Introducción a la Robótica

robot-arañaLa historia de la robótica es corta pero intensa. A lo largo de los últimos añs no solo se han desarrollado técnicas de programación nuevas, sino que también ha evolucionado la forma física de los robots. Un robot se compone tanto de la parte física como de la programación, pero esta última esta altamente condicionada por la primera. Por tanto en esta introducción a la robótica introduciré el concepto físico de un robot.

Pero, ¿qué es un robot? Un robot es un conjunto de sensores y actuadores, y el programa que los controla. Mediante los sensores un robot es capaz de captar estímulos del medio y crear su “propio mundo”, su representación del mismo. Este mundo suele ser muy diferente del que nosotros captamos mediante nuestros sentidos, entre otras cosas porque nuestros “sensores” y la representación que hacemos de la información que recibimos a través de los mismos son distintos. Los actuadores le sirven al robot para interaccionar con el mundo de la manera que nosotros hayamos programado, como por ejemplo moviéndose al recibir ciertos estímulos mediante sus sensores, o simplemente desplazándose por un circuito.

Sensores:

Los sensores son los instrumentos a través de los que el robot percibe el mundo. Constituyen su canal de percepción. A la hora de programar es muy importante tener en cuenta que el mundo de un robot es sólo lo que él es capaz de percibir. Por ejemplo, si los humanos fueramos ciegos para nosotros no existirían ni la luz ni los colores. Los sensores miden propiedades físicas y por lo general necesitan convertir esas señales que perciben en símbolos inteligibles y útiles: el programador del robot debe “traducir” dichas magnitudes en información útil para el robot. Hay bastantes tipos de sensores, pero todos ellos suelen tener las siguientes características:

  • Sensibilidad: ratio de cambio de la salida a los cambios de las entradas. Un sensor será muy sensible si un pequeño cambio de la magnitud que mide se transforma en un gran cambio de la magnitud de salida presentada.
  • Linealidad: medida de la constancia del ratio entrada/salida.
  • Rango: diferencia entre el máximo y mínimo valor medible.
  • Tiempo de respuesta: tiempo requerido para que un cambio de la entrada sea observable.
  • Exactitud: diferencia entre el valor real y el medido.
  • Resolución: el incremento mínimo observable en la entrada.
  • Repetitividad: diferencia entre sucesivas medidas de la misma entrada.
  • Tipo de salida: entero, real, matriz, …

Un sensor puede ser activo o pasivo. Los sensores pasivos miden señales del entorno, sin interactuar con él. Como ejemplo de ellos podríamos citar a los interruptores, botones, sensores de luz, etc… Por el contrario, los sensores activos producen un estímulo y miden su interacción en el entorno, como por ejemplo el del ultrasonido que emite ultrasonidos a la espera de que reboten y le vuelvan, pudiendo medir así la distancia al objeto, pero hay más, como los laser o los de infrarojos por ejemplo. Por su puesto los sensores activos necesitan más procesamiento y energía.

sensor laser

La siguiente es una pequeña lista de sensores:

  • Sensor de tacto: Es uno de los sensores más sencillos, es pasivo y se basa en si esta en contacto o no.
  • Sensor de posición: Es pasivo, y devuelve en que posición está por ejemplo un motor (los tacómetros de los motores de los NXT).
  • Sensores de luz: Miden la cantidad de luz ambiente, pueden ser activos (emitiendo luz contra un objeto cercano y midiendo la luz reflejada), o pasivo (midiendo la luz ambiente).
  • Sensores de infrarojos: Son sensores activos, pueden ser emisores, receptores, o ambos. Como los mandos de televisión.
  • Sensor de velocidad: Son sensores que miden velocidades lineales, como el odómetro, o velocidades angulares como el giróscopo.
  • Sensor de ultrasonidos: Es un sensor activo que mide distancias mediante ultrasonidos.
  • Sensor laser: Es un sensor activo que mide distancias de forma precisa mediante la reflexión de luz.

Los LEGO Mindstorms NXT cuentan con una gran cantidad de sensores, como sensor de contacto, de luz, de ultrasonido, de sonido, de color, odómetros en los motores … Además Hi-Technic amplía esta variedad con sensores más sofisticados como el giróscopo o el acelerómetro.

