Fundamentos de Robótica (Segunda Edición) - PDF

# Capítulo 1 ## INTRODUCCIÓN Antes que acabes, no te alabes Refranero popular El ciudadano industrializado que vive a caballo entre el siglo XX y el XXI se ha visto en la necesidad de aprender, en escasos 25 años, el significado de un buen número de nuevos términos marcados por su alto contenido t...

# Capítulo 1 ## INTRODUCCIÓN Antes que acabes, no te alabes Refranero popular El ciudadano industrializado que vive a caballo entre el siglo XX y el XXI se ha visto en la necesidad de aprender, en escasos 25 años, el significado de un buen número de nuevos términos marcados por su alto contenido tecnológico. De ellos sin duda el más relevante haya sido el del ordenador (o computador). Éste, está introducido hoy en día en su versión personal en multitud de hogares y el ciudadano medio va conociendo en creciente proporción, además de su existencia, su modo de uso y buena parte de sus posibilidades. Pero dejando de lado esta verdadera revolución social, existen otros conceptos procedentes del desarrollo tecnológico que han superado las barreras impuestas por las industrias y centros de investigación, incorporándose en cierta medida al lenguaje coloquial. Es llamativo cómo entre éstas destaca el concepto robot. Aun sin tener datos reales, no parece muy aventurado suponer que de preguntar al ciudadano medio sobre qué es un robot industrial, éste demostraría tener, cuanto menos, una idea aproximada de su aspecto y utilidad. Esta familiaridad con la que nuestra sociedad trata al robot es más llamativa cuando se compara con el amplio desconocimiento que se puede tener de otras máquinas o aparatos, aun siendo de mayor antigüedad o utilidad, como por ejemplo sería el osciloscopio o los parientes cercanos de los robots: las máquinas de control numérico. Posiblemente una de las causas principales que haya dado popularidad al robot sea su mitificación, propiciada o amplificada por la literatura y el cine de ciencia ficción. Si bien, salvo escasas excepciones, los robots de novelas y películas tienen un nulo parecido con el robot industrial, su frecuente presencia en estos medios ha permitido que el término nos sea familiar, originando que le abramos la puerta de nuestra cotidianeidad. Después, ha sido suficiente con que en algunas ocasiones hayamos visto un robot industrial real, por ejemplo en una noticia en televisión o prensa, para que hayamos dejado de lado al robot mito y hayamos aceptado, como una máquina más de nuestro entorno, a esa especie de brazo mecánico animado que con rapidez y precisión suelda carrocerías de vehículos o inserta circuitos integrados en placas electrónicas. El mito ha rodeado y rodea al robot, a pesar de las más de 600.000 unidades instaladas en el mundo a principios de 1995. Sus orígenes de ficción, su controvertido impacto social, su aparente autonomía y notorio contenido tecnológico origina que, a pesar de su popularidad, siga siendo admirado y en ocasiones temido. Este libro reúne los conocimientos necesarios para conocer a fondo qué es, cómo funciona y para qué sirve un robot. No es en general un libro para el gran público, pues en algunos capítulos se presentan conocimientos avanzados en matemáticas, electrónica, control, mecánica e informática, pero con las limitaciones impuestas en estos capítulos, puede ser leído y comprendido por cualquier persona con alguna formación técnica. Tras su lectura es de esperar la desmitificación del robot, quedando a la altura de cualquier otra máquina compleja, como otras muchas que nos rodean (automóvil, televisión, etc.). Tras su estudio, el robot será la síntesis de un importante bagaje de conocimientos cientifico-técnicos, adecuadamente conjuntados para dar como resultado un dispositivo destinado a mejorar la producción y la calidad de vida. ## 1.1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS A lo largo de toda la historia, el hombre se ha sentido fascinado por máquinas y dispositivos capaces de imitar las funciones y los movimientos de los seres vivos. Los griegos tenían una palabra específica para denominar a estas máquinas: automatos. De esta palabra deriva la actual autómata: máquina que imita la figura y movimientos de un ser animado. Los mecanismos animados de Herón de Alejandría (85 d.C.) se movían a través de dispositivos hidráulicos, poleas y palancas y tenían fines eminentemente lúdicos. La cultura árabe (siglos VIII a XV) heredó y difundió los conocimientos griegos, utilizándolos no sólo para realizar mecanismos destinados a la diversión, sino que les dio una aplicación práctica, introduciéndolos en la vida cotidiana de la realeza. Ejemplo de éstos son diversos sistemas dispensadores automáticos de agua para beber o lavarse. También de ese período son otros automátas, de los que hasta la actualidad no han llegado más que referencias no suficientemente documentadas, como el Hombre de hierro de Alberto Magno (1204-1282) o la Cabeza parlante de Roger Bacon (1214 - 1294). Otro ejemplo relevante de aquella época fue el Gallo de Estrasburgo (1352). Éste, que es el autómata más antiguo que se conserva en la actualidad, formaba parte del reloj de la torre de la catedral de Estrasburgo y al dar las horas movía las alas y el pico. Durante los siglos XV y XVI alguno de los más relevantes representantes del renacimiento se interesan también por los ingenios descritos y desarrollados por los griegos. Es conocido el León mecánico construido por Leonardo Da Vinci (1452-1519) para el rey Luis XII de Francia, que se abría el pecho con su garra y mostraba el escudo de armas del rey. En España es conocido el Hombre de palo, construido por Juanelo Turriano en siglo XVI para el emperador Carlos V. Este autómata con forma de monje, andaba y movía la cabeza, ojos, boca y brazos. Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecánicos que tenían alguna de las características de los robots actuales. Estos dispositivos fueron creados en su mayoría por artesanos del gremio de la relojería. Su misión principal era la de entretener a las gentes de la corte y servir de atracción en las ferias. Estos autómatas representaban figuras humanas, animales o pueblos enteros. Son destacables entre otros el pato de Vaucanson y los muñecos de la familia Droz y de Mailladert. Jacques Vaucanson (1709-1782), autor del primer telar mecánico, construyó varios muñecos animados, entre los que destaca un flautista capaz de tocar varias melodías y un pato (1738) capaz de graznar, beber, comer, digerir y evacuar la comida. El relojero suizo Pierre Jaquet Droz (1721-1790) y sus hijos Henri-Louis y Jaquet construyeron diversos muñecos capaces de escribir (1770), dibujar (1772) y tocar diversas melodías en un órgano (1773). Estos aún se conservan en el museo de Arte e Historia de Neuchâstel, Suiza. Contemporáneo de los relojeros franceses y suizos fue Henry Maillardet, quien construyó, entre otros, una muñeca capaz de dibujar y que aún se conserva en Filadelfia. A finales del siglo XVIII y principios del XIX se desarrollaron algunas ingeniosas invenciones mecánicas, utilizadas fundamentalmente en la industria textil, entre las que destacan la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785) y el telar de Jacquard (1801). Este último utilizaba una cinta de papel perforada como un programa para las acciones de la máquina. Es a partir de este momento cuando se empiezan a utilizar dispositivos automáticos en la producción, dando paso a la automatización industrial. | **Año** | **Autor** | **Autómata** | |---|---|---| | 1352 | Desconocido | Gallo de la catedral de Estrasburgo | | 1499 | L. Da Vinci | León mecánico | | 1525 | J. Turriano | Hombre de palo | | 1738 | J de Vaucanson | Flautista, tamborilero, pato, muñecas mecánicas de tamaño humano | | 1769 | W. Von Kempelen | Jugador de ajedrez | | 1770 | Familia Droz | Escriba, organista, dibujante | | 1805 | H. Maillardet | Muñeca mecánica capaz de dibujar | La palabra robot fue usada por primera vez en el año 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 la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada. Los robots de R.U.R. eran máquinas androides fabricadas a partir de la "formula" obtenida por un brillante científico llamado Rossum. Estos robots servían a sus jefes humanos desarrollando todos los trabajos físicos, hasta que finalmente se rebelan contra sus dueños, destruyendo toda la vida humana, a excepción de uno de sus creadores, con la frustrada esperanza de que les enseñe a reproducirse. El término posiblemente hubiera caído en desuso si no hubiese sido por los escritores del género literario de la ciencia ficción, algunos de los cuales retomaron la palabra, e incluso el mensaje de la obra de Capek: la dominación de la especie humana por seres hechos a su propia imagen. Así, en 1926, Thea von Harbou escribe Metrópolis, novela posteriormente llevada al cine por su marido Fritz Lang, en donde la masa obrera de una sociedad superindustrializada es manipulada por un lider androide llamado María. ## Figura 1.1. Sistema de telemanipulación bilateral. Pero sin duda alguna, fue el escritor americano de origen ruso Isaac Asimov (1920-1992) el máximo impulsor de la palabra robot. En octubre de 1945 publicó en la revista Galaxy Science Fiction una historia en la que por primera vez enunció sus tres leyes de la robótica¹. 1. Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño. 2. Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda ley. ¹En la novela Robots e Imperio, publicada en 1985, Asimov incorporó una cuarta ley, conocida como ley cero: un robot no puede lastimar a la humanidad o, por falta de acción, permitir que la humanidad sufra daño. Esta ley, de mayor prioridad que la primera (que debe ser modificada en tal sentido), antepone el bien comunitario al individual. Se le atribuye a Asimov la creación del término robotics (robótica) y sin lugar a duda, desde su obra literaria, ha contribuido decisivamente a la divulgación y difusión de la robótica. ## 1.2. ORIGEN Y DESARROLLO DE LA ROBÓTICA El robot como máquina lleva un desarrollo independiente del término robot. Tras los primeros autómatas descritos en el apartado anterior, casi todos de aspecto humano, los progenitores más directos de los robots fueron los telemanipuladores (Figura 1.1). En 1948 R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrolló, con el objetivo de manipular elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer telemanipulador. Éste consistía en un dispositivo mecánico maestro-esclavo. El manipulador maestro, situado en la zona segura, era movido directamente por el operador, mientras que el esclavo, situado en contacto con los elementos radioactivos y unido mecánicamente al maestro, reproducía fielmente los movimientos de éste. El operador además de poder observar a través de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sentía a través del dispositivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejercía sobre el entorno. Años más tarde, en 1954, Goertz