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CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1. Antecedentes. Para la elaboración de esta investigación se citan algunos trabajos de
tesis, lo cual permitieron un enfoque adecuado al proceso de análisis,
objetivo y desarrollado.
Urdaneta, P (2009). “Robot modular reconfigurable para evadir
obstáculos en áreas de difícil acceso”. Universidad Rafael Belloso Chacín.
Maracaibo Venezuela.; es de tipo explicativa y de campo; el diseño de esta
investigación es de tipo experimental. La recolección de los datos en esta
investigación se realizó por medio de la observación directa a través de la
variante intersubjetiva.
Para alcanzar los objetivos planteados, se empleó la metodología
planteada por Angulo, J. (1986), la cual consta de nueve fases y fue
adaptada a las características de este estudio de la siguiente forma: fase 1:
Definición de las Especificaciones, fase 2: Esquema General del Hardware,
fase 3: Organigrama General, fase 4: Implementación del Software, fase 5:
Implementación del Hardware, fase 6: Integración del Hardware con el
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Software y fase 7: Evaluación del Funcionamiento del Robot Modular
Reconfigurable. Como resultado se obtuvo un robot modular reconfigurable
que posee la capacidad de adaptarse fácilmente a las zonas de difícil acceso
y muestra en una interfaz gráfica a través de mensajes sencillos la trayectoria
recorrida; de igual forma se concluye que el robot modular es una
herramienta que presenta una gran versatilidad para ser configurado tanto a
nivel de hardware como de software, brindando la posibilidad de
implementarse como una buena opción para reconocimiento de áreas de
difícil acceso, entre otras tareas.
Esta investigación permitió un análisis a los sistemas de control que
un robot puede tener para garantizar su desplazamiento equilibrado y seguro
por un entorno desconocido.
Nabulsi, S (2009) Diseño y control reactivo de robots caminantes sobre
terreno natural. Universidad complutense de Madrid. España. En esta tesis
se aborda el problema de la locomoción sobre terreno natural de robots
caminantes. Para la realización de la tesis se ha elegido como plataforma
experimental el robot Roboclimber, que es un robot cuadrúpedo, caminante y
escalador, de grandes dimensiones, capaz de llevar consigo una carga muy
elevada de equipo especializado para la consolidación de laderas de
montañas rocosas.
Partiendo del diseño, realización y modelado del robot y de su sistema
de actuación servo-hidráulico, y definida su arquitectura de control, se
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investigan diversas alternativas para la obtención de las fuerzas de reacción
robot-entorno, bien de forma indirecta empleando sensores de ultrasonidos,
bien de forma directa mediante el empleo de sensores de presión localizados
en los actuadores hidráulicos.
El elevado número de señales presentes y de la presencia de ruido en
las medidas, se toman en consideración diversas técnicas de filtrado. Por
otro lado, la generación de modos de locomoción estables sobre terreno
natural es un problema complejo que requiere regular la interacción dinámica
robot-entorno. Por esta razón se investigan diversas estrategias de control
reactivo para locomoción sobre terreno natural, que van desde el control
acomodaticio hasta el control de impedancia. El propósito de esta tesis
permitió desarrollar un sistema locomotor acorde con los parámetros de un
robot quilópodo que pueda transportar carga con el menor impacto de
maltrato al ambiente.
Bastardo, M (2009) En este proyecto que tiene el título: Diseño y
construcción de un prototipo de robot cuadrúpedo, Universidad Simón
Bolívar. Caracas, Venezuela. Se presenta la descripción detallada del
proceso de diseño y construcción de un prototipo de máquina caminante de
cuatro extremidades. Se analizan distintos prototipos existentes, donde no
sólo se incluyen robots cuadrúpedos, para poder establecer las ventajas y
desventajas de la configuración seleccionada. Esto incluye una investigación
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de los patrones de movimiento de distintos seres vivos, tales como
mamíferos, insectos y reptiles, donde se seleccionó una combinación de los
dos últimos grupos para obtener una mayor eficiencia en el desplazamiento,
desencadenando un estudio cinemático del prototipo, que se realizó una vez
determinado el diseño final del mismo.
Se presentan las distintas propuestas de diseño, tanto conceptual como
en detalle, de las cuales se eligió la opción más ventajosa. A partir de esto,
se realizó el proceso de construcción, donde se consideraron los procesos
de fabricación más sencillos, y las condiciones de mínimo costo, para
obtener el prototipo idóneo. Este trabajo constituye un avance en el campo
de la mecatrónica, y permitirá desarrollar y crear nuevas opciones para el
estudio de las máquinas caminantes.
