La Robótica

1.
2. Breve historia de la
robótica
3. Automatización y
robótica
4. Clasificación de
los robots
5. Aplicaciones
6. Industria
7. Aplicación de
transferencia de material
8. Carga y descarga de
maquinas
9. Operaciones de
procesamiento
10. Otras Operaciones de
proceso
11. Laboratorios
12. Manipuladores
cinematicos
13. Agricultura
14. Espacio
15. Vehículos
submarinos
16. Educación

17. El mercado de la
robótica y las perspectivas
futuras
18. Proyecto
quetzalcoatl

1.
Introducción

La robótica
es un concepto de
dominio
publico. La mayor parte de la gente tiene una idea de lo que es
la robótica,
sabe sus aplicaciones y el potencial que tiene; sin embargo, no
conocen el origen de la palabra robot, ni tienen idea del origen
de las aplicaciones útiles de la robótica como
ciencia.

La robótica como hoy en día la conocemos,
tiene sus orígenes hace miles de anos. Nos basaremos en
hechos registrados a través de la historia, y comenzaremos
aclarando que antiguamente los robots eran conocidos con el
nombre de autómatas, y la robótica no era
reconocida como ciencia, es
mas, la palabra robot surgió hace mucho después del
origen de los autómatas.

Desde el principio de los tiempos, el hombre ha
deseado crear vida artificial. Se ha empeñado en dar vida
a seres artificiales que le acompañen en su morada, seres
que realicen sus tareas repetitivas, tareas pesadas o
difíciles de realizar por un ser humano. De acuerdo a
algunos autores, como J. J. C. Smart y Jasia Reichardt,
consideran que el primer autómata en toda la historia fue Adán
creado por Dios. De acuerdo a esto, Adán y Eva son los
primero autómatas inteligentes creados, y Dios fue quien
los programó y les dio sus primeras instrucciones que
debieran de seguir. Dentro de la mitología
griega se puede encontrar varios relatos sobre la
creación de vida artificial, por ejemplo, Prometeo creo el
primer hombre y la
primer mujer con barro y
animados con el fuego de los cielos. De esta manera nos damos
cuenta de que la humanidad tiene la obsesión de crear vida
artificial desde el principio de los tiempos. Muchos han sido los
intentos por lograrlo.

Los hombres creaban autómatas como un pasatiempo,
eran creados con el fin de entretener a su dueño. Los
materiales que
se utilizaban se encontraban al alcance de todo el mundo, esto
es, utilizaban maderas resistentes, metales como el cobre y
cualquier otro material moldeable, esto es, que no necesitara o
requiriera de algún tipo de transformación para
poder ser
utilizado en la creación de los
autómatas.

Estos primeros autómatas utilizaban,
principalmente, la fuerza bruta
para poder realizar
sus movimientos. A las primeras maquinas herramientas
que ayudaron al hombre a
facilitarle su trabajo no se les daba el nombre de
autómata, sino más bien se les reconocía
como artefactos o simples maquinas.

2. Breve historia de
la robótica.

Por siglos el ser humano ha construido máquinas
que imiten las partes del cuerpo humano.
Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las
estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por
sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de
estos era inspiración de sus dioses. Los griegos
construyeron estatuas que operaban con sistemas
hidráulicas, los cuales se utilizaban para fascinar a los
adoradores de los templos.

Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron
construidos muñecos mecánicos muy ingeniosos que
tenían algunas características de robots.

Jacques de Vauncansos construyó varios
músicos de tamaño humano a mediados del siglo
XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecánicos
diseñados para un propósito específico: la
diversión.

En 1805, Henri Maillardert construyó una
muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una
serie de levas se utilizaban como ‘ el programa ’
para el dispositivo en el proceso de
escribir y dibujar. Éstas creaciones mecánicas de
forma humana deben considerarse como inversiones
aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su
época. Hubo otras invenciones mecánicas durante la
revolución
industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las
cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil. Entre ellas se puede
citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora
mecánica de Crompton (1779), el telar
mecánico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard
(1801), y otros.

El desarrollo en
la tecnología, donde se incluyen las poderosas
computadoras
electrónicas, los actuadores de control
retroalimentados, transmisión de potencia a
través de engranes, y la tecnología en
sensores han
contribuido a flexibilizar los mecanismos autómatas para
desempeñar tareas dentro de la industria. Son
varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los
primeros robots en la década de los 50’s. La
investigación en inteligencia
artificial desarrolló maneras de emular el
procesamiento de información humana con computadoras
electrónicas e inventó una variedad de mecanismos
para probar sus teorías.

No obstante las limitaciones de las máquinas
robóticas actuales, el concepto popular
de un robot es que tiene una apariencia humana y que actúa
como tal. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado
por varias narraciones de ciencia ficción.

Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek,
denominada Rossum’s Universal Robots, dio lugar al
término robot. La palabra checa ‘Robota’
significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo
al ingles se convirtió en el término robot. Dicha
narración se refiere a un brillante científico
llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia
química
que es similar al protoplasma. Utilizan ésta sustancia
para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots
sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos
los trabajos físicos. Rossum sigue realizando mejoras en
el diseño
de los robots, elimina órganos y otros elementos
innecesarios, y finalmente desarrolla un ser ‘ perfecto
’. El argumento experimenta un giro desagradable cuando los
robots perfectos comienzan a no cumplir con su papel de
servidores y
se rebelan contra sus dueños, destruyendo toda la vida
humana.

Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac
Asimov contribuyó con varias narraciones relativas a
robots, comenzó en 1939, a él se atribuye el
acuñamiento del término Robótica. La
imagen de
robot que aparece en su obra es el de una máquina bien
diseñada y con una seguridad
garantizada que actúa de acuerdo con tres principios.

Estos principios fueron
denominados por Asimov las Tres Leyes de la
Robótica, y son:

1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o,
   mediante la inacción, que un ser humano sufra
   daños.
1. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas
   por los seres humanos, salvo que estén en conflictos
   con la primera ley.
1. Un robot debe proteger su propia
   existencia, a no ser que esté en conflicto
   con las dos primeras leyes.

Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles
sirvientes del ser humano, de ésta forma su actitud
contraviene a la de Kapek.

A continuación se presenta un cronograma de los
avances de la robótica desde sus inicios.

3. Automatización y
robótica

La historia de la automatización industrial está
caracterizada por períodos de constantes innovaciones
tecnológicas. Esto se debe a que las técnicas
de automatización están muy ligadas a los sucesos
económicos mundiales.

El uso de robots industriales junto con los sistemas de
diseño asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de
fabricación asistidos por computadora (CAM), son la
última tendencia en automatización de los procesos de
fabricación y luego se cargaban en el robot.. Éstas
tecnologías conducen a la automatización industrial
a otra transición, de alcances aún
desconocidos.

Aunque el crecimiento del mercado de la
industria
Robótica ha sido lento en comparación con los
primeros años de la década de los 80´s, de
acuerdo a algunas predicciones, la industria de la
robótica está en su infancia. Ya
sea que éstas predicciones se realicen completamente, o
no, es claro que la industria robótica, en una forma o en
otra, permanecerá.

En la actualidad el uso de los robots industriales
está concentrado en operaciones muy simples, como tareas
repetitivas que no requieren tanta precisión. La Fig. 3.1
refleja el hecho de que en los 80´s las tareas
relativamente simples como las máquinas de
inspección, transferencia de materiales, pintado
automotriz, y soldadura son
económicamente viables para ser robotizadas. Los análisis de mercado en cuanto
a fabricación predicen que en ésta década y
en las posteriores los robots industriales incrementaran su campo
de aplicación, esto debido a los avances
tecnológicos en sensorica, los cuales
permitirán tareas mas sofisticadas como el ensamble de
materiales.

Como se ha observado la automatización y la
robótica son dos tecnologías estrechamente
relacionadas. En un contexto industrial se puede definir la
automatización como una tecnología que está
relacionada con el empleo de sistemas
mecánicos-eléctricos basados en computadoras para
la operación y control de la producción. En consecuencia la
robótica es una forma de automatización
industrial.

Hay tres clases muy amplias de automatización
industrial : automatización fija, automatización
programable, y automatización flexible.

La automatización fija se utiliza cuando el
volumen de
producción es muy alto, y por tanto se puede justificar
económicamente el alto costo del
diseño de equipo especializado para procesar el producto, con
un rendimiento alto y tasas de producción elevadas.
Además de esto, otro inconveniente de la
automatización fija es su ciclo de vida
que va de acuerdo a la vigencia del producto en el
mercado.

La automatización programable se emplea cuando el
volumen de
producción es relativamente bajo y hay una diversidad de
producción a obtener. En este caso el equipo de
producción es diseñado para adaptarse a la
variaciones de configuración del producto; ésta
adaptación se realiza por medio de un programa
(Software).

La automatización flexible, por su parte, es
más adecuada para un rango de producción medio.
Estos sistemas flexibles poseen características de la automatización
fija y de la automatización programada.

Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una
serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por
sistemas de almacenamiento y
manipulación de materiales, controlados en su conjunto por
una computadora.

De los tres tipos de automatización, la
robótica coincide mas estrechamente con la
automatización programable.

En tiempos más recientes, el control
numérico y la telequerica son dos tecnologías
importantes en el desarrollo de la robótica. El control
numérico (NC) se desarrolló para máquinas
herramienta a finales de los años 40 y principios de los
50´s. Como su nombre lo indica, el control numérico
implica el control de acciones de un
máquina-herramienta por medio de números.
Está basado en el trabajo
original de Jhon Parsons, que concibió el empleo de
tarjetas
perforadas, que contienen datos de
posiciones, para controlar los ejes de una
máquina-herramienta.

El campo de la telequerica abarca la utilización
de un manipulador remoto controlado por un ser humano.

A veces denominado teleoperador, el operador remoto es
un dispositivo mecánico que traduce los movimientos del
operador humano en movimientos correspondientes en una
posición remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de
la telequerica. En 1948 construyó un mecanismo manipulador
bilateral maestro-esclavo en el Argonne National Laboratory. El
empleo más frecuente de los teleoperadores se encuentra en
la manipulación de sustancias radiactivas, o peligrosas
para el ser humano.

La combinación del control numérico y la
telequerica es la base que constituye al robot modelo. Hay
dos individuos que merecen el reconocimiento de la confluencia de
éstas dos tecnologías y el personal que
podía ofrecer en las aplicaciones industriales. El primero
fue un inventor británico llamado Cyril Walter Kenward,
que solicitó una patente británica para un
dispositivo robótico en marzo de 1954. (El esquema se
muestra
abajo).

La segunda persona citada es
George C. Devol, inventor americano, al que debe atribuirse dos
invenciones que llevaron al desarrollo de los robots hasta
nuestros días. La primera invención
consistía en un dispositivo para grabar
magnéticamente señales eléctricas y
reproducirlas para controlar un máquina. La segunda
invención se denominaba Transferencia de Artículos
Programada.

