Robótica

La 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.

De forma general, la Robótica se define como: El conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que permiten concebir, realizar y automatizar sistemas basados en estructuras mecánicas poli articuladas, dotados de un determinado grado de "inteligencia" y destinados a la producción industrial o al sustitución del hombre en muy diversas tareas.

Un sistema Robótico se puede describirse, como "Aquel que es capaz de recibir información, de comprender su entorno a través del empleo de modelos, de formular y de ejecutar planes, y de controlar o supervisar su operación". La Robótica es esencialmente pluridisciplinaria y se apoya en gran medida en los progresos de la microelectrónica y de la informática, así como en los de nuevas disciplinas tales como el reconocimiento de patrones y de inteligencia artificial.

La historia de la Robótica ha estado unida a la construcción de "artefactos", muchas veces por obra de genios autodidactas que trataban de materializar el deseo humano de crear seres semejantes a nosotros que nos descargasen del trabajo. El ingeniero español Leonardo Torres Quevedo (que construyó el primer mando a distancia para su torpedo automóvil mediante telegrafía sin hilodrecista automático, el primer trasbordador aéreo y otros muchos ingenios) acuñó el término "automática" en relación con la teoría de la automatización de tareas tradicionalmente asociadas a los humanos.

Si algún autor ha influido sobre manera en la concepción del universo de los robots de ficción, éste ha sido sin duda alguna Isaac Asimos. Muchos otros, desde luego, han escrito sobre robots, pero ninguno ha relatado tan minuciosamente las actitudes y posibilidades de estas máquinas como lo ha hecho él.

Tanto es así, que el Oxford English Dictionary reconoce a Asimos como inventor de la palabra "robótica" y, aunque todos conocemos la facilidad de los anglófonos para inventar palabras nuevas, no por ello tiene mucho mérito.

Cuando tenía 22 años, Asimos escribió su cuarto relato corto sobre robots. El círculo vicioso. En boca de unos de sus personajes planteó lo que consideraba axiomas básicos para el funcionamiento de un robot. Los llamó las Tres reglas fundamental de la robótica y dicen así:

- Ningún robot puede hacer daño a un ser humano, o permitir que se le haga daño por no actuar.
- Un robot debe obedecer las órdenes dadas por un ser humano, excepto si éstas órdenes entran en conflicto con la primera ley.
- Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que está protección no sea incompatible con las leyes anteriores.

En definitiva, las famosas leyes de Asimos son aplicables a un universo donde los robots son seres inteligentes, pero quedan relegadas a una cartilla de parvulario al enfrentarse con la dura realidad. Pero esto son sólo anécdotas.

La prehistoria

La palabra Robot surge con la obra RUR, los "Robots Universales de Rossum" de Carel Capee, es una palabra checoslovaca que significa trabajador, sirviente. Sin embargo podemos encontrar en casi todos los mitos de las diversas culturas una referencia a la posibilidad de crear un ente con inteligencia, desde el Popol-Vuh de nuestros antepasados mayas hasta el Golem del judaísmo.

Desde la época de los griegos se intentó crear dispositivos que tuvieran un movimiento sin fin, que no fuera controlado ni supervisado por personas, en los siglos XVII y XVIII la construcción de autómatas humanoides fabricados con mecanismos de relojería por Jacques de Vaucanson, Pierre Henri-Louis, Jaquet- Droz, como el escribiente, the Draughtsman, el músico Henri Maillar det (1800), Olimpia de la ópera de Offenback de Hoffman, fortalecieron la búsqueda de mecanismos que auxiliaran a los hombres en sus tareas.

Estos autómatas desataron controversias alrededor de la posible inteligencia que pudieran tener estos dispositivos pesadas y en la búsqueda de la posibilidad de crear vida artificialmente. El escribiente hacía mofa de la frase de Descartes de "Pienso luego existo parafraseándola al escribir "Escribo luego existo". Los fraudes surgieron como en el caso del ajedrecista, en el que un muñeco mecánico daba respuesta a jugadas de ajedrez, comprobándose más tarde que era un enano encerrado en la caja del muñeco el que daba las respuestas y movía el muñeco. Todos estos mitos anteceden a la obra Kapec, en la que se plantea la construcción de Robots para liberar a las personas de la carga pesada de trabajo. Sin embargo, esta ficción y la creada por Asimov, junto con los desarrollos mecánicos de máquinas como el telar de Thaillard, motiva a George Devol a crear el origen de los Robots industriales, un manipulador que sería parte de una célula de trabajo.

