Robótica

Robótica es la ciencia y tecnología encargada del diseño, construcción, programación y aplicación de robots. Un robot, según una definición técnica precisa, es una máquina multitarea programada electrónicamente, capaz de realizar una variedad de funciones, típicamente, aunque no exclusivamente, de forma autónoma. Lo que distingue a un robot verdadero es su capacidad de ser reprogramado electrónicamente para realizar diferentes tareas sin necesidad de alterar sus componentes mecánicos o electrónicos internos.

Esta definición excluye a las máquinas automáticas diseñadas exclusivamente para repetir una tarea, ya que estas solo podrían cambiar de función mediante modificaciones internas. Asimismo, instrumentos como los manipuladores de materiales tóxicos o radiactivos controlados manualmente no califican como robots, sino como teleoperadores. La robótica moderna se apoya en unidades centrales de procesamiento (CPU), memoria programable y sensores que permiten al robot ejecutar tareas con precisión, adaptarse al entorno y garantizar la seguridad humana.

Figura : El LEMUR IIb es la tercera generación de Robots Utilitarios Mecánicos con Extremidades para Excursiones, pero tiene cuatro patas en lugar de las seis de su predecesor LEMUR II. Esto simplifica el robot y facilita su capacidad para escalar superficies inclinadas. Diseñado por científicos en la NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) .

• Cambio de herramientas ( Tool changing )
• Cámara de video CCD ( CCD video camera )
• Cámaras estereoscópicas ( Stereoscopic cameras )
• Destornillador rotativo ( Rotary driver )
• Escalar ( Climb )
• Extremidad ( Limb )
• Luz LED brillante ( Bright LED light )
• Mecanismo de liberación rápida ( Quick-release mechanism )
• Patas ( Legs )
• Portaherramientas versátil ( Versatile tool collet )
• Riel circular ( Circular track )
• Robot utilitario mecánico con extremidades ( Limbed Excursion Mechanical Utility Robot )
• Superficies inclinadas ( Inclined surfaces )
• Visión omnidireccional ( Omnidirectional vision )

Figura : Este Cliffbot es un robot autónomo equipado con instrumentos para estudios científicos, de modo que puede descender por pendientes tan inclinadas como ángulos de 90°, para explorar terrenos demasiado empinados o peligrosos para ser explorados por humanos. Se espera que tenga aplicaciones tanto en la Tierra como en la Luna y otros planetas. El robot estará atado y será controlado por otros dos robots autónomos especializados llamados Anchorbots.

• Ancladores ( Anchorbots )
• Aplicaciones científicas ( Scientific studies )
• Explorar terreno ( Explore terrain )
• Microimagen ( Microimager )
• Pala de muestreo ( Sample scoop )
• Robot autónomo ( Autonomous robot )
• Superficies con ángulos de 90° ( 90° angles )
• Terreno escarpado ( Steep terrain )
• Terreno peligroso ( Dangerous terrain )
• Usos en la Tierra, la Luna y otros planetas ( Applications on Earth, the Moon and other planets )

Los robots pueden clasificarse de diversas formas según su movilidad, nivel de autonomía, entorno de operación, y tipo de tareas. Las principales categorías incluyen:

• Robots industriales: Son estacionarios y suelen ser autónomos. Realizan tareas repetitivas como soldadura, pintura, manipulación de materiales, ensamblado o traslado de cargas en celdas de trabajo automatizadas. Pueden operar ininterrumpidamente, sin fatiga, y son especialmente útiles en ambientes hostiles, con altas temperaturas, gases tóxicos o riesgos eléctricos.

• Robots móviles: Poseen medios de propulsión propios (ruedas, orugas, hélices, etc.) y están diseñados para desplazarse por tierra, aire o agua. Son utilizados en exploración planetaria, desactivación de explosivos, vigilancia, rescate, agricultura, logística y más. Muchos son semiautónomos, dirigidos por operadores remotos que reciben información mediante enlaces inalámbricos o cableados.