Esta investigación nos permite entender la cinemática de un robot
caminante de cuatro patas.
González, J (2008). Robótica modular y locomoción: aplicación a robots
ápodos. Universidad autónoma de Madrid. Madrid España. Esta tesis se
enmarca dentro del área de la locomoción de robots modulares y se centra
específicamente en el estudio de las configuraciones con topología de una
dimensión, que denominamos robot sápodos. El problema a resolver es
cómo coordinar el movimiento de las articulaciones de estos robots para que
puedan desplazarse tanto en una como en dos dimensiones.
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En esta tesis establecemos una clasificación de los robots modulares
según su topología y tipo de conexionado y planteamos la hipótesis de
emplear generadores sinusoidales como controladores para la locomoción de
los robots ápodos modulares con topología de una dimensión. Con la
orientación de este trabajo de grado se obtuvo un buen análisis a las
articulaciones de un robot.
Bogado, J (2007) Control bilateral de robots teleoperados por
convergencia de estado. Universidad politécnica de Madrid. Madrid España.
Esta investigación se basó en el desarrollo de un robot capaz de desplazarse
de un lugar a otro por diversos terrenos, por muy escarpados y abruptos que
sean. Esto tiene especial interés en las aplicaciones en las que el entorno no
es conocido, como la exploración de las superficies de otros planetas,
navegación en entornos hostiles o las operaciones de búsqueda y rescate.
Uno de los grandes retos es el desarrollo de un robot lo más versátil
posible que sea capaz de desplazarse de un lugar a otro por diversos
terrenos, por muy escarpados y abruptos que sean. Esto tiene especial
interés en las aplicaciones en las que el entorno no es conocido, como la
exploración de las superficies de otros planetas, navegación en entornos
hostiles o las operaciones de búsqueda y rescate. El aporte que prestó esta
investigación son las distintas dificultades que puede enfrentar un robot al
desplazarse por un terreno natural.
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2.2. Bases teóricas: 2.2.1. Edafología: Ciencia que estudia las características de los suelos, su formación y su
evolución (edafogénesis), sus propiedades físicas, morfológicas, químicas y
mineralógicas y su distribución. También comprende el estudio de las
aptitudes de los suelos para la explotación agraria o forestal. La edafología
se constituye como ciencia a finales del siglo XIX. Los suelos se desarrollan
bajo la influencia del clima, la vegetación, los animales, el relieve y la roca
madre. La edafología se sitúa en la encrucijada de las ciencias de la Tierra y
de la vida y es fundamental para la conservación del medio ambiente natural.
2.2.2. Granulometría: La granulometría como el proceso para determinar la proporción en que
participan los granos del suelo, en función de sus tamaños. Esa proporción
se llama gradación del suelo. La distribución porcentual en masa de los
distintos tamaños de partículas que constituyen una muestra de suelo.
La gradación por tamaños es diferente al término geológico en el cual se
alude a los procesos de construcción (agradación) y la destrucción
(degradación) del relieve, por fuerzas y procesos tales como tectonismo,
vulcanismo, erosión, sedimentación, entre otros.
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2.2.3. Fitogeografía: La fitogeografía se define como una rama de la biogeografía, y esta a su
vez incorpora elementos de la biología y la geografía. Da cuenta de la
relación entre la vida vegetal y el medio terrestre o la ciencia que estudia el
hábitat de las plantas en la superficie terrestre. Esta ciencia tiene una doble
dirección, la primera es la posibilidad de estudiar por una parte la estructura y
biología de un manto vegetal, y por otra parte puede estudiar las especies
que constituyen el poblamiento vegetal de un tipo de vegetación o de un
determinado territorio.
Es importante conocer y distinguir las principales diferencias que existen
entre flora y vegetación. La flora corresponde al resultado de hechos
antiguos, donde las especies están ahí o en esas condiciones porque las
migraciones pasadas las han llevado, o porque conexiones
intercontinentales, o las oscilaciones climáticas han permitido esos
desplazamientos. La flora hace referencia a las especies y su respectiva
descripción taxonómica de los individuos que conforman la vegetación.
La vegetación en cambio hace referencia al resultado de causas
actuales, sean geográficas o biológicas y engloba a su vez formas
fisonómicas del poblamiento vegetal. Por lo tanto la vegetación corresponde
al conjunto resultante de la disposición en el espacio de los diferentes tipos
vegetales presentes en una determinada porción del territorio.
