MODULO DE ROBOTICA
Por
Freddy F. Valderrama Gutierrez
Primera version creada por
ING. LUIS ENRIQUE CAMARGO
en la
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIACEAD DUITAMA
Julio, 2008
Aprobado por:
Pedro Torres Silva FechaC.C
Gustavo Velasquez, FechaC.C
TABLA DE CONTENIDOPagina
LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
1 PROTOCOLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Intencionalidades formativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Propositos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.3 Metas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.4 Competencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Unidades didacticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5 Mapa Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Unidad I Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 Antecedentes historicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.1 Breve Historia de la robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.2 Automatizacion y robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.3 Clasificacion de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.2 Transferencia de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.3 Carga y descarga de maquinas . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.4 Operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.5 Otras operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . 262.2.6 Procesos de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.7 Manipuladores cinematicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.8 Agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.9 Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.10 Vehiculos submarinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.11 Educacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 El mercado de la robotica y las perspectivas futuras . . . . . . . . 312.4 Subsistemas del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5 Robot Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.1 Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.5.2 Clasificacion de robots industriales . . . . . . . . . . . . . . 37
ii
2.6 Morfologıa del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6.1 Grados de Libertad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador . . . . . . 412.6.3 Capacidad de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.6.4 Problemas a enfrentar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.6.5 Exactitud y Repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.6.6 Resolucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.6.7 Precision en la repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.8 La resolucion del mando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.9 Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.10 Coordenadas de los movimientos . . . . . . . . . . . . . . . 462.6.11 Brazos del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.6.12 Programabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.6.13 Estructura mecanica de un robot . . . . . . . . . . . . . . . 482.6.14 Transmisiones y reductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.6.15 Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.6.16 Neumaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.6.17 Hidraulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.6.18 Electricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.6.19 Sensores internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.6.20 Sensores externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 UNIDAD II. Cinematica y dinamica del robot . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1 Conceptos basicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.1.1 Posicion y orientacion en el plano . . . . . . . . . . . . . . 723.1.2 Posicion y orientacion en el espacio . . . . . . . . . . . . . 793.1.3 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2 Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H) . . . . . . . . . . . 873.3 El problema cinematico directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3.1 Ejemplo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.3.2 Ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4 El problema cinematico inverso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.4.1 Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5 Velocidades y jacobiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBOTICA . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.1.1 Sistema de medicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.1.2 La exploracion de imagenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1.3 La Retroalimentacion visual para el funcionamiento del
Telerobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.1.4 La retroalimentacion visual y de fuerza para ayudar al neu-
rocirujano durante una telecirugıa . . . . . . . . . . . . . 1054.1.5 La cirugıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
iii
4.2 Procesamiento de imagenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.2.1 Estructura y jerarquıa en el proceso de imagenes . . . . . . 1094.2.2 El video Estereoscopico y la Realidad Virtual . . . . . . . . 110
4.3 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.3.1 Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.3.2 Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.3.3 Nuevos Sectores de Aplicacion . . . . . . . . . . . . . . . . 128
APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
iv
LISTA DE TABLASTabla Pagina
v
LISTA DE FIGURASFigura Pagina
1–1 Protocolo del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1–2 Unidad 1 y Unidad 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1–3 Unidad 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1–4 Mapa conceptual del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2–1 Robot disenado por Ralph Mosher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2–2 Muneca dibujante disenada por Henri Maillardert. . . . . . . . . . . . 15
2–3 Cyril Walter Kenward y George C. Devol. . . . . . . . . . . . . . . . 19
2–4 Robot tranasportador de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2–5 Robot usado en laboratorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2–6 Robot usado para explorar tuberias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2–7 Robot usado para esquilar ovejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2–8 Robot usado para exploraciones espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . 30
2–9 Robot manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2–10 Diagrama de bloque de un robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2–11 Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. . . . . . . . 41
2–12 Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 43
2–13 Esquema para definir la resolucion de un robot industrial. . . . . . . . 44
2–14 Esquema para visualizar el error de posicion. . . . . . . . . . . . . . . 44
2–15 Configuraciones basicas y coordenadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2–16 Tipos de junturas usadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2–17 Analogia entre un brazo humano y uno robotico. . . . . . . . . . . . . 49
2–18 Punto de centro de la herramienta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2–19 Espacio de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
vi
2–20 Tipos de transmisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2–21 Engranajes Circular-Circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2–22 Caracteristicas de los reductores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2–23 Cilindro neumatico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2–24 Motor neumatico de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2–25 Motor DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2–26 Motor DC vista de rotor y estator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2–27 Motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2–28 Paralelo entre actuadores usados en robotica . . . . . . . . . . . . . . 63
2–29 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3–1 Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles. . 72
3–2 Vector de coordenadas en el plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3–3 Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3–4 localizacion de un objeto en posicion y orientacion . . . . . . . . . . . 74
3–5 Traslacion del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3–6 Rotacion del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3–7 Deteccion de un obstaculo desde un robot movil . . . . . . . . . . . . 77
3–8 Cambio de sistema de referencia en navegacion de robots moviles . . . 77
3–9 Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano . . . . . . 78
3–10 Posicion en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3–11 Posicion en el espacio con coordenadas cilındricas . . . . . . . . . . . 80
3–12 Posicion en el espacio con coordenadas esfericas . . . . . . . . . . . . 80
3–13 Posicion y orientacion en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3–14 Cambio de sistemas de referencia en el espacio . . . . . . . . . . . . . 82
3–15 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3–16 Manipulador plano con dos articulaciones de rotacion . . . . . . . . . 84
3–17 Representacion de ecuaciones de transforamcion . . . . . . . . . . . . 86
vii
3–18 Asignacion de ejes de referencia a articulaciones consecutivas . . . . . 87
3–19 Manipulador plano con tres articulaciones de rotacion . . . . . . . . . 90
3–20 Esquema del robot del ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3–21 Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de liber-tad de rotacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3–22 Solucion por metodos geometricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4–1 Robot telecontrolado de la universidad de australia . . . . . . . . . . 104
4–2 Angulo elegido para la camara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4–3 Telecirujia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4–4 Cirugıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4–5 Configuraciones de camara de estereoscopica. . . . . . . . . . . . . . . 114
4–6 Robots soldadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4–7 Robot alimentador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4–8 Robot de corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4–9 Robot tipo SCARA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4–10 El vagabundo de Marte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4–11 El Rocky 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
viii
PARTE 1
PROTOCOLO
Identificacion del curso academico, vease 1–1.
Figure 1–1: Protocolo del curso.
1
2
1.1 Introduccion
Este curso es de 3 creditos academicos, se ofrece como asignatura del plan academico
de Ingenierıa Electronica y como curso electivo de Ingenierıa de sistemas, Tiene 3
unidades, las cuales se trabajan por capıtulos. En la primera unidad se inicia ha-
ciendo una introduccion a la robotica, en la doble vertiente de su significacion social
y de su importancia tecnologica. La robotica es un componente esencial de la au-
tomatizacion de la fabricacion, que afectara a la mano de obra humana en todos los
niveles, desde los trabajadores no especializados hasta los tecnicos profesionales y
directores de produccion. Esta obra tiene el objetivo ambicioso de proporcionar la
documentacion tecnica en este fascinante campo.
El segundo capitulo de la unidad I presenta la robotica como tecnologıa interdisci-
plinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo historico y estado
actual. El tercer capitulo esta dedicado al estudio de los elementos que componen
un robot: estructura mecanica, transmisiones y reductores, actuadores, elementos
terminales y sensores. No se pretende en el mismo hacer un estudio exhaustivo de
estos componentes, pues no es este objetivo propio de la robotica, sino destacar las
caracterısticas que los hacen adecuados para su empleo en robots.
Para que un robot pueda moverse y manipular objetos, es necesario una adecuada
localizacion de las configuraciones espaciales por las que se pretende que el robot
pase. Tanto para el usuario del robot como para su disenador es necesario mane-
jar adecuadamente una serie de herramientas matematicas que permitan situar en
posicion y orientacion un objeto (en particular el extremo del robot) existentes para
tal fin. En concordancia con lo anterior el estudio de la cinematica del robot hace
parte de la Unidad II, lo anterior permite relacionar la posicion de sus actuadores
con la posicion y orientacion del extremo. Esta relacion no trivial, es fundamental
para desarrollar el control del robot. Enseguida se aborda el modelado dinamico de
un robot. Como sistema dinamico, el robot es uno de los sistemas mas fascinantes
3
para el control, por incorporar muchas de aquellas dificultades que clasicamente se
obvian en el estudio de control de sistemas.
La unidad III presenta el tema del sistema de vision artificial de maquinas, sus
beneficios para trabajos que requieren reconocimiento y precision de objetos, config-
uracion, etc. Al final de esta unidad se muestra la utilizacion del robot en diferentes
tipos de aplicaciones, tanto las mas habituales, como soldadura de carrocerıas, y
las mas novedosas en los sectores de construccion, espacio, cirugıa, etc. Es evi-
dente que la robotica esta siendo aplicada a un gran numero de sectores dispares,
siendo imposible pretender que el estudiante conozca todas las caracterısticas de los
mismos.
4
1.2 Justificacion
¿Por que la Robotica?
Beneficio inmediato para el estudiante:
• Se involucra activamente en su propio proceso de aprendizaje.
• Desarrolla la intuicion cientıfica y de ingenierıa.
• Desarrolla sus intereses en matematicas y tecnologıa cientıfica.
• Potencia sus habilidades de investigacion y resolucion de problemas, ası como lec-
tura, escritura, habilidades de presentacion y creatividad.
Beneficios a largo plazo:
• Construye auto-pensadores que ademas son capaces de apreciar el valor de la auto-
motivacion y de sentirse con recursos.
• Permite que conseguir sus metas se transforme en un habito.
• Convertirse en un autodidacta activo.
• Fomenta la habilidad para resolver los problemas mediante estrategias centrandose
en el razonamiento logico, analıtico, y pensamiento crıtico. Esta habilidad es la
base de muchos campos cientıficos ası como de otras areas profesionales.
5
1.3 Intencionalidades formativas
1.3.1 Propositos
• Fundamentar la concepcion de la robotica dentro de la ingenierıa y en especial de
los procesos de automatizacion.
• Capacitar a los estudiantes para la comprension y aprehension de los conceptos
propios de la robotica.
• Fomentar en el estudiante las caracterısticas que deben identificarlo en su de-
sempeno y actuacion a la hora de trabajar con robots.
• Desarrollar habilidades para determinar el analisis, diseno, programacion y manip-
ulacion de robots.
1.3.2 Objetivos
• Fundamentar teoricamente la concepcion de la robotica.
• Generar espacios de reflexion permanente sobre su capacidad para entender la
estructura y el funcionamiento de un robot atendiendo a los modelos matematicos
para su fundamento y / o explicacion.
• Aplicar la estrategia adecuada a la hora de disenar e implementar un robot
• Potenciar habilidades, destrezas que permita que el estudiante sea competente a
la hora de manipular robots o sea proponente de una solucion de automatizacion.
1.3.3 Metas
Al terminar el curso el estudiante:
• Identificara la “estructura” y la forma de “funcionamiento” de un robot..
• Reconocera la fundamentacion teorica y conceptual de la robotica. Distinguira y
determinara los modelos matematicos que la soportan y explican
6
• Al conocer el contexto actual de la robotica, podra proponer, argumentar e inter-
pretar soluciones a problemas de la vida real que requieran de procesos de autom-
atizacion
1.3.4 Competencias
Este curso pretende ofrecer las siguientes competencias a nuestros estudiantes:
• Cognitiva: El estudiante podra identificar, analizar y proponer soluciones que
requieran de Robots industriales que permitan automatizar procesos. Haciendo
uso de modelos y tecnologıas vigentes.
• Comunicativa: El uso intensivo de las TICs permitira al estudiante comunicarse
efectivamente usando las medios electronicos tales como: foros, correo, blogs, entre
otros.
• Contextual: El estudiante se apropia de problemas de su entorno desde el punto
de vista social, economico y polıtico, para plantear soluciones ingenieriles en ben-
eficio de su comunidad.
• Valorativa: El estudiante asume una actitud positiva ante la adquisicion de
conocimientos ingenieriles, teniendo presentes los valores eticos y morales como
son: el respeto, la conciencia, el trabajo en equipo, el temperamento, la autodisci-
plina y el sentido de pertinencia.
7
1.4 Unidades didacticas
Las figuras 1–2 y 1–3 muestran los contenidos del presente curso.
Figure 1–2: Unidad 1 y Unidad 2.
8
Figure 1–3: Unidad 3.
9
1.5 Mapa Conceptual
Los conceptos tratados en el presente modulo se pueden organizar como se observa
en la Figura 1–4.
Figure 1–4: Mapa conceptual del curso.
PARTE 2
UNIDAD I CONCEPTOS GENERALES
2.1 Antecedentes historicos
La palabra robot fue usada por primera vez en el ano 1921, cuando el escritor checo
Karel Capek (1890 - 1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum’s
Universal Robot (R.U.R.). Su origen es de la palabra eslava robota, que se refiere al
trabajo realizado de manera forzada. Con el objetivo de disenar una maquina flex-
ible, adaptable al entorno y de facil manejo, George Devol, pionero de la Robotica
Industrial, patento en 1948, un manipulador programable que industrial. En 1948
R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrollo, con el objetivo de manip-
ular elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer tele manipulador.
Este consistıa en un dispositivo mecanico maestro-esclavo. El manipulador maestro,
reproducıa fielmente los movimientos de este. El operador ademas de poder observar
a traves de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sentıa a traves del dispos-
itivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejercıa. Anos mas tarde, en 1954, Goertz
hizo uso de la tecnologıa electronica y del servocontrol sustituyendo la transmision
mecanica por electrica y desarrollando ası el primer tele manipulador con servo-
control bilateral. Otro de los pioneros de la tele manipulacion fue Ralph Mosher,
ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado
Handy-Man, consistente en dos brazos mecanicos teleoperados mediante un maestro
del tipo denominado exoesqueleto, posteriormente diseno el GE vease Figura 2–1.
Junto a la industria nuclear, a lo largo de los anos sesenta la industria submarina
comenzo a interesarse por el uso de los tele manipu ladores. A este interes se sumo
10
11
la industria espacial en los anos setenta. La evolucion de los tele manipuladores a lo
largo de los ultimos anos no ha sido tan espectacular como la de los robots. Reclui-
dos en un mercado selecto y limitado(industria nuclear, militar, espacial, etc.) son
en general desconocidos y comparativamente poco atendidos por los investigadores
y usuarios de robots.
Figure 2–1: Robot disenado por Ralph Mosher.
Por su propia concepcion, un tele manipulador precisa el mando continuo de un
operador, y salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control su-
pervisado y la mejora de la tele presencia promovida hoy dıa por la realidad virtual,
sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus orıgenes. La sustitucion
del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del
manipulador robot. La primera patente de un dispositivo robotico fue solicitada en
marzo de 1954 por el inventor britanico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en
12
el Reino Unido en 1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano,
inventor y autor de varias patentes, el establecio las bases del robot industrial mod-
erno. En 1954 Devol concibio la idea de un dispositivo de tr ansferencia de artıculos
programada que se patento dio en paso al Estados concepto Unidos en de 1961.
En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingenierıa de la division aeroespacial
de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y
Engelberger comenzaron a trabajar en la utilizacion industrial de sus maquinas, fun-
dando la Consolidated Controls Corporation, que mas tarde se convierte en Unima-
tion(Universal Automation), e instalando su primera maquina Unimate (1960), en la
fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicacion de fundicion
por inyeccion. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construccion de
maquinas similares (Versatran- 1963. En 1968 J.F. Engelberger visito Japon y poco
mas tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construccion de robots tipo
Unimate. El crecimiento de la robotica en Japon aventaja en breve a los Estados
U nidos gracias a Nissan, que formo la primera asociacion robotica del mundo, la
Asociacion de Robotica industrial de Japon (JIRA) en 1972. Dos anos mas tarde se
formo el Instituto de Robotica de America (RIA), que en 1984 cambio su nombre
por el de Asociacion de Industrias Roboticas, manteniendo las mismas siglas (RIA.
Por su parte Europa tuvo un despertar mas tardıo. En 1973 la firma sueca ASEA
construyo el primer robot con accionamiento totalmente electrico, en 1980 se fundo
la Federacion Internacional de Robotica con sede en Estocolmo Suecia. La configu-
racion de los primeros robots respondıa a las denominadas configuraciones esferica
y antropomorfica, de uso especialmente valido para la manipulacion. En 1982, el
profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japon, desarrolla el concepto de
robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con
un numero reducido en grados de libertad (3 o 4), un coste limitado y una config-
uracion orientada al ensamblado de piezas La definicion del robot industrial, como
13
una maquina que puede efectuar un numero diverso de trabajos, automaticamente,
mediante la programacion previa, no es valida, por que existen bastantes maquinas
de control numerico que cumplen esos requisitos. Una peculiaridad de los robots es
su estructura de brazo mecanico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores
o herramientas. Otra caracterıstica especifica del robot, es la posibilidad de llevar a
cabo trabajos completamente diferentes, e incluso tomar decisiones segun la infor-
macion procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa operativo
en su sistema informatico.
Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robotica Industrial:
1. El laboratorio ARGONNE disena, en 1950, manipuladores amo-esclavo para mane-
jar material radioactivo
2. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse,
realiza los primeros proyectos de robots a principios de la decada de los sesentas
de nuestro siglo, instalando el primero en 1961 y posteriormente, en 1967, un
conjunto de ellos en una factorıa de general motors. Tres anos despues, se inicia la
implantacion de los robots en Europa, especialmente en el area de fabricacion de
automovi les. Japon comienza a implementar esta tecnologıa hasta 1968.
3. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la
tarea de controlar un robot mediante computador
4. En el ano de 1975, la aplicacion del microprocesador, transforma la imagen y las
caracterısticas del robot, hasta entonces grande y costoso
5. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigacion, por parte de las empresas
fabricantes de robots, otros auxiliares y diversos departamentos de Universidades
de todo el mundo, sobre la informatica aplicada y la experimentacion de los sen-
sores, cada vez mas perfeccionados, potencian la configuracion del robot inteligente
capaz de adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuarlas para
cada situacion.
14
La evolucion de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En
poco mas de 30 anos las investigaciones y desarrollos sobre robotica industrial han
permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las areas productivas y tipos
de industria. En pequenas o grandes fabricas, los robots pueden sustituir al hombre
en aquellas areas repetitivas y hostiles, adaptandose inmediatamente a los cambios
de produccion solicitados por la demand a variable.
2.1.1 Breve Historia de la robotica
Por siglos el ser humano ha construido maquinas que imitan las partes del cuerpo
humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecanicos a las estatuas de sus dioses.
Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de
estos era inspiracion de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban
con sistemas hidraulicos, las cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los
templos. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos munecos
mecanicos muy ingeniosos que tenıan algunas caracterısticas de robots. Jacques
de Vauncansos construyo varios musicos de tamano humano a mediados del siglo
XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecanicos disenados para un proposito
especıfico: la diversion.
En 1805, Henri Maillardert construyo una muneca mecanica que era capaz de hacer
dibujos, vease Figura 2–2. Una serie de levas se utilizaban como ’ el programa ’
para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Estas creaciones mecanicas
de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio
de hombres que se anticiparon a su epoca.
Hubo otras invenciones mecanicas durante la revolucion industrial, creadas por
mente s de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la pro-
duccion textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770),
la hiladora mecanica de Crompton (1779), el telar mecanico de Cartwright (1785),
15
Figure 2–2: Muneca dibujante disenada por Henri Maillardert.
eltelar de Jacquard (1801), y otros. El desarrollo en la tecnologıa, donde se incluyen
las poderosas computadoras electronicas, los actuadores de control retroalimenta-
dos, transmision de potencia a traves de engranes, y la tecnologıa en sensores han
contribuido a flexibilizar los mecanismos automatas para desempenar tareas dentro
de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los
primeros robots en la decada de los 50’s. La investigacion en inteligencia artificial
desarrollo maneras de emular el procesamiento de informacion humana con computa-
doras electronicas e invento una variedad de mecanismos para probar sus teorıas. No
obstante las limitaciones de las maquinas roboticas actuales, el concepto popular de
un robot es que tiene una apariencia humana y que actua como tal. Este concepto
humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficcion.
Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossum’s
Universal Robots, dio lugar al termino robot. La palabra checa ’Robota’ significa
servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirtio en el
16
termino robot. Dicha narracion se refiere a un brillante cientıfico llamado Rossum
y su hijo, quienes desarrollan una sustancia quımica que es similar al protoplasma.
Utilizan esta 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 fısicos.
Rossum sigue realizando mejoras en el diseno de los robots, elimina organos y otros
elementos in necesarios, y finalmente desarrolla un ser ”perfecto”. El argumento ex-
perimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir
con su papel de servidores y se rebelan contra sus duenos, destruyendo toda la vida
humana. Entre los escritores de ciencia ficcion, Isaac Asimov contribuyo con varias
narraciones relativas a robots, comenzo en 1939, a el se atribuye el acunamiento
del termino Robotica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una
maquina bien disenada y con una seguridad garantizada que actua de acuerdo con
tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de
la Robotica, y son:
1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inaccion, que un
ser humano sufra danos
2. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que
esten en conflictos con la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que este en conflicto con las
dos primeras leyes.
Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano,
de esta forma su actitud contraviene a la de Kapek.
