La robótica es la rama de la ingeniería mecatrónica, de la
ingeniería eléctrica, de la ingeniería mecánica, de la ingeniería biomédica, y
de las ciencias de la computación, que se ocupa del diseño, construcción,
operación, estructura, manufactura, y aplicación de los robots.12
La robótica combina diversas disciplinas como son: la
mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial, la
ingeniería de control y la física.3 Otras áreas importantes en robótica son el
álgebra, los autómatas programables, la animatrónica y las máquinas de estados.
El término robot se popularizó con el éxito de la obra
R.U.R. (Robots Universales Rossum), escrita por Karel Čapek en 1920. En la
traducción al inglés de dicha obra la palabra checa robota, que significa
trabajos forzados o trabajador, fue traducida al inglés como robot.
Historia de la robótica
La robótica va unida a la construcción de
"artefactos" que trataban de materializar el deseo humano de crear
seres a su semejanza y que al mismo tiempo lo descargasen de trabajos tediosos.
El ingeniero español Leonardo Torres Quevedo (que construyó el primer mando a
distancia para su automóvil mediante telegrafía, el ajedrecista automático, el
primer transbordador aéreo y otros muchos ingenios), acuñó el término
"automática" en relación con la teoría de la automatización de tareas
tradicionalmente asociadas.
Karel Čapek, un escritor checo, acuñó en 1923 el término
"robot" en su obra dramática Rossum's Universal Robots / R.U.R., a
partir de la palabra checa robota, que significa servidumbre o trabajo forzado.
El término robótica es acuñado por Isaac Asimov, definiendo a la ciencia que
estudia a los robots. Asimov creó también las tres leyes de la robótica. En la
ciencia ficción el hombre ha imaginado a los robots visitando nuevos mundos,
haciéndose con el poder o, simplemente, aliviando de las labores caseras.
Fecha
Importancia
Nombre del robot
Inventor
Siglo III a. C.y antes
Una de las primeras descripciones de autómatas aparece en el
texto Lie Zi, atribuido a Lie Yukou (ca. 350 a. C.), en el que describe el
encuentro, ocurrido varios siglos antes, entre el rey Mu de Zhou (1023-957 a.
C.) y un «artífice» conocido como Yan Shi. En este encuentro Shi presenta al
rey una supuesta obra mecánica: una figura humana de tamaño natural.
Yan Shi
Siglo I a. C.y antes
Descripciones de más de 100 máquinas y autómatas, incluyendo
un artefacto con fuego, un órgano de viento, una máquina operada mediante una
moneda, una máquina de vapor, en Pneumática y Autómata de Herón de Alejandría.
Autómata
Ctesibio de Alejandría, Filón de Bizancio, Herón de
Alexandria, y otros
420 a. C.
Un pájaro de madera a vapor que fue capaz de volar.
Arquitas de Tarento
1206
Primeros autómatas humanoides creados, banda de autómata
programable.
Banda de robots, autómata de lavado de manos, pavos reales
automáticos
Al-Jazari
c. 1495
Diseño de un robot humanoide.
Caballero mecánico
Leonardo da Vinci
1738
Pato mecánico capaz de comer, agitar sus alas y excretar.
Digesting Duck
Jacques de Vaucanson
1800s
Juguetes mecánicos japoneses que sirven té, disparan flechas
y pintan.
Juguetes Karakuri
Hisashige Tanaka
1921
Aparece el primer autómata de ficción llamado
"robot", aparece en R.U.R.
Rossum's
Universal Robots
Karel Čapek
1930s
Se exhibe un robot humanoide en la Exposición Universal
entre los años 1939 y 1940.
Elektro
Westinghouse Electric Corporation
1942
La revista Astounding Science Fiction pública "Círculo
Vicioso" (Runaround en inglés). Una historia de ciencia ficción donde se
da a conocer las tres leyes de la robótica.
SPD-13
(apodado "Speedy")
Isaac
Asimov
1948
Exhibición de un robot con comportamiento biológico
simple.5
Elsie y
Elmer
William
Grey Walter
1956
Primer robot comercial, de la compañía Unimation fundada por
George Devol y Joseph Engelberger, basada en una patente de Devol.6
Unimate
George Devol
1961
Se instala el primer robot industrial.
Unimate
George
Devol
1963
Primer
robot "palletizing."7
1971
El primer robot soviético que aterriza exitosamente en la
superficie de Marte pero se perdió el contacto pocos segundos después.