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2.2.4. Suelos: Constituye la capa más superficial de la corteza terrestre, que resulta de
la descomposición de las rocas por los cambios bruscos de temperatura y
por la acción del agua, del viento y de los seres vivos.
Agregado: Se emplea para designar una masa de suelo. Los agregados
de suelo pueden definir textura, estructura, compacidad, consistencia y
humedad.
Botones: Fragmentos de roca entre 80 y 300 mm.
Grava: Agregados sin cohesión de fragmentos granulares. Poco o no
alterados, de rocas y minerales, cuyos tamaños varían entre 5 y 80 mm.
Arena: Agregados sin cohesión, cuyos tamaños varían entre 0.08 y
5mm.
Limos: Suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad y de tamaño
comprendido entre 0.005 y 0.08 mm.
Arcillas: Son agregados de partículas pequeñísimas derivadas de la
descomposición química de las rocas, son plásticas y el tamaño de sus
partículas es menor a 0.005 mm.
2.2.5. Clasificación de suelos: Los términos principales usados para describir los suelos son: grava,
arena, limo y arcilla. La mayor parte de los suelos naturales se componen de
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una mezcla de dos o más de estos elementos, y pueden contener por
añadidura, material orgánico parcial o completamente descompuesto.
En los Estados Unidos se ha adoptado la clasificación de la ASTM,
cuyos límites dados en la tabla 1 se utilizan como normas para Fines
Lécniws.
Tabla 1 Limites de los tamaños de los componentes del suelo según la clasificación de
la ASTM (en milímetros) Fuente: Juarez Badillo y Rico Rodriguez (2009, p 99) - Bloques mayor a 300 mm - Bolones de 80 a 300 mm - Grava de 5 a 80 mm - Arenas de 0.08 a 5 mm - Limos de 0.005 a 0.08 mm - Arcillas menores a 0.005mm 2.2.6. Zonas fitogeografías de Venezuela: Las sabanas: Son zonas planas, de características climáticas muy estables,
temperatura promedio de 30° C y una vegetación entre hierbas y árboles. Su
clima es cálido, presenta un período de sequía seguido de una época de
abundantes precipitaciones, durante las cuales las plantas se tornan
frondosas y frescas. Posee una vegetación constituida por arbustos, hierbas,
árboles achaparrados (de tamaño mediano y troncos retorcidos) y árboles
deciduos (pierden hojas en épocas de sequías). Este bioma predomina en
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Venezuela en los llamados llanos venezolanos, y se encuentra delimitado al
noreste por la Cordillera de la Costa y la de los Andes, al sur por Guayana y
al este con el Delta del Orinoco.
Los bosques: Son ecosistemas donde hay predominio de vegetación arbórea. Los
árboles por lo general son de gran tamaño y se encuentran distribuidos
homogéneamente a lo largo de este ecosistema.
Los suelos de los bosques son muy importantes ya que pueden retener
agua, y una vez filtrada, alimentar manantiales y ríos.
Este tipo de selva se localiza en Venezuela, en el Delta del Orinoco, Sur
del Lago de Maracaibo y Guayana.
Los páramos: Ocupan una región muy propia de las altas montañas, carentes de
árboles, con condiciones climáticas drásticas, bajas temperaturas (Oº C a 13°
C); precipitaciones escasas o pocas y suelos secos.
En Venezuela existen los páramos de los Andes a alturas mayores a los
3000 mts. En él encontramos una vegetación muy característica como lo es
el frailejón (Espeletia). También hay musgos y líquenes.
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La fauna de los páramos venezolanos se encuentra representada por el
cóndor andino, el águila negra, la musaraña de Mérida, el águila real,
numerosas especies de ranas, entre otros. Todas estas especies están bien
adaptadas para soportar las bajas temperaturas que caracterizan a los
páramos.
Los desiertos: Estas áreas conocidas como médanos, corresponden en su aspecto a lo
que muchos autores denominan "semidesiertos venezolanos". Estas son
zonas xerófilas, ya que en su vegetación está constituida por cardones y
cujíes, las lluvias son escasas, la vegetación presenta follaje muy reducido
para evitar así la excesiva pérdida de agua por evaporación, la temperatura
es muy elevada y alcanza de los 25 a 30" C.
Venezuela presenta la zona xerófila ubicada en las cercanías de las
costas marinas. De ésta forma las encontramos al noreste del estado Sucre,
Isla de Margarita, en el centro-norte de Lara y en las costas de Falcón.
Falcón presenta en las zonas próximas a sus costas, regiones en las cuales
se agrupan montículos de arena suelta formadas por el viento. Estas
formaciones son denominadas dunas.