• Robots especializados: Son máquinas optimizadas para una tarea específica, como cortar, ensamblar o transportar. Su diseño simplificado reduce costos, peso y espacio ocupado, haciéndolos más eficientes para ciertas operaciones.

Un robot se describe por múltiples especificaciones técnicas que determinan su capacidad de operación. Las más destacadas son:

• Grados de libertad (DOF): Indican cuántos ejes de movimiento independientes tiene el robot. Los robots de secuencia limitada suelen tener 2 o 3 ejes, mientras que los de secuencia ilimitada, como los industriales más avanzados, pueden tener entre 5 y 6 ejes, lo que permite realizar tareas más complejas.

• Alcance (reach): Distancia máxima desde la base del robot hasta su punto de herramienta o efector final. Es vital para dimensionar el espacio de trabajo y seleccionar el modelo adecuado.

• Carga útil (payload): Masa máxima que el robot puede manipular de forma segura. Algunos modelos industriales pueden levantar hasta 400 kg, aunque la mayoría trabajan con cargas menores.

• Repetibilidad: Precisión con la que el robot puede volver a una posición específica después de múltiples ciclos. Se mide en milímetros y está relacionada con la rigidez estructural del brazo robótico.

• Resolución: Mínimo movimiento que el robot puede realizar, influenciado por los sensores y la calidad del sistema de control.

• Velocidad y aceleración: Importantes en aplicaciones de ensamblado, corte o manipulación rápida. Se mide en grados por segundo para cada eje.

Los robots industriales modernos pueden ser controlados por lazo cerrado (closed-loop) o lazo abierto (open-loop). En el primer caso, el sistema incluye sensores de velocidad o posición que proporcionan retroalimentación, permitiendo ajustes dinámicos y mayor precisión. Los sistemas de lazo abierto no tienen esta capacidad, lo que limita sus aplicaciones a tareas simples.

Existen varios métodos de programación:

• Enseñanza manual: El operador guía el efector final del robot a lo largo de la secuencia deseada, grabando las posiciones con un panel de control. Luego, el robot puede repetir automáticamente esas acciones.

• Programación punto a punto (point-to-point): Se definen numéricamente puntos clave en el trayecto del robot. El movimiento entre puntos no requiere control estricto de trayectoria, por lo que es útil en tareas como carga y descarga.

• Programación de trayectoria continua (continuous-path): El robot sigue una trayectoria precisa y suave, con todos sus ejes en movimiento coordinado. Es esencial en aplicaciones como pintura o soldadura por arco.

El término "robot" fue introducido por el dramaturgo checo Karel Čapek en 1921, en su obra R.U.R. (Rossum’s Universal Robots). Deriva del vocablo checo "robota", que significa trabajo forzado o servidumbre. Desde entonces, la robótica ha evolucionado hasta convertirse en una tecnología clave en múltiples sectores.

Los robots industriales ofrecen ventajas significativas:

• Reducción de errores humanos y mayor precisión

• Operación continua, sin interrupciones por fatiga

• Capacidad para trabajar en entornos peligrosos

• Mejora de la calidad del producto y reducción de costos

Se utilizan en la industria automotriz, aeroespacial, electrónica, alimentaria, farmacéutica, logística y exploración científica. Además, los robots móviles se emplean en seguridad, medicina, agricultura, minería y educación.

O sea, concluimos que la robótica es una disciplina multidisciplinaria que combina ingeniería mecánica, electrónica, informática, control automático e inteligencia artificial. Un robot moderno es una herramienta programable, versátil y altamente precisa que puede adaptarse a numerosas tareas. Su impacto en la industria, la ciencia y la vida cotidiana continuará creciendo con el desarrollo de nuevas tecnologías de percepción, autonomía e inteligencia adaptativa.