Mars 3, dentro del programa Mars
Unión Soviética
1973
Primer robot con seis ejes electromecánicos.
Famulus
KUKA Robot Group
1975
Brazo manipulador programable universal, un producto de
Unimation.
PUMA
Victor Scheinman
1976
Primer robot estadounidense en Marte.
Viking I
NASA
1982
El robot completo (The Complete Robot en inglés). Una
colección de cuentos de ciencia ficción de Isaac Asimov, escritos entre 1940 y
1976, previamente publicados en el libro Yo, robot y en otras antologías,
volviendo a explicar las tres leyes de la robótica con más ahínco y complejidad
moral. Incluso llega a plantear la muerte de un ser humano por la mano de un
robot con las tres leyes programadas, por lo que decide incluir una cuarta ley
"la ley 0 (cero)."
Robot humanoide capaz de desplazarse de forma bípeda e
interactuar con las personas.
ASIMO
Honda Motor Co. Ltd
2015
Robot humanoide capaz de reconocer, recordar caras y simular
expresiones.
Sophia
Hanson Robotics Co. Ltd
Clasificación de los robots
Según su cronología[editar]
Una pierna robótica potenciada por músculos de aire
artificiales.
La que a continuación se presenta es la clasificación más
común:
1.ª Generación.
Robots manipuladores. Son sistemas mecánicos
multifuncionales con un sencillo sistema de control, bien manual, de secuencia
fija o de secuencia variable.
2.ª 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.
3.ª Generación.
Robots con control sensorizado. El controlador es un
ordenador que ejecuta las órdenes de un programa y las envía al manipulador o
robot para que realice los movimientos necesarios.
Según su estructura
La estructura 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.
1. Poliarticulados8
En este grupo se encuentran 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
robots manipuladores, los robots industriales y los robots cartesianos, que 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.
2. 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.
3. Androides
Robot androide
Son los tipos de robots que intentan reproducir total o
parcialmente la forma y el comportamiento cinemático 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.
Vulgarmente se los suele llamar "marionetas" cuando se les ven los
cables que permiten ver cómo realiza sus procesos.
4. 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 experimentos 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 numerosos y están siendo objeto de experimentos
en diversos laboratorios con vistas al desarrollo posterior de verdaderos
vehículos terrenos, pilotados 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.
5. 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.
5 Componentes básicos para construir un robot
Construir tu propio robot sin grandes conocimientos de eléctrónica o mecánica es posible.
Afortunadamente existen multitud de componentes muy fáciles de usar y conectar para todos los que os atrae este fascinante mundo.
A continuación te voy a mostrar los 5 componentes más habituales, y casi imprescindibles, para iniciarse en la robótica.
1 : Unidad de control
Si estás leyendo este post porque de alguna forma te interesa el mundo de la robótica, seguro que ya tienes una idea de qué es la unidad de control de un robot.
La unidad de control, realiza principalmente 2 acciones:
está «pendiente» de las señales se reciben a través de los sensores del robot (luz, corriente eléctrica, calor, etc.).
«ordena» a los actuadores del robot (motores, luces, etc.) que realicen acciones.
De forma muy resumida y general, un robot funciona así:
Cuando pones en marcha el robot, se empiezan a realizar las instrucciones que están almacenadas en la memoria de la unidad de control.
Si el robot dispone de algún tipo de sensor, la unidad de control comprueba qué datos llegan.
Teniendo en cuenta los datos recibidos y las instrucciones del programa, la unidad de control ejecuta, o no, alguna acción determinada.
Este ciclo se repetirá mientras el robot esté en funcionamiento. Puede ser un ciclo cortísimo, por ejemplo, comprobar una vez por segundo la temperatura de un motor para saber cuándo aumenta peligrosamente y pararlo; o puede ser un ciclo muy largo realizando muchas acciones complejas.
La unidad de control siempre ejecuta el ciclo que tiene programado en su memoria.
Debes tener en cuenta que una acción no tiene por qué repetirse. Puedes programar un robot para que ejecute una acción una sola vez.
¿Qué unidad de control puedo usar?
No voy a reinventar la rueda y animarte a construir tu propia unidad de control, aunque puedes hacerlo si quieres y en Internet encontrarás mucha información al respecto.
Lo más fácil para empezar es usar placas electrónicas ya montadas. La más usada, sin duda es Arduino/Genuino. Aunque existen muchas versiones y tamaños, la reina indiscutible es Arduino UNO.