La vegetación predominante en estas zonas son los cardones, tunas,
cujíes, guamachos, sisal, abrijo y plantas rastreras de hojas carnosas. Estas
plantas crecen sobre las desnudas arenas de los médanos, están bien
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adaptadas a ese tipo de hábitaty en términos globales son denominadas
espinares.
El manglar: Es el nombre que recibe la vegetación típica que crece en las aguas
tropicales y subtropicales de algunas áreas costeras. Esta especie típica se
le conoce como mangle, son plantas que toleran una gran salinidad. Los
árboles que le rodean presentan gruesas y grandes raíces que se fijan en el
suelo en forma de sancos arqueados.
Los manglares contribuyen a la formación de islas, protegen las costas
de la erosiónde las aguas marinas y contribuyen con el avance terrestre
sobre el mar.
2.2.7. Quilópodo: Los quilópodos, comprende a las escolopondras (ciempiés), Ver figura
1, que son miriápodos aplanados en los que se distingue cabeza y tronco. La
cabeza posee un par de antenas multiarticuladas, un par de ocelos, un labro,
un par de mandíbulas, dos pares de maxilas y un par de órganos de
Tömösvary. El tronco presenta en el primer segmento un par de forcípulas,
que son unas pinzas robustas acabadas en dos uñas que ratinizadas en las
que desembocan, sendas glándulas venenosas. El tronco puede tener desde
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unos pocos segmentos a más de 100, con un par de patas laterales
marchadoras cada uno. El último par de patas es mucho más largo que las
demás.
Figura 1: Quilópodo. Fuente: Internet
2.2.8. Robot: El robot se define, de manera formal en la Organización Internacional
para la Estandarización (ISO), como un manipulador multifuncional
reprogramable, capaz de mover materia les, piezas, herramientas o
dispositivos especiales, a través de movimientos variables programados,
para el desempeño de tareas diversas.
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2.2.9. Clasificación de los robots: Un robot puede ser clasificado atendiendo a diferentes criterios o
características. Algunas de éstas serán dependientes de su propia esencia,
otras de la aplicación o tarea a que se destinan.
2.2.9.1. Clasificación atendiendo a la Generación: La generación de un robot hace referencia al momento tecnológico en
que éste aparece. De este modo se puede considerar que se pasa de una
generación a la siguiente cuando se da un hito que supone un avance
significativo en las capacidades de los robots.
Aun siendo ésta una división subjetiva, es interesante, pues permite
hacerse una idea de cuán avanzado es un robot. Cronológicamente podría
decirse que la primera generación se extiende desde el comienzo de la
robótica hasta los años ochenta. La segunda generación se desarrolla en los
años ochenta y es la que mayoritariamente se puede encontrar hoy en día en
las industrias. La tercera gene ración está desarrollándose en estos días,
siendo, por tanto, objeto de un futuro cercano.
(1).- Generación: Repite la tarea programada secuencialmente. No toma
en cuenta las posibles alteraciones de su entorno.
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(2).- Generación: Adquiere información limitada de su entorno y actúa en
consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y
adaptar sus movimientos en consecuencia.
(3).- Generación: su programación se realiza mediante el empleo de un
lenguaje natural. Posee capacidad para la planificación automática de tareas.
2.2.9.2. Clasificación atendiendo al Área de Aplicación: Desde el punto de vista del uso que se da al robot es posible
clasificarlos bien en base al sector económico en el que se encuentran
trabajando o bien en base al tipo de aplicación o tarea que desarrollan,
independientemente de en qué sector económico trabajen.
En cuanto a los robos de servicio, la IFR establece de manera poco
precisa un primer criterio de clasificación según que el servicio «prestado»
por el robot esté dirigido a los huma nos, a los equipos o a otras actividades.
Dentro de cada una de estas alternativas se considera el grado de
interacción con el humano.
2.2.9.3. Clasificación atendiendo al tipo de actuadores: Dependiendo de cuál sea el tipo de energía utilizada por los ejes
principales del robot, éste puede ser clasificado como:
● Robot Neumático.
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● Robot Hidráulico.
● Robot eléctrico.
La mayor parte de los robots actuales son de acciona miento eléctrico,
pero pueden encontrarse casos particulares de robots con accionamiento
hidráulico o neumático.
2.2.9.4. Clasificación atendiendo al número de ejes: Esta característica es aplicable a los robots o telerobot con cadena
cinemática. Se en tiende por eje cada uno de los movimientos
independientes con que está dotado el robot. Puesto que (le acuerdo a la
definición ISO el robot manipulador industrial debe tener al menos 3 ejes y
extendiendo esta condición a los robots de servicio manipuladores, se
podrán encontrar robots de cualquier número de ejes superior o igual a 3. En
la práctica, la mayor parte de los robots tienen 6 ejes, seguidos por los de 4.