Glosario de términos de robótica :

• Actuador (actuator): Transductor que convierte energía eléctrica, hidráulica o neumática en potencia para realizar movimientos o tareas. Ejemplos: motor eléctrico, motor neumático y solenoide.
• Control adaptativo (adaptive control): Método para optimizar el rendimiento ajustando de forma continua y automática las variables de control en respuesta a las variables del proceso medidas. El control adaptativo en robots requiere: (1) al menos un sensor que mida cambios en las condiciones de trabajo, y (2) que el procesador central esté programado para procesar esa información y corregir errores.
• Motor de aire (air motor): Dispositivo que convierte presión y flujo neumáticos en movimiento rotativo o alternativo.
• Androide (android): Robot que imita la apariencia y comportamiento humanos. También llamado humanoide o antropomórfico.
• Brazo (arm): Conjunto interconectado de palancas mecánicas y articulaciones motorizadas que simulan un brazo humano y actúan como manipulador; puede mover la muñeca y el efector final a cualquier posición dentro de su espacio de trabajo.
• Autónomo (autonomous): Robot capaz de realizar una tarea o ciclo de trabajo programado electrónicamente sin intervención humana.
• Eje (axis): Dirección lineal de desplazamiento en cualquiera de las tres dimensiones. En coordenadas cartesianas, los ejes se etiquetan como X, Y y Z. X: plano paralelo a la Tierra, Y: perpendicular a X y también paralelo a la Tierra, Z: vertical respecto a X e Y, y perpendicular al plano terrestre.
• Transmisión por cable (cable drive): Transmisión de potencia mecánica mediante cables flexibles y poleas desde un motor o actuador hacia una articulación remota del robot como una muñeca o un tobillo. También se conoce como transmisión por tendones.
• Bucle cerrado (closed loop): Esquema de control que compara el valor de salida con el valor de entrada deseado, enviando una señal de error si difieren, lo que provoca una acción correctiva para restablecer la igualdad entre ambos valores.
• Dispositivo de protección contra colisiones (CPD) (collision protection device (cpd)): Dispositivo acoplado a la muñeca del robot que detecta colisiones potenciales con objetos externos, o si se ha producido un contacto, envía una señal al procesador central para detener o desviar el movimiento del brazo. También llamado sensor de colisión o dispositivo de protección contra impactos.
• Sistema de visión por computadora (computer-vision system): Sistema electrónico con cámara de video y software de visión que permite al robot captar, interpretar y procesar información visual. Puede reconocer piezas, medirlas, inspeccionarlas y separar piezas defectuosas. Los sistemas 2D procesan imágenes planas; los sistemas 3D también captan profundidad para evitar errores de montaje y corregir posiciones.
• Programación de trayectoria continua (continuous-path programming): Método de control de movimiento en robots que mantiene control absoluto sobre toda la trayectoria del efector final. Se programa manualmente guiando la muñeca por su ciclo de trabajo. Las posiciones se alcanzan de forma continua y suave, ideal para pintura, aplicación de adhesivos o soldadura por arco.
• Programación de trayectoria controlada (controlled-path programming): Método de control donde todos los ejes se mueven en línea recta entre puntos a velocidad definida. Se usa un dispositivo de enseñanza para programar solo los puntos finales. Utilizado en montaje de piezas, soldadura, manipulación de materiales y asistencia a máquinas.
• Grados de libertad (DOF) (degrees-of-freedom (dof)): Valor definido por el número de ejes rotacionales a través de los cuales el robot puede moverse, con o sin efector final. Indica las formas independientes de movimiento del efector final.
• Efector final (end effector): Herramienta, sensor o dispositivo acoplado a la muñeca del robot para ejecutar tareas. Ejemplos: pinzas, antorchas de soldadura, pulverizadores de pintura o instrumentos de medición. Pueden ser accionados por actuadores neumáticos o motores eléctricos.
• Pinza (gripper): Herramienta mecánica o 'mano' que permite a un robot sujetar y mover objetos de distintas formas u orientaciones para tareas como ensamblaje, embalaje o carga. Comúnmente tiene dos dedos opuestos adaptados a formas específicas. Algunos con tres o más dedos son lo suficientemente hábiles para sujetar objetos independientemente de su forma. Son controlados por software dedicado.