En el siguiente link, se puede profundizar en este tema:
2.1.2 Automatizacion y robotica
La historia de la automatizacion industrial esta caracterizada por perıodos de con-
stantes innovaciones tecnologicas. Esto se debe a que las tecnicas de automatizacion
17
estan muy ligadas a los sucesos economicos mundiales. El uso de robots industriales
junto con los sistemas de diseno asistidos por computadora (CAD), y los sistemas
de fabricacion asistidos por computadora (CAM), son la ultima tendencia de au-
tomatizacion de los procesos de fabricacion. Estas tecnologıas conducen a la au-
tomatizacion industrial a otra transicion, de alcances aun desconocidos. Aunque el
crecimiento del mercado de la industria Robotica ha sido lento en comparacion con
los primeros anos de la decada de los 80´s, de acuerdo a algunas predicciones, la
industria de la robotica esta en su infancia. Ya sea que estas predicciones se realicen
completamente, o no, es claro que la industria robotica, en una forma o en otra,
permanecera.
En la actualidad el uso de los robots industriales esta concentrado en operaciones
muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precision. Los analisis
de mercado en cuanto a fabricacion predicen que en esta decada y en las poste-
riores los robots industriales incrementaran su campo de aplicacion, esto debido
a los avances tecnologicos en sensorica, los cuales permitiran tareas mas sofisti-
cadas como el ensamble de materiales. la automatizacion y la robotica son dos
tecnologıas estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir
la automatizacion como una tecnologıa que esta relacionada con el empleo de sis-
temas mecanicos-electricos basados en computadoras para la operacion y control de
la produccion. En consecuencia la robotica es una forma de automatizacion indus-
trial.
Hay tres clases muy amplias de automatizacion industrial: automatizacion fija, au-
tomatizacion programable, y automatizacion flexible. La automatizacion fija se
utiliza cuando el volumen de produccion es muy alto, y por tanto se puede justificar
economicamente el alto costo del diseno de equipo especializado para procesar el
producto, con un rendimiento alto y tasas de produccion elevadas. Ademas de esto,
18
otro inconveniente de la automatizacion fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a
la vigencia del producto en el mercado. La automatizacion programable se emplea
cuando el volumen de produccion es relativamente bajo y hay una diversidad de pro-
duccion a obtener. En este caso el equipo de produccion es disenado para adaptarse
a la variaciones de configuracion del producto; esta adaptacion se realiza por medio
de un programa (Software). Por su parte la automatizacion flexible es mas adecuada
para un rango de produccion medio. Estos sistemas flexibles poseen caracterısticas
de la automatizacion fija y de la automatizacion programada. Los sistemas flexibles
suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre
sı, y por sistemas de almacenamiento y manipulacion de materiales, controlados en
su conjunto por una computadora. De los tres tipos de automatizacion, la robotica
coincide mas estrechamente con la automatizacion programable.
En tiempos mas recientes, el control numerico y la telequerica son dos tecnologıas
importantes en el desarrollo de la robotica. El control numerico (NC) se desar-
rollo para maquinas herramienta a finales de los anos 40 y principios de los 50´s.
Como su nombre lo indica, el control numerico implica el control de acciones de un
maquina-herramienta por medio de numeros. Esta basado en el trabajo original de
Jhon Parsons, que concibio el empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de
posiciones, para controlar los ejes de una maquina-herramienta.
El campo de la telequerica abarca la utilizacion de un manipulador remoto contro-
lado por un ser humano.
A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo mecanico
que traduce los movimientos del operador humano en movimientos correspondientes
en una posicion remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la telequerica. En
1948 construyo un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el Argonne
19
Figure 2–3: Cyril Walter Kenward y George C. Devol.
National Laboratory. El empleo mas frecuente de los teleoperadores se encuentra en
la manipulacion de sustancias radiactivas, o peligrosas para el ser humano.
La combinacion del control numerico y la telequerica es la base que constituye al
robot modelo. Hay dos individuos (vease Figura 2–3) que merecen el reconocimiento
de la confluencia de estas dos tecnologıas y el personal que podıa ofrecer en las
aplicaciones industriales. El primero fue un inventor britanico llamado Cyril Walter
Kenward, que solicito una patente britanica para un dispositivo robotico en marzo
de 1954. 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
dıas. La primera invencion consistıa en un dispositivo para grabar magneticamente
senales electricas y reproducirlas para controlar un maquina. La segunda invencion
se denominaba Transferencia de Artıculos Programada.
En el contexto de la automatizacion un robot industrial se puede definir como
una maquina programable de uso general que tiene algunas caracterısticas antropomorficas
20
o ¨humanoides¨. La mas relevante es la de sus brazos moviles, los que se desplazaran
por medio de secuencias de movimientos que son programados para la ejecucion de
tareas de utilidad. La definicion oficial de un robot industrial se pro porciona por
la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of
America. ” Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable
disenado para desplazar materiales , piezas, herramientas o dispositivos especiales,
mediante movimientos variables programados para la ejecucion de una diversidad
de tareas ”. Se espera en un futuro no muy lejano que la tecnologıa en robotica se
desplace en una direccion que sea capaz de proporcionar a estas maquinas capaci-
dades mas similares a las humanas.
2.1.3 Clasificacion de los robots
La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del
robot dentro de las limitantes del diseno mecanico y la capacidad de los sensores.
Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generacion, a su nivel de inteligencia,
a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programacion. Estas clasificaciones
reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada inter-
accion de los sensores. La generacion de un robot se determina por el orden historico
de desarrollos en la robotica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los
robots industriales. La tercera generacion es utilizada en la industria, la cuarta se
desarrolla en los laboratorios de investigacion, y la quinta generacion es un gran
sueno.
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 comunmente tienen un control de lazo abierto.
2. Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimien-
tos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores
21
3. Robots controlados por vision, donde los robots pueden manipular un objeto al
utilizar informacion desde un sistema de vision.
4. Robots controlados que pueden automaticamente reprogramar sus acciones sobre
la base de los datos obtenidos por los sensores.
5. Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las tecnicas de inteligen-
cia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.
La Asociacion 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
facilmente.
4. Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a traves de la
tarea.
5. Robots de control numerico, donde el operador alimenta la programacion del
movimiento, hasta que se ensene 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 aceptara un comando como ”lev-
antar el producto” y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo
nivel basados en un modelo estrategico de las tareas.
22
2. Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo
que se incluye la interaccion dinamica entre los diferentes mecanismos, trayectorias
planeadas, y los puntos de asignacion seleccionados.
3. Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parametros de los
mecanismos con el uso de una retroalimentacion 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 correccion son
implementados en este nivel.
En la clasificacion final se considerara el nivel del lenguaje de programacion. La clave
para una aplicacion efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el
desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programacion de
robots, aunque la mayorıa del software mas avanzado se encuentra en los laboratorios
de investigacion. Los sistemas de programacion de robots caen dentro de tres clases:
1. Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a traves de los movimientos
a ser realizados
2. Sistemas de programacion de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un pro-
grama de computadora al especificar el movimiento.
3. Sistemas de programacion de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la op-
eracion por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula
2.2 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 problematica
propia y sus soluciones afines; no obstante que mucha gente considera que la autom-
atizacion de procesos a traves de robots esta en sus inicios, es un hecho innegable que
23
la introduccion de la tecnologıa robotica en la industria, ya ha causado un gran im-
pacto. En este sentido la industria Automotriz desempena un papel preponderante.
Es necesario hacer mencion de los problemas de tipo social, economicos e incluso
polıtico, que puede generar una mala orientacion de robotizacion de la industria.
Se hace indispensable que la planificacion de los recursos humanos, tecnologicos y
financieros se realice de una manera inteligente. La Robotica contribuira en gran
medida al incremento del empleo. ¿Pero, como se puede hacer esto? al automatizar
los procesos en maquinas mas flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce
una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma
de fabricacion de los mismos. Esto puede originar una gran cantidad de empresas
familiares (Micro y pequenas empresas ) lo que provocarıa la descentralizacion de la
industria.
2.2.1 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, transportacion de
materiales, molienda de materiales, moldeado en la industria plastica, maquinas-
herramientas, y otras mas. A continuacion se hara una breve explicacion de algunas
de ellas.
2.2.2 Transferencia de material
Las aplicaciones de transferencia de material (vease Figura 2–4) se definen como
operaciones en las cuales el objetivo primario es mover una pieza de una posicion a
otra. Se suelen considerar entre las operaciones mas 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 tıpicamente simples
24
Figure 2–4: Robot tranasportador de material.
2.2.3 Carga y descarga de maquinas
Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot se utiliza para
servir a una maquina de produccion transfiriendo piezas a/o desde las maquinas.
Existen tres casos que caen dentro de esta categorıa de aplicacion:
Carga/Descarga de Maquinas. El robot carga una pieza de trabajo en bruto en el
proceso y descarga una pieza acabada. Una operacion de mecanizado es un ejemplo
de este caso. Carga de maquinas. El robot debe de cargar la pieza de trabajo en
bruto a los materiales en las maquinas, pero la pieza se extrae mediante algun otro
medio. En una operacion de prensado, el robot se puede programar para cargar
laminas de metal en la prensa, pero las piezas acabadas se permite que caigan fuera
de la prensa por gravedad. Descarga de maquinas. La maquina produce piezas
acabadas a partir de materiales en bruto que se cargan directamente en la maquina
sin la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la maquina. Ejemplos de
esta categorıa incluyen aplicaciones de fundicion de troquel y moldeado plastico. La
aplicacion se tipifica mejor mediante una celula de trabajo con el robot en el centro
que consta de la maquina de produccion, el robot y alguna forma de entrega de
piezas.
25
2.2.4 Operaciones de procesamiento
Ademas de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una gran clase de aplicaciones
en las cuales el robot realmente efectua 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 utilizacion de una herramienta para efectuar el trabajo es una
caracterıstica distinta de este grupo de aplicaciones. El tipo de herramienta depende
de la operacion de procesamiento que se realiza.
• Soldadura por puntos: Como el termino 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 electrica a traves de las piezas donde se efectua la soldadura.
• Soldadura por arco continua: La soldadura por arco es un proceso de soldadura
continua en oposicion a la soldadura por punto que podrıa llamarse un proceso
discontinuo. Se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones soldadas en
las cuales, a menudo, se necesita un cierre hermetico 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 electrica de 100 a 300 amperes
• Recubrimiento con spray: La mayorıa de los productos fabricados de materiales
metalicos requieren de alguna forma de acabado de pintura antes de la entrega al
cliente. La tecnologıa para aplicar estos acabados varia en la complejidad desde
metodos manuales simples a tecnicas automaticas altamente sofisticadas. Se divi-
den los metodos de recubrimiento industrial en dos categorıas:
– Metodos de recubrimiento de flujo e inmersion.
– Metodos de recubrimiento al spray.
Los metodos de recubrimiento mediante flujo de inmersion se suelen considerar que
son metodos de aplicar pintura al producto de baja tecnologıa. La inmersion sim-
plemente requiere sumergir la pieza o producto en un tanque de pintura liquida.
26
2.2.5 Otras operaciones de procesamiento
Ademas 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 estan en esta cate-
gorıa 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 laser.
2.2.6 Procesos de laboratorio
Los robots estan encontrando un gran numero de aplicaciones en los laboratorios
(vease Figura 2–5). Llevan a cabo con efectividad tareas repetitivas como la colo-
cacion de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medicion. En esta etapa
de su desarrollo los robots son utilizados para realizar procedimientos manuales au-
tomatizados. Un tıpico sistema de preparacion de muestras consiste de un robot y
una estacion de laboratorio, la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados,
racks de tubos de pruebas, etc. Las muestras son movidas desde la estacion de lab-
oratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa.
Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la operacion
manual: incrementan la productividad, mejoran la calidad y reducen la exposicion
del ser humano a sustancias quımicas nocivas.
Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medicion del pH, viscosidad, y el por-
centaje de solidos en polımeros, preparacion de plasma humano para muestras ,
calor, flujo, peso y disolucion de muestras para espectrometrıas.
27
Figure 2–5: Robot usado en laboratorios.
2.2.7 Manipuladores cinematicos
La tecnologıa robotica encontro su primer aplicacion en la industria nuclear con el
desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo. Los robots mas re-
cientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la inspeccion de tuberıas
(vease Figura 2–6) en areas de alta radiacion. El accidente en la planta nuclear de
Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimulo el desarrollo y aplicacion de
los robots en la industria nuclear. El reactor numero 2 (TMI-2) perdio su enfri-
amiento, y provoco la destruccion de la mayorıa del reactor, y dejo grandes areas
del reactor contaminadas, inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles
de radiacion las tareas de limpieza solo eran posibles por medios remotos.
Varios robots y vehıculos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin
en los lugares donde ha ocurrido una catastrofe de este tipo.
28
Esta clase de robots son equipados en su mayorıa con sofisticados equipos para detec-
tar niveles de radiacion, camaras, e incluso llegan a traer a bordo un minilaboratorio
para hacer pruebas.
Figure 2–6: Robot usado para explorar tuberias.
2.2.8 Agricultura
Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia ficcion, pero la realidad
es muy diferente; o al menos ası parece ser para el Instituto de Investigacion Aus-
traliano, 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 maquina que esquila
ovejas (vease Figura 2–7.) La trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas
se planea con un modelo geometrico de la oveja.
Para compensar el tamano entre la oveja real y el modelo, se tiene un conjunto de
sensores que registran la informacion de la respiracion del animal como de su mismo
tamano, esta es mandada a una computadora que realiza las compensaciones nece-
sarias 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 coordinacion entre una camara de vıdeo 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
29
robots en la siembra, y poda de los vinedos, como en la pizca de la manzana.
Figure 2–7: Robot usado para esquilar ovejas.
2.2.9 Espaciales
La exploracion espacial posee problemas especiales para el uso de robots (vease
Figura 2–8). El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un
equipo de proteccion muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio. Muchos
cientıficos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de Robots para contin-
uar con los avances en la exploracion espacial; pero como todavıa no se llega a un
grado de automatizacion tan precisa para esta aplicacion, el ser humano aun no ha
podido ser reemplazado por estos. Por su parte, son los teleoperadores los que han
encontrado aplicacion 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 realizacion del control de lazo cer-
rado. Algunas investigaciones estan encaminadas al diseno, construccion y control
de vehıculos autonomos, los cuales llevaran a bordo complejos laboratorios y camaras
muy sofisticadas para la exploracion de otros planetas.
En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del Lunokhod 1, el cual
30
poseıa camaras de television, sensores y un pequeno laboratorio, era controlado re-
motamente desde la tierra. En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en
Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recogıa muestras de
piedra, tierra y otros elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue
acondicionado en el interior del robot. Por supuesto tambien contaba con un equipo
muy sofisticado de camaras de vıdeo.
Figure 2–8: Robot usado para exploraciones espaciales.
2.2.10 Vehiculos submarinos
Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el interes de
los vehıculos submarinos. En el primero - Un avion de la Air Indian se estrello en
el Oceano Atlantico cerca de las costas de Irlanda u n vehıculo submarino guiado
remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para
encontrar y recobrar la caja negra del avion. El segundo fue el descubrimiento del
Titanic en el fondo de un canon, donde habıa permanecido despues del choque con
un iceberg en 1912, cuatro kilometros abajo de la superficie. Un vehıculo submarino
fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.
En la actualidad muchos de estos vehıculos submarinos se utilizan en la inspeccion
y mantenimiento de tuberıas que conducen petroleo, gas o aceite en las plataformas
oceanicas; en el tendido e inspeccion del cableado para comunicaciones, para inves-
tigaciones geologicas y geofısicas en el suelo marino.
31
La tendencia hacia el estudio e investigacion de este tipo de robots se incrementara
a medida que la industria se interese aun mas en la utilizacion de los robots, sobra
mencionar los beneficios que se obtendrıan si se consigue una tecnologıa segura para
la exploracion del suelo marino y la explotacion del mismo.
2.2.11 Educacion
Los robots estan apareciendo en los salones de clases de tres distintas formas.
Primero, los programas educacionales utilizan la simulacion de control de robots
como un medio de ensenanza. Un ejemplo palpable es la utilizacion del lenguaje de
programacion del robot Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es utilizado
por la introduccion a la ensenanza de la programacion.
El segundo y de uso mas comun es el uso del robot tortuga en conjuncion con el
lenguaje LOGO para ensenar ciencias computacionales. LOGO fue creado con la
intencion de proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en el apren-
dizaje de las matematicas.
En tercer lugar esta el uso de los robots en los salones de clases. Una serie de manip-
uladores de bajo costo, robots moviles, y sistemas completos han sido desarrollados
para su utilizacion en los laboratorios educacionales. Debido a su bajo costo mu-
chos de estos sistemas no poseen una fiabilidad en su sistema mecanico, tienen poca
exactitud, no tienen sensores y en su mayorıa carecen de software.
2.3 El mercado de la robotica y las perspectivas futuras
Las ventas anuales para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos
a razon del 25% de acuerdo a estadısticas del ano 1981 a 1992. El incremento de
esta tasa se debe a factores muy diversos. En primer lugar, hay mas personas en
la industria que tienen conocimiento de la tecnologıa y de su potencial para sus
aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnologıa de la robotica mejorara en
32
los proximos anos de manera que hara a los robots mas amistosos con el usuario,
mas faciles de interconectar con otro hardware y mas sencillos de instalar.
En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles economıas de escala en la
produccion de robots para proporcionar una reduccion en el precio unitario, lo que
harıa los proyectos de aplicaciones de robots mas faciles de justificar. En cuarto
lugar se espera que el mercado de la robotica sufra una expansion mas alla de las
grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para esta tecnologıa, y llegue
a las empresas de tamano mediano, pequeno y ¿por que no?; las microempresas.
Estas circunstancias daran un notable incremento en las bases de clientes para los
robots.
La robotica es una tecnologıa con futuro y tambien para el futuro. Si continuan las
tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigacion en el laboratorio
actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnologıa factible, los robots
del futuro seran unidades moviles con uno o mas brazos, capacidades de sensores
multiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de calculo que las
grandes computadoras actuales. Seran capaces de responder a ordenes dadas con voz
humana. Ası mismo seran capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas,
con el uso de la inteligencia artificial en un conjunto especıfico de acciones requeri-
das para llevarlas a cabo. Podran ver, oır, palpar, aplicar una fuerza media con
precision a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros
robots tendrıan muchos de los atributos de los seres humanos. Es difıcil pensar
que los robots llegaran a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de
Carel Kapek, Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robotica es una
tecnologıa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo,
como otras tecnologıas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse
salvaguardas para no permitir su uso pernicioso.
33
El paso del presente al futuro exigira mucho trabajo de ingenierıa mecanica, inge-
nierıa electronica, informatica, ingenierıa industrial, tecnologıa de materiales, inge-
nierıas de sistemas de fabricacion y ciencias sociales.
2.4 Subsistemas del robot
Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticacion, depende de la per-
spectiva con que se mire. Un tecnico en mantenimiento puede ver un robot como
una coleccion de componentes mecanicos y electronicos; por su parte un ingeniero
en sistemas puede pensar que un robot es una coleccion de subsistemas interrela-
cionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una maquina para
ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una maquina
capaz de realizar un tarea especıfica. En contraste, un cientıfico puede pensar que un
robot es un mecanismo que el construye para probar una hipotesis. Un robot puede
ser descompuesto en un conjunto de subsistemas funcionales: procesos, planeacion,
control, sensores, sistemas electricos, y sistemas mecanicos.
El subsistema de Software es una parte implıcita de los subsistemas de sensores,
planeacion, y control; que integra todos los subsistemas como un todo. En la actu-
alidad, muchas de las funciones llevadas a cabo por los subsistemas son realizadas
manualmente, o de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en estos
campos permitiran la automatizacion 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 interaccion entre este y el robot. Este es el
dominio de la ingenierıa aplicada. Antes de que un robot pueda realizar una tarea,
esta debe ser buscada dentro de una secuencia de pasos que el robot pueda ejecutar.
La tarea de busqueda es llevada acabo por el Subsistema de Planeacion, el cual
incluye los modelos de procesos inteligente s, percepcion y planeacion. En el modelo
de procesos, los datos que se obtienen de una variedad de sensores son fusionados
34
(Integracion Sensorial) con modelos matematicos de las tareas para formar un mod-
elo del mundo. Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepcion selecciona
la estrategia para ejecutar la tarea. Estas estrategias son convertidas dentro de los
programas de control de el robot durante el proceso de planeacion.
Estos programas son ejecutados por el Subsistema de Control; en este subsis-
tema, los comandos de alto nivel son convertidos en referencias para actuadores
fısicos, los valores retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los
algoritmos de control estabilizan el movimiento de los elementos fısicos.
Al realizar esta 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 Electrico el cual incluye todos los controles electricos de los actu-
adores. Los actuadores hidraulicos y neumaticos son usualmente manejados por
electrovalvulas controladas. Tambien, este subsistema contiene computadoras, in-
terfaces, y fuentes de alimentacion. Los actuadores manejan los mecanismos en el
Subsistema Mecanico para operar en el medio ambiente, esto es, realizar una
tarea determinada. Los parametros dentro del robot y del medio ambiente son
monitoreados por el Subsistema de Sensores; esta informacion se utiliza como
retroalimentacion 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.
35
2.5 Robot Industrial
2.5.1 Definicion
Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definicion formal de lo que
es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual en-
tre el mercado japones y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un
manipulador. Ası, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier
dispositivo mecanico dotado de articulaciones moviles destinado a la manipulacion,
el mercado occidental es mas restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre
todo en lo relativo al control.