Los robots con más de 6 ejes son poco frecuentes, estando justificado este
número para aumentar la capacidad de maniobra del robot y siendo en
muchas ocasiones telerobots.
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2.2.9.5. Clasificación atendiendo a la configuración: Esta clasificación es sólo aplicable a robots o telerobots con cadenas
cinemática. La configuración de un robot queda definida por el tipo de
movimientos permitidos entre 2 eslabones consecutivos de la cadena. De
acuerdo a esto se tienen los tipos de configuraciones.
● Cartesiano.
● Cilíndrico.
● Polar o Esférico.
● Articular.
● SCARA.
● Paralelo.
2.2.9.6. Clasificación atendiendo al tipo de control: Atendiendo al tipo de control, la norma IS0 8373 y, en consonancia la
IFR, distingue entre los siguientes:
Robot secueneial (ISO): Robot con un sistema de control en el que un
conjunto de movimientos se efectúa eje a eje en un orden dado, de tal forma
que la finalización de un movimiento inicia el siguiente.
En este tipo de robots sólo es posible controlar una serie de puntos de
parada, resultando un movimiento punto a punto (Point to Point: PTP). Un
ejemplo de ellos son los manipula dores neumáticos.
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Robot controlado por trayectoria (ISO): Robot que ejecuta un
procedimiento controlado por el cual los movimientos de tres o más ejes
controlados, se desarrollan según instrucciones que especifican en el tiempo
la trayectoria requerida para alcanzar la siguiente posición (obtenida
normalmente por interpolación).
Los robots controlados por trayectoria permiten la realización de
movimientos en los que puede ser especificado toda la trayectoria de manera
continua.
Robot adaptativo (ISO): Robot que tiene funciones de control con
sensores, control adaptativo, o funciones de control de aprendizaje.
De este modo el robot puede modificar su tarea de acuerdo a la
información captada del entorno, por ejemplo, a través de un sistema de
visión por computador o por sensores de fuerza o contacto.
Robot Teleoperado (ISO): Un robot que puede ser controlado
remotamente por un operador humano, extendiendo las capacidades
sensoriales y motoras de éste a localizaciones remotas.
2.2.10. Morfología de un robot: Un robot está formado por los siguientes elementos: estructura
mecánica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema sensorial,
sistema de control y elementos terminales.
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2.2.11. Estructura mecánica de un robot: Mecánicamente, un robot está formado por una serie de elementos o
eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento
relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución tísica de la
mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía
del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los
distintos elementos que componen el robot, se usan término corno cuerpo,
brazo, codo y muñeca.
El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de
giro, o de una combinación de ambos, De este modo son posibles los seis
tipos diferentes de articulaciones en la Figura 2, aunque, en la práctica, en
los robots sólo se emplean la de rotación y la prismática.
Figura 2: Tipos de Articulaciones. Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 52)
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Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada
articulación con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad (GDL).
En la Figura 2 se indica el número de GDL de cada tipo de articulación. El
número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grados
de libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como se ha
indicado, las articulaciones empleadas son únicamente las de rotación y
prismática con un solo GIL cada una, el número de GDL del robot suele
coincidir con el número de articulaciones de que se compone.
El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da
lugar a diferentes configuraciones, con características a tener en cuenta
tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación. Las
combinaciones más frecuentes son las representadas en la Figura 3 donde
se atiende únicamente a las tres primeras articulaciones del robot, que son
las más importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto del
espacio.
Figura 3: Combinación de articulación. Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 60)
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Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en
el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres
para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su
extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en
el espacio, se precisarán al menos seis GDL.
2.2.12. Actuadores: Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los
elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los
actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática,
hidráulica o eléctrica. Cada uno de estos sistemas presenta características
diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de
actuador más conveniente. Las características a considerar son entre otras:
● Potencia
● Controlabilidad.
● Peso y volumen.
● Precisión.
● Velocidad.
● Mantenimiento.
● Coste.
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2.2.13. Actuadores neumáticos. En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen
dos tipos de actuadores neumáticos:
● Cilindros neumáticos.
● Motores neumáticos (de aletas rotativas o de pistones axiales).
