Diferencia entre revisiones de «Robótica»
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=Objetivo del libro=
Este libro trata de dar a conocer los diferentes ámbitos, métodos, medios, lenguajes, los cuales son necesarios para entrar en este mundo, también se hablará acerca de los autómatas programables que existen en la actualidad en el mercado, como el [[w:Aibo|Aibo]] de Sony o los [[w:LEGO_Mindstorms|MindStorms]] de Lego.
=Introducción=
'''La [[w:Robótica|Robótica]] es la ciencia que trata acerca del diseño y la implementación de maquinas capaces de emular el comportamiento de un ser vivo'''. Se sirve de otras áreas como la '''inteligencia artificial''', la '''mecánica''', '''electrónica''', la '''lógica''', el '''álgebra''', para poder hacer la complicada tarea de resolver problemas de la mejor manera posible.
En los últimos tiempos la robótica ha jugado papeles muy importantes dentro del avance de la tecnología, como el envío de estos a misiones espaciales, o la reciente comercialización de robots en nuestro medio como el '''Asimo''' de Honda, '''QRIO''' y '''Aibo''' de Sony, los '''MindStorms''' de Lego, etc., que proporcionan a las personas con interés de desarrollar y aprender algo acerca de programación de robots las herramientas necesarias para que lo puedan hacer sin necesidad de fabricarlos.
=Historia de la robótica=
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* 2.- Un robot debe de obedecer las ordenes 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 esta autoprotección entre en conflicto con la primera o la segunda ley.
Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano, de ésta forma su actitud contraviene a la de Kapek.
===Definición inicial===
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En términos generales un robot es una máquina con similitud humana o que al menos puede realizar tareas que pueden sustituir tareas realizadas por el hombre. Dicho dispositivo puede ser reprogramado para realizar tareas diversas. Un robot utiliza ciencias como la electrónica, mecánica, matemática e informática para su funcionamiento.
Los robots pueden ser clasificados de muchas maneras, desde las funciones que realizan, su inteligencia, el control que se puede ejercer sobre ellos y hasta el lenguaje de programación con el que se programa. Casi todas las definiciones y clasificaciones existentes responden a los robots industriales, que son los mas ampliamente utilizados. Los robots de servicio se encuentran
Se pueden encontrar muchas clasificaciones de los robots dependiendo de su grado de control, inteligencia, arquitectura, grados de libertad, forma, fin para el que son desarrollados, etc. Algunas clasificaciones son las siguientes:
La
La generación de un robot se determina por el orden histórico de desarrollos en la robótica.
* Primera generación => Repite programas secuencialmente sin tomar en cuenta el entorno.
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=Ventajas y desventajas de los Robots=
==Ventajas==
* Mayor precisión, sin cansancio.
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* Reducción de costos.
* Pueden ir a donde el humano no puede.
==Desventajas==
* Pueden ser peligrosos.
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=Características de los Robots=
Existen diversos tipos de clasificaciones de robots y cada clasificación tiene diversas características, algunas de las características que comparten
Sistema de coordenadas en las que el robot se va a desplazar. ==Energía==
Un robot debe de tener una fuente de energía para poder convertirla en trabajo cada vez que efectúa algún movimiento.
==Grados de libertad==
Se utilizan para conocer la posición de cada actuador y articulación del robot para que el efector final este en la posición para realizar la tarea programada.
==Captación de la información==
Se refiere a los sensores que van a darle al robot la información necesaria para que desempeñe la actividad para la que está diseñado.
==Autonomía==
La forma en que un robot desempeña una actividad tiene complejidad. Si esta tiene algún dinamismo es mayor, es por esto que una de las ramas de la robótica muy importante es la de la '''inteligencia artificial''' ('''IA''').
=Componentes de los Robots=
Es importante mencionar, que aunque el propósito esencial de un robot industrial es el de reemplazar al hombre en la realización de ciertas tareas, la configuración de su estructura mecánica no debe tratar de imitar la humana. A pesar que se hable de brazo, muñeca o mano, no debemos de caer en el error de limitar al robot con características humanas (“la réplica más que estructural es funcional”).
==Estructura mecánica==
Un robot está formado por eslabones que van unidos entre sí por actuadores. De esta forma se puede dar el movimiento entre dos eslabones consecutivos. Comúnmente, los robots industriales se parecen a un brazo humano, motivo por el cual se usan palabras como brazo, codo, y muñeca.