• Cadena cinemática (kinematic chain): Combinación de articulaciones rotativas y/o traslacionales o ejes de movimiento.
• Modelo cinemático (kinematic model): Modelo matemático que define posición, velocidad y aceleración de cada parte móvil de un robot sin considerar masa o fuerzas.
• Cinemática (kinematics): Rama de la dinámica que estudia el movimiento de los elementos de una máquina o robot, sin tener en cuenta su masa ni las fuerzas involucradas.
• Enseñanza manual (manual teaching): Método para programar un robot guiando manualmente el efector final a través de toda la secuencia de movimientos necesarios para realizar una tarea. Las posiciones axiales son registradas por el operador mediante un panel de control o dispositivo de enseñanza. Las coordenadas se almacenan en la memoria del robot para ser reproducidas automáticamente.
• Célula de manufactura (manufacturing cell): Grupo de equipos de manufactura que incluye uno o más robots industriales, un sistema de visión por computadora y otros equipos auxiliares, dedicados a una función específica. Todo el conjunto está coordinado por una computadora. También llamado célula o centro de ensamblaje.
• Robot móvil (mobile robot): Robot con medios propios de propulsión (ruedas, orugas, hélices, etc.). Contiene un procesador central, sensores y puede operar de forma autónoma o ser dirigido remotamente. Se usa en exploración, vigilancia y manipulación de materiales peligrosos.
• Robots desplazables (movable robots): Robots industriales montados sobre ruedas o rodillos, que se desplazan sobre rieles. Se utilizan para tareas como pintura o soldadura, bajo control manual o autónomo.
• Bucle abierto (open loop): Técnica de control donde las tareas del robot se realizan sin corrección de errores. La precisión depende de los componentes como el controlador de posición y el motor paso a paso.
• Carga útil (payload): Carga que un robot puede levantar, medida en libras (lb) o kilogramos (kg).
• Capacidad de carga (payload capacity): Carga máxima que un robot puede manipular de forma segura.
• Programación punto a punto (point-to-point programming): Método de programación en el cual se definen posiciones numéricas a lo largo de una trayectoria. El robot se detiene en cada punto para realizar operaciones secuenciales. Útil en manipulación de materiales.
• Alcance (reach): Distancia máxima que puede alcanzar el punto de herramienta del robot cuando todos los ejes están extendidos. Se mide en pulgadas (in) o milímetros (mm).
• Repetibilidad (repeatability): Variación permitida en la posición del punto central de herramienta del robot tras ciclos repetidos. Se mide en milímetros.
• Resolución (resolution): El movimiento incremental más pequeño que puede ejecutar un robot. Mide su precisión.
• Articulación rotatoria (rotary joint): Mecanismo que permite la rotación continua de la muñeca del robot, sin interrumpir el suministro de servicios como aire o electricidad, mediante anillos deslizantes.
• Inercia rotacional (rotational inertia): Propiedad de un cuerpo giratorio que resiste cambios en su velocidad angular. Se mide como masa por la distancia al cuadrado.
• Semiautónomo (semiautonomous): Robot dirigido por un operador humano que contiene sensores electrónicos para funciones como navegación o reporte de condiciones.
• Dispositivo de enseñanza (teach pendant): Control manual conectado por cable que permite al operador ingresar datos de programación durante la enseñanza del robot.
• Telerrobot (telerobot): Robot móvil parcialmente autónomo, controlado remotamente mediante enlace inalámbrico, cableado o de fibra óptica.
• Punto central de herramienta (TCP) (tool center point (tcp)): Punto entre la muñeca del robot y la herramienta donde se concentra la acción del trabajo. Ejemplo: boquilla de pintura o electrodo de soldadura.
• Cambiador de herramientas (tool changer): Mecanismo para intercambiar herramientas robóticas automáticamente, incluyendo pinzas, soldadores o herramientas de desbarbado.
• Área de trabajo (workspace): Conjunto de puntos que la muñeca del robot puede alcanzar usando todos sus ejes de movimiento.
• Muñeca (wrist): Conjunto de articulaciones al final del brazo del robot donde se montan efectores. Pueden tener dos o tres grados de libertad.