En los primeros se consigue el desplazamiento de un émbolo encerrado
en un cilindro, como con secuencia de la diferencia de presión a ambos lados
de aquel (Figura 4). Los cilindros neumáticos pueden ser de simple o doble
efecto. En los primeros, el émbolo se desplaza en un sentido como resultado
del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se
desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al
émbolo a su posición de reposo). En los cilindros de doble efecto el aire a
presión es el encargado de empujar al émbolo en las dos direcciones, al
poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos cámaras.
Figura 4: Cilindros neumáticos.
Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 75)
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Normalmente, con los cilindros neumáticos sólo se persigue un
posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento
continuo. Esto último se puede conseguir con una válvula de distribución
(generalmente de accionamiento eléctrico) que canaliza el aire a presión
hacia una de las dos caras del émbolo alternativamente.
En los motores neumáticos se consigue el movimiento de rotación de un
eje mediante aire a presión. Los dos tipos más usados son los motores de
aletas rotativas y los motores de pistones axiales. En los primeros, sobre el
rotor excéntrico están dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar aire
a presión en uno de los compartimentos formados por dos aletas y la
carcasa, éstas tienden a girar hacia una situación en la que el compartimento
tenga mayor volumen.
Otro método común más sencillo de obtener movimientos de rotación a
partir de actuadores neumáticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo
émbolo se encuentra acoplado a un sistema de piñón cremallera. El conjunto
forma una unidad compacta que puede adquirirse en el mercado corno tal
(Figura 5).
Figura 5: Motores neumáticos
Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 93)
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En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores
neumáticos no consiguen una buena precisión 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 manipuladores sencillos, en
apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de algún robot
(como el movimiento vertical del tercer grado de libertad de algunos robots
tipo SCARA).
2.2.14. Actuadores hidráulicos. Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente en mucho de
los neumáticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una
presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en
ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el caso de los
neumáticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y
pistones.
Sin embargo, las características del fluido utilizado en los actuadores
hidráulicos marcan ciertas diferencias con los neumáticos. En primer lugar, el
grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente
inferior al del aire, por lo que la precisión obtenida en este caso es mayor.
Por motivos similares, es más fácil en ellos realizar un control continuo,
pudiendo posicionar su eje en todo un rango de valores (haciendo uso de
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servocontrol) con notable precisión. Además, las elevadas presiones de
trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neumáticos, permiten
desarrollar elevadas fuerzas y pares.
Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a
cargas estáticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas,
como el peso o una presión ejercida sobre una superficie, sin aporte de
energía (para mover el émbolo de un cilindro sería preciso vaciar éste de
aceite). También es destacable su elevada capacidad de carga y relación
potencia-peso, así como sus características de autolubricación y robustez.
Frente a estas ventajas existen también ciertos inconvenientes. Por
ejemplo, las elevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia
de fugas de aceite a lo largo de la instalación. Asimismo, esta instalación es
más complicada que la necesaria para los actuadores neumáticos y mucho
más que para los eléctricos, necesitando de equipos de filtrado de partículas,
eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de
distribución.
Los accionamientos hidráulicos se usan con frecuencia en aquellos
robots que deben manejar grandes cargas. Así, este tipo de accionamiento
ha sido usado por robots como el UNIMATE 2000 y 4000 con capacidades
de carga de 70 y 205 kg, respectivamente.
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2.2.15. Actuadores eléctricos: Las características de control, sencillez y precisión de los
accionamientos eléctricos ha hecho que sean los más usados en los robots
industriales actuales.
Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos
diferentes:
Motores de corriente continua (DC).
Controlados por inducido.
Controlados por excitación.
Motores de corriente alterna (AC).
Síncronos.
Asíncronos.
Motores paso a paso.
2.2.15.1. Motores de corriente continua (DC). Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control.
Los motores DC están constituidos, por dos devanados internos,
inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua.
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El inductor, también denominado devanado de excitación, está situado
en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado de
excitación.
El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza
de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y
del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través
del colector de delgas, en el que se apoyan tinas escobillas de grafito.
Para que se pueda realizar la conversión de energía eléctrica en energía
mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del
estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es
máxima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de
delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se
mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las
corrientes rotóricas. De esta forma se consigue transforma automáticamente,
en función de la velocidad de la maquina, la corriente continua que alimenta
al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo
de funcionamiento se cono ce con el nombre de autopilotado.
Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina.
Si el motor está alimentado a tensión constante, se puede aumentar la
velocidad disminuyendo el flujo de excitación. Pero cuanto más débil sea el
flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad
de inducido constante. En el caso de control por inducido, la intensidad del
inductor se mantiene constante, mientras que la tensión del inducido se
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utiliza para controlar la velocidad de giro. En los controlados por excitación
se actúa al contrario.