Un robot industrial es un máquina programable de
uso general que tiene algunas características
antropomórficas o ¨humanoides¨. Las
características humanoides más típicas de
los robots actuales es la de sus brazos móviles, los que
se desplazarán por medio de secuencias de movimientos que
son programados para la ejecución de tareas de utilidad.

La definición oficial de un robot industrial se
proporciona por la Robotics Industries Association (RIA),
anteriormente el Robotics Institute of América.

"Un robot industrial es un manipulador multifuncional
reprogramable diseñado para desplazar materiales , piezas,
herramientas o
dispositivos especiales, mediante movimientos variables
programados para la ejecución de una diversidad de
tareas".

Se espera en un futuro no muy lejano que la
tecnología en robótica se desplace en una dirección que sea capaz de proporcionar a
éstas máquinas capacidades más similares a
las humanas.

4.
Clasificación de los robots

La potencia del
software en el
controlador determina la utilidad y
flexibilidad del robot dentro de las limitantes del diseño
mecánico y la capacidad de los sensores. Los robots han
sido clasificados de acuerdo a su generación, a su nivel
de inteligencia,
a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de
programación. Éstas clasificaciones reflejan la
potencia del software en el controlador, en particular, la
sofisticada interacción de los sensores. La
generación de un robot se determina por el orden
histórico de desarrollos en la robótica. Cinco
generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales.
La tercera generación es utilizada en la industria, la
cuarta se desarrolla en los laboratorios de investigación,
y la quinta generación es un gran sueño.

1.- Robots Play-back, los cuales regeneran una
secuencia de instrucciones grabadas, como un robot utilizado en
recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos robots
comúnmente tienen un control de lazo abierto.

2.- Robots controlados por sensores, estos tienen
un control en lazo cerrado de movimientos manipulados, y hacen
decisiones basados en datos obtenidos
por sensores.

3.- Robots controlados por visión, donde
los robots pueden manipular un objeto al utilizar información desde un sistema de
visión.

4.- Robots controlados adaptablemente, donde los
robots pueden automáticamente reprogramar sus acciones sobre
la base de los datos obtenidos por los sensores.

5.- Robots con inteligencia
artificial, donde las robots utilizan las técnicas
de inteligencia
artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.

La Asociación de Robots Japonesa (JIRA) ha
clasificado a los robots dentro de seis clases sobre la base de
su nivel de inteligencia:

1.- Dispositivos de manejo manual,
controlados por una persona.

2.- Robots de secuencia arreglada.

3.- Robots de secuencia variable, donde un
operador puede modificar la secuencia
fácilmente.

4.- Robots regeneradores, donde el operador
humano conduce el robot a través de la tarea.

5.- Robots de control numérico, donde el
operador alimenta la programación del movimiento,
hasta que se enseñe manualmente la tarea.

6.- Robots inteligentes, los cuales pueden
entender e interactuar con cambios en el medio
ambiente.

Los programas en el
controlador del robot pueden ser agrupados de acuerdo al nivel
de control que realizan.

1.- Nivel de inteligencia artificial, donde el
programa aceptará un comando como "levantar el producto" y
descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo
nivel basados en un modelo
estratégico de las tareas.

2.- Nivel de modo de control, donde los
movimientos del sistema son modelados, para lo que se incluye la
interacción dinámica entre los diferentes mecanismos,
trayectorias planeadas, y los puntos de asignación
seleccionados.

3.- Niveles de servosistemas, donde los
actuadores controlan los parámetros de los mecanismos con
el uso de una retroalimentación interna de los datos
obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada sobre la base
de los datos que se obtienen de sensores externos. Todas las
detecciones de fallas y mecanismos de corrección son
implementadas en este nivel.

En la clasificación final se considerara el
nivel del lenguaje de programación. La clave para una
aplicación efectiva de los robots para una amplia variedad
de tareas, es el desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen
muchos sistemas de programación de robots, aunque la
mayoría del software más avanzado se encuentra en
los laboratorios de investigación. Los sistemas de
programación de robots caen dentro de tres clases
:

1.- Sistemas guiados, en el cual el usuario
conduce el robot a través de los movimientos a ser
realizados.

2.- Sistemas de programación de
nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un programa de
computadora al especificar el movimiento y el sensado.

3.- Sistemas de programación de
nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la
operación por sus acciones sobre los objetos que el robot
manipula.

5.
Aplicaciones

Los robots son utilizados en una diversidad de
aplicaciones, desde robots tortugas en los salones de clases,
robots soldadores en la industria automotriz, hasta brazos
teleoperados en el transbordador espacial.

Cada robot lleva consigo su problemática propia y
sus soluciones
afines; no obstante que mucha gente considera que la
automatización de procesos a
través de robots está en sus inicios, es un hecho
innegable que la introducción de la tecnología
robótica en la industria, ya ha causado un gran impacto.
En este sentido la industria Automotriz desempeña un
papel
preponderante.

Es necesario hacer mención de los problemas de
tipo social, económicos e incluso político, que
puede generar una mala orientación de robotización
de la industria. Se hace indispensable que la planificación de los recursos
humanos, tecnológicos y financieros se realice de una
manera inteligente.

