Dispositivos de Salidas de la Robótica

Son los elementos que queremos controlar. Los más habituales en nuestros proyectos son: motores, bombillas, diodos, timbres, zumbadores, relés, electroválvulas, vávulas, cilindros neumáticos, etc.

Dispositivos de Entradas de la Robótica

Dentro de este grupo de elementos se encuentran todos los sensores con los que el robot capta las distintas variables a controlar. Estas variables pueden ser de temperatura, movimiento, proximidad, iluminación, posición, presión, velocidad, etc. En la siguiente tabla podemos ver algunos ejemplos de estos sensores:

Temperatura	NTC PTC Termorresistencia Termopar Bimetal
Posición	Final de carrera Relé reed
Proximidad     y      movimiento	Transductores Inductivos Capacitivos Resistivos Ultrasonidos
Velocidad	Tacómetros
Presión	Manómetros Galgas extensiométricas
Iluminación	LDR Fotodiodos Fototransistores

Dispositivos de la Robótica

Un sistema automático en general y un robot en particular es un conjunto de dispositivos que puede interactuar con el entorno de acuerdo con un "plan" o programa preestablecido. Dependiendo de la función que realicen estos dispositivos los podemos clasificar en:

• Dispositivos de entrada
• Dispositivos de control
• Dispositivos de salida

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 de Lie Zi, en un encuentro mucho más temprano entre el Rey Mu de Zhou (1023-957 a.C.) y un ingeniero mecánico conocido como Yan Shi, un «artífice». Este último presuntamente presentaba al rey una figura de tamaño natural y humana de su obra mecánica.		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)."	Robbie, SPD-13 (Speedy), QT1 (Cutie), DV-5 (Dave), RB-34 (Herbie), NS-2 (Néstor), NDR (Andrew), Daneel Olivaw	Isaac Asimov
2000	Robot humanoide capaz de desplazarse de forma bípeda e interactuar con las personas.	ASIMO	Honda Motor Co. Ltd
2015	Robot humanoide capaz de reconocer y recordar caras, de conversar y de simular expresiones.	Sophia	Hanson Robotics Co. Ltd

Qué es la Robótica

El sistema de mano robótica Shadow

La robótica es la rama de la Ingeniería mecatrónica, de la Ingeniería eléctrica, de la Ingeniería electrónica, de la Ingeniería mecánica, de la Ingeniería biomédica y de las ciencias de la computación que se ocupa del diseño, construcción, operación, disposición estructural, manufactura y aplicación de los robots.

La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial, la ingeniería de control y la física.​ 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.

Creador de la Robótica

George Charles Devol ( Louisville Kentucky, 20 de febrero de 1912 - 11 de agosto de 2011) fue un inventor estadounidensecreador del primer robot industrial. Además, junto a Joseph F. Engelberger fundó Unimation, la primera empresa de robótica de la historia.

Biografía

Nació en enero de 1911 en Kentucky, George Devol mostró desde su niñez un gran interés por el mundo de la ingeniería.

Fue criado en el seno de una familia de origen humilde. Por esta razón su familia no pudo dar una educación paralela al gran potencial y talento que demostraba desde su infancia. Sin embargo, esa situación no fue un impedimento para su futuro, ya que fruto de su esfuerzo y constancia consiguió alcanzar sus objetivos.

A principios de los años 30, trabaja para la compañía Cinephone United Corporation, dedicada a la fabricación de amplificadores de sonido y brazos para tocadiscos.

En 1940, tras la llegada de la II Guerra Mundial, a Devol se le abren numerosas puertas en el ámbito laboral. Debido a sus conocimientos en tecnología de radar funda una pequeña compañía que, en poco tiempo, se convirtió en la principal empresa fabricante de contramedidas para radar de los Estados Unidos.

Tipos de Robóts

Una pierna robótica potenciada por músculos de aire artificiales.

Según su cronología

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 una computadora que ejecuta las órdenes de un programa y las envía al manipulador para que realice los movimientos necesarios.

• 4.ª 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.

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. Poliarticulados

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.

Áreas de la Robótica

Son disciplinas surgidas en diferentes épocas. La robótica nace en décadas recientes para complementarse con la automatización, aportándole como elemento innovador cierto grado de inteligencia.
En el contexto industrial, la automatización es como una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en la informática en la operación y control de la producción. Este concepto, para ser actualizado, debe incluir el uso de robots.
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 a la automatización en los procesos de fabricación de series de mediana y pequeña escala.

Tipos de automatización industrial
Automatización fija:
Se utiliza cundo el volumen de producción es muy alto, y por lo tanto es adecuada para diseñar equipos especializados para procesar productos o componentes de éstos con alto rendimiento y elevadas tasas de producción.

Programable.
Se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de productos a obtener. En este caso, el equipo de producción está diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto. Esta característica de adaptabilidad se logra haciendo funcionar el equipo bajo el control de un programa de instrucciones para el producto dado. La producción se obtiene por lotes.