Del estudio de ambos tipos de motores, y realizándose las
simplificaciones correspondientes, se obtiene que la relación entre tensión de
control y velocidad de giro (función de transferencia), responde a un sistema
de primer orden en los controlados por inducido, mientras que en el caso de
los motores controlados por excitación, esta relación es la de un segundo
orden.
2.2.15.2. Motores de corriente alterna (AC). Este tipo de motores no ha tenido aplicación en el campo de la robótica
hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control.
Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las máquinas síncronas
hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de
corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores:
• La construcción de rotores síncronos sin escobillas.
• Uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia (y así
la velocidad de giro) con facilidad y precisión.
• Empleo de la microelectrónica que permite una gran capacidad de
control.
El inductor se sitúa en el rotor y está constituido por imanes
permanentes, mientras que el inducid, situado en el estator, está formado por
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tres devanados iguales de calados 120° eléctricos y se alimenta con un
sistema trifásico de tensiones. Es preciso resaltar la similitud que existe entre
este es quema de funcionamiento y el del motor sin escobillas.
En los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la
frecuencia de la tensión que alimenta el inducido. Para poder variar ésta con
precisión, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de
frecuencia. Para evitar el riesgo de pérdida de sincronismo se utiliza un
sensor de posición continuo que detecta la posición del rotor y permite
mantener en todo momento el ángulo que forman los campos del estator y
del rotor. Este método de control se conoce como autosincrono o
autopilotado.
El motor síncrono autupilotado excitado con imán permanente, también
llamado motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a
que no posee escobillas y tiene una gran capacidad de evacuación de calor,
ya que los devanados están en contacto directo con la carcasa. El control de
posición se puede realizar sin la utilización de un sensor externo adicional,
aprovechando el detector de posición del rotor que posee el propio motor.
Además permite desarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que el
motor de corriente continua. En la actualidad diversos robots industriales
emplean este tipo de accionamientos con notables ventajas frente a los
motores de corriente continua.
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Tabla 2: Resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica.
Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 106)
En el caso de los motores asíncronos, no se ha conseguido resolver
satisfactoriamente los problemas de control que presentan. Esto ha hecho
que hasta el momento no tengan aplicación en robótica.
Como resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica, en la
se presenta un cuadro comparativo de éstos.
2.2.15.3. Motores paso a paso: Los motores paso a paso generalmente no han sido considerados
dentro de los accionamientos industriales, debido principalmente a que los
pares para los que estaban disponibles eran muy pequeños y los pasos entre
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posiciones consecutivas eran grandes. Esto limitaba su aplicación a
controles de posición simples. En los últimos años se han mejorado
notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su
control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso capaces de
desarrollar pares suficientes en pequeños pasos para su uso como
accionamientos industriales.
Existen tres tipos de motores paso a paso:
● De imanes permanentes.
● De reluctancia variable.
● Híbridos.
En los primeros, de imanes permanentes, el rotor, que posee una
paralización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al
campo magnético creado por las fases del estator. En los motores de
reluctancia variable. el rotor está formado por un material ferro magnético
que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza
del campo magnético generado por la bobinas de estator. Los motores
híbridos combinan el modo de funciona miento de los dos tipos anteriores.
En los motores paso a paso la señal de control son trenes de pulsos que
van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en
el estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado
número discreto de grados.
Para conseguir el giro del rotor en un determinado número de grados,
las bobinas del estator deben ser excitadas secuencialmente a una
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frecuencia que determina la velocidad de giro. Las inercias propias del
arranque y parada (aumentadas por las fuerzas magnéticas en equilibrio que
se dan cuando está parado) impiden que el rotor alcance la velocidad
nominal instantáneamente, por lo que ésta, y por tanto la frecuencia de los
pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente.
Para simplificar el control de estos motores existen circuitos
especializados que a partir de tres señales (tren de pulsos, sentido de giro e
inhibición) generan, a través de una etapa lógica, las secuencias de pulsos
que un circuito de conmutación distribuye a cada fase.
Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su
capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar
además de forma continua, con velocidad variable, como motores síncronos,
ser sincronizados entre sí, obedecer a secuencias complejas de funciona
miento, etc. Se trata al mismo tiempo de motores muy ligeros, fiables y
fáciles de controlar, pues al ser cada estado de. Excitación del estator
estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad de sensores
de reatoalimentación.
Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajas
velocidades no es suave, y que existe el peligro de pérdida de una posición
por trabajar en bucle abierto.