En segundo lugar, y centrandose ya en el concepto occidental, aunque existe una
idea comun acerca de lo que es un robot industrial, no es facil ponerse de acuerdo
a la hora de establecer una definicion formal. Adem as, la evolucion de la robotica
ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definicion. La definicion mas
comunmente aceptada posiblemente sea la de la Asociacion de Industrias Roboticas
(RIA), segun la cual: Un robot industrial es un manipulador multifuncional repro-
gramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales,
segun trayectorias variables, programadas para realizar diversas. Esta definicion,
ligeramente modificada, ha sido ad optada por la Organizacion Internacional de
Estandares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional
reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas,
herramientas o dispositivos especiales segun trayectorias tareas variables progra-
madas para realizar tareas diversas.
Se incluye en esta definicion la necesidad de que e l robot tenga varios grados de lib-
ertad. Una definicion mas completa es la establecida por la Asociacion Francesa de
Normalizacion (AFNOR) que define primero el manipulador y, basandose en dicha
definicion el robot:
36
Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articula-
dos entre sı, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y
puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo
logico.
Robot: manipulador automatico servo controlado, reprogramable, polivalente, ca-
paz de posicionar y orientar piezas, utiles o dispositivos especiales, siguiendo trayec-
toria variables reprogramables, para la ejecucion de tareas variadas. Normalmente
tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muneca. Su unidad de
control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepcion del en-
torno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cıclica, pudiendose
adaptar a otra sin cambios permanentes en su material
Por ultimo, la Federacion Internacional de Robotica (IFR) distingue entre robot
industrial de manipulacion y otros robots:
Por robot industrial de manipulacion se entiende a una maquina de manipulacion
automatica, reprogramable y multifuncional con tres o mas ejes que pueden posi-
cionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la
ejecucion de trabajos diversos en las diferentes etapas de la produccion industrial,
ya sea en una posicion fija o en movimiento.
En esta definicion se debe entender que la reprogramabilidad y multifuncion se
consigue sin modificaciones fısicas del robot. Comun en todas las definiciones ante-
riores es la aceptacion del robot industrial como un brazo mecanico con capacidad
de manipulacion y que incorpora un control mas o menos complejo. Un sistema
robotizado, en cambio, es un concepto mas amplio. Engloba todos aquellos dispos-
itivos que realizan tareas de forma automatica en sustitucion de un ser humano y
que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto ultimo lo mas frecuente.
37
Figure 2–9: Robot manipulador.
2.5.2 Clasificacion de robots industriales
La maquinaria para la automatizacion rıgida dio paso al robot con el desarrollo de
controladores rapidos, basados en el microprocesador, ası como un empleo de ser-
vos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posicion real de los
elementos del robot y establecer el error con la posicion deseada. Esta evolucion ha
dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuacion:
• Manipuladores: Son sistemas mecanicos multifuncionales (vease Figura 2–9),
con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus
elementos, de los siguientes modos:
– Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.
– De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo
preparado previamente.
– De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caracterısticas de los ciclos
de trabajo.
Existen muchas operaciones basicas que pueden ser realizadas optimamente medi-
ante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos
dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.
• Robots de aprendizaje: Son manipuladores que se limitan a repetir una secuen-
cia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso
38
de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el op-
erario en la fase de ensenanza, se vale de una pistola de programacion con diversos
pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniquı, o a veces, desplaza
directamente la mano del robot.Los robots de aprendizaje son los mas conocidos,
hoy dıa, en los ambientes industriales y el tipo de programacion que incorporan,
recibe el nombre de ”gestual”.
• Robots computador: Son manipuladores o sistemas mecanicos multifuncionales,
controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador.
En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de
la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador
dispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas
al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicacion utilizando
solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programacion se le denomina
textual y se crea sin la intervencion con control por del manipulador. Las grandes
ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el
mercado rapidamente, lo que exige la preparacion urgente de personal cualificado,
capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informatico.
• Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, ademas, son
capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a traves de sensores y tomar
decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conoci-
dos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los
grupos investigadores por potenciarles y hacerles mas efectivos, al mismo tiempo
que mas asequibles. La vision artificial, el sonido de maquina y la inteligencia ar-
tificial, son las ciencias que mas estan estudiando para su aplicacion en los robots
inteligentes.
39
• Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigacion, ex-
isten numerosos robots de formacion o micro-robots a un precio muy asequible y,
cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicacion industrial.
Por otra parte la AFRI, sostiene que hay cuatro tipos de robots:
1. Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.
2. Tipo B: Manipulador automatico con ciclos preajustados; regulacion mediante
fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumatico, electrico o
hidraulico.
3. Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de
conocimiento sobre su entorno.
4. Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en
funcion de estos.
Otra forma de clasificar los robots es propuesta por la IFR:
1. Robot secuencial
2. Robot de trayectoria controlable
3. Robot Adaptativo
4. Robot Manipulado
Por ultimo y con el fin de dar una vision del posible futuro, se presentaron en forma
clasificada, buena parte de los diversos tipos de robots que se puedan encontrar hoy
en dıa. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los casos mas
futuristas estan en estado de desarrollo en los centros de investigacion de robotica.
Robots de servicio y teleoperados
En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:
Dispositivos o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecanicos
independientes, controlados por un programa ordenador y que realizan tareas no
industriales de servicio.
40
En esta definicion entrarıan entre otros los robots dedicados a cuidados medicos,
educacion, domesticos, uso en oficinas, intervencion en ambientes peligrosos, aplica-
ciones aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definicion de robots
de servicio excluye los tele espaciales, manipuladores, pues estos no se mueven medi-
ante el control de un programa ordenador, sino que estan controlados directamente
por el operador humano.
Los robots teleoperados son dispositivos roboticos con brazos manipuladores y sen-
sores con cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador hu-
mano de manera directa o a traves de un ordenador. Definidos por la NASA como
Telerobots. El diseno de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y apli-
can las tecnologıas para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las
aplicaciones terrestres. Las areas actuales de investigacion y desarrollo incluyen:
• El manipulador y el mando del robot movil
• Las arquitecturas del telerobot remotas
• Procesado, integracion, y fusion, del sistema sensorial.
• Tareas interactivas que planea y ejecuta
• La visualizacion grafica de las imagenes sobrepuestas
• Multisensor - el mando equilibrado.
• Micromecanismos - control para el despliegue de los instrumentos
2.6 Morfologıa del Robot
En general, un robot interactua con su entorno tal y como se muestra en la Figura
2–10, A continuacion se describen las caracterısticas mofologicas mas relevantes
propias de los robots y se proporcionan valores concretos de las mismas, para deter-
minados modelos y aplicaciones.
41
Figure 2–10: Diagrama de bloque de un robot.
2.6.1 Grados de Libertad
El numero de grados de libertad que tiene un brazo robot es el numero de magnitudes
que pueden variarse independientemente -por lo general coincide con el numero de
articulaciones moviles- Se necesitan tres grados de libertad para posicionar el efector
terminal dentro de un entorno de trabajo tridimensional. Se necesitan otros tres
para dirigir el efector terminal hacia cualquier direccion. En la figura 2–11, se
muestra un robot con 6 grados de libertad q1, q2, q3, q4, q5 y q6, este numero es el
que generalmente posee un robot industrial.
Figure 2–11: Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad.
2.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador
Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad,
definen la zona de trabajo del robot, caracterıstica fundamental en las fases de se-
leccion e implantacion del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en
42
areas diferenciadas entre sı, por la accesibilidad especifica del elemento terminal
(aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente
o con el determinado angulo de inclinacion. Tambien queda restringida la zona de
trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.
2.6.3 Capacidad de carga
El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el
nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes,
incluyendo el peso de la propia garra. En modelos de robots industriales, la capaci-
dad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de
carga es una de las caracterısticas que mas se tienen en cuenta en la seleccion de
un robot, segun la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es comun
precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.
2.6.4 Problemas a enfrentar
Algunos aspectos a tener en cuenta en el diseno y programacion de robots son:
Resolucion el uso de sistemas digitales, y otros factores que solo son un numero
limitado de posiciones que estan disponibles. Ası el usuario ajusta a menudo las
coordenadas a la posicion discreta mas cercana.
La cinematica el error modelado el modelo de la cinematica del robot no em-
pareja al robot exactamente. Como resultado los calculos de angulos de la juntura
requeridos contienen un error pequeno.
Los errores de la calibracion La posicion determinada durante la calibracion
puede estar apagada ligeramente, mientras se esta produciendo un error en la
posicion calculada.
Los errores del azar - los problemas se incrementan conforme el robot opera.
Por ejemplo, friccion, torcimiento estructural, la expansion termica, la repercusion
43
negativa / la falla en las transmisione s, etc. pueden causar las variaciones en la
posicion.
2.6.5 Exactitud y Repetibilidad
Exactitud de un punto Mide la distancia entre la posicion especificada, y la
posicion real del efector de extremo de robot.
• ¿Como el robot consigue llegar al punto deseado?
• Cobra mayor importancia cuando se realiza off-line (programando), porque
se usan las coordenadas absolutas.
Repetibilidad Es una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente
para una sola posicion.
• ¿Como el movimiento del robot permite llegar a la misma posicion, con el
mismo movimiento hecho en ocasiones anteriores?
• La repetibilidad de punto es a menudo mas pequena que la exactitud.
En la Figura 2–12 si quisieramos mover el efector final a cierto punto donde se
encuentra la pieza de trabajo, entonces el robot solamente podrıa acercarse al objeto
posicionandose en el punto direccionable mas proximo. En otras palabras, no podrıa
colocarse exactamente en la posicion requerida.
Figure 2–12: Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad.
2.6.6 Resolucion
La Resolucion de punto esta basada en un numero limitado de puntos que el robot
puede alcanzar, por ejemplo en la Figura 2–13 se muestran como los puntos negros.
44
Estos puntos estan tıpicamente separados por un milımetro o menos, dependiendo
del tipo de robot. Por ejemplo si un usuario solicitara una posicion como 456.4mm,
y el sistema solo puede mover al milımetro mas cercano, 456mm, el error resultante
de exactitud es de 0.4mm.
Figure 2–13: Esquema para definir la resolucion de un robot industrial.
La Cinematica de punto y errores de la calibracion son basicamente el cambio en
los puntos en el espacio de trabajo que producen un error e (vease Figura 2–14).
Tıpicamente las caracterısticas tecnicas del vendedor asumen esa calibracion y los
errores modelados son cero.
Figure 2–14: Esquema para visualizar el error de posicion.
Los puntos al azar son errores que impediran al robot volver a la misma situacion
exacta cada tiempo, y esto puede modelarse con una distribucion de probabilidad
normal sobre cada punto.
45
2.6.7 Precision en la repetibilidad
Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repeticion de los movimientos de
un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se
deba realizar, la precision en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor.
Ası por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha caracterıstica ha de ser
menor a +-0.1mm. En soldadura, pintura y manipulacion de piezas, la precision en
la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones de mecanizado,
la precision ha de ser menor de 1mm.
2.6.8 La resolucion del mando
La resolucion espacial es el incremento mas pequeno de movimiento en que el robot
puede dividir su volumen de trabajo. La resolucion espacial depende de dos factores:
los sistemas que controlan la resolucion y las inexactitudes mecanicas de los robots.
Control de la resolucion es determinado por el sistema de mando de posicion del
robot y su sistema de medida de regeneracion. Es la habilidad de los controladores de
dividir el rango total de movimiento en incrementos individuales que pueden dirigirse
en el controlador. Los incrementos a veces son llamados ”el direccionamiento parte”
esto depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando. El
numero de incrementos separados, identificables para un eje particular se muestra
en (2.2):
#incrementos = 2n (2.1)
Por ejemplo - Para un robot con 8 bits, la resolucion de mando de extremo puede
dividir un rango del movimiento en 256 posiciones discretas.
2.6.9 Velocidad
En muchas ocasiones, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por
lo que esta magnitud se valora considerablemente en una velocidad la de eleccion
trabajo elevada, del mismo. En tareas de soldadura y manipulacion de piezas es
46
muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y
ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja
2.6.10 Coordenadas de los movimientos
La estructura del manipulador y la relacion entre sus elementos proporcionan una
configuracion mecanica, que da origen al establecimiento de los parametros que hay
que conocer para definir la posicion y orientacion del elemento terminal. Fundamen-
talmente, existen cuatro estructuras clasicas en los manipuladores, que se relacionan
con los correspondientes modelos de coordenadas (vease Figura 2–15), en el espacio
y que se citan a continuacion:
• Cartesianas
• Cilindricas
• Polares
• Angulares
Figure 2–15: Configuraciones basicas y coordenadas.
47
2.6.11 Brazos del robot
Tipos de junturas
los tipos de junturas basicos se muestran en la Figura 2–16
Figure 2–16: Tipos de junturas usadas.
Tipos de actuadores
Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser,
segun la energıa que consuman, de tipo hidraulico, neumatico o electrico. Los ac-
tuadores de tipo hidraulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y
grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energıa que emplean, se construyen
con mecanica de precision y su coste es elevado. Los robots hidraulicos, se disenan
formando un conjunto compacto conformado por la central hidraulica, la cabina
electronica de control y el brazo del manipulador.
La energıa neumatica dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta,
junto a un bajo coste, pero su empleo esta siendo sustituido por elementos electricos.
Los motores electricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el
campo de la Robotica, por su gran precision en el control de su movimiento y las
48
ventajas inherentes a la energıa electrica que consumen.
2.6.12 Programabilidad
La inclusion del controlador de tipo microelectronico en los robots industriales, per-
mite la programacion del robot de muy diversas formas. En general, los moder-
nos sistemas de robots admiten la programacion manual, mediante un modulo de
programacion. La programacion gestual y textual, controlan diversos aspectos del
funcionamiento del manipulador:
• Control de la velocidad y la aceleracion
• Saltos de programa condicionales
• Temporizaciones y pausas
• Edicion, modificacion, depuracion y ampliacion de programas
• Funciones de seguridad
• Funciones de sincronizacion con otras maquinas.
• Uso de lenguajes especıficos de Robotica
2.6.13 Estructura mecanica de un robot
Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecanica, transmi-
siones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos
terminales. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de
estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologıas seme-
jantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos
se empleen elementos con caracterısticas especificas. Mecanicamente, un robot esta
formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones (jun-
turas) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.
La constitucion fısica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta
similitud con la anatomıa del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer
49
referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan terminos como
cuerpo, brazo, codo y muneca (vease Figura 2–17).
Figure 2–17: Analogia entre un brazo humano y uno robotico.
El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a
diferentes configuraciones, con caracterısticas a tener en cuenta tanto en el diseno
y construccion del robot como en su aplicacion. Las combinaciones mas frecuentes
son con tres articulaciones y que son las mas importantes a la hora de posicionar su
extremo en un punto en el espacio.
Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio
son necesarios seis parametros, tres para definir la posicion y tres para la orientacion,
si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con el la pieza o
herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos
seis grados de libertad. En la practica, a pesar de ser necesarios los seis grados
de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientacion
del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con solo cuatro o cinco
grados de libertad, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se
encomiendan.
Existen tambien casos opuestos, en los que se precisan mas de seis grados de libertad
para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. Ası, si
se trabaja en un entorno con obstaculos, el dotar al robot de grados de libertad
50
adicionales le permitira acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las
que, como consecuencia de los obstaculos, no hubieran llegado con seis grados de
libertad. Otra situacion frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional
que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando ası el volumen de su
espacio de trabajo.
Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para
realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.
Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales solidos de
un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.
TCP
El Punto de Centro de herramienta (TCP) como en la Figura 2–18, localiza en el
robot la herramienta. Tıpicamente el TCP se usa al referirse a la posicion de los
robots, ası como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podrıa
estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en
el cartesiano, cilındrico, esferico, etc., coordenadas que dependen del robot.
Figure 2–18: Punto de centro de la herramienta.
El espacio de trabajo
El robot tiende a tener una geometrıa fija, y limitada. El espacio de trabajo es el
lımite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano
como una grua mostrada en la Figura 2–19 los espacios de trabajo podrıan ser un
51
cuadrado, para los robots mas sofisticados los espacios podrıan ser de una forma
esferica.
Figure 2–19: Espacio de trabajo.
La velocidad
se refiere a la velocidad maxima que es lograble por el TCP, o por las junturas indi-
viduales. Este numero no es exacto en la mayorıa de los robots, y variara encima del
espacio de trabajo como la geometrıa del robot cambia (y de los efectos dinamicos).
La carga util
La carga util indica la masa maxima que el robot puede alcanzar antes de cualquier
fracaso de los robots, o perdida dramatica de exactitud. Es posible exceder la carga
util maxima, y todavıa tiene el robot, que operar, pero esto no se aconseja. Cuando
el robot esta acelerando rapidamente, la carga util debe estar menos de la masa
maxima. Esto es afectado por la habilidad de agarrar la parte firmemente, ası como
la estructura del robot, y el actuador. El extremo de brazo al laborar con her-
ramienta debe ser considerado parte de la carga util.
Tiempo de establecimiento
Durante un movimiento, el robot se mueve rapidamente, pero como los acercamien-
tos del robot la posicion final se reduce la velocidad, y los acercamientos. El tiempo
52
de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una
distancia dada de la ultima posicion.
2.6.14 Transmisiones y reductores
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde
los actuadores hasta las articulaciones. Se incluiran junto con las transmisiones a
los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador
a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot.
Transmisiones
Las transmisiones (vease Figura 2–20 y 2–21)son los elementos encargados de trans-
mitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluiran junto
con las transmisiones a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad
de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos
del robot. Transmisiones. Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones
elevadas, es de gran importancia reducir al maximo su momento de inercia. Del
mismo modo, los pares estaticos que deben vencer los actuadores dependendirecta-
mente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que
los actuadores, por lo general pesados, esten lo mas cerca posible de la base del
robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmision que trasladen el
movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del
robot.
Ası mismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circu-
lar en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puede ser necesario. Existen actualmente
en el mercado robots industriales con acoplamiento directo entre accionamiento y ar-
ticulacion. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la generalidad que
en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de transmision
53
junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones Es de
esperar que un buen sistema de transmision cumpla con una serie de caracterısticas
basicas: debe tener un tamano y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos
u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.
Figure 2–20: Tipos de transmisiones.
Figure 2–21: Engranajes Circular-Circular.
Las transmisiones mas habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular
tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en estas se encuentran los engranajes
(vease Figura 2–21), las correas dentadas y las cadenas.
Reductores
En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, sı existen determi-
nados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe
54
a que a los reductores utilizados en robotica se les exigen unas condiciones de fun-
cionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas caracterısticas viene motivada
por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precision y velocidad
de posicionamiento. La Figura 2–22 muestra valores tıpicos de los reductores para
robotica actualmente empleados.
Figure 2–22: Caracteristicas de los reductores.
Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamano, bajo rozamiento y que al
mismo tiempo sean capaces de realizar una reduccion elevada de velocidad en un
unico paso. Se tiende tambien a minimizar su momento de inercia, de negativa influ-
encia en el funcionamiento del motor, especialmente crıtico en el caso de motores de
baja inercia. Los reductores, por motivos de diseno, tienen una velocidad maxima
admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamano del
motor. Tambien existe una limitacion en cuanto al par de entrada nominal permisi-
ble (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relacion de transmision a traves
de la relacion:
T2 = ηT1
(
ω2
ω1
)
(2.2)
Donde el rendimiento, η, puede llegar a ser cerca del 100%, y la relacion de reduccion
de velocidades (ω1 = velocidad de entrada; ω2 = velocidad de salida) varıa entre 50
55
y 300.
Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos, que implican continuos arranques y
paradas, es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares eleva-
dos puntuales. Tambien se busca que el juego angular sea lo menor posible. Este se
define como el angulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro
sin que llegue a girar al eje de entrada. Por ultimo, es importante que los reductores
para robotica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar
sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquel gire un
angulo unidad.
2.6.15 Actuadores
Los actuadores tienen como mision generar el movimiento de los elementos del robot
segun las ordenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes
grupos, segun la energıa que utilizan:
• Hidraulicos
• Neumaticos
• Electricos
Los actuadores neumaticos utilizan el aire comprimido como fuente de energıa y
son muy indicados en el control de movimientos rapidos, pero de precision limitada.
Los motores hidraulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una
gran capacidad de carga, junto a una precisa regulacion de velocidad. Los motores
electricos son los mas utilizados, por su facil y preciso control, ası como por otras
propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del em-
pleo de la energıa electrica.
56
Cada uno de estos sistemas presenta caracterısticas diferentes, siendo preciso evalu-
arlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador mas conveniente. Las caracterısticas
a considerar son, entre otras:
• Potencia
• Controlabilidad
• Peso
• Volumen
• Precision
• Velocidad
• Mantenimiento
• Costo
2.6.16 Neumaticos
En ellos la fuente de energıa es aire a presion entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de
actuadores neumaticos:
Cilindros El movimiento se consigue con el desplazamiento de un embolo encerrado
en un cilindro como consecuencia de la diferencia de presion a ambos lados de aquel.
Los cilindros neumaticos pueden ser de simple o de doble efecto. En los primeros,
el embolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a
presion, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de
un muelle (que recupera al embolo a su posicion en reposo) vease Figura 2–23. En
los cilindros de doble efecto el aire a presion es el encargado de empujar al embolo
en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera
de las dos camaras. Normalmente, con los cilindros neumaticos solo se persigue
un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo.
