Como todo dispositivo funcional, los robots tienen una estructura formada por sistemas o subsistemas y componentes. Si observamos la forma y el funcionamiento de los diferentes tipos de robots podemos deducir que todos tienen algo en comun:
La estructura o chasis: es la encargada de darle forma al robot y sostener sus componentes. Puede estar constituída por numerosos materiales, como plásticos, metales, etc. y tener muchas formas diferentes.
Los robots pueden ser del tipo "endoesqueleto", donde la estructura es interna y los demás componentes externos, o "exoesqueleto", donde la estructura es externa y cubre los demás elementos.
Las formas de las estructuras son de lo más variadas, tanto hasta donde la imaginación y la aplicación que se le va a dar al robot lo permitan.
Las fuentes de movimiento: Las fuentes de movimiento son las que le otorgan movimiento al robot. Una de las más utilizadas es el motor eléctrico. Un motor es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica rotacional que se utiliza para darle movimiento a ruedas y otros medios de locomoción.
En robótica se utilizan motores de CC (corriente continua), servomotores y motores paso a paso.
Una fuente de movimiento nueva que apareció recientemente en el mercado son los músculos eléctricos, basados en un metal especial llamado Nitinol.
Los medios de transmisión de movimiento: Cuando las fuentes de movimiento no manejan directamente los medios de locomoción del robot, se precisa una interface o medio de transmisión de movimiento entre estos dos sistemas, que se utiliza para aumentar la fuerza o para cambiar la naturaleza del movimiento, por ejemplo para convertir un movimiento circular en lineal, o para reducir la velocidad de giro.
Se suelen emplear conjuntos de engranajes para tal fin, aunque también se usan ruedas de fricción o poleas y correas.
Los medios de locomoción: Los medios de locomoción son sistemas que permiten al robot desplazarse de un sitio a otro si éste debe hacerlo. El más utilizado y simple es el de las ruedas y le siguen en importancia las piernas y las orugas.
Los medios de agarre: Algunos robots deben sostener o manipular algunos objetos y para ello emplean dispositivos denominados de manera general medios de agarre.
El más común es la mano mecánica, llamada en inglés "gripper" y derivada de la mano humana.
En los robots industriales se usan mecanismos especiales para sostener herramientas o piezas de formas determinadas.
La fuente de alimentación: La fuente de alimentación de los robots depende de la aplicación que se les dé a los mismos, así si el robot se tiene que desplazar autónomamente, se alimentará seguramente con baterías eléctricas recargables, mientras que si no requiere desplazarse o sólo lo debe hacer mínimamente, se puede alimentar mediante corriente alterna a través de u convertidor.
En los robots de juguete o didácticos se pueden emplear baterías comunes o pilas, y en los de muy bajo consumo celdas solares.
Los sensores: Los sensores le permiten al robot a manejarse con cierta inteligencia al interactuar con el medio. Son componentes que detectan o perciben ciertos fenómenos o situaciones.
Estos sensores pretenden en cierta forma imitar los sentidos que tienen los seres vivos.
Entre los diferentes sensores que podemos encontrar están las fotoceldas, los fotodiodos, los micrófonos, los sensores de toque, de presión, de temperatura, de ultrasonidos e incluso cámaras de video como parte importante de una "visión artificial" del robot.
Los circuitos de control: Los circuitos de control son el "cerebro" del robot y en la actualidad están formados por componentes electrónicos más o menos complejos dependiendo de las funciones del robot y de lo que tenga que manejar.
Actualmente los modernos microprocesadores y microcontroladores, así como otros circuitos específicos para el manejo de motores y relés, los conversores A/D y D/A, reguladores de voltaje, simuladores de voz, etc. permiten diseñar y construir tarjetas de control para robots muy eficientes y de costo no muy elevado.
El bajo costo actual de una computadora personal permite utilizarla para controlar robots de cualquier tipo utilizando las grandes ventajas que supone dicho dispositivo.
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Pasando al entorno industrial, podemos observar lo siguiente en los dispositivos que se encuentran instalados en muchísimas fábricas:
En los sistemas automáticos de manipulación de piezas u objetos podemos distinguir tres partes estructurales muy bien definidas.
La primera es la máquina propiamente dicha, o sea todo el sistema mecánico y los motores o actuadores y el sistema de agarre o sujeción de los objetos.
Los sensores de fuerza, visión y sonido son detectores necesarios para que la máquina sepa exactamente el estado de todas las variables que precisa para una correcta actuación.
El sistema de control y el lenguaje de programación forman el sistema de toma automática de decisiones, que incluye la planificación, el control de los movimientos y la interpretación de los datos que aportan los sensores.
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Detallando ahora estos elementos podemos ver la estructura de un robot de tipo industrial en la siguiente tabla, observemos que el brazo mecánico es sólo una parte de todo el mecanismo:
Manipulador, ejecutor o efector final
El controlador: puede ser: de posición, cinemático, dinámico o adaptativo
Los elementos motrices: pueden ser: Neumáticos, Hidráulicos o Eléctricos
El elemento terminal: Aprehensor, Herramienta
Los sensores
Los ordenadores
El manipulador, ejecutor o efector final: (dispositivos de manipulación: brazos, muñecas, manos, herramientas, dispositivos de succión y magnéticos.