Su potencia nominal es baja y su precisión (mínimo ángulo girado) llega
típicamente hasta 1,8º. Se emplean para el posicionado de ejes que no
precisan grandes potencias (giro de pinza) o para robots pequeños
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(educacionales); también son muy utilizados en dispositivos periféricos del
robot, como mesas de coordenadas.
2.2.16. Servo Motor: Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento
controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al
enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la
línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje.
Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones
cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control
como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos
también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.
2.3. SISTEMA DE VARIABLES. 2.3.1.- Robot Quilópodo. En lo conceptual los quilópodos son conocido como cien pies. Se
mueven con rapidez por la superficie. Tiene el cuerpo deprimido con patas
bastante espaciadas, que salen de la preuras. Las antenas son largas y
filiformes. El número de patas no es tan grande como lo indica el nombre de
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cien pies. Tres de los cuadro ordenes de quilópodos poseen 15, 21 o 23
pares de patas.
La definición operacional del quilópodo es un robot conformado por
tres segmento, con ocho patas cada modulo uno independiente del otro. Con
un microcontrolador que permite el movimiento de sus patas al controlar unos
servo motores.
Variable Dimensión Indicadores
Robot quilópodo Transporte de carga
Análisis de posición. Técnicas de control. Control de articulaciones. Estabilidad. Liberta de movimiento.
Fuente: Montero (2012). Tabla 3: Sistema de Variable. 2.4. DEFINICION DE TERMINOS BASICOS. 2.4.1. Articulación: Es la unión entre dos o más huesos próximos. Las funciones más
importantes de las articulaciones son de constituir puntos de unión del
esqueleto y producir movimientos mecánicos, proporcionándole elasticidad y
plasticidad al cuerpo, además de ser lugares de crecimiento.
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2.4.2. Blender: Blender es un programa informático multiplataforma, dedicado
especialmente al modelado, animación y creación de gráficos
tridimensionales.
2.4.3. Matlab:
MATLAB (abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices")
es un software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado
(IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible
para las plataformas Unix,Windows y Apple Mac OS X.
Es un software muy usado en universidades y centros de investigación y
desarrollo. En los últimos años ha aumentado el número de prestaciones,
como la de programar directamente procesadores digitales de señalo crear
código VHDL.
2.4.4. MPLAB:
MPLAB es un editor IDE gratuito, destinado a productos de la marca
Microchip. Este editor es modular, permite seleccionar los distintos
microcontroladores soportados, además de permitir la grabación de estos
circuitos integrados directamente al programador.
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Es un programa que corre bajo Windows y como tal, presenta las
clásicas barras de programa, de menú, de herramientas de estado, entre
otros. El ambiente MPLAB posee editor de texto, compilador y simulación.
2.4.5. Proteus:
Es un programa para simular circuitos electrónicos complejos integrados
inclusive desarrollos realizados con microcontroladores de varios tipos, en
una herramienta de alto desempeño con unas capacidades graficas
impresionantes.
Proteus en realidad se divide en dos programas, ISIS y ARES. Con el
primero tendremos un generador de circuitos reales, que funcionan, de forma
que podremos comprobar si el diseño que queremos implementar en un PCB
funcionará. Una vez comprobado y testado con las herramientas
incorporadas, ARES pasará a la acción para conseguir pasar el diseño virtual
a algo que podamos implementar en la realidad con todos los componentes
de su base de datos correctamente identificados.
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2.4.6. Simulador:
Un simulador es un aparato, por lo general informático, que permite la
reproducción de un sistema. Los simuladores reproducen sensaciones que
en realidad no están sucediendo.
Un simulador pretende reproducir tanto las sensaciones físicas
(velocidad, aceleración, percepción del entorno) como el comportamiento de
los equipos de la máquina que se pretende simular. Para simular las
sensaciones físicas se puede recurrir a complejos mecanismos hidráulicos
comandados por potentes ordenadores que mediante modelos matemáticos
consiguen reproducir sensaciones de velocidad y aceleración.
2.4.7. Torque:
Es la tendencia de una fuerza para girar un objeto alrededor de un eje,
punto de apoyo o pivote. Al igual que una fuerza es un empujón o un tirón, un
par puede ser pensado como una vuelta de tuerca.
En términos generales, el par es una medida de la fuerza de giro en un
objeto, como un tornillo o un volante de inercia. Por ejemplo, empujar o tirar
de la palanca de una llave conectada a una tuerca o el tornillo produce un
torque (fuerza de giro) que se afloja o se aprieta la tuerca o el tornillo.