Por el contrario la Robótica contribuirá
en gran medida al incremento de el empleo. ¿Pero, como se
puede hacer esto? al automatizar los procesos en máquinas
más flexibles, reduce el costo de
maquinaria, y se produce una variedad de productos sin
necesidad de realizar cambios importantes en la forma de
fabricación de los mismo. Esto originara una gran cantidad
de empresas
familiares (Micro y pequeñas empresas ) lo que
provoca la descentralización de la
industria.

6. Industria

Los robots son utilizados por una diversidad de procesos
industriales como lo son : la soldadura de punto y soldadura de
arco, pinturas de spray, transportación de materiales,
molienda de materiales, moldeado en la industria plástica,
máquinas-herramientas, y otras más.

A continuación se hará una breve
explicación de algunas de ellas.

7. Aplicación de transferencia de
material

Las aplicaciones de transferencia de material se definen como
operaciones en las cuales el objetivo
primario es mover una pieza de una posición a otra. Se
suelen considerar entre las operaciones más sencillas o
directas de realizar por los robots. Las aplicaciones normalmente
necesitan un robot poco sofisticado, y los requisitos de
enclavamiento con otros equipos son típicamente
simples.

8. Carga y descarga de
maquinas.

Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot
se utiliza para servir a una máquina de producción
transfiriendo piezas a/o desde las máquinas. Existen tres
casos que caen dentro de ésta categoría de
aplicación:

2. Carga/Descarga de Máquinas. El robot
   carga una pieza de trabajo en bruto en el proceso y
   descarga una pieza acabada. Una operación de
   mecanizado es un ejemplo de este caso.
1. Carga de máquinas. El robot
   debe de cargar la pieza de trabajo en bruto a los materiales
   en las máquinas, pero la pieza se extrae mediante
   algún otro medio. En una operación de prensado,
   el robot se puede programar para cargar láminas de
   metal en la prensa, pero
   las piezas acabadas se permite que caigan fuera de la
   prensa por
   gravedad.
1. Descarga de máquinas. La
   máquina produce piezas acabadas a partir de materiales
   en bruto que se cargan directamente en la máquina sin
   la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la
   máquina. Ejemplos de ésta categoría
   incluyen aplicaciones de fundición de troquel y
   moldeado plástico.

La aplicación se tipifica mejor mediante una
célula de trabajo con el robot en el
centro que consta de la máquina de producción, el
robot y alguna forma de entrega de piezas.

9. Operaciones de
procesamiento.

Además de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una
gran clase de aplicaciones en las cuales el robot realmente
efectúa trabajos sobre piezas. Este trabajo casi siempre
necesita que el efector final del robot sea una herramienta en
lugar de una pinza.

Por tanto la utilización de una herramienta para
efectuar el trabajo es
una característica distinta de este grupo de
aplicaciones. El tipo de herramienta depende de la
operación de procesamiento que se realiza.

Soldadura por puntos.
Como el término lo sugiere, la soldadura por puntos es
un proceso en el que dos piezas de metal se soldan en puntos
localizados al hacer pasar una gran corriente
eléctrica a través de las piezas donde se
efectúa la soldadura.

Soldadura por arco continua.
La soldadura por arco es un proceso de soldadura continua en
oposición a la soldadura por punto que podría
llamarse un proceso discontinuo. La soldadura de arco continua
se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones
soldadas en las cuales, a menudo, se necesita una cierre
hermético entre las dos piezas de metal que se van a
unir. El proceso utiliza un electrodo en forma de barra o
alambre de metal para suministrar la alta corriente
eléctrica de 100 a 300 amperes.

Recubrimiento con spray
La mayoría de los productos
fabricados de materiales metálicos requieren de alguna
forma de acabado de pintura antes
de la entrega al cliente. La
tecnología para aplicar estos acabados varia en la
complejidad desde métodos
manuales
simples a técnicas automáticas altamente
sofisticadas. Se dividen los métodos de
recubrimiento industrial en dos categorías:

1.- Métodos de recubrimiento de flujo e
inmersión.

2.- Métodos de recubrimiento al spray.

Los métodos de recubrimiento mediante flujo de
inmersión se suelen considerar que son métodos de
aplicar pintura al producto de baja tecnología. La
inmersión simplemente requiere sumergir la pieza o
producto en un tanque de pintura liquida.

10. Otras Operaciones de proceso

Además de la soldadura por punto, la soldadura
por arco, y el recubrimiento al spray existe una serie de otras
aplicaciones de robots que utilizan alguna forma de herramienta
especializada como efector final. Operaciones que están en
ésta categoría incluyen:

Taladro, acanalado, y otras aplicaciones de
mecanizado.
Rectificado, pulido, desbarbado, cepillado y operaciones
similares.
Remachado, Corte por chorro de agua.
Taladro y corte por láser.

11. Laboratorios

Los robots están encontrando un gran
número de aplicaciones en los laboratorios. Llevan acabo
con efectividad tareas repetitivas como la colocación de
tubos de pruebas dentro
de los instrumentos de
medición. En ésta etapa de su desarrollo los
robots son utilizados para realizar procedimientos
manuales
automatizados. Un típico sistema de preparación de
muestras consiste de un robot y una estación de laboratorio,
la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados, racks de
tubos de pruebas,
etc.

Las muestras son movidas desde la estación de
laboratorios por el robot bajo el control de procedimientos de
un programa.

Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres
ventajas sobre la operación manual:
incrementan la productividad,
mejoran el control de
calidad y reducen la exposición
del ser humano a sustancias químicas nocivas.

Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medición del pH, viscosidad, y el
porcentaje de sólidos en polímeros,
preparación de plasma humano para muestras para ser
examinadas, calor, flujo,
peso y disolución de muestras para presentaciones
espectromáticas.

12. Manipuladores cinematicos

La tecnología robótica encontró su
primer aplicación en la industria nuclear con el
desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo.
Los robots más recientes han sido utilizados para soldar a
control remoto y la inspección de tuberías en
áreas de alta radiación.
El accidente en la planta nuclear de Three Mile Island en
Pennsylvania en 1979 estimuló el desarrollo y
aplicación de los robots en la industria nuclear. El
reactor numero 2 (TMI-2) predio su enfriamiento, y provocó
la destrucción de la mayoría del reactor, y dejo
grandes áreas del reactor contaminadas, inaccesible para
el ser humano. Debido a los altos niveles de radiación las
tareas de limpieza solo eran posibles por medios
remotos. Varios robots y vehículos controlados remotamente
han sido utilizados para tal fin en los lugares donde ha ocurrido
una catástrofe de este tipo. Ésta clase de robots
son equipados en su mayoría con sofisticados equipos para
detectar niveles de radiación, cámaras, e incluso
llegan a traer a bordo un minilaboratorio para hacer
pruebas.

13. Agricultura

Para muchos la idea de tener un robot agricultor es
ciencia ficción, pero la realidad es muy diferente; o al
menos así parece ser para el Instituto de
Investigación Australiano, el cual ha invertido una gran
cantidad de dinero y
tiempo en el
desarrollo de este tipo de robots. Entre sus proyectos se
encuentra una máquina que esquila a la ovejas. La
trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas se planea
con un modelo geométrico de la oveja.

Para compensar el tamaño entre la oveja real y el
modelo, se tiene un conjunto de sensores que registran la
información de la respiración del animal como de su mismo
tamaño, ésta es mandada a una computadora que
realiza las compensaciones necesarias y modifica la trayectoria
del cortador en tiempo
real.

Debido a la escasez de trabajadores en los obradores, se
desarrolla otro proyecto, que
consiste en hacer un sistema automatizado de un obrador, el
prototipo requiere un alto nivel de coordinación entre una cámara de
vídeo y el efector final que realiza en menos de 30
segundos ocho cortes al cuerpo del cerdo.

Por su parte en Francia se
hacen aplicaciones de tipo experimental para incluir a los robots
en la siembra, y poda de los viñedos, como en la pizca de
la manzana.

14. Espacio

La exploración espacial posee problemas
especiales para el uso de robots. El medio ambiente es
hostil para el ser humano, quien requiere un equipo de
protección muy costoso tanto en la Tierra como
en el Espacio. Muchos científicos han hecho la sugerencia
de que es necesario el uso de Robots para continuar con los
avances en la exploración espacial; pero como
todavía no se llega a un grado de automatización
tan precisa para ésta aplicación, el ser humano
aún no ha podido ser reemplazado por estos. Por su parte,
son los teleoperadores los que han encontrado aplicación
en los transbordadores espaciales.

En Marzo de 1982 el transbordador Columbia fue el
primero en utilizar este tipo de robots, aunque el ser humano
participa en la realización del control de lazo
cerrado.

Algunas investigaciones
están encaminadas al diseño, construcción y control de vehículos
autónomos, los cuales llevarán a bordo complejos
laboratorios y cámaras muy sofisticadas para la
exploración de otros planetas.

En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje
del Lunokhod 1, el cual poseía cámaras de televisión, sensores y un pequeño
laboratorio,
era controlado remotamente desde la tierra.

En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en
Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual
recogía muestras de piedra, tierra y otros
elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue
acondicionado en el interior del robot. Por supuesto
también contaba con un equipo muy sofisticado de
cámaras de vídeo.

15. Vehículos
submarinos

Dos eventos durante
el verano de 1985 provocaron el incremento por el interés de
los vehículos submarinos. En el primero – Un avión
de la Air Indian se estrelló en el Océano
Atlántico cerca de las costas de Irlanda – un
vehículo submarino guiado remotamente, normalmente
utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para encontrar
y recobrar la caja negra del avión. El segundo fue el
descubrimiento del Titanic en el fondo de un cañón,
donde había permanecido después del choque con un
iceberg en 1912, cuatro kilómetros abajo de la superficie.
Un vehículo submarino fue utilizado para encontrar,
explorar y filmar el hallazgo.

En la actualidad muchos de estos vehículos
submarinos se utilizan en la inspección y mantenimiento
de tuberías que conducen petróleo,
gas o aceite
en las plataformas oceánicas; en el tendido e
inspección del cableado para comunicaciones, para investigaciones
geológicas y geofísicas en el suelo
marino.

La tendencia hacia el estudio e investigación de
este tipo de robots se incrementará a medida que la
industria se interese aún más en la
utilización de los robots, sobra mencionar los beneficios
que se obtendrían si se consigue una tecnología
segura para la exploración del suelo marino y la
explotación del mismo.

16.
Educación

Los robots están apareciendo en los salones de
clases de tres distintas formas. Primero, los programas
educacionales utilizan la simulación
de control de robots como un medio de enseñanza. Un ejemplo palpable es la
utilización del lenguaje de programación del robot
Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es
utilizado por la introducción a la enseñanza de la
programación.

El segundo y de uso más común es el uso
del robot tortuga en conjunción con el lenguaje LOGO para
enseñar ciencias
computacionales. LOGO fue creado con la intención de
proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en
el aprendizaje
de las matemáticas.