Desarrollo histórico

Desde los primeros autómatas hasa las sondas espaciales han pasado varios siglos, pero al hablar de inteligencia sólo podremos mirars unos treinta años atrás. Han sido pocos años, pero muy intensos y el interés que ha despertado en todo el mundo es superior a cualquier previsión que se pudiera formular en su nacimiento y concepción inicial, siguiendo un proceso paralelo a la introducción de las computadoras en las actividades cotidianas de la vida humana, aunque si bien los Robots todavía no han encontrado la forma de inserción en los hogares pero sí son un elemento ya imprescindible en la mayoría de las industrias.

Podemos contemplar la Robótica como una ciencia que, aunque en ella se han conseguido grandes avances, ofrece aun un amplio campo para el desarrollo y la innovación tecnológica y es precisamente este aspecto el que motiva a muchos investigadores y aficionados a los Robots a seguir adelante planteando Robots cada vez mas evolucionados y complejos.

Los aficionados a los Robots también juegan un papel muy importante en el desarrollo de la Robótica, ya que son éstos los que, partiendo de una afición firme, con sus particulares ideas y al cabo de un cierto tiempo de pruebas y progresos, han podido desarrollar sus teorías y, con ello, crear precedentes o mejorar aspectos olvidados, así como solucionar problemas no previstos inicialmente.

El monje cibernético

El primer autómata digno de mención del que noticias existen, se cree que fue construido por Giovanni Torriani durante la primera mitad del siglo XVI. El invento, que simula la figura de un monje de la época, funcionaba mediante un mecanismo de resorte al que se le daba cuerda con una llave.

El monje era capaz de girar e inclinar la cabeza, mover los ojos de un lado para otro, abrir la boca y golpearse el pecho con la mano derecha mientras subía y bajaba la izquierda.

Robots, autómatas y simples máquinas

Hay que desmitificar la mala creencia general formada en la sociedad acerca de la palabra "Robot" a raíz de simples películas de ciencia-ficción ya que los Robots no son malvados por naturaleza, sólo son los lo que los hombres quieran que lleguen a ser. Aun así, el mundo del cine ha expuesto a lo largo del tiempo ejemplos de Robots con conductas buenas.

CLASIFICACION DE LOS ROBOTS

Ningún autor se pone de acuerdo en cuántos y cuáles son los tipos de robots y sus características esenciales. La más común es la que continuación se presenta:

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 de movimientos que ha sido ejecutada previamene 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.

Clasificación de los robots según su arquitectura

La arquitectura, es definida por el tipo de configuración general del Robot, puede se 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

Bajo 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.

Moviles

Son Robots con grandes 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. Las tortugas motorizadas diseñadas en los años cincuentas, fueron las precursoras y sirvieron de base a los estudios sobre inteligencia artificial desarrollados entre 1965 y 1973 en la Universidad de Stranford.

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.

Zoomorficos

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. Cabe destacar, entre otros, los experimentados efectuados en Japón basados en segmentos cilíndricos biselados acoplados axialmente entre sí y dotados de un movimiento relativo de rotación. En cambio, 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.

Hibridos

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.

Las características con las que se clasifican principalmente

    Propósito o función
    Sistema de coordenadas empleado
    Número de grados de libertad del efecto formal
    Generación del sistema control.

1) Clasificación basada en su propósito o función:

a) Industriales

b) Personales/ Educativos

c) Militares--vehículos autónomos

Los elementos que constituyen un Robot industrial son:

1) Efectores finales Brazos manipuladores Controladores Sensores Fuentes de poder.

2) Clasificación de los Robots basados en las generaciones de sistemas de control.

La primera generación: El sistema de control usado en la primera generación de Robots esta basado en la "paradas fijas" mecánicamente. Esta estrategia es conocida como control de lazo abierto o control "bang bang". Podemos considerar como ejemplo esta primera etapa aquellos mecanismos de relojería que permiten mover a las cajas musicales o a los juguetes de cuerda. Este tipo de control es muy similar al ciclo de control que tienen algunos lavadores de ciclo fijo y son equivalentes en principio al autómata escribiente de HM Son útiles para las aplicaciones industriales de tomar y colocar pero están limitados a un número pequeño de movimientos.

En este Robot el efector final consiste de una serie de sensores que puede tener diversas aplicaciones (medición, inspección)

La segunda generación utiliza una estructura de control de ciclo abierto, pero en lugar de utilizar interruptores y botones mecánicos utiliza una secuencia numérica de control de movimientos almacenados en un disco o cinta magnética. El programa de control entra mediante la elección de secuencias de movimiento en una caja de botones o a través de palancas de control con los que se "camina", la secuencia deseada de movimientos.