==Transmisiones==
Son los que transmiten el movimiento del actuador hasta la articulación.
==Actuadores==
===Actuadores Neumáticos===
Uno de los aspectos de la instrumentación, en que la electricidad no ha desplazado totalmente a lo neumático es en los actuadores.
Los actuadores neumáticos, como se mencionó anteriormente se dividen en dos tipos: ====Actuadores de diafragma====
Cuando la potencia requerida es baja y el control es análogo, la mejor opción es un actuador de diafragma con el cual podemos posicionar en un punto y con movimientos suaves, traducir a acciones las señales de los controladores P, PI y PID.
====Actuadores de pistón
Los actuadores de pistón se usan cuando se requiere el movimiento de grandes cargas como válvulas y compuertas de gran tamaño, transportadores, persianas y mamparas. Por estar totalmente construido de aceros, tiene la capacidad para soportar presiones altas, es su gran ventaja, y puede desarrollar grandes fuerzas sin tener que ser muy voluminoso.
===Motores de Corriente Directa (C.D.)===
Existen motores de corriente directa con campo controlado y con armadura controlada.
R.P.M. = (Vt – IaRa) / Kf
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f --- Flujo magnético de campo
RPM. = Ec / KF
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Vt ---- Voltaje en terminales del motor.
Otra relación matemática de los motores de C.D. es la que se refiere al par o torque producido en el motor que es:
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T --- Par producido
===Motores de Corriente Alterna (C.A.)===
Los más usados son de tipo sincrónico y de pasos, ambos trabajan en forma similar y para su explicación vamos a analizar como se produce el campo en estos motores.
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Cuando a la flecha del rotor se le aplica una carga mecánica, el rotor se desplaza un pequeño ángulo pero conserva su sincronismo con el campo giratorio.
===Motor Sin Escobillas (Brushless)===
La palabra brushless se puede traducir como "sin escobillas", las escobillas son los elementos que hacen contacto en el colector de un motor común. Estos motores carecen de colector y escobillas o carbones.
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Si tenemos un motor eléctrico común y le aumentamos la tensión en los terminales del mismo, veremos que aumenta la velocidad pero también aumenta la corriente de consumo. En un motor brushless la corriente y la velocidad son en cierto punto independientes. Es el circuito regulador de velocidad el que se encarga de suministrar solo la corriente necesaria para una determinada RPM. Si alimentamos con mucha corriente, significa que estamos desperdiciando la capacidad de la batería en esa corriente que no es aprovechada, si en cambio, alimentamos con poca corriente, el pulso de EMF será mayor al pulso de alimentación y por lo tanto el motor eventualmente se detendrá.
===Accionamiento Directo===
El accionamiento directo corresponde cuando un mecanismo toma la potencia desde un motor sin alguna reducción, tales como cajas de engranes, poleas, entre otras.
En robótica, el hecho de tener un motor directamente conectado a la articulación representa las siguientes ventajas y desventajas:
* '''Ventajas''':
# Mayor eficiencia: la potencia no es desperdiciada en fricción.
# Reducción del ruido: Debido a la simplicidad del dispositivo, un mecanismo de accionamiento directo contiene menos partes que puedan generar vibraciones y por ende ruido.
# Mayor vida útil: El tener pocas partes móviles conlleva a tener menos probabilidad de que alguna falle.
# Gran torque a bajas RPM (Revoluciones Por Minuto).
# Rápido y preciso posicionamiento: Un gran torque y un bajo momento de inercia permiten tiempos de posicionamiento menores, la colocación del sensor directamente en el rotor del motor permite una medición precisa de la posición angular.
# Mayor rigidez: Al eliminar las cajas de engranes, se elimina el juego que las mismas producen. Además que al tener menos elementos, la elasticidad es menos.
*Desventajas:
# La principal desventaja del accionamiento directo es el tamaño de los actuadores, esto debido a que para lograr mayores torques es necesario incrementar la robustez de las bobinas e imanes permanentes. Un actuador de accionamiento directo puede llegar a ser cuatro veces más grande que su contraparte.
# Otra desventaja es que el mecanismo y algoritmo de control para dichos sistemas es mucho más complejo, sin embargo, con los avances actuales en las tecnologías electrónicas e informáticas, cada vez se facilita más tener buenos resultados.
===Servomotores===
Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente directa, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación (comúnmente entre 0° y 180°) y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora, una retroalimentación y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol y robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.
