órdenes humanas; la salida está formada por diversos tipos de trabajo realizado automáticamente.
La segunda etapa o paso de análisis es mirar dentro de la caja negra donde encontramos los subsistemas o unidades funcionales del robot. Cada unidad funcional realiza una función específica y tiene su propia entrada y salida. Los robots tienen las siguientes unidades funcionales principales:
· Alimentación
La función del controlador es gobernar el trabajo de los actuadores (los dispositivos que originan el movimiento) y las transmisiones (modificadores del movimiento). La alimentación proporciona la energía necesaria para todo el sistema. Además de estos tres subsistemas, los robots de segunda generación incorporan sensores que reciben la señal de realimentación procedente de los actuadores pasando la información al controlador, que debe calcular la corrección del error. El entorno proporciona también información que reciben los sensores y se envía de nuevo al controlador para hacer los ajustes necesarios para la realización de la tarea. (Gonzales, 2002)