Flexible.
Es una categoría situada entre las dos anteriores. Se ha comprobado que es más adecuada para el rango medio de producción. Con este tipo de automatización pueden obtenerse simultáneamente varios tipos de producto, en el mismo sistema de fabricación.

Los Robots en el Sector Agrícola

LA aplicación de la robótica en ámbitos diferentes del 

industrial se remonta a 20 años atrás, el concepto de 

robóts de servicio no apareció hasta 1989 en el que 

Joseph Engelberger publicó el libro “Robotics in Service”. 

Un robot de servicio es un robot que opera de manera semi o 

totalmente autónoma para realizar servicios útiles a los 

humanos y equipos, excluidas las operaciones de 

manufactura (según la Federación Internacional de Robótica, 

el IFR). Las aplicaciones de los robots de servicio se podrían 

clasificar en [1]:

 Robots de exteriores

 Limpieza profesional

 Sistemas de inspección

 Construcción y demolición

Ingeniería en Robótica Industrial

Formar ingenieros en Robótica que sean capaces de aplicar sus conocimientos científicos, técnicos y socioculturales para: diseñar, fabricar y mantener sistemas automatizados y equipos de producción, proyectar, poner en marcha y mantener en operación plantas industriales. Investigar e implantar nuevas tecnologías. Crear y dirigir micro, pequeñas y medianas empresas del área de automatización y de la manufactura

Robótica educativa

La Robótica Educativa es un medio de aprendizaje, en el cual participan las personas que tienen motivación por el diseño y construcción de creaciones propias (objeto que posee características similares a las de la vida humana o animal). Éstas creaciones se dan en primera instancia de forma mental y posteriormente en forma física, las cuales son construidas con diferentes tipos de materiales y controladas por un sistema computacional, los que son llamados prototipos o simulaciones.

En sus inicios los autómatas eran realizados con materiales fáciles de encontrar, ya sea con madera, cobre o cualquier otro material fácil de moldear.

Robótica en la Medicina

La primera revolución en la cirugía se dio a finales del siglo XIX, cuando se unieron los esfuerzos de Bilroth con sus nuevas técnicas e instrumentos, de Lister con la antisepsia, de Virchow con la patología y de Moore con la anestesia. Desde entonces, sólo se habían logrado pequeñas variaciones en las técnicas e instrumentales utilizados en cirugía. Inclusive algunas de las pinzas que utilizamos rutinariamente en cirugía laparoscopia son las mismas que se utilizaron hace treinta años para la manipulación de materiales tóxicos y radioactivos. Pero las cosas han cambiado. Aunque ocasionalmente no nos demos cuenta, la medicina está llena de información digital. En respuesta a las demandas de los cirujanos, la industria madre de la cirugía robótica se encuentra actualmente trabajando en el desarrollo de nuevos accesorios -entre los que se destacan las suturas automáticas o los sistemas de estabilización del corazón. El concepto tradicional de cirugía, que implica cortar, coser y tocar los órganos y tejidos del paciente va a quedar definitivamente obsoleto de aquí a un par de décadas. La miniaturización de las herramientas, los avances del video, las imágenes en tres dimensiones y las técnicas endoscopias facilitan las intervenciones no inválidas, incluso en lugares de difícil acceso. A partir de esto lograrán crearse modelos informáticos que sirvan posteriormente para entrenamiento virtual. De esta forma los equipos médicos podrán practicar y adquirir destreza en distintas modalidades quirúrgicas sin poner en peligro a ningún paciente.

Ahora bien como en esto se utilizan maquinas o robots veamos que son. Estas son maquina controlada por un ordenador y programada para moverse, manipular objetos y realizar trabajos a la vez que interacciona con su entorno. Los robots son capaces de realizar tareas repetitivas de forma más rápida, barata y precisa que los seres humanos. Este término procede de la palabra checa “robota”, que significa trabajo obligatorio.

Ramas de la Robótica

La robótica es la rama de la Ingeniería mecatrónica, de la Ingeniería eléctrica, de la Ingeniería electrónica, de la Ingeniería mecánica, de la Ingeniería biomédica y de las ciencias de la computación que se ocupa del diseño, construcción, operación, disposición estructural, manufactura y aplicación de los robots.

La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial, la ingeniería de control y la física.​ Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables, la animatrónica y las máquinas de estados.

Estructura de un robot industrial

• Componentes
• Características principales
• Configuraciones morfológicas del manipulador

Componentes

Como se adelantó en El sistema robótico, un robot está formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, actuadores, sensores, elementos terminales y controlador. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (máquinas herramientas y otras muchas máquinas emplean tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características específicas.
La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cintura, hombro, brazo, codo, muñeca, etc.

Los elementos que forman parte de la totalidad del robot son:

• manipulador
• controlador
• dispositivos de entrada y salida de datos
• dispositivos especiales

Manipulador

Mecánicamente, es el componente principal. Está formado por una serie de elementos estructurales sólidos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.

Las partes que conforman el manipulador reciben, entre otros, los nombres de: cuerpo, brazo, muñeca y actuador final (o elemento terminal). A este último se le conoce habitualmente como aprehensor, garra, pinza o gripper.