* '''Funcionamiento'''
Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición mediante una señal cuadrada de voltaje, donde el ángulo de ubicación de la flecha depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación. Por lo regular entre 0.3 y 2.4ms.
===Motores de Pasos===
El motor de paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.
Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.
* '''Configuración'''
Existen principalmente dos configuraciones de motores de pasos: la unipolar y la bipolar.
===Control de Motores de CD===
Los motores de corriente directa pueden ser controlados, principalmente en dos parámetros:
*Control de Sentido de Giro.
*Control de Velocidad.
==Sistema Sensorial==
Es el encargado de darle información al robot de su propio estado (sensores internos) y el de su entorno (sensores externos).
===Sensores de Velocidad===
Una manera de conocer la velocidad de un motor es utilizando un tacómetro, que es un artefacto que debe generar una señal proporcional a la velocidad real del motor con la máxima precisión posible.
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Los tacómetros de pulsos (a los que también se les llama "encoders"), si bien requieren mayor procesamiento de señal para realizar la realimentación, ofrecen la ventaja adicional de que se pueden contar digitalmente los pulsos y así saber con precisión la cantidad de vueltas y fracciones de vuelta que ha completado el sistema.
===Sensores de Posición===
====Potenciómetros====
Dentro de un potenciómetro normal encontraremos un anillo circular de material resistivo (resistencia). Sobre el eje del potenciómetro hay un contacto que gira, deslizándose sobre este material resistivo. La resistencia eléctrica entre un extremo del anillo y el contacto es proporcional a la posición angular del eje.
Si se aplica un voltaje entre los extremos del resistor del potenciómetro, el voltaje en el contacto varía en relación directa con la posición angular del eje. Este voltaje se puede ingresar a un convertidor analógico-digital (A/D) para obtener el valor digital de la posición angular.
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.
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Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.
Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.
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Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas.
Los resolvers parecen pequeños motores pero son, esencialmente, transformadores rotativos diseñados de tal modo que su coeficiente de acoplamiento entre el rotor y el estator varía según sea la posición angular del eje.
En su diseño más simple, el resolver consta de dos bobinados en el estator, que detectan una señal senoidal de inducción, emitida por un tercer bobinado desde el rotor; una de las bobinas detectoras corresponde al seno y la otra al coseno (están ubicadas en posiciones separadas, obviamente, por un ángulo de 90°). La bobina excitadora del rotor es alimentada por una señal de corriente alterna senoidal que le llega a través de anillos de metal (contactos) ubicados sobre el eje, y escobillas. Este diseño tiene el inconveniente de que el mecanismo de escobillas sufre un desgaste continuo, lo que hace posible, pasado cierto tiempo de uso, que desde ahí se ingrese ruido en la señal. Tanto el rotor como el estator están construidos con un núcleo de hierro laminado.
===Sensores de Aceleracion===
El principio básico del acelerómetro (como el de otros sensores) depende de un sistema de masas y resortes. La tensión y la fuerza en resortes está descrita por la ley de Hooke. Esta ley propone: ``la fuerza de resistencia o la fuerza para establecer la posición de equilibrio en un resorte, es proporcional a la cantidad de fuerza al estirarlo o comprimirlo.''
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Además de la ley de Hooke, los acelerómetros también están basados en la segunda ley de Newton que relaciona la fuerza con masa y aceleración. Esto implica que un sistema acelerado producirá una fuerza de acuerdo a la relación La fuerza hace que el resorte en el acelerómetro (o materia elástica), se expanda o se comprima. Nótese que la aceleración ocurre solo en un sentido y por lo tanto para que el acelerómetro mida movimientos en un plano, se necesita duplicar el sistema en una dirección perpendicular a la original.
==Sistema de control==
Es el encargado de regular el comportamiento del robot para obtener los resultados deseados.
==Efectores finales== Son los que interactúan directamente con el entorno, generalmente son diseñados específicamente para cada tipo de trabajo.
=Dispositivos Neumáticos=
La energía neumática se basa en la compresión de aire para producir una fuerza, usar este tipo de energía tiene muchas ventajas como lo son:
* '''Ventajas'''
# Fácil de almacenar y transportar.
# No hay peligro de combustión.
# No contamina.
# El costo es muy bajo.
Sin embargo tiene algunos inconvenientes producidos por la misma naturaleza del aire (ser un fluido comprimible) uno de estos es la falta de uniformidad en el movimiento de los pistones cuando se realizan avances lentos con una carga aplicada y otro problema es el proceso que se utiliza para tomar el aire del medio ambiente y comprimirlo, esto genera una gran cantidad de calor y se necesita un sistema compresor.