Esto ultimo se puede conseguir con una valvula de distribucion (generalmente de
accionamiento directo) que canaliza el aire a presion hacia una de las dos caras
del embolo alternativamente. Existen, no obstante, sistemas de posicionamiento
57
continuo de accionamiento neumatico, aunque debido a su coste y calidad todavıa
no resultan competitivos.
Motores (vease Figura 2–24). El movimiento de rotacion de un eje se consigue
mediante aire a presion. Los dos tipos mas utilizados son los motores de aletas
rotativas y los motores de pistones axiales. Los motores de pistones axiales tienen
un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar ente las fuerzas
que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado. Otro metodo
comun mas sencillo de obtener movimientos de rotacion a partir de actuadores
neumaticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo embolo se encuentra acoplado
a un sistema de pinon-cremallera.
En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumaticos no con-
siguen una buena precision de posicionamiento. Sin embargo, su sencillez y robustez
hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sea suficiente un posicionamiento
en dos situaciones diferentes (todo o nada). Por ejemplo, son utilizados en manipu-
ladores sencillos, en apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de
algun robot. Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algun
tipo de accionamiento neumatico debera disponer de una instalacion de aire com-
primido, incluyendo: compresor, sistema de distribucion (tuberıas, electro valvulas),
filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumaticas son frecuentes y
existen en muchas de las fabricas donde se da cierto grado de automatizacion.
Figure 2–23: Cilindro neumatico.
58
Figure 2–24: Motor neumatico de paleta.
2.6.17 Hidraulicos
Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neumaticos. En ellos, en vez
de aire se utilizan aceites minerales a una presion comprendida normalmente entre
los 50 y 100 bar, llegandose en ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el
caso de los neumaticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y
pistones.
Sin embargo, las caracterısticas del fluido utilizado en los actuadores hidraulicos
marcan ciertas diferencias con los neumaticos. En primer lugar, el grado de com-
presibilidad de los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que
la precision obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es mas facil en
ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un intervalo
de valores (haciendo uso del servocontrol) con notable precision. Ademas, las ele-
vadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neumaticos,
permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.
Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estaticas.
Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presion
ejercida sobre una superficie, sin aporte de energıa (para mover el embolo de un
cilindro serıa preciso vaciar este de aceite). Tambien es destacable su eleva capacidad
de carga y relacion potencia-peso, ası como sus caracterısticas de auto lubricacion y
robustez.
59
Frente a estas ventajas existen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las elevadas
presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo
de la instalacion. Asimismo, esta instalacion es mas complicada que la necesaria
para los actuadores neumaticos y mucho mas que para los electricos, necesitando
de equipos de filtrado de partıculas, eliminacion de aire, sistemas de refrigeracion y
unidades de control de distribucion.
Los accionamientos hidraulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben
manejar grandes cargas (de 70 a 205kg).
2.6.18 Electricos
Las caracterısticas de control, sencillez y precision de los accionamientos electricos
han hecho que sean los mas usados en los robots industriales actuales.
Dentro de los actuadores electricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:
• Motores de corriente continua (DC). Servomotores
• Motores paso a paso
• Motores de corriente alterna (AC)
Motores de corriente continua
Son los mas usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este
caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posicion (Encoder) para poder
realizar su control. Los motores de DC (vease Figura 2–25) estan constituidos
por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente
continua: El inductor, tambien denominado devanado de excitacion, esta situado en
el estator y crea un campo magnetico de direccion fija, denominado excitacion. El
inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que
aparece como combinacion de la corriente circulante por el y del campo magnetico
de excitacion. Recibe la corriente del exterior a traves del colector de delgas , en el
que se apoyan unas escobillas de grafito.
60
Figure 2–25: Motor DC.
Para que se pueda dar la conversion de energıa electrica en energıa mecanica de forma
continua es necesario que los campos magneticos del estator y del rotor (vease Figura
2–26) permanezcan estaticos entre sı. Esta transformacion es maxima cuando ambos
campos se encuentran en cuadratura.
Figure 2–26: Motor DC vista de rotor y estator.
Al aumentar la tension del inducido aumenta la velocidad de la maquina. Si el motor
esta alimentado a tension constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo
el flujo de excitacion. Pero cuanto mas debil sea el flujo, menor sera el par motor
que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la
tension del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro.
En los controlados por excitacion se actua al contrario. Ademas, en los motores
controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro
61
originado por la realimentacion intrınseca que posee a traves de la fuerza contraelec-
tromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motores DC es el controlado por
inducido el que se usa en el accionamiento con robots.
Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitacion se
genera mediante imanes permanentes, con lo que se evitan fluctuaciones del mismo.
Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Ademas, para
disminuir la inercia que poseerıa un rotor bobinado, que es el inducido, se construye
este mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor
no posee apenas masa termica, lo que aumenta los problemas de calentamiento por
sobrecarga.
Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante referencias de ve-
locidad. Estas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentacion
de velocidad analogica que se cierra mediante una electronica especıfica (accionador
del motor). Se denominan entonces servomotores.
Motores paso a paso.
A diferencia de los Motores-CC que giran a todo lo que dan cuando son conectados a
la fuente de alimentacion, los Motores-PaP solamente giran un angulo determinado,
los primeros solo disponen de dos terminales de conexion, mientras los otros pueden
tener 4, 5 o 6, segun el tipo de motor que se trate, por otro lado los motores de
corriente continua no pueden quedar enclavados en una sola posicion, mientras los
motores paso a paso sı.
Los motores paso a paso son comunmente utilizados en situaciones en que se requiere
un cierto grado de precision, El angulo de giro de estos motores es muy variado
pasando desde los 90o hasta los 1.8o e incluso 0.72o, cada angulo de giro, (tambien
llamado paso) se efectua enviando un pulso en uno de sus terminales, es decir que
por ejemplo en motores que tienen 90o de giro por paso, se requiere 4 pulsos para
62
dar una vuelta completa, mientras que en los de 1,8o se necesitan 200 pulsos, y en
los otros son necesarios 500.
Los Motores-PaP suelen ser clasificados en dos tipos, segun su diseno y fabricacion
pueden ser Bipolares o Unipolares como se puede apreciar en la Figura 2–27
Figure 2–27: Motores paso a paso
Mientras los unipolares disponen de dos bobinas independientes los Bipolares parecieran
tener 4 debido al terminal central que es el comun de cada par de bobinas. Su prin-
cipal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para
asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar ademas de forma con-
tinua, con velocidad variable, como motores sıncronos, ser sincronizados entre sı,
obedecer a secuencias complejas de funcionamiento, etc. Se trata al mismo tiempo
de motores muy ligeros, fiables, y faciles de controlar pues al ser cada estado de
excitacion del estator estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad
de sensores de realimentacion. Entre los inconvenientes se puede citar que su fun-
cionamiento a bajas velocidades no es suave, y que existe el peligro de perdida de
una posicion por trabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando
a velocidades elevadas y presentan un limite en el tamano que pueden alcanzar.
Se emplean para el posicionado de ejes que no precisan grandes potencias (giro de
pinza) o para robots pequenos (educacionales ); Tambien son muy utilizados en dis-
positivos perifericos del robot, como mesas de coordenadas.
63
Motores de corriente alterna
Este tipo de motores no ha tenido aplicacion en la robotica hasta hace unos anos,
debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras
que se han introducido en las maquinas sıncronas hacen que se presenten como un
claro competidor de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente
a tres factores:
1. La construccion de los motores sincronos sin escobillas
2. En los motores sincronos la velocidad de giro depende unicamente de la frecuencia
de la tension que alimenta el inducido. Para poder variar esta precision, el control
de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia.
3. El motor sincrono autopilotado excitado con un iman permanente, tambien llamado
motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a que no posee
escobillas y tiene una gran capacidad de evacuacion de calor, ya que los devanados
estan en contacto directo con la carcasa.
En el caso de los motores asıncronos, no se ha conseguido resolver satisfactoriamente
los problemas de control que presentan. Esto ha hecho que hasta el momento no
tengan aplicacion en robotica.
Por ultimo, en la Figura 2–28 se presenta un paralelo entre los actuadores estudiados.
Figure 2–28: Paralelo entre actuadores usados en robotica
64
2.6.19 Sensores internos
Para conseguir que un robot realice su tarea con la adecuada precision, velocidad e
inteligencia, sera preciso que tenga conocimiento tanto de su propio estado como el
estado de su entorno. La informacion relacionada con su estado (fundamentalmente
la posicion de sus articulaciones ) la consigue con los denominados sensores internos,
mientras que la que se refiere al estado de su entorno, se adquiere con los sensores
externos. A continuacion se describiran algunos tipos de sensores de posicion:
Encoders incrementales. Para el control de posicion angular se emplean funda-
mentalmente los denominados encoders y resolvers. Los potenciometros dan bajas
prestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots edu-
cacionales, ejes de poca importancia). Los encoders incrementales en su forma
mas simple, estan compuestos por un disco transparente con una serie de marcas
opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sı; un sistema de iluminacion
en el que la luz es colimada de forma correcta, y un elemento fotorreceptor. El
eje cuya posicion se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta dis-
posicion a medida que el eje gire se ira generando pulsos en el receptor cada vez
que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible
conocer la posicion del eje. Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un
momento dado se esta realizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que
supone no estar contando adecuadamente. Una solucion a este problema consiste
en disponer de otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el
tren de pulsos que con ella se genere este desplazado 90◦ electricos con respecto
al generado por la primera franja. Es necesario ademas disponer de una marca de
referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por
tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo. Esta marca sirve tambien para poder
comenzar a contar tras recuperarse de una caıda de tension. La resolucion de este
tipo de sensores depende directamente del numero de marcas que se pueden poner
65
fısicamente en el disco. Un metodo relativamente sencillo para aumentar esta res-
olucion es, contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulsos, y tambien los
de bajada, incrementando ası la resolucion del captador, pudiendose llegar, con
ayuda de circuitos adicionales, hasta 100,000 pulsos por vuelta.
Encoders abolutos El funcionamiento basico de los codificadores o encoders ab-
solutos es similar al de los incrementales. Se tiene una fuente de luz con las lentes
de adaptacion correspondientes, un disco graduado y unos fotorreceptores. En
este caso, el disco transparente se divide en un numero determinado de sectores
(potencia de 2), codificandose cada uno de ellos segun un codigo binario cıclico (nor-
malmente codigo Gray) que queda representado por zonas transparentes y opacas
dispuestas radialmente. No es necesario ahora ningun contador o electronica adi-
cional para detectar el sentido del giro, pues cada posicion (sector) es codificado de
forma absoluta. Su resolucion es fija, y vendra dada por el numero de anillos que
posea el disco graduado. Resoluciones habituales van desde 2(exp.)8 a 2(exp.)19
bits (desde 256 a 524,288 posiciones distintas).
Resolvers tambien llamados sincros (vease Figura 2–29). Se trata de sensores
analogicos con resolucion teoricamente infinita. El funcionamiento de los resolvers
se basa en la utilizacion de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora,
generalmente con 400Hz, y por dos bobinas fijas situadas a su alrededor El giro de
la bobina movil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varie, consiguiendo
que la senal resultante en estas dependa del seno del angulo de giro. La bobina
movil excitada con tension V sen(ωt) y girada un angulo φ induce en las bobinas
fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones:
V1 = V sen (ωt) sen (φ)
V1 = V sen (ωt) cos (φ)(2.3)
Para poder tratar al sistema de control la informacion generada por los resolvers
es necesario convertir las senales analogicas en digitales. Para ello se utilizan
66
los llamados convertidores resolver-resolver/digital (r/d), que tradicionalmente se
basan en dos tipos de estructuras distintas (traking) y (muestreo sampling). Entre
sus ventajas destacan su buena robustez mecanica durante el funcionamiento y su
inmunidad a contaminacion, humedad, altas temperaturas y vibraciones. Debido a
su reducido momento de inercia, imponen poca carga mecanica del funcionamiento
del eje. Comparacion entre distintos sensores de posicion angular.
Figure 2–29: Resolver
2.6.20 Sensores externos
El empleo de mecanismos de deteccion exteriores permite a un robot interactuar con
su medio ambiente de una manera flexible.
Aunque esto esta bastante lejos de la forma mas predominante de funcionamiento
de los robots industriales actuales, la utilizacion de la tecnologıa de deteccion para
proporcionar a las maquinas un mayor grado de inteligencia en su relacion con su
ambiente es, en realidad, un tema activo de investigacion y desarrollo en el campo
de la robotica. Un robot que puede ”ver” y ”sentir” es mas facil de entrenar en la
ejecucion de tareas complejas mientras que, al mismo tiempo, exige mecanismos de
control menos estrictos que las maquinas preprogramadas.
La funcion de los sensores del robot puede dividirse en dos categorıas principales:
estado interno operan con la deteccion de variables, tales como la posicion de la
67
articulacion del brazo, que se utiliza para el control del robot y estado externo operan
con la deteccion de variables tales como alcance, la proximidad y el contacto.
Los sensores de estado externo pueden clasificarse tambien como sensores de contacto
o no contacto. Como su nombre lo indica, la primera clase de sensores responde
al contacto fısico, tal como el tacto, deslizamiento y torsion. Los sensores de no
contacto se basan en la respuesta de un detector a las variaciones en la radiacion
electromagnetica o acustica. Los ejemplos mas destacados de los sensores de no
contacto miden alcance, la proximidad y las propiedades visuales de un objeto.
Los sensores de fuerza y de torsion se utilizan como dispositivos de realimentacion
para controlar la manipulacion de un objeto una vez que se haya agarrado (por
ejemplo, para evitar el aplastamiento del objeto o para impedir su deslizamiento
Deteccion de alcance Estos sensores se utilizan en robotica para obtener infor-
macion asociada con el contacto entre una mano manipuladora y objetos en el
espacio de trabajo. Cualquier informacion puede utilizarse, por ejemplo, para la
localizacion y el reconocimiento del objeto, ası como para controlar la fuerza ejer-
cida por un manipulador sobre un objeto dado. Los sensores de contacto pueden
subdividirse en dos categorıas principales: binarios y analogicos. Los sensores bi-
narios son esencialmente conmutadores que responden a la presencia o ausencia
de un objeto. Por el contrario los sensores analogicos proporcionan a la salida
una senal proporcional a una fuerza local. Estos dispositivos se examinan con mas
detalle a continuacion.
Deteccion de torsion Los sensores de fuerza y de torsion se utilizan principal-
mente para medir las fuerzas de reaccion desarrolladas en la superficie de separacion
entre conjuntos mecanicos. Los metodos principales para realizar esta operacion
son los de deteccion de articulacion y muneca. Un sensor de articulacion mide
los componentes cartesianos de la fuerza y de la torsion que actua sobre una ar-
ticulacion de robot y la suma de forma vectorial. La mayorıa de los sensores de
68
fuerza de muneca funcionan como transductores para transformar las fuerzas y los
momentos ejercidos en la mano en desviacion o desplazamientos medibles en la
muneca. Es importante que los movimientos de muneca generados por el sensor
de fuerza no afecten a la exactitud del posicionamiento del manipulador
Deteccion de proximidad • Sensores inductivos: Los sensores basados en un
cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto metalico estan
entre los sensores de proximidad industriales de mas frecuente uso. El prin-
cipio de funcionamiento de estos sensores consiste fundamentalmente de una
bobina arrollada, situada frente a un iman permanente empaquetado en un
receptaculo simple y robusto.
• Sensores de efecto hall: El efecto Hall relaciona la tension entre dos puntos de
un material conductor o semiconductor con un campo magnetico a traves del
material. Cuando se utilizan por si mismos, los sensores de efecto Hall solo
pueden detectar objetos magnetizados. Empleados en conjunto con un iman,
son capaces de detectar todos los materiales ferromagneticos.
• Sensores capacitivos: Son potencialmente capaces (con diversos grados de
sensibilidad) de detectar todos los materiales solidos y lıquidos. Como su
nombre indica, estos sensores estan basados en la deteccion de un cambio
en la capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento
sensor.
• Sensores Ultrasonicos: La respuesta de todos los sensores de proximidad
hasta ahora examinados depende, en gran medida, del material objeto de
la deteccion. Esta dependencia puede reducirse mucho utilizando sensores
ultrasonicos. Examinaremos ahora el funcionamiento de estos sensores e ilus-
traremos su empleo para deteccion de proximidad. El elemento basico es un
transductor electroacustico, frecuentemente del tipo ceramico piezoelectrico.
69
La capa de resina protege el transductor contra la humedad, polvo y otros fac-
tores ambientales y tambien actua como un adaptador de impedancia acustica.
puesto que el mismo transductor se suele utilizar para la transmision y la re-
cepcion, un amortiguamiento rapido de la energıa acustica es necesario para
detectar objetos a pequena distancia. Esta operacion realiza proporcionando
absorvedores acusticos y desacoplando el transductor de su receptaculo. Este
ultimo esta disenado de modo que produzca un haz acustico estrecho para
una eficaz transferencia de energıa y una mejor direccionalidad de la senal.
• Opticos: Los sensores de proximidad opticos son similares a los sensores ul-
trasonicos en el sentido de que detectan la proximidad de un objeto por su
influencia sobre una onda propagadora que se desplaza desde un transmisor
hasta un receptor.
Sensores de contacto • Sensores Binarios: Como se indico anteriormente, los
sensores binarios son dispositivos de contacto, tales como microinterruptores.
En la disposicion mas simple, un conmutador esta situado en la superficie
interior de cada dedo de una mano de manipulacion. Este tipo de deteccion
es de utilidad para determinar si una pieza esta presente entre los dedos.
Desplazando la mano sobre un objeto y establecido secuencialmente contacto
con su superficie, tambien es posible centrar la mano sobre el objeto para su
agarre y manipulacion.
• Sensores Analogicos:Un sensor analogico es un dispositivo manejable cuya
salida es proporcional a una fuerza local. El mas simple de estos dispositivos
esta constituido por una varilla accionada por resorte que esta mecanicamente
enlazada con un eje giratorio, de tal manera que el desplazamiento de la varilla
es debido a la fuerza lateral dada.
• Triangulacion:En este procedimiento un objeto se ilumina por un haz de luz,
que barre toda la superficie. El movimiento de barrido esta en el plano definido
70
por la lınea desde el objeto hasta el detector y por la lınea desde el detector
hasta la fuente. Si el detector se enfoca sobre una pequena parte de la super-
ficie,entonces cuando el detector ve la mancha, su distancia puede calcularse
a partir de la geometrıa, puesto que se conocen el angulo de la fuente con la
lınea de base y la distancia entre la fuente y el detector.
• Metodo de iluminacion estructural:Este metodo consiste en proyectar una
configuracion de luz sobre un conjunto de objetos y en utilizar la distorsion
de la configuracion para calcular el alcance.
• Telemetro de tiempo de vuelo: El concepto general consiste en emitir una senal
(laser o de ultrasonidos, frecuencias altas), y calcular la distancia por medio
de ecuaciones o interpretadores de las variaciones que estas senales sufren al
regresar al emisor. Estos sistemas presentan limitaciones en la resolucion, por
lo que generalmente son utilizados para navegacion y para evitar obstaculos.
PARTE 3
UNIDAD II. CINEMATICA Y DINAMICA DEL
ROBOT
La cinematica del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sis-
tema de referencia. Ası, la cinematica se interesa por la descripcion analıtica del
movimiento espacial del robot como una funcion del tiempo, y en particular por las
relaciones entre la posicion y la orientacion del extremo final del robot con los val-
ores que toman sus coordenadas articulares. Existen dos problemas fundamentales
para resolver la cinematica del robot, el primero de ellos se conoce como el problema
cinematico directo, y consiste en determinar cual es la posicion y orientacion del ex-
tremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como
referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parametros geometricos
de los elementos del robot, el segundo denominado problema cinematico inverso re-
suelve la configuracion que debe adoptar el robot para una posicion y orientacion
del extremo conocidas.
Denavit y Hartenberg propusieron un metodo sistematico para descubrir y represen-
tar la geometrıa espacial de los elementos de una cadena cinematica, y en particular
de un robot, con respecto a un sistema de referencia fijo. Este metodo utiliza una
matriz de transformacion homogenea para descubrir la relacion espacial entre dos el-
ementos rıgidos adyacentes, reduciendose el problema cinematico directo a encontrar
una matriz de transformacion homogenea 4X4 que relacione la localizacion espacial
del robot con respecto al sistema de coordenadas de su base.
71
72
Por otra parte, la cinematica del robot trata tambien de encontrar las relaciones
entre las velocidades del movimiento de las articulaciones y las del extremo (vease
Figura 3–1). Esta relacion viene dada por el modelo diferencial expresado mediante
la matriz Jacobiana.
Figure 3–1: Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles.
3.1 Conceptos basicos
Los conceptos que se pretenden describir en esta seccion nos permitiran comprender
mejor la cinematica de un robot.
3.1.1 Posicion y orientacion en el plano
Este problema es frecuente en el estudio de robots moviles que navegan por terrenos
planos. En este caso se necesitan dos coordenadas y un angulo de orientacion.
Supongase un sistema de coordenadas fijo al que se designara como sistema {A}. La
posicion con respecto a este sistema se representara mediante un vector de posicion
73
AP , tal como se ilustra en la Figura 3–2, cuyas componentes son las coordenadas de
este punto (vease ecuacion 3.1).