Cada articulación provee al robot de, al menos, un grado de libertad. En otras palabras, las articulaciones permiten al manipulador realizar movimientos:

• Lineales que pueden ser horizontales o verticales.
  
• Angulares (por articulación)
  (En los dos casos la línea roja representa la trayectoria seguida por el robot).

Existen dos tipos de articulación utilizados en las juntas del manipulador:

• Prismática /Lineal - junta en la que el eslabón se apoya en un deslizador lineal. Actúa linealmente mediante los tornillos sinfín de los motores, o los cilindros.
• Rotacional - junta giratoria a menudo manejada por los motores eléctricos y  las transmisiones, o por los cilindros hidráulicos y palancas.

Básicamente, la orientación de un eslabón del manipulador se determina mediante los elementos roll, pitch y yaw
A la muñeca de un manipulador le corresponden los siguientes movimientos o grados de libertad: giro (hand rotate), elevación (wrist flex) y desviación (wrist rotate) como lo muestra el modelo inferior, aunque cabe hacer notar que existen muñecas que no pueden realizar los tres tipos de movimiento.
El actuador final (gripper) es un dispositivo que se une a la muñeca del brazo del robot con la finalidad de activarlo para la realización de una tarea específica. La razón por la que existen distintos tipos de elementos terminales es, precisamente, por las funciones que realizan. Los diversos tipos podemos dividirlos en dos grandes categorías: pinzas y herramientas. Se denomina Punto de Centro de Herramienta (TCP, Tool Center Point) al punto focal de la pinza o herramienta. Por ejemplo, el TCP podría estar en la punta de una antorcha de la soldadura. 

Controlador

Como su nombre indica, es el que regula cada uno de los movimientos del manipulador, las acciones, cálculos y procesado de la información. El controlador recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas.
Existen varios grados de control que son función del tipo de parámetros que se regulan, lo que da lugar a los siguientes tipos de controladores:

• de posición: el controlador interviene únicamente en el control de la posición del elemento terminal;
• cinemático: en este caso el control se realiza sobre la posición y la velocidad;
• dinámico: además de regular la velocidad y la posición, controla las propiedades dinámicas del manipulador y de los elementos asociados a él;
• adaptativo: engloba todas las regulaciones anteriores y, además, se ocupa de controlar la variación de las características del manipulador al variar la posición

Otra clasificación de control es la que distingue entre control en bucle abierto y control en bucle cerrado.
El control en bucle abierto da lugar a muchos errores, y aunque es más simple y económico que el control en bucle cerrado, no se admite en aplicaciones industriales en las que la exactitud es una cualidad imprescindible. La inmensa mayoría de los robots que hoy día se utilizan con fines industriales se controlan mediante un proceso en bucle cerrado, es decir, mediante un bucle de realimentación. Este control se lleva a cabo con el uso de un sensor de la posición real del elemento terminal del manipulador. La información recibida desde el sensor se compara con el valor inicial deseado y se actúa en función del error obtenido de forma tal que la posición real del brazo coincida con la que se había establecido inicialmente.

Dispositivos de entrada y salida

Los más comunes son: teclado, monitor y caja de comandos (teach pendant).

En el dibujo se tiene un controlador (computer module) que envía señales a los motores de cada uno de los ejes del robot y la caja de comandos (teach pendant) la cual sirve para enseñarle las posiciones al manipulador del robot.

La siguiente figura muestra un teach pendat para un tipo de robot industrial.

Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y, a su vez, ver los datos del controlador. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta programas de control, comúnmente se utiliza una computadora adicional. Es necesario aclarar que algunos robots únicamente poseen uno de estos componentes. En estos casos, uno de los componentes de entrada y salida permite la realización de todas las funciones.

Las señales de entrada y salida se obtienen mediante tarjetas electrónicas instaladas en el controlador del robot las cuales le permiten tener comunicación con otras máquinas-herramientas

Se pueden utilizan estas tarjetas para comunicar al robot, por ejemplo, con las máquinas de control numérico (torno, ...). Estas tarjetas se componen de relevadores, los cuales mandan señales eléctricas que después son interpretadas en un programa de control. Estas señales nos permiten controlar cuándo debe entrar el robot a cargar una pieza a la máquina, cuando deben empezar a funcionar la máquina o el robot, etc.

Dispositivos especiales

Entre estos se encuentran los ejes que facilitan el movimiento transversal del manipulador y las estaciones de ensamblaje, que son utilizadas para sujetar las distintas piezas de trabajo.
En la estación del robot Move Master EX (Mitsubishi) representada en la figura se pueden encontrar los siguientes dispositivos especiales:

1. Estación de posición sobre el transportador para la carga/descarga de piezas de trabajo.
2. Eje transversal para aumentar el volumen de trabajo del robot.
3. Estación de inspección por computadora integrada con el robot.
4. Estación de ensamble.

El robot cuenta con señales de entrada/salida para poder realizar la integración de su función incorporando estos elementos.