En tercer lugar está el uso de los robots en los
salones de clases. Una serie de manipuladores de bajo costo,
robots móviles, y sistemas completos han sido
desarrollados para su utilización en los laboratorios
educacionales. Debido a su bajo costo muchos de estos sistemas no
poseen una fiabilidad en su sistema mecánico, tienen poca
exactitud, no existen los sensores y en su mayoría carecen
de software.

17. El mercado de la
robótica y las perspectivas futuras

Las ventas anuales
para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos a
razón del 25% de acuerdo a estadísticas del año 1981 a 1992. El
incremento de ésta tasa se debe a factores muy diversos.
En primer lugar, hay más personas en la industria que
tienen conocimiento
de la tecnología y de su potencial para sus aplicaciones
de utilidad. En segundo lugar, la tecnología de la
robótica mejorará en los próximos
años de manera que hará a los robots más
amistosos con el usuario, más fáciles de
interconectar con otro hardware y más
sencillos de instalar.

En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles
economías de escala en la
producción de robots para proporcionar una
reducción en el precio
unitario, lo que haría los proyectos de
aplicaciones de robots más fáciles de justificar.
En cuarto lugar se espera que el mercado de la robótica
sufra una expansión más allá de las grandes
empresas, que ha sido el cliente
tradicional para ésta tecnología, y llegue a las
empresas de tamaño mediano, pequeño y por que no;
las microempresas.
Estas circunstancias darán un notable incremento en las
bases de clientes para los
robots.

La robótica es una tecnología con futuro y
también para el futuro. Si continúan las tendencias
actuales, y si algunos de los estudios de investigación en
el laboratorio actualmente en curso se convierten finalmente en
una tecnología factible, los robots del futuro
serán unidades móviles con uno o más brazos,
capacidades de sensores múltiples y con la misma potencia
de procesamiento de
datos y de cálculo
que las grandes computadoras actuales. Serán capaces de
responder a ordenes dadas con voz humana. Así mismo
serán capaces de recibir instrucciones generales y
traducirlas, con el uso de la inteligencia artificial en un
conjunto específico de acciones requeridas para llevarlas
a cabo. Podrán ver, oír, palpar, aplicar una
fuerza media
con precisión a un objeto y desplazarse por sus propios
medios.

En resumen, los futuros robots tendrían muchos de
los atributos de los seres humanos. Es difícil pensar que
los robots llegarán a sustituir a los seres humanos en el
sentido de la obra de Carel Kapek, Robots Universales de
Rossum. Por el contrario, la robótica es una
tecnología que solo puede destinarse al beneficio de la
humanidad. Sin embargo, como otras tecnologías, hay
peligros potenciales implicados y deben establecerse salvaguardas
para no permitir su uso pernicioso.

El paso del presente al futuro exigirá mucho
trabajo de ingeniería mecánica, ingeniería electrónica, informática, ingeniería
industrial, tecnología de materiales,
ingenierías de sistemas de fabricación y ciencias
sociales.

18. Proyecto
quetzalcoatl

Introducción

La Sociedad actual
se encuentra inmersa en una Revolución
Tecnológica, producto de la invención del transistor
semiconductor en 1951 ( fecha en la que salió al mercado
). Este acontecimiento ha provocado cambios trascendentales
así como radicales en los ámbitos sociales,
económicos, y políticos del orbe
mundial.

Ésta Revolución
da origen a un gran número de ciencias
multidiciplinarias; este es el caso de la Robótica.
La Robótica es una ciencia que surge a finales de la
década de los 50´s, y que a pesar de ser una ciencia
relativamente nueva, ha demostrado ser un importante motor para el
avance tecnológico en todos los ámbitos ( Industria
de manufactura,
ciencia, medicina,
industria espacial; etc.), lo que genera expectativas muy
interesantes para un tiempo no muy lejano.

Sin embargo es en la Industria de Manufactura
donde la Robótica encuentra un campo de aplicación
muy amplio, su función es
la de suplir la mano de obra del Hombre en aquellos trabajos en
los que las condiciones no son las óptimas para este (
minas, plantas
nucleares, el fondo del mar; etc.), en trabajos muy repetitivos y
en inumerables acciones de trabajo.

Debido al alto costo que representa el automatizar y
robotizar un proceso de producción, la tendencia actual en
Robótica es la investigación de microrobots y
robots móviles autónomos con un cierto grado de
inteligencia, este último es el campo en el que se basa
este proyecto de
investigación.

Por lo anteriormente expuesto se explica la necesidad y
la importancia de que Institutos de Investigación, Centros
Tecnológicos, la Industria Privada en coordinación
con las Universidades se den a la tarea de destinar recursos tanto
económicos y humanos para aliviar el rezago
tecnológico que el país padece.

Cabe hacer mención que este proyecto fue
financiado por el Centro de Investigación y Estudios
Avanzados del IPN (CINVESTAV).

¿ QUE ES UN ROBOT ?

Un robot puede ser visto en diferentes niveles de
sofisticación, depende de la perspectiva con que se mire.
Un técnico en mantenimiento
puede ver un robot como una colección de componentes
mecánicos y electrónicos; por su parte un ingeniero
en sistemas puede pensar que un robot es una colección de
subsistemas interrelacionados; un programador en cambio,
simplemente lo ve como una máquina ha ser programada; por
otro lado para un ingeniero de manufactura es una máquina
capaz de realizar un tarea específica. En contraste, un
científico puede pensar que un robot es un mecanismo el
cuál él construye para probar una hipótesis.