Figure 3–2: Vector de coordenadas en el plano
AP =
px
py
(3.1)
Este sistema tiene como vectores unitarios aXA y YA. Otra posible forma de expresar
las coordenadas de un punto con respecto a un sistema de referencia es mediante el
empleo de coordenadas polares, como se ilustra en la Figura 3–3. En este caso las
coordenadas son la distancia al origen r y el angulo θ que forma el vector con el eje
XA.
Figure 3–3: Coordenadas polares
Considerese tambien otro sistema de coordenadas con vectores unitarios XB y YB,
como se muestra en la Figura 3–4. La direccion del vector YB forma un angulo θ
con el vector YA. Observese que si por ejemplo, se trata de localizar un robot movil
74
que se desplaza en el plano, este segundo sistema puede ser solidario al robot con
YB en la orientacion del robot.
Figure 3–4: localizacion de un objeto en posicion y orientacion
Si se expresan los vectores unitarios del sistema {B} en el {A}, se escribira AXB
, AYB.Estos dos vectores se disponen segun las columnas de una matriz (vease
Ecuacion 3.2).
ABR =
[
AXBAYB
]
=
r11 r12
r21 r22
(3.2)
A la que se le conoce como matriz de rotacion. Este tipo de matrices es muy
importante en los modelos empleados en robotica. Observese que si el angulo de
orientacion es θ, de la Figura 3–4se deduce la Ecuacion 3.3
ABR =
cos θ −senθ
senθ cos θ
(3.3)
Teniendo en cuenta que los vectores son ortonormales, puede escribirse tambien la
Ecuacion 3.4
ABR = B
AR−1 = B
ART (3.4)
Supongase que el sistema {B} tiene sus vectores coincidentes con los de {A}, como se
ilustra en la Figura 3–5. Este problema se presentarıa por ejemplo cuando el robot
75
se desplazara sin cambiar de orientacion. El origen del sistema {B} se localizara con
respecto al {A} mediante el vector de la Ecuacion 3.5
Figure 3–5: Traslacion del sistema de coordenadas
APORGB =
[
APxORGBAPyORGB
]T
(3.5)
Por tanto las coordenadas de un punto cualquiera del plano en los dos sistemas estan
relacionados mediante la Ecuacion 3.6
APx = BPx + APxORGB
APy = BPy + APyORGB
(3.6)
Expresiones en las cuales las componentes de los vectores pueden sumarse por estar
estos vectores en la misma direccion. Las Ecuaciones 3.6 definen la transformacion
de traslacion del sistema de coordenadas.
Supongase ahora que el origen del sistema {B} coincide con el del {A} pero la ori-
entacion es diferente, como se ilustra en la Figura 3–6. Esta circunstancia se presenta
al estudiar movimientos de rotacion. Asimismo, este serıa el caso cuando el sistema
de referencia {A}, se desplazara con el robot pero mantuviera su orientacion con-
stante, mientras el sistema {B} ademas de desplazarse con el robot girara tambien
con el. En este caso las coordenadas expresadas en el sistema {A} en funcion de las
del {B} vienen dadas por la Ecuacion 3.7.
76
APx = BXA.BP
APy = BYA.BP
(3.7)
Expresion en la cual el punto indica el producto escalar. Notese como 3.7 indican las
proyecciones del vector AP que define el punto sobre los ejes unitarios del sistema
que se toma como referencia. Estas expresiones pueden escribirse de forma compacta
en la ecuacion 3.8
AP = ABR
BP =
BXTA
BY TA
BP (3.8)
Figure 3–6: Rotacion del sistema de coordenadas
En general, en el cambio de sistemas de coordenadas existiran tanto traslaciones
como rotaciones.
Ejemplo 1
Un robot movil provisto de sensores de proximetrıa detecta un obstaculo a una
distancia d en la direccion de marcha (vease Figura 3–7). Se sabe que el angulo
de orientacion del robot en el instante de medida es θ. Se trata de determinar las
coordenadas absolutas del obstaculo con respecto a un sistema de ejes de referencia
solidario al vehıculo pero con la misma orientacion del sistema absoluto.
77
Figure 3–7: Deteccion de un obstaculo desde un robot movil
De acuerdo con la Figura anterior, podemos plantear que:
BP =
[
0 d
]T
; BXA =
[
cos θ −senθ
]T
; BYA =
[
senθ cos θ
]T
Recordemos que BXA y BYA son vectores unitarios. Por consiguiente:
APxobs = BXA.BP = −d senθ; APyobs = BYA.
BP = d cos θ
Figure 3–8: Cambio de sistema de referencia en navegacion de robots moviles
Considerese ahora la situacion que se ilustra en la Figura 3–8. Se supone que el sis-
tema {A} esta fijo y, en el instante en que se toma la medida, el robot esta situado
con respecto a {A} en unas coordenadas (xrobot, yrobot) el obstaculo se encuentra con
78
respecto al sistema {A} en:
APxobs = xrobot + BXA.BP = xrobot − d senθ
APyobs = yrobot + BYA.BP = yrobot + d cos θ
Fijemonos que hemos hecho una rotacion y una traslacion de coordenadas.
Ejemplo 2
Considerese ahora un manipulador plano con una articulacion de traslacion y otra
de rotacion como el que se muestra en la Figura 3–9.
Figure 3–9: Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano
Sean d y θ las variables de la primera y la segunda articulacion. Las coordenadas
respecto la sistema {A} estan relacionadas con las coordenadas del sistema {B}
segun se muestra a continuacion:
APx =(
BPx + l)
cos θ − pysenθ;
APy = BPy cos θ + BPxsenθ + lsenθ;
79
3.1.2 Posicion y orientacion en el espacio
En el ambito de la robotica resulta imprescindible representar las posiciones y ori-
entaciones en el espacio.
Figure 3–10: Posicion en el espacio
Sea AP el vector de posicion en un sistema {A}, tal como se ilustra en la Figura
3–10, para un vehıculo autonomo. En este caso la Ecuacion que nos representa esto
es 3.9:
AP =
px
py
pz
(3.9)
Siendo px,py, y pz las coordenadas. Lo anterior al usar coordenadas cartesianas,
sin embargo sabemos que un punto en el espacio tambien se puede representar en
coordenadas cilındricas tal como se muestra en la Figura 3–11. En este caso las
coordenadas son la distancia r, el angulo θ y la distancia z entre el punto y el plano
XAYA. Las dos primeras tienen el mismo significado que las coordenadas polares
mencionadas en la seccion anterior.
Por ultimo en la Figura 3–12se muestran las coordenadas esfericas.
La orientacion de un cuerpo se describe mediante el sistema de coordenadas {B}
solidario al cuerpo. Si se desea representar la orientacion con respecto a un sistema
80
Figure 3–11: Posicion en el espacio con coordenadas cilındricas
Figure 3–12: Posicion en el espacio con coordenadas esfericas
de referencia {A}, el problema consiste simplemente en expresar {B} con respecto
a {A}.
Sean XB,YB y ZB los vectores unitarios en la direccion de los ejes del sistema
de coordenadas {B}. Si se desea expresar estos vectores respecto al sistema {A}, se
escribira AXB,AYB y AZB. En este caso la matriz de rotacion es la mostrada en la
Ecuacion 3.10:
{
ABR
}
=
[
AXBAYB
AZB
]
=
r11 r12 r13
r21 r22 r23
r31 r32 r33
(3.10)
Para concluir con lo anterior, se debe mencionar que la localizacion de un cuerpo
(posicion y orientacion) en el espacio, se determina mediante cuatro vectores de tres
elementos, formando tres de ellos la matriz de rotacion ABR del sistema {B} que se
mueve solidario al solido rıgido con respecto a un sistema de referencia {A}, y el
cuarto la posicion del origen APORGB del sistema {B} solidario al cuerpo, expresada
en el sistema de referencia {A}, como se ilustra en la Figura 3–13.
81
Figure 3–13: Posicion y orientacion en el espacio
En la mayor parte de los problemas de robotica es necesario realizar cambios entre
sistemas de referencia en el espacio. Ası, en robots manipuladores convencionales, los
modelos del manipulador involucran cambios entre sistemas asociados a las diferentes
articulaciones de la cadena cinematica para describir la posicion y orientacion del
extremo del manipulador con relacion a la base.
Tal como se ha visto previamente, estas transformaciones consisten esencialmente en
traslaciones y rotaciones. Suponiendo que {A} y {B} tienen la misma orientacion,
la traslacion puede expresarse mediante la Ecuacion 3.11:
AP = BP + APORGB (3.11)
Como se ilustra en la figura 3–14. Observese que los dos vectores de la derecha de
la expresion pueden sumarse debido a que ambos sistemas de referencia tienen la
misma orientacion. La rotacion puede expresarse mediante la Ecuacion 3.12.
ABR = B
AR−1 = B
ART (3.12)
Igualdades que se justifican teniendo en cuenta que las columnas son vectores ortonor-
males. En terminos de estos vectores puede escribirse la Ecuacion 3.13.
ABR =
[
AXBAYB
AZB
]
=
BXTA
BY TA
BZTA
(3.13)
82
Figure 3–14: Cambio de sistemas de referencia en el espacio
Suponiendo que los orıgenes de {A} y {B} son coincidentes, puede escribirse la
Ecuacion 3.14:
AP = ABR
BP (3.14)
Si se recuerda que los componentes de BP pueden considerarse como las proyecciones
del vector que define el punto en los vectores unitarios que definen el sistema de
referencia, se tiene la Ecuacion 3.15
APx = AXA.BP
APy = AYA.BP
APz = AZA.BP
(3.15)
Expresiones en las cuales el punto indica el producto escalar.
Como ya se menciono, en un caso general se involucran tanto traslaciones como
rotaciones. Si A∏
y B∏
son respectivamente los vectores AP y BP extendidos una
componente de valor 1 podemos definir en la Ecuacion 3.16:
A∏
=
AP
1
; B
∏
=
BP
1
(3.16)
83
Puede escribirse tambien la ecuacion 3.17
A∏
= ABT
B∏
(3.17)
Donde:
ABT =
ABR
APORGB
0 0 0 1
(3.18)
Es una matriz de 4X4 a la que se denomina matriz de transformacion homogenea.
Esta matriz es util para expresar de forma compacta la rotacion (submatriz 3X3 su-
perior izquierda) y la traslacion (vector columna 3X1 formado por los tres primeros
elementos de la cuarta columna).
3.1.3 Transformaciones compuestas
En numerosos problemas de robotica es necesario involucrar transformaciones com-
puestas generadas mediante una serie de operaciones elementales de traslacion o
rotacion. Por tanto resulta natural asociar un sistema de referencia diferente a cada
articulacion de un manipulador. Si se desea conocer la localizacion de la pinza
situada en el extremo del ultimo enlace, es necesario estudiar la transformacion
compuesta que relaciona este extremo con la base del manipulador.
Considerese por ejemplo la transformacion compuesta que se muestra en la Figura
3–15. Se supone que {C} es conocido con respecto a {B} y {B} con respecto a {A}.
por consiguiente si se tiene que CP y se desea obtener AP , se procedera segun
BP = BCT
CP
AP = ABT
BP(3.19)
Sustituyendo la primera en la segunda:
AP = ABT
BCT
CP = ACT
CP (3.20)
siendo
84
ACT = A
BTBCT (3.21)
una transformacion compuesta que puede expresarse mediante la matriz homogenea:
ACT =
ABR
BCR
ABR
BPORGC + APORGB
0 0 0 1
(3.22)
Figure 3–15: Transformaciones compuestas
Ejemplo
Considerese un robot manipulador con dos articulaciones que se mueve en el plano
con dos grados de libertad, tal como se muestra en la Figura 3–16.
Figure 3–16: Manipulador plano con dos articulaciones de rotacion
85
En este caso se asocia un cuadro de referencia a cada articulacion, tal como se indica
en la Figura. Las matrices de rotacion correspondientes son:
01R =
cos θ1 −senθ1 0
senθ1 cos θ1 0
0 0 1
(3.23)
12R =
cos θ2 −senθ2 0
senθ2 cos θ2 0
0 0 1
(3.24)
La transformacion compuesta viene dada por:
02R = 0
1R12R =
cos θ1 cos θ2 − senθ1senθ2 − cos θ1senθ2 − senθ1 cos θ2 0
senθ1 cos θ2 + cos θ1senθ2 cos θ1 cos θ2 − senθ1senθ2 0
0 0 1
(3.25)
Simplificaremos la notacion escribiendo si en lugar de senθi, ci en lugar de cosθi, y
cos (θ1 + θ2) = c1c2 − s1s2 = c12
sen (θ1 + θ2) = c1s2 + s1c2 = s12
(3.26)
Por consiguiente, la expresion anterior se ecribira
02R = 0
1R12R =
c12 −s12 0
s12 c12 0
0 0 1
(3.27)
Por ultimo, en esta seccion se describira el problema tıpico en el ambiente de la
robotica: Supongase que un manipulador robotico provisto de una pinza {H} en
su extremo agarra un objeto {O} definido con respecto a un sistema de referencia
{M} asociado a una mesa. La situacion de los sistemas de referencia se ilustra en
86
la Figura 3–17. Se suponen conocidas BHT , que describe la localizacion del sistema
de referencia {H} asociado a la pinza del manipulador con respecto a la base, BMT
que describe el sistema de referencia {M} asociado a la mesa con respecto al de la
base {B}, y MO T que describe el sistema de referencia {O} asociado al objeto con
respecto al de la mesa {M}.
Figure 3–17: Representacion de ecuaciones de transforamcion
Se trata de obtener la posicion y orientacion del objeto con respecto a los dedos del
manipulador.
La localizacion del objeto con respecto a la base viene dada por
BOT = B
MTMO T (3.28)
Por otra parte, la localizacion del objeto puede expresarse como
BOT = B
HTHOT (3.29)
Por consiguiente, igualando el lado derecho de ambas ecuaciones, puede obtenerse la
posicion y orientacion del objeto con respecto a la pinza del manipulador mediante:
HOT = B
HT−1 B
MTMO T (3.30)
87
Aunque hay otras formas diferentes de representar la orientacion, estas quedan para
investigacion del estudiante.
3.2 Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H)
Un robot articulado puede describirse usando cuatro magnitudes asociadas a cada ar-
ticulacion. Una de estas es la variable de la articulacion y las restantes son paramet-
ros fijos para cada robot.
Figure 3–18: Asignacion de ejes de referencia a articulaciones consecutivas
En la Figura 3–18 se ilustran los parametros que permiten definir una representacion
de las relaciones de traslacion y rotacion entre los enlaces adyacentes. Ası, la variable
de una articulacion i de rotacion se representara mediante el angulo θi y la de
una prismatica mediante el desplazamiento di. Los otros dos parametros de la
articulacion son la distancia ai−1 entre el eje de la articulacion i − 1 y el eje de la
articulacion i, medida sobre la lınea perpendicular comun y el angulo αi−1 entre estos
dos ejes (angulo entre las proyecciones de los dos ejes en un plano cuya normal es la
perpendicular comun) medido como rotacion alrededor de la perpendicular comun
hasta coincidir las direcciones de los ejes. Cuando el eje i− 1 y el eje i intersectan,
el valor del parametro ai es cero. Las cadenas cinematicas se describiran indicando
los cuatro parametros de D-H de las articulaciones. En la primera articulacion de
la cadena, el valor de los parametros a0 y α0 es arbitrario y se toma como cero.
88
Si la articulacion es de rotacion, el parametro di se toma tambien cero. Cuando la
articulacion es prismatica, el parametro θi se hace igual cero.
Los sistemas de referencia se asignan haciendo coincidir uno de los ejes del sistema
de coordenadas, tıpicamente el Zi, con el eje de la articulacion. El origen de {i} se
escoge en el punto en que la lınea sobre la que se define ai intersecta el eje de la
articulacion i. El eje Xi se elige en la direccion de la perpendicular comun entre el
eje de la articulacion y la siguiente. Para elegir el eje Yi se sigue la regla de la mano
derecha.
Por consiguiente, ai y αi resultan ser respectivamente la distancia desde Zi hasta
Zi+1 y el angulo entre estos dos ejes medida sobre el eje Xi. El signo de αi sera
positivo si al llevar Zi sobre Zi+1 por el camino mas corto, el sentido que resulte de
aplicar la regla de la mano derecha es el mismo que el del vector Xi. Ası mismo,
di y θi son, respectivamente la distancia desde xi−1 hasta Xi y el angulo entre estos
dos ejes medidos sobre el eje Zi. El signo de θi sera positivo si al llevar Xi−1 sobre
Xi por el camino mas corto, el sentido que resulte de aplicar la regla de la mano
derecha es el mismo que el del vector Zi.
El sistema de referencia {0} se elige de forma que Z0 coincide con Z1 cumpliendose
siempre que a0 = α0 = 0. Cuando la ultima articulacion es de rotacion, el sistema
de referencia {n} se elige con la direccion de Xn alineada con Xn−1 cuando θn = 0.
Si {n} es prismatica, su origen se elige en la interseccion entre su eje y Xn−1 cuando
dn = 0.
Por ultimo, recordemos que la idea es representar la articulacion {i} con respecto a
{i-1} y que cada transformacion puede definirse segun tres parametros y una variable
de articulacion. Por todo lo anterior, la aplicacion de los parametros de D-H, permite
solucionar un problema cinematico directo (vease siguiente seccion) al usar la matriz
de transformacion 3.31, para cada articulacion en la cadena cinematica
89
i−1i T =
cθi −sθi 0 ai−1
sθicαi−1 cθicαi−1 −sαi−1 −sαi−1di
sθisαi−1 cθisαi−1 cαi−1 cαi−1d
0 0 0 1
(3.31)
Donde s significa seno y c coseno.
3.3 El problema cinematico directo
Se utiliza fundamentalmente el algebra vectorial y matricial para representar y de-
scribir la localizacion de un objeto en el espacio tridimensional con respecto a un
sistema de referencia fijo. Dado que un robot puede considerar como una cadena
cinematica formada por objetos rıgidos o eslabones unidos entre sı mediante artic-
ulaciones, se puede establecer un sistema de referencia fijo situado en la base del
robot y describir la localizacion de cada uno de los eslabones con respecto a dicho
sistema de referencia. De esta forma, el problema cinematico directo se reduce a
encontrar una matriz homogenea de transformacion T que relacione la posicion y
orientacion del extremo del robot respecto del sistema de referencia fijo situado en
la base del mismo. Esta matriz T sera funcion de las coordenadas articulares.
Para construir un modelo directo de un robot con ”n” articulaciones es necesario
definir un sistema de referencia solidario a cada segmento y elegir sus parametros,
considerando lo propuesto por Denavit-Hartenberg. A partir de las matrices de
cada articulacion puede obtenerse la transformacion compuesta 0nT que relaciona la
localizacion {n} con la {0}, Esta transformacion sera funcion de las ”n” variables
de las articulaciones q1, q2, q3, ...., qn.
Por consiguiente, dados los valores de q1, q2, q3, ...., qn, puede calcularse la posicion
cartesiana de la ultima articulacion como se muestra en 3.32:
p = ϕ(q) = 01T
12T
23T...
n−1n T = 0
nT (3.32)
90
La aplicacion de estas ecuaciones permite estimar la posicion y orientacion del efector
final del manipulador, conociendo los valores de las variables articulares.
3.3.1 Ejemplo 1
Considerese el manipulador plano con tres articulaciones de rotacion que se muestra
en la Figura 3–19. Las longitudes de los segmentos son l1 y l2.
Figure 3–19: Manipulador plano con tres articulaciones de rotacion
La asignacion de los marcos de referencia tambien se muestra en la Figura 3–19.
Los ejes Z0,Z1,Z2 de los marcos de referencia {0},{1} y {2}, son paralelos y en la
misma direccion de los ejes de las tres articulaciones apuntando hacia afuera. Por
consiguiente los parametros di y los αi son todos nulos. En la siguiente tabla se
muestran los parametros obtenidos para nuestro ejemplo.
i αi αi−1 θi di
1 0 0 θ1 0
2 0 l1 θ2 0
3 0 l2 θ3 0
Sean ci = cos(θi) y si = sen(θi), las matrices de transformacion de las articulaciones
se muestran en la Ecuacion 3.33:
91
01T =
c1 −s1 0 0
s1 c1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
12T =
c1 −s2 0 l1
s2 c2 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
23T =
c3 −s3 0 l2
s3 c3 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
(3.33)
Por lo tanto el modelo directo viene dador por la Ecuacion 3.34
03T = 0
1T12T
23T =
c123 −s123 0 l1c1 + l2C12
s123 c123 0 l1s1 + l2s12
0 0 1 0
0 0 0 1
(3.34)
Donde los nuevos terminos usados se definen en el arreglo 3.35
c12 = c1c2 − s1s2
s12 = c1s2 − s1c2
c123 = c12c3 − s1c2
s123 = s12c3 − c12s3
(3.35)
Vemos que el problema cinematico directo se puede resolver usando los parametros
de Denavit-Hartenberg junto con algunas propiedades del algebra matricial.
92
3.3.2 Ejemplo 2
Considerese el Robot que se muestra en la Figura 3–20. El sistema de referencia {0}
se supone rıgidamente unido al enlace 0 y el {n} al ultimo enlace. El sistema {1}
coincide con {0} para θ1 = 0, pero gira con respecto a este al variar θ1.