El manipulador o brazo son los elementos mecánicos que propician el movimiento del elemento terminal. Los elementos rígidos del brazo están relacionados entre sí mediante articulaciones, las cuales pueden ser giratorias o prismáticas. El número de elementos del brazo y el de las articulaciones que los relacionan determinan los grados de libertad del manipulador, que en los robots industriales suele ser seis.
El controlador de posición : es el dispositivo que se encarga de regular el movimiento de los elementos del brazo, y de todo tipo de acciones, cálculos y procesos de información. La complejidad del control varía con los parámetros que se manejan, existiendo varias categorías de controlador:
El controlador de posición solo interviene en el control de posición del elemento terminal, pudiendo actuar punto a punto, o bien en modo continuo.
El controlador cinemático además de la posición controla la velocidad del brazo.
El controlador dinámico tiene en cuenta también las propiedades dinámicas del manipulador, motores y elementos asociados.
El control adaptativo, además de lo indicado en los anteriores, también considera la variación de las características del manipulador al variar la posición.
Desde otra óptica, el controlador puede ser de lazo abierto o de lazo cerrado.
En el primero se manda una señal de control, pero no se verifica si se ha reproducido con exactitud o se ha cometido un error al ejecutarse. En el segundo caso, existe una realimentación de la salida, cuya información se compara con la señal de mando, tratándose el error, si lo hubiera, de manera adecuada para lograr alcanzar lo que se pretendía con la señal de mando.
Los elementos motrices o Actuadores (motores neumáticos, mecánicos o eléctricos que suministran la fuerza de entrada para el movimiento de los ejecutores).
Se encargan de mover las articulaciones, a través de cables, poleas, cadenas, engranajes, etc.
Su clasificación se realiza de acuerdo al tipo de energía que utilizan:
Los actuadores neumáticos emplean el aire comprimido como fuente de energía y se utilizan para controlar movimientos rápidos pero de no mucha precisión.
Los actuadores hidráulicos se utilizan cuando se requiere una gran capacidad de carga, junto con una precisa regulación de velocidad.
Los actuadores eléctricos son los que más se utilizan, por su fácil y preciso control, y por las ventajas del funcionamiento mediante energía eléctrica.
El elemento terminal: Aprehensor, Herramienta
Sensores: detectan la luz, el sonido, las distancias, etc.
Ordenadores de tamaño grande o mediano: conectados a los actuadores y sensores por cable o radio, o microprocesadores internos (dentro del robot), o una combinación de ambos.
La tendencia actual es diseñar robots más y más versátiles, capaces de adaptarse a distintos trabajos. Cuanto más general es la aplicación más complejo es el diseño de la máquina y, por lo tanto, más se encarece el mismo.
Sería interesante que los robots fueran:
*-Autónomos, es decir, que pudieran desarollar su tarea de forma independiente.
*-Fiables, que siempre realizaran su tarea de la forma esperada.
*-Versátiles, que pudieran ser utilizados para variadas tareas sin necesidad de demasiadas modificaciones en su control.
En general hay cuatro tipos distintos de soluciones para los problemas a los que un robot se enfrenta. Dependiendo de las restricciones del problema, un tipo de solución será más apropiado que otro, pero raramente será un tipo aislado de soluciones quien proporcione el mejor resultado.
Ingeniería del entorno
Cambio de la forma física del robot
Cambio del tipo de acciones que el robot lleva a cabo
Software de control para dirigir el comportamiento del robot
Ingeniería del entorno
Los humanos utilizamos este método continuamente para hacernos la vida más fácil. Cuando estamos diseñando un robot hay ciertas características del entorno que podrían simplificar el diseño del mismo. Por ejemplo un robot de limpieza que en vez de trabajar de día trabajara de noche, evitando así el problema de la gente moviéndose por su entorno.
Cambio de la forma física del robot
La forma de un robot puede tener un gran impacto en sus prestaciones, un robot no cilíndrico corre mayor riesgo de quedar atrapado por una disposición desfavorable de obstáculos o de fallar en encontrar un camino en un espacio estrecho o intrincado.
Consideremos dos robots del mismo tamaño uno cilíndrico y el otro cuadrado, ambos encuentran un paso estrecho según se mueven. Un algoritmo sencillo permitirá al robot cilíndrico pasar, el robot choca, gira y lo intenta de nuevo hasta que pasa. Esto es así de simple porque el robot es capaz de girar estando en contacto con el obstáculo.
El robot cuadrado, por el contrario, tiene que retroceder y girar si quiere usar la misma táctica. Por tanto, siempre se requiere un algoritmo más complejo para la navegación de un robot cuadrado que para la de uno cilíndrico. Para entender la razón de esto, tenemos que apelar a un concepto avanzado en robótica conocido como espacio de configuraciones cuyo autor es Tomás Lozano-Pérez.
Software de control más sofisticado para dirigir el comportamiento del robot
Un diseño sencillo puede ser suficiente para realizar la tarea encomendada si el software de control es lo suficientemente completo como para resolver todos los problemas a los que se enfrente.