Por último cabe mencionar que los sistemas neumáticos pueden trabajar a velocidades muy altas, sin embargo su regulación no es constante debido a la compresión del aire.
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Estos dispositivos son los más fáciles de controlar, los más sencillos y también los que tienen más precisión, todas estas grandes ventajas han convertido en los dispositivos más utilizados en la industria.
Dentro de estos dispositivos, se podría decir que los principales en un robot son:
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=Modulación por Ancho de Pulsos (PWM)=
Es una técnica en la que el ciclo de trabajo de una señal periódica es modificado y esto se usa para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al periodo:
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Además los interruptores son acompañados de diodos que permiten a las corrientes circular en sentido inverso al previsto cada vez que se conmute la tensión, ya que el motor está compuesto por bobinas durante breves periodos estas se opondrán a que varíe la corriente.
=Reductores de
Cualquier maquina que su movimiento sea generado por un motor necesita que la velocidad del motor se adapte a la velocidad necesaria para el buen funcionamiento de la maquina. Además de esta adaptación de velocidad, se deben contemplar otros factores como la potencia mecánica a transmitir, la potencia térmica, rendimientos mecánicos.
Esta adaptación se realiza por lo general con uno o varios pares de engranajes que adaptan la velocidad y potencia mecánica montados en un cuerpo compacto denominado reductor de velocidad, también denominado caja reductora.
===Clasificados por tipo de engranes===
Clasificados por tipo de engranes se encuentran: Sin fin-Corona, engranajes y planetarios.
* Reductores de velocidad sin fin-corona
Este tipo de reductor de velocidad es el más sencillo, se compone de una corona dentada, normalmente de bronce en cuyo centro se ha embutido un eje de acero, esta corona está en contacto constante con un husillo de acero en forma de tornillo sin-fin. Una vuelta del tornillo sin fin provoca el avance de un diente de la corona y en consecuencia la reducción de la velocidad. La reducción de velocidad de una corona sin fin se calcula con el producto del número de dientes de la corona por el número de entradas del tornillo sin fin.
* Reductores de velocidad planetarios
Son reductores de engranajes con la particularidad de que no están compuestos de pares de engranajes si no de una disposición algo distinta: Sobre un cuerpo-corona oscilan un grupo indeterminado de engranajes iguales accionados por un engranaje central llamado solar
Esta especial configuración y según la construcción de los engranajes les da dos posibles particularidades. Una de ellas es que la relación de transmisión puede ser exacta, sin decimales, lo que los hace aptos para trabajos de precisión. La segunda es que al tener más puntos de contacto entre engranajes en cada juego de reducción pueden transmitir más potencia. En contrapartida tienen serios problemas de calentamiento.
* Reductores de velocidad de engranajes
Los reductores de engranajes son aquellos en que toda la transmisión mecánica se realiza para pares de engranajes de cualquier tipo excepto los basados en tornillo sin fin. Sus ventajas son el mayor rendimiento energético, menor mantenimiento y menor tamaño.
Los reductores se pueden clasificar por la posición relativa del eje lento del reductor con respecto al eje rápido del mismo, las clasificaciones más usuales son:
* paralelos,
* ortogonales y
* coaxiales.
=Músculos Artificiales=
Existen diferentes tipos de músculos artificiales, un ejemplo de estos son los músculos neumáticos.
Un musculo neumático no tiene, en efecto, el aspecto de un cilindro norma, dotándolo de un correspondiente regulador de presión, dispone de una absoluta servo cualidad incluyendo posibilidades de posicionamiento en cualquier punto deseado y esto con una sola conexión de aire comprimido, se trata prácticamente de un servo neumático ligero y de bajo costo.
Compensa grandes errores de alineación, e incluso, suponiendo situaciones de montaje extraordinariamente desfavorables, puede ser utilizado como actuador inverso. A nos podemos imaginar una combinación de dos músculos de efecto opuesto como una especie de cilindro neumático sin vástago. También se podría desarrollar, debido a la increíble generación de fuerzas, un sencillo servo pilotaje neumático para grandes válvulas neumáticas o hidráulicas. Contrariamente a estas últimas, aun trabajando a muy baja velocidad, en el musculo no se producen problemas. Posiblemente podría servir también como actuador para motores oscilantes.