Figure 3–20: Esquema del robot del ejemplo 2
Al igual que en el ejemplo anterior, para simplificar la representacion, los ejes de
movimiento se eligen coincidentes con algun eje de los sistemas de referencia, y en
particular con el eje Z. Ası en la primera y tercera articulacion (rotacionales), existen
rotaciones alrededor de Z1 y de Z3, y en la segunda (prismatica) un desplazamiento
a lo largo de Z2.
Teniendo en cuenta la notacion que se introdujo para los parametros de Denavit-
Hartenberg, en una articulacion prismatica la variable es la d2, siendo fijo el valor
de θ2. El origen del sistema de referencia {2} se elige de forma que, cuando d2 es
cero, corresponda a la extension mınima del enlace, con lo cual la variable d2 mide
la extension de la articulacion. Al seleccionar los sistemas de referencia como en la
Figura 3–20, los ejes de las articulaciones {1} y {2} intersectan y por lo tanto el
desplazamiento a1 es cero. Notese tambien como Z1 y Z2 estan rotados 90◦. Los
demas valores de los parametros se resumen en la siguiente tabla:
93
i αi−1 ai−1 θi di
1 0 0 θ1 0
2 90◦ 0 0 d2
3 0 0 θ3 l2
Usando las convenciones que se mencionaron en el anterior ejemplo, las transforma-
ciones resultantes son las que se muestran en el arreglo de ecuaciones 3.36:
01T =
c1 −s1 0 0
s1 c1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
12T =
1 0 0 0
0 0 −1 −d2
0 1 0 0
0 0 0 1
23T =
c3 −s3 0 0
s3 c3 0 0
0 0 1 l2
0 0 0 1
(3.36)
Obtener la matriz correspondiente a 03T queda como ejercicio para el estudiante.
3.4 El problema cinematico inverso
El objetivo del problema cinematico inverso consiste en encontrar los valores que
deben adoptar las coordenadas articulares del robot q = (q1, q2, ..., qn). Para que
su extremo se posicione y oriente segun una determinada localizacion espacial.
Como sabemos, es posible abordar el problema cinematico directo de una manera
sistematica a partir de la utilizacion de matrices de transformacion homogeneas, e
94
independientemente de la configuracion del robot. Sin embargo, no ocurre lo mismo
con el problema cinematico inverso, siendo el procedimiento de obtencion de las
ecuaciones fuertemente dependiente de la configuracion del robot.
Se han desarrollado algunos procedimientos genericos susceptibles de ser programa-
dos, de modo que un computador pueda, a partir del conocimiento de la cinematica
del robot (con sus parametros de D-H, por ejemplo) obtener la n-tupla de valores
articulares que posicionan y orientan su extremo. El inconveniente de estos pro-
cedimientos es que se trata de metodos numericos iterativos, cuya velocidad de
convergencia e incluso su convergencia en sı, no esta siempre garantizada.
La solucion de este problema hace necesario considerar, en primer lugar, la existencia
de soluciones. En efecto, se trata de asegurar que la posicion y orientacion necesaria
para manipular el objeto, puede o no ser alcanzada por el efector final, en otras
palabras, si esta o no dentro del espacio de trabajo alcanzable. En los casos en que la
localizacion del objetivo no pertenece a dicho espacio, se debe buscar una solucion
lo mas cercana posible a la deseada POT con la cual se resolvera el modelo inverso.
Notese que la existencia o no de soluciones depende del numero de articulaciones del
manipulador. Ası, en general un manipulador con menos de seis grados de libertad,
no puede situar y orientar el efector final, en una posicion cualquiera del espacio
3d. Considerese por ejemplo el manipulador plano (vease Figura 3–21) con dos
articulaciones de rotacion. Suponiendo que los enlaces tienen longitudes l1 y l2,
resulta evidente que el espacio de trabajo alcanzable es un anillo de radio exterior
l1 + l2 y radio interior |l1 − l2|. Para el caso particular en que l1 = l2 el espacio
alcanzable es un disco de radio 2l1.
Observese que a los puntos del interior se puede llegar con dos posibles orientaciones,
mientras que los puntos del lımite con solo una. Hemos dicho implıcitamente que las
articulaciones pueden girar 360◦, lo que normalmente no sera posible. En la practica
95
Figure 3–21: Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de libertadde rotacion
se establecen restricciones adicionales que limitan el espacio de trabajo. ¿que pasarıa
si la segunda articulacion solo pudiese girar 180◦?
3.4.1 Ejemplo
Considerese el manipulador de la Figura 3–19. La especificacion de la muneca (efec-
tor) relativa a la base viene dada por el modelo directo BMT (vease Ecuacion 3.37)
del ejemplo 1 de la Seccion anterior.
BMT = 0
3T =
c123 −s123 0 l1c1 + l2C12
s123 c123 0 l1s1 + l2s12
0 0 1 0
0 0 0 1
(3.37)
Donde las expresiones de c12, s12, c123, s123 se muestran en la Ecuacion 3.35.
En un manipulador plano, la especificacion de la posicion y orientacion deseadas en
el extremo del manipulador se realiza indicando tres valores x, y, φ. Siendo los dos
primeros las coordenadas en el plano del extremo del manipulador y φ su orientacion
con la relacion al eje X positivo. Por tanto, en vez de considerar como dato una
matriz general BMT , se supondra una transformacion con la estructura
96
BMT =
cφ −sφ 0 x
sφ cφ 0 y
0 0 1 0
0 0 0 1
(3.38)
siendo sφ y cφ el seno y el coseno del angulo de orientacion φ respectivamente.
Igualando los elementos no triviales de las matrices 3.38 y 3.37 (diferentes de cero y
uno) se obtienen cuatro ecuaciones, en las cuales existen tres incognitas θ1, θ2 y θ3.
Notese como dos ecuaciones corresponden a las coordenadas x e y:
x = l1c1 + l2 (c1c2 − s1s2)
y = l1s1 + l2 (c1s2 − s1c2)(3.39)
Las dos restantes corresponden a la orientacion y pueden resumirse en
θ1 + θ2 + θ3 = φ = arctg2(sφ, cφ) (3.40)
donde la funcion arctg2” se define como la tangente inversa, teniendo en cuenta el
cuadrante al que pertenece el punto a evaluar (signo de los argumentos).
Para obtener las ecuaciones que resuelvan el modelo inverso se elevan al cuadrado
las ecuaciones 3.39 y se suman con lo cual se obtiene:
x2 + y2 = l21 + l22 + 2l1l2c2 (3.41)
Despejando c2 se obtiene
c2 =x2 + y2 − l21 − l22
2l1l2(3.42)
Para que exista una solucion, el lado derecho de la ecuacion debe dar un valor entre
-1 y +1. Si no se cumple esta condicion, el punto objetivo esta demasiado lejos para
97
que lo alcance el manipulador. Suponiendo que existe solucion, para determinar θ2
teniendo en cuenta el signo se hace
s2 = ±√
1 − c22 (3.43)
De donde puede calcularse θ2 mediante:
θ2 = arctg2 (s2, c2) (3.44)
Dependiendo del signo de s2 (positivo o negativo, se tiene una solucion diferente
(ariba o abajo). Una vez que se conoce θ2, la posicion y orientacion pueden calcularse
mediante:
x = (l1 + l2c2) c1 − (l2s2) s1 (3.45)
y = (l1 + l2c2) s1 + (l2s2) c1 (3.46)
Dividiendo 3.46 en 3.45 se obtiene:
y
x=
(l1 + l2c2) s1 + (l2s2) c1(l1 + l2c2) c1 − (l2s2) s1
=tgθ1 + l2s2
l1+l2c2
1 − l2s2
l1+l2c2tgθ1
(3.47)
Notese que el lado derecho de 3.47 coincide con la expresion de la tangente de la
suma de dos angulos, por lo cual puede escribirse:
θ1 = arctg2 (y, x) − α (3.48)
siendo
θ1 = arctg2 (l2s2, l1 + l2c2) (3.49)
98
Notese que al escoger el signo de θ2 tambien afecta a θ1. Observese ademas que,
cuando x = y = 0, no puede determinarse el lado derecho de 3.48, por lo que θ1 es
arbitrario. Finalmente conociendo θ1 y θ2, se calcula θ3 mediante la Ecuacion 3.40.
Desarrollo por metodo geometrico
Figure 3–22: Solucion por metodos geometricos
Aplicando relaciones trigonometricas en los triangulos de la Figura 3–22 se obtiene:
x2 + y2 = l21 + l22 − 2l1l2 cos (180◦ + θ2) = l21 + l22 − 2l1l2 cos θ2 (3.50)
Por tanto, puede despejarse
cos θ2 = c2 =x2 + y2 − l21 − l22
2l1l2(3.51)
El algoritmo debe comprobar que la distancia√
x2 + y2 sea menor o igual que l1 + l2
antes de aplicar las expresiones. Suponiendo que existe solucion, se resuelve para
un valor de θ2 entre 0 y -180◦ ya que el triangulo solo existe para estos valores.
La otra posible solucion (linea discontinua en la parte inferior) corresponde a θ2.
Para obtener θ1 se encuentran las expresiones de los angulos β. y ψ. Notese que
β = arctg2(x, y). por otra parte, aplicando la ley de cosenos se obtiene:
l22 = l21 +(
x2 + y2)
− 2l√
x2 + y2 cosψ (3.52)
99
De donde
cosψ =x2 + y2 − l22 + l21
2l1√
x2 + y2(3.53)
El arco coseno se resuelve para 0 ≤ ψ ≤ 180◦. Finalmente se hace
θ1 = β ± ψ (3.54)
Aplicando el signo {+} si θ2 < 0 y el signo {-} si θ2 > 0.
Por ultimo, teniendo en cuenta
θ1 + θ2 + θ3 = φ (3.55)
Se obtiene θ3.
3.5 Velocidades y jacobiano
PARTE 4
UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBOTICA
4.1 Introduccion
La mayorıa de los robots industriales que hay instalados actualmente en los procesos
productivos, estan practicamente incomunicados con el entorno que les rodea. La
necesidad de tener programadas las acciones a efectuar, restringe el ambiente de
trabajo a unas condiciones estrictas, al igual que a las pinzas o los materiales que
se han de manipular. Cuando las producciones no son grandes, esa ordenacion del
mundo exterior se hace muy costosa y es preciso disponer de robots, que sean capaces
de operar en situaciones que permitan cierta flexibilidad en los elementos.
Existen multitud de sensores capaces de informar de algunas caracterısticas del
ambiente que envuelve al robot, pero la mas completa y la que confiere la maxima
adaptabilidad a la maquina, es la vision artificial.
La importancia de la vision, esta confirmada por la gran cantidad de empresas e
investigadores que se dedican a mejorar esta tecnica. Sin embargo, todavıa no se ha
implantado la vision en los robots comerciales, dadas las dificultades que existen y
que pueden resumirse en el siguiente listado:
• Los sistemas de vision superan, en muchos casos, el coste del sistema de robot
industrial.
• Exigen extensos desarrollos de software, que potencian el nucleo central de In-
teligencia Artificial preciso para que el robot actue de acuerdo con la informacion
del mundo exterior.
100
101
• Se necesitan potentes computadores para procesar una gran cantidad de infor-
macion en poco tiempo. En robotica, las imagen es hay que procesarlas en tiempo
real.
• Hay gran dificultad en el tratamiento de la informacion visual, debido a factores
inherentes al mismo proceso, como son sombras, tipo de iluminacion, imagenes
bidimensionales y tridimensionales, oclusiones entre objetos, etc
• En el analisis de la imagen, ademas de la informacion directa, hay que proce-
sar otras fuentes de datos, tan complejos como los procedentes de la experiencia
memorizada, el contexto general y los objetivos perseguidos.
4.1.1 Sistema de medicion
Un sistema de vision artificial consta de las siguientes partes:
• Camara, encargada de captar la imagen y transmitirla en forma de senales electricas,
siguiendo unas normas de exploracion.
• Interfaz, de adaptacion de las senales electricas producidas por la camara a un
computador.
• Paquetes de software, para el proceso de la informacion por el computador, que
permita analizar las escenas y generar los comandos de gobierno del robot, de
forma autonoma y en tiempo real (Inteligencia Artificial).
En la confeccion del software, pueden distinguirse tres fases consecutivas:
• Seleccion de la informacion util e indispensable, puesto que es casi imposible, tener
en cuenta toda la informacion que proporciona la camara.
• Interpretacion, de la escena en forma conveniente para la aplicacion en curso.
• Calculo y generacion, de las ordenes de control a los elementos motrices del ma-
nipulador, segun los resultados de la fase anterior.
102
4.1.2 La exploracion de imagenes.
La exploracion de una imagen consiste, en esencia, en el conjunto de operaciones
necesarias para, tras enfocarla con la ayuda de un sistema de lentes opticas, con-
vertirla en senales electricas, que por su propia naturaleza, podrıan posteriormente
amplificarse y transmitirse, ası como aplicarse a los dispositivos adecuados para su
reproduccion o el reconocimiento, mas o menos inteligente, de la escena original.
Para la captura se usa por lo general una camara de estado solido:
Por su reducido tamano y peso, su resistencia a los ambientes industriales y hos-
tiles y la tendencia a la baja de su precio, las camaras de estado solido se estan
imponiendo en las aplicaciones de Robotica. Dichas camaras estan formadas por un
conjunto de sensores fotosensibles, dispuestos en una estructura matricial de m filas
y n columnas. Los sensores tienen dimensiones minusculas (25 x 25 micrones) y dan
la informacion sobre un punto o elemento de la imagen, al que se denomina PIXEL
(picture element). La representacion de un punto de una imagen, con las camaras
de estado solido, se define con tres parametros, que se muestran graficamente en la
figura y que son:
1. Situacion de la fila
2. Situacion del columna
3. intensidad luminosa.
Segun los sensores utilizados, las camaras de estado solido pueden ser de tecnologıa
CID (Charge-Injection device) y CCD (Charge- Compled Device): Dispositivo de
inyeccion de carga y de acoplo de carga. La matriz de pıxeles de las camaras de
estado solido, estan formadas por un conjunto de condensadores MOS. En el tipo
CCD, al incidir los fotones, generan unas cargas que son retenidas por cada puerta
y luego tranferidas o leıdas en serie, de forma secuencial.
103
La lectura de informacion de las camaras CID se hace mediante direccionamiento
X-Y, es decir, de forma aleatoria, lo que las faculta para explorar parcialmente a las
imagenes.
El procesamiento de la informacion que entrega la c amara, trata la imagen
selecciona los datos utiles y aplica los algoritmos apropiados para el reconocimiento
de la forma del objeto enfocado.
4.1.3 La Retroalimentacion visual para el funcionamiento del Telerobot
Los telerobots involucran el funcionamiento remoto de brazos mecanicos, la buena
retroalimentacion visual, se requiere para Teleoperaciones exitosas. Uno de los caso
que podemos resenar sucede en la universidad de Australia occidental donde existe
un robot (construido por ABB vease Figura 4–1) que puede controlarse vıa internet.
Este robot consiste en un brazo mecanico con un manipulador. Se posiciona en una
mesa con bloques delante de el. El operador intenta manipular los bloques colocados
en la mesa. Se dan dos vistas de camara de video para ayudar al operador en esta
tarea. El proposito es agregar una tercera camara al robot. La camara extra le dara
una vista buena de los bloques al operador, y ası hace mas facil las teleoperaciones.
La tercera camara no debe restringir el movimiento de los robots. Su vista no
debe bloquearse por otras partes del robot. Debe protegerse si es montado hacia el
manipulador del robot.
La posicion ideal facilita las dos vistas existentes y agrega una tercera dimension
extra para el usuario. La vista tambien tiene que contener la mayor informacion
como sea posible. La unica manera de lograr esto es poner la camara a una distancia
moderada fuera de los manipuladores y los bloques. Consideraciones importantes:
• Visualizacion al contener los objetos y ser sujetados por el propio manipulador.
• El sistema de vision es permanecer independiente de l robot y ası no se obstruya
durante cualquiera de los movimientos normales de los robots
104
Figure 4–1: Robot telecontrolado de la universidad de australia
• La vista sobre todo tiene que ser comprensible. Cuando la computadora se controla
vıa el internet es necesario que la vista sea facil de entender
Teniendo en cuenta estas consideraciones fue decidido que la posicion ideal de vision
estaba en un angulo ligero al eje del brazo y ligeramente elevado (vease Figura 4–2.
Esto agregarıa la tercera dimension necesaria y darıa un a apreciacion global de los
objetos ser sujetados
Figure 4–2: Angulo elegido para la camara
105
4.1.4 La retroalimentacion visual y de fuerza para ayudar al neurociru-jano durante una telecirugıa
El objetivo de este trabajo es desarrollar un sistema para la planificacion y segura
ejecucion de neurocirugıa. Los requisitos visuales para la teleoperacion incluyen: la
situacion del tumor, el mejor camino para la insercion de la sonda y situacion de los
vasos de sanguineos mayores y tejidos delicados del ser humano.
Estos requisitos se proporcionan utilizando un modelo 3D del cerebro, obtenido por
la imagen de resonancia magnetica, el rayo X y tomografıa de la computadora. La
imagen virtual del cerebro se utiliza para dirigir la insercion de la fuerza que refleja
la sonda. Un brazo de robot sostendra la guıa de la sonda, mientras el sistema de
insercion de sonda informa al cirujano las teleoperaciones ejecutadas vease Figura
4–3.
Figure 4–3: Telecirujia
4.1.5 La cirugıa de tele-presencia
El sistema de cirugıa de tele presencia de Sri consiste en dos modulos principales:
una consola para cirujanos y una unidad quirurgica remota (RSU) localizada en la
mesa de cirujias.
Las imagenes del cirujano abajo en un espacio de trabajo virtual (vease Figura 4–4),
recreado por un monitor de video estereografico. El controla cada movimiento de
los manipuladores remotos, utilizan a un sistema maestro- esclavo preciso.
106
La retroalimentacion visual se proporciona por un par de camaras de video en el
RSU, posicionado por encima del paciente y ası obtener una primera vista de la
persona, hacia los manipuladores quirurgicos. El uso de dos camaras proporciona
un efecto de estereo vision realista.
Los usos planeados para esta tecnologıa incluyen la cirugıa remota en el campo de
batalla donde cirujanos pueden proporcionar ayuda inmediata a soldados heridos
Figure 4–4: Cirugıa de tele-presencia
4.2 Procesamiento de imagenes
Los sistemas de vision usados en aplicaciones industriales estan basados en un com-
putador de proposito general compuesto por varios modulos interconectados por
buses normalizados. Ası, los microprocesadores intel, utilizan los buses ibm-pc, el
ISA-EISA (AT) y los procesadores de motorola utilizan computadores el basados bus
en VME. Los modulos principales de los equipos destinados al proceso de imagenes
son:
• Uno o varios procesadores
• Memoria principal para el almacenaje de programas y datos
• Modulos para el control de perifericos (discos, modem, impresoras, etc..)
• Modulo de entrada y salida para el gobierno de los elementos externos, como
maquinaria, relees, robots, alarmas, etc.
107
• Tarjetas especializadas en el procesado de imagenes que poseen las siguientes car-
acterısticas.
– Digitalizacion de la senal de video procedente de la camara, mediante un
conversor A/D.
– Almacenamiento de la informacion de la imagen digitalizada en una ”memoria
imagen”.
– Sistema para el procesado de la imagen, bien mediante un procesador espe-
cializado o mediante hardware especifico, como circuitos integrados PLD con
ALUS integradas, tablas de transformacion h ardware (LUT), etc.
– Visualizacion de la imagen almacenada en un monitor, a trabes de un conver-
sor D/A
– Conexion del contenido de la memoria de imagen al bus normalizado para su
posible procesamiento y tratamiento en la seccion del procesador principal y
su memoria.
A continuacion se describe la mision y las caracterısticas de cada una de las secciones
que componen la tarjeta de vision:
Digitalizacion La exploracion de una lınea de la imagen de una camara, propor-
ciona una senal analogica continua, que debe ser muestreada en tantos puntos
como pıxeles tenga la lınea. Cada pıxel o punto de la imagen capturada corre-
sponde con una tension analogica, cuyo valor representa el nivel de lumino sidad
o ”nivel de gris”. En el caso de las camaras de estado solido no se precisa realizar
el muestreo, puesto que cada celda CCD de la lınea proporciona directamente la
tension analogica del pıxel correspondiente. Como el procesamiento de la infor-
macion es del tipo digital, hay que transformar los valores analogicos de los pıxeles
de la imagen en valores digitales. El numero de bits en que se transforma la senal
analogica mediante el conversor A/D, determina la cuantificacion de los niveles de
gris, es decir, la cantidad de niveles de gris que se empleara en el procesamiento.
108
Ası, con una resolucion de 8 bits se dispone de 256 niveles de gris, desde el blanco
hasta el negro. Con dicha resolucion, el ojo humano ya no aprecia los escalon es
entre los niveles de gris. La conversion de la senal analogica de video, procedente
de la camara ha de ser muy rapida, lo que exige conversores caros del tipo com-
parador en paralelo. Por ejemplo trabajando a 10Mhz, la conversion ha de hacerse
en menos de 100ns. Una vez que se almacena la imagen digitalizada en la memo-
ria de imagen, la mayorıa de las tarjetas de video tiene la posibilidad de poder
visualizarla en un monitor, lo que conlleva la conversion D/A, ası como la mezcla
con los impulsos de sincronismo horizontal y vertical, para restablecer la senal de
video.