El mayor número de aplicaciones en los que se utilizan los Robots de esta generación son de la industria automotriz, en soldadura, pintado con "spray". Este tipo de Robots constituyen la clase más grande de Robots industriales en EU., incluso algunos autores sugieren que cerca del 90 % de los Robots industriales en EU pertenecen a esta 2ª generación de control

La tercera generación de Robots utiliza las computadoras para su estrategia de control y tiene algún conocimiento del ambiente local a través del uso de sensores, los cuales miden el ambiente y modifican su estrategia de control, con esta generación se inicia la era de los Robots inteligentes y aparecen los lenguajes de programación para escribir los programas de control. La estrategia de control utilizada se denomina de "ciclo cerrado"

La cuarta generación de Robots, ya los califica de inteligentes con más y mejores extensiones sensoriales, para comprender sus acciones y el mundo que los rodea. Incorpora un concepto de "modelo del mundo" de su propia conducta y del ambiente en el que operan.

Utilizan conocimiento difuso y procesamiento dirigido por expectativas que mejoran el desempeño del sistema de manera que la tarea de los sensores se extiende a la supervisión del ambiente global, registrando los efectos de sus acciones en un modelo del mundo y auxiliar en la determinación de tareas y metas.

La quinta generación, actualmente está en desarrollo esta nueva generación de Robots, que pretende que el control emerja de la adecuada organización y distribución de módulos conductuales.

ARQUITECTURA DE UN ROBOT

Fijarse sólo en el brazo articulado de un robot sería como juzgar a alguien única y exclusivamente por el tamaño de su nariz.

Además del brazo, hay otras cuatro partes esenciales en un sistema robotizado que son las siguientes: el controlador, los actuadotes y reguladores, el elemento Terminal y los sensores.

Las partes de un sistema robotizado

En definitiva, un robot ha evolucionado como una réplica de sus creadores, salvando las distancias. El conjunto guarda cierta similitud con nuestro propio cuerpo.

Manos y brazos se ven reflejados en las partes mecánicas: el manipulador y la herramienta. Los músculos serían los actuadotes y las terminaciones nerviosas, los reguladores.

El cerebro (equivalente del controlador) es el encargado de enviar las órdenes a los músculos a través de las terminaciones nerviosas y de recibir información a mediante los sentidos (sensores).

Finalmente, la manera de pensar y actuar vendría determinada por el software de control residente en la computadora.

La unión hace la fuerza

Todos los elementos son importantes para el buen funcionamiento del conjunto.

La unión entre cada una de estas partes suelen ser manojos gordísimos de cables que se entrecruzan por todos lados.

Sistemas realimentados

Nuestros sentidos toman información, que aprovecha el cerebro para dirigirnos correctamente a través de la calle. Este esquema es válido también para un sistema robotizado.

La computadora procesa los datos recibidos y adapta el movimiento de control realimentado, se dice que el sistema funciona en lazo cerrado.

En cambio, un sistema no sensorizado daría lugar a un control no realimentado y, por tanto, en lazo abierto. Éstos se caracterizan por la falta de adaptabilidad al medio; o, lo que es lo mismo, ante las mismas órdenes de entrada su comportamiento será el mismo, sin tener en cuenta lo que le rodea en esos momentos.

Proceso completo

Desde que se plantea un problema hasta que se resuelve con la ayuda de un robot, hay que seguir varios pasos:

    Delimitar claramente el problema para decidir si la utilización de un sistema robotizado es conveniente (o sea, si es económico y eficaz).
        Tipo de herramientas que debe utilizar
        Movimientos que ha de realizar
        Velocidad de esos movimientos
        Fuerza que ha de tener
        Método de programación del robot
        Coste y mantenimiento
    Se eligirá el tipo de robot según las características requeridas; esto es:
    Diseño de soluciones con el modelo concreto de robot elegido.
    Fase de pruebas y mejora de las soluciones.
    Implementación real in situ del sistema robotizado y estudio de comportamiento.

EL MERCADO DE LOS ROBOTS

Ya puedes imaginarte que elegir un robot no es como ir al supermercado y meter en la cesta un kilo de peras. Es necesario conocer a la perfeccion el tipo de aplicaciones donde se van a emplear el robot y cuales han de ser sus caracteristicas.

Campo de acción, grados de libertad, presición, repetitividad, velocidad de movimientos, fuerza, lenguajes de programación, tipos de accionamentos, capacidad de comunicación, mantenimiento y coste son algunas de las caracteristicas con las quenos obsequia un fabricante cuando le pedimos un catalogo. La elección no es fácil.

Unimation

Americana y fundadora por J. Engerber a principios de los 60, fue la empresa pionera en fabricación de robots industriales.

Los robots mas importantes patentados por Unimation han sido:

Unimate. Es un robot hidraulico, de estructura espacial de tipo polar, que en su version frande (Unimate 4000) es utilizado sobre todo en forja, fundicion y soldadura. Las versiones mas pequeñas (Unimate 1000 y 2000) se utilizan en alimentación de maquinaria y manipulación.

Puma.