Un robot puede ser descompuesto en un conjunto de
subsistemas funcionales: procesos, planeación, control, sensores, sistemas
eléctricos, y sistemas mecánicos. El subsistema de
Software es una parte implícita de los subsistemas
de sensores, planeación, y control; que integra todos
los subsistemas como un todo.

En la actualidad, muchas de las funciones
llevadas acabo por los subsistemas son realizadas manualmente, o
de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en
estos campos permitirán la automatización de dichas
tareas.

El Subsistema de Procesos incluye las tareas que
lleva acabo el robot, el medio ambiente
en el cual es colocado, y la interacción entre este y el
robot. Este es el dominio de la
ingeniería aplicada. Antes de que un robot pueda realizar
una tarea, ésta debe ser buscada dentro de una secuencia
de pasos que el robot pueda ejecutar. La tarea de búsqueda
es llevada acabo por el Subsistema de Planeación,
el cuál incluye los modelos de
procesos inteligentes, percepción
y planeación. En el modelo de procesos, los datos que se
obtienen de una variedad de sensores son fusionados (Integración Sensorial) con modelos
matemáticos de las tareas para formar un modelo del mundo.
Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepción
selecciona la estrategia para
ejecutar la tarea. Estas estrategias son
convertidas dentro de los programas de control de el robot
durante el proceso de planeación.

Estos programas son ejecutados por el Subsistema de
Control; en este subsistema, los comandos de alto
nivel son convertidos en referencias para actuadores
físicos, los valores
retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los
algoritmos de
control estabilizan el movimiento de los elementos
físicos.

Al realizar ésta tarea los mecanismos son
modelados, el proceso es modelado, la ganancia de lazo cerrado
puede ser adaptada, y los valores
medidos son utilizados para actualizar los procesos y los modelos
de los mecanismos.

Desde el subsistema de control se alimentan las
referencias de los actuadores al Subsistema
Eléctrico el cuál incluye todos los controles
eléctricos de los actuadores. Los actuadores
hidráulicos y neumáticos son usualmente manejados
por electroválvulas controladas. También, este
subsistema contiene computadoras, interfaces, y fuentes de
alimentación. Los actuadores manejan los
mecanismos en el Subsistema Mecánico para operar en
el medio ambiente, esto
es, realizar una tarea determinada. Los parámetros dentro
del robot y del medio ambiente son monitoreados por el
Subsistema de Sensores; ésta información
sensórica se utiliza como retroalimentación en las
ganancias de lazo cerrado para detectar potencialmente las
situaciones peligrosas, para verificar que las tareas se realizan
correctamente, y para construir un modelo del mundo.

 VEHÍCULOS

La mayoría de los robots usan ya sea ruedas o
extremidades para moverse. Estas son usualmente montadas sobre
una base para formar un vehículo, también se montan
sobre ésta base, el equipo y los accesorios que realizan
otras funciones. Los
robots más versátiles son los robots
"serpentina"; llamados así por que su
locomoción se inspira en el movimiento de las serpientes;
se pueden utilizar en terrenos subterráneos y de espacios
reducidos, donde el hombre no
tiene acceso y el medio ambiente no es el más propicio,
como en las minas, túneles y ductos.

Algunos robots móviles tienen brazos
manipuladores, esto es debido a sus funciones, y por otro lado la
problemática de carecer de brazos idóneos; que
tienen que ser pequeños, fuertes, eficientes y baratos. Un
problema al cuál se enfrentan los diseñadores de
robots, es la generación y almacenado de la
energía; los cordones restringen el movimiento pero
proveen energía ilimitada.

En contraste los robots con libre movimiento son
limitados por su cantidad de energía que puedan almacenar
y requieren de comunicación inalámbrica.

En la medida que los robots sean más
sofisticados, serán utilizados en un mayor número
de aplicaciones, muchas de las cuáles requieren movilidad.
En algunas aplicaciones industriales, la necesidad de movilidad
es eliminada por la construcción de células de
trabajo alrededor del robot, de ésta manera un robot fijo
puede dar servicio a
varias máquinas. En estos sistemas de manufactura flexible
(SMF) las partes son llevadas de una célula de
trabajo a otra por vehículos autómatas. En
ocasiones para limitar el movimiento del robot se monta sobre
rieles para así llegar hasta las células de
trabajo con menos complicaciones.

La movilidad es usualmente llevada acabo mediante
ruedas, rieles ó extremidades. Los robots con extremidades
pueden andar en terrenos más rugosos que los robot con
rodado, pero el problema de control es más complejo. Los
robots pueden alcanzar movilidad volando. Algunos se deslizan
ligeramente sobre al tierra sobre conductos de aire; otros usan
levitación magnética, para lo que se requieren
superficies especialmente preparadas.

Los robots diseñados para usos en el espacio
exterior no son afectados por la gravedad; se elimina el problema
de levitación, pero se incrementa el problema del control
y la estabilidad.

VEHÍCULOS DE RODADO

Mientras la gente y la mayoría de los animales se
desplaza sobre extremidades, la mayoría de las
máquinas móviles utilizan ruedas. La ruedas son
más simples de controlar, tienen pocos problemas de
estabilidad, usan menos energía por unidad de distancia de
movimiento y son más veloces que las extremidades. La
estabilidad se mantiene al fijar el centro de gravedad de el
vehículo en triangulación de los puntos que tocan
tierra. Sin embargo, las ruedas solamente pueden utilizarse sobre
terrenos relativamente lisos y sólidos. Si se quiere
utilizar el robot en terrenos rugosos las ruedas tienen que tener
un tamaño mayor que los obstáculos
encontrados.