Imagenes en proceso El tratamiento de la informacion que compone la imagen
puede llevarse a cabo a traves de programas (software), o bien, por medio de
circuitos electronicos especializados (hardware) . En general, el hardware es mas
rapido que el software, pero tambien mas caro. Hay situaciones en las que se hace
imprescindible el tratamiento mediante hardware. Por ejemplo, cuando se trabaja
en tiempo real como en las aplicaciones en Robotica, en las que la actuacion del
manipulado r depende, en cada momento, de la imagen que capta de la camara
sobre el entorno.
Tratamiento hardware Uno de los recursos mas empleados en el proceso de imagenes
pıxel a pıxel es el de las tablas de traduccion de hardware. Se trata de circuitos
integrados de diseno especıfico, que tienen implementando el algoritmo de trans-
formacion que hay que aplicar en cada pıxel. A veces, la materializacion se lleva
a cabo a modo de memoria EPROM de alta velocidad. El nivel de gris I(x, y) de
cada pıxel se transforma, mediante un determinado algoritmo, en otro nivel de gris
de salida O(x, y). funciona como una memoria a la que se accede a una posicion
con el valor I(x,y), encontrandose en dicha posicion el valor O(x,y) correspondiente,
de forma directa y rapida.
109
Tratamiento software La ejecucion de un programa para la manipulacion y trans-
formacion de los pıxeles de una imagen, generalmente requiere mas tiempo que los
circuitos que realizan al misma funcion por hardware. Los programas de procesado
de imagenes suelen ser el lenguaje ensamblador o lenguaje C, es decir, aquellos que
son mas cercanos al lenguaje maquina, para optimizar tiempo y tamano de la
memoria.
A veces, en la propia tarjeta de vision se incluye un procesador especializado,
que trabaja con instrucciones apropiadas en el tratamiento de imagenes. Sin em-
bargo, en muchas ocasiones se utiliza el propio procesador principal del sistema.
La eleccion del procesador es crucial en el rendimiento del sistema de vision. La
velocidad de procesamiento de las instrucciones y el tamano del bus, son las car-
acterısticas mas determinantes.
4.2.1 Estructura y jerarquıa en el proceso de imagenes
Tras captar la imagen mediante la camara, hay un abanico de posibilidades para
manipular la informacion recogida y obtener datos, que se desprenden de su analisis.
A todos estos metodos de tratamiento de la informacion de imagenes se les llama
genericamente; proceso de imagenes. En el proceso de imagenes se distinguen 3
niveles jerarquicos:
Bajo nivel Las tecnicas utilizadas en este nivel son basicas y estan orientadas a la
definicion y obtencion de las propi edades generales de la imagen. En esta fase se
incluye la fase de captacion median te las camaras y la fase de preprocesamiento ,
en la cual se contempla la digitalizacion de la senal de video; la obtencion de las
propiedades mas representativas, como los bordes, el color, la textura, etc.; y la
mejora de la imagen.
110
Nivel intermedio En este se incluyen las tecnicas empleadas para obtener las
propiedades de la escena. Ası, con la segmentacion se extraen o aıslan los ob-
jetos particulares de la imagen, con la descripcion se caracterizan dichos objetos,
y con el reconocimiento, se identifican los objetos de la escena
Alto nivel En esta categorıa en la que se aplica el proceso inteligente, la tecnica
mas representativa es la interpretacion, que trata de estudiar la logica de los objetos
localizados en la escena, pro cediendo a un etiquetado y representacion simbolica.
4.2.2 El video Estereoscopico y la Realidad Virtual
Como los adelantos de tecnologıa, los tele robots muchos son para sistemas militares,
otros tambien extendiendose en los ambientes arriesgados, como el fondo del oceano,
el interior de los volcanes y el espacio exterior. El despliegue eficaz de tele operacion
y los robots de telemando seran esenciales para la interaccion exitosa con estos
ambientes.
Los despliegues de MV (nonoscopic video) eliminan todas las senales de profundidad
binoculares, ası como varias senales de profundidad minusculas (es decir la pendiente
de la textura). La perdida de estos resultados de senales de profundidad importantes
en situaciones donde la situacion de objetos es ambigua en la escena remota.
Un problema relacionado es la dificultad estimando los tamanos absolutos con un
sistema MV. Es difıcil determinar si un obstaculo es demasiado grande o pequeno,
o si una depresion es profundamente bastante para presentar un riesgo.
La Investigacion de Ingenierıa humana (HERC) recien temente investigo los benefi-
cios de usar 3-D, o el estereoscopio video (SV) para la tele operacion en las apli-
caciones en las fuerzas armadas canadienses. SV proporciona un inmediato sentido
profundidad que puede simplificar las tareas de tele operacion, favoreciendose la
requerida manipulacion delicada
111
la Investigacion de Aplicacion en video
Los sistemas de video estereoscopico usan dos camaras para recoger las imagenes lig-
eramente de dos perspectivas diferentes, una para cada ojo del operador. El sistema
del despliegue debe encauzar estas dos imagenes diferentes a los ojos apropiados.
Las imagenes de la izquierda y camaras de la derecha se despliegan alternadamente
en el monitor. Las gafas especiales estan provistas con contraventanas de cristal
lıquidas que cambian de opaco a claro. Estas contraventanas son electronicamente
sincronizadas con el monitor, para que el ojo izquierdo solo vea la imagen de la
camara izquierda, y el ojo derecho solo ve la imagen del la camara derecha.
Desde 1997, Prof. Paul Milgram de Seccion de Diseno Industrial, en la Universi-
dad de Toronto y David Drascic, para la Defensa y el Instituto Civil de Medicina
Medioambiental (DCIEM), han dirigido varios experimentos en la Universidad de
Toronto para investigar los beneficios de SV para los operadores principiantes ori-
entando las tareas del tele robot. En uno experimento, realizaron una tarea de
posicionamiento relacionado para tele operacion esta disposicion requirio alineacion
cuidadosa del tele robot. La dificultad de la tarea era variada cambiando los requisi-
tos de precision. Los resultados indican que operadores necesitan considerablemente
menos entrenamiento para ponerse habiles a este tipo de telerobots, puede realizar
mas rapidamente y con menos errores utilizando un despliegue de SV. El nivel mas
bajo de dificultad, se encontro en beneficio de SV. Sin embargo, siempre que la
tarea cambia, las ventajas de SV eran una vez mas inmediatamente claras. A los
niveles mas altos de dificultad, la actuacion es ventajosa para el SV e incluso se
encontro despues funcionamiento optimo a movimientos repetitivos. Mas recien-
temente, Investigacion de Ingenierıa del Humano (HERC), en la conjuncion con
DCIEM, dirigio una investigacion en los beneficios de SV usando para las aplica-
ciones del tele operacion en las fue rzas armadas canadienses para los operadores
del tele robot experimentados. Usando varias tareas relacionadas a la bomba -la
112
tele operacion en disposicion, a est os experimentos mostraron un fuerte sentido de
posicionamiento remoto tele operable.
Los sistemas de video estereoscopicos.
Los monitores de NTSC tienen una imagen refrescante proporcion de 60 Hz. Usando
el campo alterno la tecnica de SV (sistema de vision), cada ojo solo ve la mitad de
estas imagenes, y ası tiene una 30 Hz, de imagen de actualizacion por proporcion.
Como un resultado hay un parpadeo perceptible en la imagen algunos operadores se
distraen al principio. No obstante, operadores de todos los niveles de habilidad se
adaptan muy rapidamente a este sistema de SV, mientras prefiriendo el mas fuerte
sistema de MV. La tension atribuible al sistema de SV era incluso informo despues
de que varias horas usan; De hecho, la mayorıa de los operadores tasaba los SV
despliegan mas comodo y mas utilizable que el MV original el despliegue.
ARGOS: un Sistema para Aumentar la Realidad Virtual.
El desarrollo del sistema ARGOS (Aumentando Realidad virtual a traves de las
Cubiertas Graficas en Stereo video) es una herramienta para el humano reforzando
la interaccion con tele robot y como una herramienta mas general con las aplicaciones
en una variedad de areas, incluso el perfeccionamiento de la imagen, la simulacion,
fusion del sensor, y la realidad virtual. El estereoscopio despliega, imagenes 3-D, de
realidad virtual, manipulacion remota y tele operacion.
Este proyecto empezo examinando la interfase de la maquina, un tele robot comun,
con el ser humano, identificando dos areas del problema importantes: La informacion
que fluye del robot al operador (la retroalimentacion), y flujo de informacion del
operador a la maquina (las ordenes / las instrucciones).
La mayorıa de los tele robots utiliza video monoscopico (MV) como eslabon de
retroalimentacion primario para el operador. A MV le faltan senales de profundi-
dad binoculares, sin embargo, impide la percepcion del usuario en situaciones de
113
objetos en el mundo remoto. El video estereoscopico utilizado (SV) para manipu-
lacion remota, la tarea puede reducir tiempo de ejecucion, el ındice de error y la
adaptacion tiempos. Los recientes estudios han mostrado que operadores prefieren
SV fuertemente, y lo han calificado como mas comodo y utilizable que MV.
La mayorıa de los tele robots se controlan por medio de control remoto, requiriendo
mientras la atencion continua de los operadores muy experimentados. Los tele
robots totalmente autonomos no son todavıa posibles en ambientes no estructura-
dos, pero es factible, para transferir informacion sobre el trabajo hacia el operador
de la maquina. Un robot semiautonomo puede llevar a cabo simples movimientos,
controla si es preciso comunicar, las tres coordenadas dimensionan al robot y ademas
si estan disponibles. Los humanos son pobres en absoluto del juicio de posicion, pero
puede ser exacto.
Los juicios de posicion que se utilizan en los despliegues de SV. Si un indicador con
una posicion exactamente conocida es disponible, los operadores pueden adaptarse
a especificar los puntos arbitrarios en el mundo remoto, usando su propio sentido de
posicion relativa.
Nosotros hemos creado un indicador virtual que usa el estereoscopio calibrando los
graficos de computadora (SG), y con un sistema ARGOS, la confabulacion de la
imagen de SG con el SV, para que el indicador virtual aparezca dentro del control
remoto del mundo. El operador puede moverlo libremente alrededor y encuadrarlo
con objetos en el mundo remoto, puede determinar su posicion. ARGOS com-
bina habilidades humanas de percepcion y comprension con las habilidades de la
computadora de calculo preciso y los despliegues de graficos para crear un sistema
aumentado con mayor funcionalidad.
En lugar de intentar crear una virtual o realidad artificial, ARGOS sirve para dar
a los operadores suficiente necesaria informacion y ası realizar las tareas peligrosas
fuera de peligro y en un ambiente natural, para el teleoperador de manera especial.
114
Una extension del indicador virtual es la cinta virtual, que puede usarse para medir
tamanos y distancias en el mundo remoto. Por ejemplo, la cinta virtual - puede
usarse para medir los tamanos y posiciones de objetos.
Con el grafico y el poder suficiente computando, es posible crear los objetos vir-
tuales animados de cualquier complejidad y realismo. Trabajando en ambientes
estructurados, ARGOS puede reforzar imagenes como un alambre recubriendo los
bordes del marco en los objetos conocidos. En los ambientes no estructurados, AR-
GOS puede integrar la informacion de otros sensores como el radar y sonar con
el SV. Implementando la visualizacion arquitectonica de los objetos, el sistema de
imagenes de simulacion para tele robots medicos son algunos de los campos que se
estan explorando actualmente. Mecanizando las capacidades de vision incluso, se
esta extendiendo mas alla el potencial del sistema de ARGOS.
A continuacion vemos algunas configuraciones de camara estroboscopica 4–5.
Figure 4–5: Configuraciones de camara de estereoscopica.
4.3 Aplicaciones
4.3.1 Clasificacion
En la actualidad los robots se usan de manera extensa en la industria, siendo
un elemento indispensable en una gran parte de los procesos de manufactura. Im-
pulsados principalmente por el sector del automovil, los robots han dejado de ser
115
maquinas misteriosas propias de la ciencia-ficcion para ser un elemento mas de mu-
chos de los talleres y lıneas de produccion. Por su propia definicion el robot industrial
es multifuncional, esto es, puede ser aplicado a un numero, en principio ilimitado,
de funciones. No obstante, la practica ha demostrado que su adaptacion es op-
tima en determinados procesos (soldadura, paletizacion, etc.) en los que hoy dıa el
robot es sin duda alguna, la solucion mas rentable. Junto con estas aplicaciones ya
arraigadas hay otras novedosas que si bien la utilizacion del robot no se realiza a
gran escala, si se justifica su aplicacion por las condiciones intrınsecas del medio de
trabajo (ambientes contaminados, salas asepticas, construccion, etc.) o la elevada
exigencia en cuanto a calidad de los resultados (medicina, etc.). Estos robots se
han venido llamando robots de servicio. La Federacion Internacional de la Robotica
(IFR) establecio en 1998 una clasificacion de las aplicaciones de la Robotica en el
sector manufacturero.
• Manipulacion en fundicion
• Manipulacion en moldeo de plasticos.
• Manipulacion en tratamientos termicos
• Manipulacion en la forja y estampacion
• Soldadura
– Arco
– Por puntos
– Por gas.
– Por laser
• Aplicacion de materiales
– Pintura
– Adhesivos
– Secantes
• Mecanizacion.
116
– Carga y descarga de maquinas
– Corte mecanico
– rectificado
– desbardado y pulido.
• Otros procesos
– Chorro de agua
– Medicion
– control de calidad
• Formacion e investigacion
Esta clasificacion pretende englobar la mayor parte de los procesos robotizados en
la actualidad, aunque como se ha indicado anteriormente, se pueden encontrar apli-
caciones particulares que no aparecen de manera explıcita en esta clasificacion.
4.3.2 Aplicaciones industriales
La implantacion de un robot industrial en un determinado proceso exige un detallado
estudio previo del proceso en cuestion, examinando las ventajas e inconvenientes que
conlleva la introduccion del robot. Sera preciso siempre estar dispuesto a admitir
cambios en el desarrollo del proceso primitivo (modificaciones en el diseno de piezas,
sustitucion de unos sistemas por otros, etc.) que faciliten y hagan viable la aplicacion
del robot.
En cuanto al tipo de robot a utilizar, habra que considerar aspectos de diversa
ındole como area de accion, velocidad de carga, capacidad de control, coste, etc.
A continuacion van hacer analizadas algunas de las aplicaciones industriales de los
robots. Dando una breve descripcion del proceso , exponiendo el modo en el que el
robot entra a formar parte de el, y considerando las ventajas e inconvenientes.
Fundicion
La fundicion por inyeccion fue el primer proceso robotizado (1960). En este proceso
el material usado, en estado lıquido, es inyectado a presion en el molde. Este ultimo
117
esta formado por dos mitades que se mantienen unidas durante la inyeccion del
metal mediante la presion ejercida por dos cilindros. La pieza solidificada se extrae
del molde y se enfrıa para su posterior desbardado. El molde, una vez limpio de
residuos de restos de metal y adecuadamente lubricado, puede ser usado de nuevo.
El robot trabaja en la fundicion de las piezas y transporte de estas a un lugar de
enfriado y posteriormente en la limpieza y mantenimiento de los moldes eliminando
rebabas (por aplicacion de aire comprimido). Las cargas manejadas por los robots
en estas tareas suelen ser medias o altas (del orden de decenas de kilogramos), no se
necesita una gran precision y su campo de accion ha de ser grande. Su estructura
mas frecuente es la polar y la articular, su sistema de control es por lo general
sencillo.
Soldadura
La industria automovilıstica ha sido gran impulsora de la robotica industrial, em-
pleando la mayor parte de los robots hoy dıa instalados. La tarea mas frecuente
robotizada dentro de la fabricacion de automoviles ha sido sin duda alguna la sol-
dadura de carrocerıas (vease Figura 4–6. En este proceso, dos piezas metalicas se
unen en un punto para la fusion conjunta de ambas partes, denominandose a este
tipo de soldadura por puntos. Para ello, se hace pasar una corriente electrica ele-
vada y baja tension a traves de dos electrodos enfrentados entre los que se situan las
piezas a unir. Los electrodos instalados en una pinza de soldadora, deben sujetar las
piezas con una presion determinada (de lo que depende la precision de la soldadura).
Ademas deben de ser controlados los niveles de tension e intensidad necesarios, ası
como el tiempo de aplicacion. Todo ello exige e l empleo de un sistema de control
del proceso de soldadura.
La robotizacion de la soldadura por puntos admite dos soluciones: el robot trans-
porta la pieza presentando esta a los electrodos que estan fijos, o bien, el robot
transporta la pinza de soldadura posicionando los electrodos en el punto exacto de
118
Figure 4–6: Robots soldadores.
la pieza en la que se desea realizar la soldadura. El optar por uno u otro metodo
depende del tamano, peso y manejabilidad de las piezas. En las grandes lıneas
de soldadura de carrocerıas de automoviles, estas pasan secuencialmente por varios
robots dispuestos frecuentemente formando un pasillo, los robots, de una manera
coordinada, posicionan las piezas de soldadura realizando varios puntos consecuti-
vamente.
La gran demanda de robots para la tarea de soldadura por puntos ha originado
que los fabricantes desarrollen robots especiales para esta aplicacion que integran
en su sistema de programacion el control de la pinza de soldadura que portan en
su extremo. Los robots de soldadura por puntos precisan capacidad de cargas del
orden de los 50-100 Kg. y estructura articular, con suficientes grados de libertad (5
o 6) como para posicionar y orientar la pinza de soldadura (o pieza segun el caso)
en lugares de difıcil acceso.
Aplicacion de materiales
El acabado de superficies por recubrimiento de un cierto material (pintura, esmalte,
partıculas de metal, etc.) con fines decorativos o de proteccion, es una parte critica
en muchos procesos de fabricacion. Tanto en la pintura como en el metalizado,
esmaltado o arenado, la problematica a resolver es similar, siendo la primera la
119
que cuenta con mayor difusion. Su empleo esta generalizado en la fabricacion de
automoviles, electrodomesticos, muebles, etc.
En estos procedimientos se cubre una superficie (de forma tridimensional y en gen-
eral complicada) con una mezcla de aire y material pulverizada mediante una pis-
tola. Es preciso conseguir una perfecta homogeneidad en el reparto de la pintura,
realizandose para ello un control de la viscosidad, de la distancia entre piezas y
la pistola, velocidad de movimiento de esta, numero de pasadas etc. Todos estos
parametros son tradicionalmente controlados por el operario.
En estos procedimientos se cubre una superficie (de forma tridimensional y en gen-
eral complicada) con una mezcla de aire y material pulverizada mediante una pis-
tola. Es preciso conseguir una perfecta homogeneidad en el reparto de la pintura,
realizandose para ello un control de la viscosidad, de la distancia entre piezas y
la pistola, velocidad de movimiento de esta, numero de pasadas etc. Todos estos
parametros son tradicionalmente controlados por el operario. Por otra parte el en-
torno en el que se realiza la pintura es sumamente desagradable y peligroso. En el
se tiene simultaneamente un reducido espacio, una atmosfera toxica, un alto nivel
de ruido y un riesgo de incendio. Estas circunstancias han hecho de la pintura y
operaciones afines, un proceso de interesante robotizacion. Con el empleo del robot
se eliminan los inconvenientes ambientales y se gana en cuanto a homogeneidad en
la calidad del acabado, ahorro de pintura y productividad. Normalmente los robots
de pintura son especıficos para este fin. Suelen ser robots articulares, ligeros, con 6
o mas grados de libertad que les permiten proyectar pintura en todos los huecos de
la pieza. Cuentan con protecciones especiales para defenderse de las partıculas en
suspension dentro de la cabina de pintura y sus posibles consecuencias (explosiones,
incendio, deterioro mecanico). Este mismo motivo origina que, en muchos casos, el
accionamiento de los robots de pintura sea hidraulico, o de ser electrico los cables
vayan por el interior de ductos a sobrepresion, evitandose ası, el riesgo de explosion.
120
Tal vez la caracterıstica fundamental de los robots dedicados a estas tareas sea su
metodo de programacion. Obviamente es preciso que cuenten con un control de
trayectoria continua, pues no basta con especificar el punto inicial y final de sus
movimientos, sino tambien la trayectoria. El metodo normal de programacion es el
de aprendizaje con un muestreo continuo de la trayectoria. El operario realiza una
vez el proceso de pintura con el propio robot, mientras que la unidad de progra-
macion registra continuamente, y de manera automatica, gran cantidad de puntos
para su posterior repeticion.
Aplicacion de adhesivos y sellantes
Los robots son frecuentemente utilizados para la aplicacion de cordones de material
sellante o adhesivos en la industria del automovil sellante de ventanas y parabrisas,
material anticorrosion, etc.. En este proceso el material aplicar se encuentra en forma
lıquida o pastosa en un tanque, siendo bombeada hasta la pistola de aplicacion que
porta el robot, que regula el caudal de material que es proyectado.
El robot, siguiendo la trayectoria programada, proyecta la sustancia que se solidifica
al contacto con el aire. En este proceso, tan importante como el control preciso de
la trayectoria del robot es el control sincronizado de su velocidad y del caudal de
material suministrado por la pistola, puesto que la cantidad de material proyectado
en un punto de la pieza depende de ambos factores. Es habitual una disposicion de
robot suspendido sobre la pieza, siendo necesario, por los motivos antes expuestos,
que el robot tenga capacidad de control de trayectoria continua (posicion y veloci-
dad regulados con precision), ası como capacidad de integrar en su propia unidad
de control la regulacion del caudal de material aportado en concordancia con la
velocidad del movimiento.