Unidad de control. Placa Arduino UNO
Se programa de forma relativamente sencilla, tiene bastantes puntos de conexión para sensores y actuadores y es compacta y manejable.
Sin duda, Arduino es ideal para comenzar en robótica. Y tiene un precio muy asequible.
Pero hay más opciones, aquí van un par de ejemplos:
Placa Zum, de Bq. Está basada en Arduino UNO, con algunas mejoras respecto a ésta, aunque la diferencia de precio es considerable.
Raspberry Pi. Es un microordenador en toda regla (se le pueden conectar teclado, ratón, monitor, etc.), pero nada impide usarla como unidad de control de un robot gracias a su reducido tamaño y precio razonable.
Microodenador Raspberry PI
2 : Motores
Motores de corriente continua
Motor CC o DCMotor CC o DC
También se conocen como motores CC o DC. Son los motores más sencillos de conectar y usar para robots de iniciación. El voltaje para aplicaciones de pequeños robots suele estar entre 3 y 12 voltios, aunque hay motores que trabajan con otros valores.
Precisamente variando el voltaje que se les aplica se puede controlar la velocidad a la que giran estos motores . Nunca debes usar más voltaje del que admite el motor, ya que se quemará.
Solamente necesitamos 2 cables para conectar un motor CC. Uno es el polo positivo, marcado con el símbolo «+» y normalmente es de color rojo; y el otro es el polo negativo (también llamado tierra), marcado con «-» y habitualmente de color negro. Si intercambias la conexión de los cables, el motor girará en sentido contrario.
Al ser motores relativamente pequeños, no generan demasiada fuerza (lo que se llama par motor). Para conseguir más fuerza con el mismo motor, algunos de ellos vienen con una reductora incorporada. Esta reductora no son más que una serie de engranajes.
A cambio de conseguir mayor par, la velocidad final siempre será menor que la velocidad inicial a la que gira el motor. Normalmente esto no es un problema ya que la velocidad de giro de estos pequeños motores es tan alta que no tiene demasiados usos prácticos, excepto para hélices y poco más.
Aunque el principio eléctrico de funcionamiento de los motores paso a paso es el mismo que el de los motores de corriente continua, existe una gran diferencia en el uso y conexiones de ambos.
Con estos motores es posible controlar con exactitud el ángulo que queremos girar. Esto permite conseguir pequeños movimientos muy precisos.
Sin embargo, a cambio de mayor control y precisión, el uso se complica debido a que no basta con aplicar corriente para que funcionen. Es necesario usar más cables para enviar una serie de pulsos (señales eléctricas) que van activando en orden las bobinas que el motor lleva dentro.
En la hoja de datos técnicos del motor, el fabricante nos indicará en cuantas partes (pasos) se divide cada vuelta del motor o cuántos grados abarca cada paso. Es decir, si nos indica que un paso son 2º, en una vuelta completa habrá 180 pasos (360º/2º).
Para ampliar la información sobre estos motres puedes visitar: motores paso a paso
Utilidad de los motores paso a paso
Como ya dije antes, las grandes ventajas de estos motores son su precisión y el poder controlar el ángulo que gira en cada momento. Como ventaja añadida, la fuerza que desarrollan es mayor que un motor de corriente continua de similar tamaño.
Algunos ejemplos de uso:
Pinzas para coger objetos. Es posible controlar la fuerza ejercida.
Brazos articulados. Para girar de forma muy precisa.
Bases móviles de impresoras 3D. Se necesita bastante exactitud para mover la base durante la impresión.
Existen pequeños motores paso a paso que puedes comprar con una pequeña placa preparada para que la conexión y control sea fácil. Seguro que después de probarlos quieres usarlos en todos tus proyectos.
3 : Sensores
Si piensas que los sensores de un robot son similares a los sentidos humanos, no vas desencaminado.
Existen gran cantidad de sensores, pero todos tienen una finalidad: percibir «algo». Ese «algo» puede ser muy variado: un contacto, una fuente de luz o gas, campos magnéticos, un movimiento, etc.
Afortunadamente para los que se inician en el mundo de la robótica, la primera toma de contacto con los sensores no es difícil.
Eso sí, mi consejo es que vayas probando los sensores uno por uno, antes de conectar el resto de componentes a la unidad de control. Así, como no habrá otros elementos que compliquen las conexiones, podrás entender el funcionamiento de cada tipo de sensor.