Actuadores y efectores:

Los actuadores son fundamentales para que el robot interactúe con el medio. Son por tanto los mecanismos que permiten que algo efectúe la ejecución de una acción o movimiento. Ese algo es el efector, pero el efector no lleva a cabo su trabajo sin la ayuda del actuador. Por tanto podemos decir que es el conjunto de actuador y efector el encargado de transformar las órdenes recibidas por los controladores del robot en el efecto deseado dentro de su contexto, un desplazamiento, una manipulación, etc. Debido a la gran cantidad de usos que tienen los robots hay distintos tipos de actuadores. Existe, sin embargo, una primera gran clasificación de los actuadores, y que coincide con las dos actividades principales de la robótica: algunos actuadores sirven para desplazar el robot (actividad de locomoción), y otros son para manipular objetos (actividad de manipulación).

big-dog-robot

Esta pequeña lista engloba la mayoría de actuadores:

  • Motores: Los motores son los actuadores por excelencia. Gracias a los motores los robots son capaces de desplazarse, mover partes de su estructura (como brazos mecánicos) y ejercer tareas de gran precisión. Mucho motores incluyen sensores, principalmente odómetros para el cálculo de desplazamiento y grados girados. Los motores transforman la energía eléctrica (normalmente tratamos con motores eléctricos) en energía mecánica.
  • Servo-motores: Los servomotores son motores eléctricos capaces de moverse a determinada posición, o rotar x grados. Su gran precisión los convierte en candidatos de especial utilidad para la robótica.
  • Neumáticos: Los actuadores neumáticos se basan en la presión del aire: el actuador se desplaza dependiendo de la presión del aire. La principal ventaja de este tipo de actuadores su potencia o seguridad, aunque son algo imprecisos y presentan el posible riesgo de fugas.
  • Hidráulicos: Los actuadores hidráulicos se basan en la presión de un fluido. El actuador se desplaza dependiendo de la presión de dicho fluido y cuentan con gran fuerza y mucha precisión. Su principal desventaja es el elevado coste de mantenimiento, ya que tienen cierta facilidad para averiarse. Presentan también el mismo riesgo que los neumáticos, las posibles fugas.
  • Los anteriores son los actuadores más habituales y por ende los más conocidos, pero se están desarrollando otros actuadores, como por ejemplo los materiales reactivos químicamente. Entre ellos podemos citar unas fibras cuya longitud puede ser modificada en función de la acidez de la solución sobre la que se encuentran, lo que las convierte en potenciales actuadores lineales. También existen materiales reactivos a la temperatura o a otras propiedades.

Con gran diferencia respecto a los restantes, es el motor DC (de corriente contínua) el que se emplea en mayor medida. Su bajo coste y simplicidad han permitido que se hayan convertido en los actuadores por excelencia, y el lógico efector que llevan asociado la mayoría de las ocasiones son las ruedas. Pero este tipo de motores tienen la desventaja de que suelen girar excesivamente rápido comparativamente con la velocidad de giro que se necesita. Por otra parte los robots suelen tener necesidad de realizar acciones que requieren de un par que los motores no son capaces de producir. Es decir, en muchas ocasiones nos encontramos con que disponemos de un motor que gira demasiado rápido y que es capaz de proporcionar un par insuficiente. Afortunadamente existe una solución, y es la de hacer uso de una caja reductora. Entre el motor y el efector suele existir una relación de transmisión capaz de adaptar los dos parámetros anteriores a los que se requieren en el efector.

La transmisión es por tanto fundamental, puesto que nos permite incrementar el par, aumentar la velocidad o incrementar la precisión disminuyendo la velocidad de giro, dependiendo de lo que necesitemos en cada caso. Un servo motor no es, de hecho, más que un motor al que se le ha añadido una reductora (que nos permite incrementar el par y reducir la velocidad de giro), un sensor de rotación y un circuito capaz de controlar al motor.

Entre los efectores más habituales podemos citar a los siguientes:

  • Ruedas: El más usado para la locomoción. Son muy estables, y nos permiten un desplazamiento preciso del robot.
  • Patas: Poco usadas actualmente por el gran problema del equilibrio y estabilidad. Cuentan con un problema de equilibrio estático (que el robot este estable quieto) y de equilibrio dinámico (estabilidad en movimiento).
  • Manipuladores: Disponen de formas especiales puesto que han sido diseñados para realizar tareas específicas, como los soldadores de los brazos robóticos de las cadenas de montaje de las fábricas de coches.

En los LEGO NXT contamos con servomotores, ruedas y transmisión como actuadores, aunque por supuesto nos podríamos construir patas, y manipuladores, y podemos utilizar la neumática de lego Technic.

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