Alimentacion de maquinas
La alimentacion de maquinas especializadas es otra tarea de manipulacion de posible
robotizacion (vease Figura 4–7. La peligrosidad y monotonıa de las operaciones de
121
carga y descarga de maquinas como prensas, estampadoras, hornos o la posibilidad
de usar un mismo robot para transferir una pieza a traves de diferentes maquinas de
procesado, ha conseguido que gran numero de empresas hayan introducido robots
en sus talleres.
En la industria metalurgica se usan prensas para conformar los metales en frıo o,
para mediante estampacion y embutido, obtener piezas de complicadas formas a
partir de planchas de metal. En ocasiones la misma pieza pasa consecutivamente
por varias prensas hasta conseguir su forma definitiva. La carga y descarga de es-
tas maquinas se realiza tradicionalmente a mano, con el elevado riesgo que esto
conlleva para el operario, que una pequena distraccion puede costarle un serio ac-
cidente. Estas circunstancias, junto con la superior precision de posicionamiento
que puede conseguir el robot, y la capacidad de este de controlar automaticamente
el funcionamiento de la maquina y dispositivos auxiliares, han hecho que el robot
sea una solucion ventajosa para estos procesos. Por otra parte, los robots usados
en estas tareas son, por lo general, de baja complejidad, precision media, numero
reducido de grados de libertad y un control sencillo, basado en ocasiones con ma-
nipuladores secuenciales. Su campo de accion interesa que seas grande. En cuanto
a la carga, varia mucho, pudiendose necesitar robots con capacidad de carga de
pocos kilogramos, hasta algunos cientos (existen robots capaces de manipular hasta
tonelada y media). Las estructuras mas frecuentemente utilizadas son la cilındrica,
esferica y articular. Tambien la cartesiana puede aportar en ocasiones la solucion
mas adecuada. Atencion especial merece la aplicacion del robot en celulas flexibles
de mecanizado, que han adquirido gran auge en los ultimos anos. Estas emplean
centros de mecanizado o varias maquinas de control numerico para conseguir comple-
jos y distintos mecanizados sobre una pieza los diferentes procesos de mecanizacion
para dar a esta la forma programada. L a capacidad de programacion de estas
122
maquinas permite una produccion flexible de piezas adaptandose ası perfectamente
a las necesidades del mercado actual.
Figure 4–7: Robot alimentador.
Estas maquinas emplean diferentes herramientas que se acoplan a un cabezal comun
de manera automatica cuando el proceso de mecanizado lo precisa. Las herramientas
a usar en el proceso concreto son almacenadas en tambores automaticos que permiten
un rapido intercambio de la herramienta. El robot es el complemento ideal de estas
maquinas. Sus tareas pueden comenzar con la recogida de la pieza del sistema de
transporte encargado de evacuarlas o para llevarla a otra maquina. Asimismo el
robot puede ocuparse de cargar el alimentador automatico de herramientas de la
maquina, reponiendo herramientas gastadas o seleccionando las adecuadas para la
produccion de una determinada pieza.
En las celulas de multiproceso el mismo robot alimenta a varias maquinas o centros
de mecanizado. Una misma pieza, transportada por el robot, puede ir pasando de
una maquina a otra, incluyendo controles de medicion de calidad u otras tareas de
calibracion. La sincronizacion de toda la celula (alimentadores, centros de mecan-
izado, robots, etc.) puede ser realizada por la propia unidad de control del robot
que cuenta, por lo general, con gran potencia de calculo y capacidad de manejo de
entradas y salidas. En ocasiones estas celulas cuentan con sistemas multirobot, tra-
bajando estos de manera secuencial con la pieza. Hasta la fecha no existen apenas
123
realizaciones practicas de cooperacion de robots de manera coordinada. Las carac-
terısticas de los robots para estas tareas de alimentacion de maquinas herramientas
son por lo general similares a las necesarias para la alimentacion de otras maquinas.
Las unicas discrepancias estriban en su mayor precision y capacidad de carga inferior
(algunas decenas de kilogramos).
Procesado
Dentro del procesado se incluyen operaciones en las que el robot se enfrenta a piezas
y herramientas (transportando una u otra) para conseguir, en general, una modifi-
cacion en la forma de la pieza. El desbardado consiste en la eliminacion de rebabas
de la pieza de metal o plastico, procedentes de un proceso anterior (fundicion, es-
tampacion, etc.). Esta operacion se realiza manualmente con una esmeriladora o
fresa, dependiendo la herramienta de las caracterısticas del material a desbardar.
Un robot dedicado al desbardado porta la herramienta o la pieza, segun la apli-
cacion, haciendo entrar en contacto ambas. La herramienta debe seguir el contorno
de la pieza, que en muchas ocasiones es complejo con elevada precision en su posi-
cionamiento y velocidad. Por este motivo se precisan robots con capacidad de control
de trayectoria continua y buenas caracterısticas de precision y control de velocidad.
Ademas, puesto que las rebabas con que vienen las piezas presentan formas irreg-
ulares, conviene que el robot posea capacidad para adaptarse a estas mediante el
empleo de sensores o el desarrollo de un elemento terminal del robot auto adapt-
able. Parecida al desbardado en cuanto a necesidades es la aplicacion de pulido,
cambiando basicamente la herramienta a emplear. Las necesidades de precision y
de empleo de sensores son tal vez en este caso menos exigentes.
Corte
El corte de materiales mediante el robot (vease Figura 4–8 )es una aplicacion reciente
que cuenta con notable interes. La capacidad de reprogramacion del robot y su
integracion en un sistema, hacen que aquel sea el elemento ideal para transportar la
124
herramienta de corte sobre la pieza, realizando con precision un programa de corte
definido previamente desde un sistema de diseno asistido por computador (CAD).
Los metodos de corte no mecanico mas empleados sonoxicorte, plasma, laser y chorro
de agua, dependiendo de la naturaleza del material a cortar. En todos ellos el robot
transporta la boquilla por la que se emite el material de corte, proyectando este sobre
la pieza al tiempo que sigue una trayectoria determinada. Las piezas a cortar pueden
disponerse en varias capas, unas encima de otras, realizandose el corte simultaneo
de todas ellas (metodo de corte de patrones en la industria textil).
Figure 4–8: Robot de corte.
Si bien el oxicortante y el corte por plasma son tecnologıas muy extendidas y conse-
cuentemente bien conocidas, no ocurre lo mismo en el corte por laser y por chorro
de agua, de mas reciente aparicion. La disposicion tıpica del robot en el corte
por chorro de agua es el robot suspendido trabajando sobre las piezas fundamen-
talmente en direccion vertical. El robot porta una boquilla de pequeno diametro
(normalmente de .1mm.) Por la que sale un chorro de agua, en ocasiones con alguna
sustancia abrasiva, a una velocidad del orden de 900m/s, y a una presion del orden
de 4000kg/cm2. El sistema completo precisa de bomba, intensificador, reguladores
de presion y electro valvulas.
El corte por chorro de agua puede aplicarse a materiales como alimentos, fibra de
vidrio, PVC, marmol, madera, goma espuma, neopreno, yeso, tela, carton, e incluso
125
a metales como aluminio, acero y titanio. En estos casos se anade al agua una
sustancia abrasiva. Las principales ventajas del corte por chorro de agua frente a
otros sistemas son:
• No provoca aumento de temperatura en el material
• No es contaminante
• No provoca cambios de color.
• No altera las propiedades de los materiales
• Coste de mantenimiento bajo
Los robots empleados precisan control de trayectoria continua y elevada precision.
Su campo de accion varıa con el tamano de las piezas a cortar, siendo en general
de envergadura media (de 1 a 3 metros de radio). En este sentido, como se ha
comentado, con mucha frecuencia se dispone al robot suspendido boca abajo sobre
la pieza.
Montaje
Las operaciones de montaje, por la gran precision y habilidad que normalmente exi-
gen, presentan grandes dificultades para su automatizacion flexible. Sin embargo, el
hecho de que estas operaciones representen una buena parte de los costes totales del
producto, ha propiciado las investigaciones y desarrollos en esta area, consiguiendose
importantes avances. Muchos procesos de ensamblado se han automatizado emple-
ando maquinas especiales que funcionan con gran precision y rapidez. Sin embargo,
el mercado actual precisa de sistemas muy flexibles, que permitan introducir fre-
cuentes modificaciones en los productos con unos costes mınimos. Por este motivo
el robot industrial se ha convertido en muchos casos en la solucion ideal para la
automatizacion del ensamblaje.
En particular, el robot resuelve correctamente muchas aplicaciones de ensamblado
de piezas pequenas en conjuntos mecanicos o electricos. Para ello el robot precisa
una serie de elementos auxiliares cuyo coste es similar o superior al del propio robot.
126
Entre estos cabe destacar a los alimentadores (tambores vibradores, por ejemplo),
posicionadores y los posibles sensores que usa el robot para ayudarse en su tarea
(esfuerzos, vision, tacto, etc.). Estos sensores son indispensables en muchos casos
debido a las estrechas tolerancias con que se trabaja en el ensamblaje y a los in-
evitables errores, aunque sean muy pequenos, en el posicionamiento de las piezas
que entran a tomar parte de el. Los robots empleados en el ensamblaje requieren,
en cualquier caso, una gran precision y repetibilidad, no siendo preciso que manejen
grandes cargas
El tipo SCARA (vease Figura 4–9)ha alcanzado gran popularidad en este tipo de
tareas por su bajo coste y buenas caracterısticas. Estas se consiguen por su adapt-
abilidad selectiva, presentando facilidad para desviarse, por una fuerza externa, en
el plano horizontal y una gran rigidez para hacerlo en el eje vertical. Tambien se
usan con frecuencia robots cartesianos por su elevada precision y, en general, los
robots articulares que pueden resolver muchas de estas aplicaciones con suficiente
efectividad. La dificultad inherente de este tipo de tareas obliga, en casi todos los
casos, a facilitarlas con un adecuado rediseno de las partes que componen el con-
junto a ensamblar. De este modo, conjuntos cuyo ensamblaje automatizado seria
inabordable con su diseno inicial, pueden ser montados de una manera competitiva
mediante el empleo de robots
Figure 4–9: Robot tipo SCARA.
127
Control de Calidad.
La tendencia a conseguir una completa automatizacio n de la produccion abarca
todas las etapas de esta, inclusive el control de la calidad. El robot industrial puede
participar en esta tarea usando su capacidad de posicionamiento y manipulacion.
Ası, transportando en su extremo un palpador, puede realizar el control dimensional
de piezas ya fabricadas. Para ello el robot toca con el palpador varios puntos claves
de la pieza. A partir del conocimiento que en todo instante tiene la unidad de
control del robot de la posicion y orientacion de su extremo, se obtienen los datos
relativos a la posicion espacial de los puntos determinados de la pieza. Estos datos
son utilizados para registrar posibles desviaciones sobre los valores deseados. Otras
posibles aplicaciones del robot en el control de calidad consisten en utilizar a este
para transportar el instrumental de medida (Ultrasonidos, rayos x, etc.) a puntos
concretos de la pieza a examinar. La situacion de posibles defectos detectados
puede registrarse y almacenarse a partir, como antes, de la propia unidad de control
de robot. Por ultimo, el robot puede usarse como mero manipulador encargado
de clasificar piezas segun ciertos criterios de calidad (piezas orrectas e incorrectas,
por ejemplo). En este caso, el control y decision de a que familia pertenece la
pieza se hace mediante un sistema especifico, capaz de comunicarse con el robot
(vision artificial). No existe, ene este caso, un tipo concreto de robot mas adecuado
para estas tareas. En el control dimensional suelen usarse robots cartesianos por la
precision de estos pero, en general, son igualmente validos robots articulares.
Control de Calidad.
Ciertos procesos de manipulacion deben ser realizados en ambientes extremadamente
limpios y controlados. En ellos, la actividad del operador se ve dificultado no por el
trabajo en sı, que no tiene porque ser especialmente complejo o delicado, sino por
la necesidad de mantener elevadas medidas de control de impurezas mediante el uso
de trajes especiales y controles rigurosos.
128
Las denominadas salas blancas de la industria de los semiconductores o a las de
fabricacion de algunos productos farmaceuticos, son ejemplos tıpicos.
La utilizacion de un robot para estas funciones se realiza introduciendo este de man-
era permanente en una cabina. El robot debe cumplir la normativa correspondiente
al entorno, siendo por lo demas valido cualquier robot comercial, normalmente de
seis grados de libertad y alcance inferior a un metro. De este modo se consigue,
entre otros beneficios, una reduccion del riesgo de contaminacion, una mayor homo-
geneidad en la calidad del producto y una reduccion en el coste de la fabricacion.
4.3.3 Nuevos Sectores de Aplicacion
Las aplicaciones de la robotica examinadas anteriormente responden a los sectores
que, como el del automovil o el de la manufactura, han sido desde hace 30 anos
usuarios habituales de los robots industriales. Este uso extensivo de los robots
en los citados se ha visto propiciado por la buena adaptacion del robot industrial
a las tareas repetitivas en entornos estructurados. De este modo, la competitivi-
dad del robot frente a otras soluciones de automatizacion se justifica por su rapida
adaptacion a series cortas, sus buenas caracterısticas de precision y rapidez, y por
su posible reutilizacion con costes inferiores a los de otros sistemas. Sin embargo,
existen otros sectores donde no es preciso conseguir elevada productividad, en los
que las tareas a realizar no son repetitivas, y no existe un conocimiento detallado del
entorno. Entre estos sectores podrıa citarse la industria nuclear, la construccion, la
medicina o el uso domestico. En ninguno de ellos existe la posibilidad de sistemati-
zar y clasificar las posibles aplicaciones, pues estas responden a soluciones aisladas
a problemas concretos. Este tipo de robots ha venido a llamarse robots de servicio
y pueden ser definidos como: Un dispositivo electromecanico, movil o estacionario,
con uno o mas brazos mecanicos, capaces de acciones independientes. Estos robots
estan siendo aplicados en sectores como:
• Agricultura y silvicultura
129
• Ayuda a discapacitados
• Construccion
• Domesticos
• Domesticos
• Entornos peligrosos.
• Espacio
• Medicina y salud.
• Minerıa.
• Submarino.
En general, la aplicacion de la robotica a estos sectores se caracteriza por la falta de
estructuracion tanto del entorno como de la tarea a realizar, y la menor importan-
cia de criterios de rentabilidad economica frente a la de realizar tareas en entornos
peligrosos o en los que no es posible el acceso de las personas. Estas caracterısticas
obligan a que los robots de servicio cuenten con un mayor grado de inteligencia,
puesto que se traduce en el empleo de sensores y del software adecuado para la
toma rapida de decisiones. Puesto que en muchas ocasiones el estado actual de la
inteligencia artificial (disciplina que aborda esta problematica)no esta lo suficien-
temente desarrollado como para resolver las situaciones planteadas a los robots de
servicio, es frecuente que estos cuenten con un mando remoto, siendo en muchas
ocasiones robots teleoperados. Centros de investigacion en robotica, como la univer-
sidad de Carnegie-Mellon o el jet propulsion laboratory (JPL) en Estados Unidos,
han orientado desde hace tiempo buena parte de sus esfuerzos de investigacion en
robotica en esta lınea, desarrollando robots especializados, capacitados para traba-
jar en el exterior, en entornos no estructurados y peligrosos (superficie de planetas,
volcanes, desastres nucleares, etc.).
130
Industria nuclear
Por sus especiales caracterısticas, el sector nuclear es uno de los mas susceptibles de
utilizar robots de diseno especifico. Entre las diversas aplicaciones se han escogido
aquı, por su especial relevancia, las relativas a las operaciones de mantenimiento
en zonas contaminadas y de manipulacion de residuos. Inspeccion de los tubos del
generador de vapor en un reactor nuclear. Las operaciones de inspeccion y man-
tenimiento de las zonas mas contaminadas de una central nuclear de produccion
de energıa electrica son por su naturaleza largas y costosas. De realizarlas man-
ualmente, el tiempo de exposicion de los operadores a la radiacion es un factor
crıtico que, junto con el el evado coste que supone una interrupcion temporal del
funcionamiento del sistema en cuestion, justifica sin lugar a dudas la utilizacion de
sistemas robotizados, normalmente teleoperados, total o parcialmente, que susti-
tuyan al operador. En el generador de vapor se produce el intercambio de calor
entre el fluido primario y secundario. Para ello, dentro de la vasija del generador,
se encuentran dispuestas en forma matricial los tubos por los que circula el fluido
receptor del calor.
El inevitable desgaste de estos tubos obliga a realizar periodicamente labores de
inspeccion, para que en el caso de que alguno se encuentre danado inutilizarlo,
poniendo en funcionamiento alguno de los tubos de reserva que a tal fin se han
dispuesto en el generador. Para realizar esta labor de manera automatica puede
utilizarse un robot de desarrollo especifico que, introducido en la vasija, posicione
una sonda de inspeccion en la boca de cada tubo. Esta, empujada por el interior
del tubo, proporcionara informacion sobre el estado mismo. Es preciso considerar
que el robot se introduce en la vasija mediante un sistema mecanico que, junto con
los posibles errores en la disposicion matricial de los tubos, obliga a que el robot
trabaje, bien con ayuda de tele operacion, o bien con sistemas sensoriales externos
131
como vision laser, que proporcionen la posicion real relativa entre el extremo del
robot y los tubos.
La industria nuclear genera una cantidad considerable de residuos radioactivos
de baja contaminacion (vestimentas, envases de plastico, papel, etc.) o de alta
contaminacion (restos de las celulas del reactor, materiales en contacto directo pro-
longado con las zonas radioactivas, etc.). La forma tamano y peso de estos desechos
es variable y su manipulacion tiene por objeto final su envase de contenedores es-
peciales, que son posteriormente transportados y almacenados (lo que origina prob-
lematica). Para manipular remotamente estos residuos se hace uso tanto de manipu-
ladores con union mecanica y seguimiento directo del proceso por parte del operador
a traves de un cristal (en caso de baja contaminacion), como con sistemas con mando
remoto por radio o cable en el caso de contaminacion elevada. Estos manipuladores
permiten la flexibilidad necesaria para manipular elementos de peso variable y una
forma nueva no definida. Ademas, es preciso considerara la importancia que tiene
la optimizacion del espacio ocupado por los residuos en su almacenamiento, por lo
que antes de su envasado en los contenedores puede ser preciso fragmentarlos.
Medicina
Entre las varias aplicaciones de la robotica a la medicina destaca la cirugıa. Las
primeras aplicaciones de la robotica a la cirugıa del cerebro datan del ano 1982. En
esta fecha se comenzo en Memorial Medical Center de Long Beach (California) un
programa cuyo objetivo consistıa en utilizar un robot comercial (Puma 260) para
realizar determinadas operaciones de neurocirugıa. Desde entonces se han puesto
a punto varios sistemas que, con ayuda de un scanner, un ordenador registre toda
la informacion necesaria del cerebro para que el equipo medico decida el punto
exacto donde debe ser realizada la incision, donde penetrara la sonda para obtener
una muestra para realizar una biopsia. El robot, que se encuentra perfectamente
situado con respecto al paciente, porta en su extremo los instrumentos necesarios
132
para realizar la incision, tomar la muestra, etc. La utilizacion de un robot conectado
al ordenador permite que tanto la incision como la toma de la muestra se realicen
con la maxima precision y en un tiempo notablemente inferior al que se consumirıa
en caso de emplear el sistema habitual. Ademas, se descarga al cirujano de la
mecanica de ciertas tareas como el correcto posicionamiento de los instrumentos de
cirugıa con respecto al craneo del paciente, permitiendo una mayor concentracion
en el seguimiento y control de la operacion. Tambien, otro posible beneficio de la
aplicacion de la robotica a la cirugıa se encuentra en el telediagnostico y la tele
cirugıa. Esta ultima consiste en la operacion remota de un paciente mediante un
telemanipulador.
El vagabundo de Marte
Este robot durante julio de 1997 (vease Figura 4–10) explora el en un rango largo
(50km) del terreno de Marte, se encuentra equipado con tecnologıa en instrumentos
cientıficos.
Figure 4–10: El vagabundo de Marte.
El rocky 7
El Rocky 7 (vease Figura 4–11)vagabundo cientıfico de Largo rango esta provisto con
un mastil de 1.5 metros, se utiliza para tomar imagenes estereofonicas del paisaje
circundante para apoyar el funcionamiento del equipo para fijar sus tareas. El
mastil tambien tiene una interfase con un instrumento cientıfico de 0.5 Kg. El
tercer grado de libertad del mastil, junto con la base del vagabundo movil se disena
133
para colocar el instrumento contra un blanco, cientıficamente interesante dentro de
un area inspeccionada por las camaras estereofonicas del mastil.
Figure 4–11: El Rocky 7.
Para demostrar las capacidades del mastil, un instrumento de referencia fue creado.
Este instrumento es el ajuste de imagen. Una camara del micro video monocromatica
se utiliza en un ajuste de imagenes,el instrumento se utiliza para la colocacion contra
los blancos para recoger imagenes con 50nm / resolucion de pıxel. El instrumento
incluye una fuente de iluminacion activa ası como sensores de contacto para con-
firmar la colocacion exitosa contra el blanco. La camara de imagen esta montada
en un sistema de giro que permite el despliegue contra una superficie con angulo de
inclinacion para desplazamientos de 25 grados, obteniendo un acercamiento para el
instrumento.
APENDICES