Funcionamiento básico
En general, un sensor funciona reaccionando de alguna forma a un estímulo externo. La reacción que tienen muchos sensores es cambiar su resistencia al paso de corriente aunque hay otras formas de funcionamiento.
De esta forma, si conectas el sensor a la unidad de control y la programas, por ejemplo, para que compruebe el valor de la resistencia del sensor cada cierto tiempo, puedes ejecutar una acción determinada dependiendo de los valores que detecta la unidad de control.
Los datos de funcionamiento de cada sensor hay que consultarlo en su hoja de características (datasheet) o en la página web de los fabricantes.
Los sensores más fáciles de usar, pero que permiten una gran interacción del robot con todo lo que le rodea son:
Presión o de contacto.
Distanciómetros, para medir distancias.
Sensores de luz.
Presencia o movimiento.
Inclinación.
Temperatura.
4 : Fuente de energía
Sin energía, tu robot no hará gran cosa.
Para suministrar energía al robot lo más sencillo y barato son las baterías o pilas. Puedes construir un micro-robot que funcione con una pila de tipo botón, pero para comenzar lo más facil y asequible para tu bolsillo serán las pilas de 1,5 y 9 voltios.
Juntando varias pilas de 1,5 V en serie (el polo negativo de una se conecta con el polo positivo de la siguiente o viceversa), puedes conseguir el voltaje que necesites.
Pero también hay que tener en cuenta la cantidad de corriente que necesite tu robot. No puedes pretender alimentar tu flamante robot de 4 motores, 2 servos, 5 sensores y la unidad de control con 4 pilas de tamaño AAA, y encima pretender que funcione 2 horas seguidas. En general, para pilas o combinaciones de un mismo voltaje, mayor tamaño significa mayor tiempo de funcionamiento.
Calcular la alimentación necesaria para un robot se sale de las pretensiones de este artículo.
Un detalle que a veces puede volver loco al principiante, es que los motores pueden introducir «ruido eléctrico» en un circuito. Y no me refiero al sonido de los motores. Hablo de ondas electromagnéticas que pueden afectar a otros componentes del circuito. Esto se nota en comportamientos extraños o caóticos del robot.
Si al poner en marcha tu robot ves que «hace lo que le da la gana», quizás deberías poner dos fuentes de energía separadas: una para motores y otra para los sensores y la unidad de control.
5 : Placas de prototipado de circuitos
¿Qué son y para qué sirven?
Se trata de un bloque de plástico con orificios en su superficie. En estos orificios se insertan los componentes electrónicos y cables, haciendo contacto con unas láminas metálicas que hay en el interior. Como cada fila de orificios comparten una misma lámina metálica, si insertamos otros componentes en la misma fila hacen contacto eléctrico.
Las placas para prototipado (conocidas también como protoboard o breadboard) son muy útiles, diría imprescindibles, cuando empezamos en electrónica o robótica. Nos permiten conectar entre sí elementos eléctricos o electrónicos rápidamente, sin emplear soldadura ni tornillos. Eso sí, hay que tener en cuenta que no están diseñadas para altas intensidades de corriente o alto voltaje.
¿Cómo son?
Básicamente están formadas por filas de 5 agujeros conectados entre sí.
Adicionalmente, las placas más grandes tienen también en cada lado otras dos filas de agujeros. Estas filas se usan habitualmente para la alimentación eléctrica de los componentes de la placa.
Por ejemplo, en un lado podemos tener la alimentación a 5 V y en el otro lado a 3,3 V.
Aquí os dejo una imagen de cómo están unidos internamente los puntos de conexión por medio de láminas metálicas:
Contactos de una protoboard.
Estas placas de prototipado pueden usarse para hacer las pruebas iniciales, pero también en muchos casos se integran con el robot y forman parte de él, sobre todo en el caso de que pienses reutilizar los componentes para otros robots y no quieras fabricar tu propia placa de circuito.
Existen muchos tamaños de placas y normalmente el tamaño se define por el número total de orificios que tienen. Las más usadas y fáciles de encontrar son las de 830, 400 o 170 puntos de conexión.
Por último, un consejo: no debes usar cables gruesos para hacer las conexiones ya que se podrían deformar las láminas metálicas y, al quitar los los cables, las láminas podrían dejar de hacer contacto cuando insertes otros componentes
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