El arreglo más familiar para las ruedas de un
vehículo es el utilizado por los automóviles.
Cuatro ruedas son colocadas en las esquinas de un
rectángulo. La mayoría de estos vehículos
tiene maniobrabilidad limitada debido a que tienen que avanzar
para poder dar vuelta. También se requiere de un sistema
de suspensión para asegurar que las ruedas estén en
contacto con la superficie durante todo el tiempo. Cuando el
robot se desplaza en línea recta las cuatro ruedas tienen
que girar a la misma velocidad, en
cambio al
momento de dar vuelta las ruedas interiores giran más
lento que las ruedas exteriores.

En un robot móvil, estos requerimientos son
alcanzados por un buen diseño mecánico y mediante
el control de la velocidad de
las ruedas de dirección independiente. Sin embargo las
imprecisiones que se presentan para alcanzar una trayectoria
definida son causadas por factores mecánicos,
deslizamiento de las ruedas, dobleces en los ejes de
dirección, y desalineamiento de las ruedas.

¿EN QUE CONSISTE EL PROYECTO
QUETZALCÓATL?

OBJETIVOS

2. Construir el prototipo de un Robot Móvil
   Autónomo para propósitos didácticos y/o
   para prueba y verificación de algoritmos
   de control. Y dejar, con este proyecto de investigación,
   las bases para próximas mejoras en la
   optimización del prototipo.
1. Crear nuevos investigadores que cuenten con
   experiencia y habilidad en el desarrollo de investigaciones y
   realización de proyectos de este tipo.
1. Motivar y crear bases para el desarrollo de
   más proyectos didácticos y/o aplicados a la
   industria.
1. Crear vínculos con otras instituciones de enseñanza superior en
   el Estado
   con la Universidad de Guadalajara.

METODOLOGÍA DEL DISEÑO
El proyecto consta básicamente de cuatro etapas; Etapa de
Investigación, Etapa de Síntesis
Informativa, Etapa de Diseño y Construcción, Etapa
de pruebas, calibración y control.

A).- Etapa de Investigación.
a) Adquisición de Bibliografía.

b) Búsqueda de las fuentes de
información específicas de aquellos elementos
que constituyen el prototipo.

c) Investigación de las variables que
intervienen en el proceso de control del prototipo.

d) Adquisición y estudio del software para el
desarrollo e implementación de los algoritmos de
control.

B).- Etapa de Síntesis de la
Información.
Ésta etapa se basa en la etapa anterior y da como
resultado una serie de elementos que son necesarios para el
desarrollo de las siguientes etapas de el proyecto.

C).- Etapa de Diseño y
Construcción.
En ésta etapa se aplica toda la información que se
recaba y consulta, y que el diseño del prototipo requiere
para el cumplimiento de los objetivos
planteados anteriormente. En base a estos lineamientos se
construyen las piezas que conforman el prototipo, con el material
y componentes adecuados.

D).- Etapa de Pruebas, Calibración y
Control.
Ésta es la etapa final, se adoptan las medidas necesarias
para alcanzar los objetivos
planteados. Se aplican los algoritmos de control y se prueban
hasta conseguir el resultado esperado.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
El sistema propuesto consta de :

Un Robot Móvil
Autónomo.

>Se encuentra formado por 2
módulos unidos entre sí mediante una unión
mecánica, la locomoción del prototipo se realiza
por medio de dos ruedas en cada eslabón, en donde cada una
de las que son parte de el primer eslabón cuenta con un
actuador ( motorreductor de DC ).

Los servosistemas se componen de un Driver tipo Chopper
con control en lazo cerrado de velocidad, para cada actuador en
forma independiente.

La alimentación del Robot se realiza mediante
módulos de baterías de 12 V y los voltajes se
adaptan por medio de convertidores DC-DC.

La información del entorno donde se mueve el
Robot se recaba mediante sensores ultrasónicos, los cuales
cuentan con una tarjeta de interfaz, la cual pasa dicha
información al Cerebro del
Robot.

Debido a la complejidad del proyecto, este se descompone
en un conjunto de subsistemas que son:

– Subsistema Mecánico.
Este subsistema
incluye los eslabones, las uniones mecánicas y el
módulo que contiene a todo el sistema que permite que las
ruedas giren ( ruedas, ejes, coples, baleros).

– Subsistema Eléctrico
Este subsistema
incluye los servosistemas ( Drivers ), las interfaces entre los
sensores, los drivers y la
computadora, así como las fuentes de
alimentación.

-Subsistemas de Sensores
Ésta incluye los sensores de velocidad de tipo
incremental, y sensores ultrasónicos para la
exploración del medio ambiente.

– Subsistemas de Procesos, Planeación y
Control
En este subsistema se encuentran el control de
los motores y todas
las tareas que realiza el prototipo interiormente y exteriormente
al interactuar con el medio ambiente.

Para llevar a cabo lo anterior se expande el bus ISA de la tarjeta madre,
con lo que se logra optimar las tareas de
procesamiento.

Trabajo enviado y realizado por:
Francisco Armando Dueñas
Rodríguez
fduenas_[arroba]hotmail.com
Edad:
23 años
Universidad La Salle
Lic. en Informática
Cancún, Quintana Roo México