Los robots Puma son la version electrica de los Unimate. Son articulares y existen varias versiones (Puma 260,560,761 y 762), utilizdas todas ellas en ensamblaje y manipulación.

Cincinnati Milacron

Es el fabricante mundialmente conocido por sus máquinas herramienta. A partir de 1981 comenzo a fabricar robots eléctricos similares a los de Unimation pero de menor capacidad de carga.

Actualmente tiene dos modelos en el mercado, el T3 y el HT3 (el segundo algo mayor que el primero). Ambos son utilizados en aplicaciones de soldadura y manipulacion.

ASEA

Esta firma es un ejemplo de que las tecnologías europeas no es nada despreciable. Asea fue una empresa dedicada inicialmente a la construcción de maquinaria eléctrica que, a finales de los 60, desarrollo un robot eléctrico para automatizar sus propios procesos de producción.

Posee una amplia gama de modelos (IRB 60, IRB 90,IRB 1000, etc.), todos ellos de tamaño medio o grande y, por su versatilidad, utilizados en casi cualquier tipo de proceso (mercanizado, fundicion, soldadura, manupulacion, etcétera).

Hitachi

Esta es una firma japonesa dedicada a una gran variedad de productos, en su mayoría electrónicos. Su división de robótica tampoco se ha queda atrás.

El modelo A 4010 comercializado por esta casa es un robot pequeño, de tipo Scara (coordenadas cartesianas) que se utiliza para manipulación y emsablajes precisos. El modelo Process no es tampoco demasiado grande, es de tipo articulado y se utiliza en el mismo tipo de procesos que el anterior.

Aplicaciones industriales

Un Robot industrial es un manipulador automático reprogramable y multifuncional, que posee ejes capaces de agarrar materiales, objetos, herramientas mecanismos especializados a través de operaciones programadas para la ejecución de una variedad de tareas como se puede apreciar, estas definiciones se ajustan a la mayoría de las aplicaciones industriales de Robots salvo para las aplicaciones de inspección y para los Robots móviles (autónomos) o Robots personales.

Para Firebaugh un Robot es una computadora con el propósito y la capacidad de movimiento.

¿Qué es un Robot Industrial?

Un Robot industrial es una máquina que puede efectuar un número diverso de trabajos automáticamente mediante una programación informática previa. Se caracteriza por tener una estructura en forma de brazo mediante el cual puede usar diferentes herramientas o aprehensores situados como elemento terminal de éste. Además, es capaz de tomar decisiones en función de la información procedente del exterior.

El Robot industrial forma parte del progresivo desarrollo de la automatización industrial, favorecido notablemente por el avance de las técnicas de control por computadora, y contribuye de manera decisiva la automatización en los procesos de fabricación de series de mediana y pequeña escala.

La fabricación en series pequeñas había quedado hasta ahora fuera del alcance de la automatización, debido a que requiere una modificación rápida de los equipos producción.

El Robot, como manipulador reprogramable y multifuncional, puede trabajar de forma continua y con flexibilidad. El cambio de herramienta o dispositivo especializado y la facilidad de variar el movimiento a realizar permiten que, al incorporar al Robot en el proceso productivo, sea posible y rentable la automatización en procesos que trabajan con series más reducidas y gamas más variadas de productos.

Estructura mecánica de un Robot Industrial:

1.- Manipulador o brazo mecánico.

El manipulador consta de un conjunto de herramientas interrelacionadas que permiten los movimientos del elemento terminal del brazo del Robot. Consta de una base para sujetarse a una plataforma rígida (como el suelo), un cuerpo donde se suele integrar la mayor parte del hardware interno que lo hará funcionar (circuitería, placas impresas, etc.), un brazo para permitir un gran movimiento e 3 dimensiones y un antebrazo para hacer también movimientos en 3 dimensiones aunque diferenciales (muy pequeños) y de mucha precisión, tal que puede llegar a los nanómetros, es decir, a 0'000001mm.

2.- Controlador basado en un sistema computador.

El controlador es un computador que gobierna el funcionamiento de los órganos motrices y recoge la información de los sensores. También se encara de realizar todo tipo de cálculos y tomas de decisión según el programa en ejecución. Gracias a la adaptación de microprocesadores (circuitos integrados que tienen unida la CPU del computador) en los circuitos electrónicos se está mejorando notablemente potencia de los controladores.

3.- Elemento terminal.

En la muñeca del manipulador se acopla una herramienta que será la encargada de desenvolver las tareas. Aunque tiene un peso y medida reducida, a veces debe suportar una elevada carga.

4.- Sensores.

Los Robots de última generación tienen la capacidad de relacionarse con el mundo exterior en tiempo real con el fin de obtener planos de acciones específicas en función de las circunstancias exteriores que los rodean.

http://www.monografias.com/trabajos31/robotica/robotica.shtml
http://es.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B3tica