==Descripción==
El musculo neumático es un actuador de tracción que funciona como un musculo humano. En comparación con un cilindro neumático, es capaz de generar una fuerza de tracción inicial más grande. Su fuerza disminuye en el transcurso del movimiento de contracción. Por lo tanto, tiene un gran poder de aceleración y, al mismo tiempo, es capaz de acercarse a la posición nominal suavemente.
Un musculo neumático no tiene partes mecánicas móviles, con lo que tampoco se produce fricción externa. El musculo neumático, también conocido como “musculo fluido”, puede utilizarse como actuador para las más diversas tareas.
* '''Ventajas del musculo neumático'''
• Gran fuerza.
• Gran dinamismo.
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• Hermético.
Son un tipo especial de elastómero recubierto, es decir un musculo capaz de estirarse cuando es sometido a una fuerza o a una corriente eléctrica, y después regresar a su tamaño original.
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Los elastómeros son también capaces de funcionar como sensores. Esto es debido a si estos plásticos, son apretados, torcidos o estrujados, son capaces de generar un pequeño voltaje que va de acuerdo a la fuerza que le es aplicada a dicho plástico.
=
Los sistemas de actuación se caracterizan, como su nombre lo indica, por usar actuadores, los cuales son dispositivos que pueden provocar un efecto en un sistema automatizado, estos dispositivos tienen la capacidad de concebir una fuerza a partir de líquidos, energía eléctrica o aire.
En robótica los actuadores son utilizados para proveer movimiento al robot, esto dependiendo de los comandos que reciba de la unidad de control.
Dependiendo de las características del robot se debe evaluar que actuador es el más idóneo para la tarea que queremos realizar, entro otras características, se debe tomar en cuenta:
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[[Imagen:Confcartesiano.JPG|thumb|250px|right|Configuración Cartesiana]]
La configuración tiene tres articulaciones prismáticas. Esta es bastante usual en estructuras industriales, empleadas para el transporte de cargas voluminosas. La especificación de posición de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas (X, Y, Z). Los valores que deben tomar las variables articulares corresponden directamente a las coordenadas que toma el efector final o extremo del brazo. Esta configuración no resulta adecuada para acceder a puntos situados en espacios relativamente cerrados y su volumen de trabajo es pequeño cuando se compara con el que puede obtenerse con otras configuraciones.
===Configuración cilíndrica.===
[[Imagen:Confcilindrico.JPG|thumb|250px|right|Configuración cilíndrica]]
Esta configuración tiene dos articulaciones prismáticas y una de rotación. Generalmente la primera articulación es de rotación describiendo una configuración “RPP”. La posición se especifica de forma natural en coordenadas cilíndricas. Esta configuración puedes ser de interés en una célula flexible, con el robot situado en el centro de la célula sirviendo a diversas máquinas dispuestas a su alrededor. El volumen de trabajo de esta estructura RPP (o de la PRP), suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el de un toro de sección cuadrada de radio interior L y radio exterior 2L. Se demuestra que el volumen resultante es: 2πL^3.
===Configuración polar o esférica.===
[[Imagen:Confesferica.JPG|thumb|250px|right|Configuración Esferica]]
Está configuración se caracteriza por dos articulaciones de rotación y una prismática (RRP). En este caso las variables articulares expresan la posición del extremo del tercer enlace en coordenadas polares. En un manipulador con tres enlaces de longitud L, el volumen de trabajo de esta estructura, suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el que existe entre una esfera de radio 2L y otra concéntrica de radio L. Por consiguiente el volumen es (28/3)πL^3.
===Configuración angular.===
[[Imagen:Confangular.JPG|thumb|250px|right|Configuración angular]]
Esta configuración es una estructura con tres articulaciones de rotación (RRR). La posición del extremo final se especifica de forma natural en coordenadas angulares. La estructura tiene un mejor acceso a espacios cerrados y es fácil desde el punto de vista constructivo. Es muy empleada en robots manipuladores industriales, especialmente en tareas de manipulación que tengan una cierta complejidad. La configuración angular es la más utilizada en educación y actividades de investigación y desarrollo. En esta estructura es posible conseguir un gran volumen de trabajo. Si la longitud de sus tres enlaces es de L, suponiendo un radio de giro de 360 grados, el volumen de trabajo sería el de una esfera de radio 2L, es decir (32/3)πL^3.
=Tipos de robots=
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