hizo uso de la tecnología electrónica y del servocontrol sustituyendo la transmisión mecánica por otra eléctrica y desarrollando así el primer telemanipulador con servocontrol bilateral. Otro de los pioneros de la telemanipulación fue Ralph Mosher, ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrolló un dispositivo denominado Handy-Man, consistente en 2 brazos mecánicos teleoperados mediante un maestro del tipo denominado exoesqueleto. Junto a la industria nuclear, a lo largo de los años sesenta la industria submarina comenzó a interesarse por el uso de los telemanipuladores. A este interés se sumó la industria espacial en los años setenta. La evolución de los telemanipuladores a lo largo de los últimos años no ha sido tan espectacular como la de los robots. Recluidos 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. Por su propia concepción, un telemanipulador precisa del mando continuo de un operador, y salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control supervisado y la mejora de la telepresencia promovida hoy en día por la realidad virtual, sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus origenes. La sustitución del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del manipulador dio paso al concepto de robot. La primera patente de un dispositivo robótico fue solicitada en marzo de 1954 por el inventor británico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en el Reino Unido en 1957 con el número 781465. Sin embargo, fue George C. Devol, ingeniero norteamericano, inventor y autor de varias patentes, el que estableció las bases del robot industrial moderno. En 1954 Devol concibió la idea de un dispositivo de transferencia de artículos programada que se patentó en Estados Unidos en 1961 con el número 2988237. En 1956 pone esta idea en conocimiento de Joseph F. Engelberger (1925-), ávido lector de Asimov y director de ingeniería de la división aeroespacial de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos, Devol y Engelberger comienzan a trabajar en la utilización industrial de sus máquinas, fundando la Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en Unimation (Universal Automation), e instalando su primera máquina Unimate (1960) similar a la de la Figura 1.2 en la fábrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicación de fundición por inyección. Otras grandes empresas, como la AMF, emprendieron la construcción de máquinas similares (Versatran, 1963), que más tarde por motivos comerciales se denominaron con el término robot procedente de la ciencia ficción y a pesar de no contar con la apariencia humana de aquellos. En 1968 J.F. Engelberger visitó Japón y poco más tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construcción de robots tipo Unimate. El crecimiento de la robótica en Japón aventajó en breve a los Estados Unidos gracias a Nissan, que formó la primera asociación robótica del mundo, la Asociación de Robótica Industrial de Japón (JIRA) en 1972. Dos años más tarde se formó el Instituto de Robótica de América (RIA), que en 1984 cambió su nombre por el de Asociación de Industrias Robóticas, manteniendo las mismas siglas (RIA). Por su parte Europa tuvo un despertar más tardío. En 1973 la firma sueca ASEA construyó el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, el robot IRb6 (Figura 1.3), seguido un año más tarde del IRb60. En 1980 se fundó la Federación Internacional de Robótica con sede en Estocolmo, Suecia. ## Figura 1.2. Robot Unimate 2000. Uno de los primeros modelos comerciales de Unimation. ## Figura 1.3. Robot IRb6 de la firma sueca ASEA. La configuración de los primeros robots respondía a las denominadas configuraciones esférica y antropomórfica, de uso especialmente válido para la manipulación. En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japón, desarrolla en concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con un número reducido de grados de libertad (3 o 4), un coste limitado y una configuración orientada al ensamblado de piezas. La evolución de los robots industriales desde sus primeros balbuceos ha sido vertiginosa. En poco más de 30 años las investigaciones y desarrollos sobre robótica industrial han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las áreas productivas y tipos de industria. En pequeñas o grandes fábricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas tareas repetitivas y hostiles, adaptándose inmediatamente a los cambios de producción solicitados por la demanda variable. En la Figura 1.4 se muestra uno de los últimos modelos comerciales de robot industrial. ## Figura 1.4. Robots Staübli tipo RX pertenecientes a la última generación. Los futuros desarrollos de la robótica apuntan a aumentar su movilidad, destreza y autonomía de sus acciones. La mayor parte de los robots actuales son con base estática, y se utilizan en aplicaciones industriales tales como ensamblado, soldadura, alimentación de máquinas herramientas, etc. Sin embargo, existen otro tipo de aplicaciones que han hecho evolucionar en gran medida tanto la concepción de los robots como su propia morfología. Entre estos robots dedicados a aplicaciones no industriales destacan los robots espaciales (brazos para lanzamiento y recuperación de satélites, vehículos de exploración lunar, robots para construcción y mantenimiento de hardware en el espacio); robots para aplicaciones submarinas y subterráneas (exploración submarina, instalación y mantenimiento de cables telefónicos submarinos, limpieza e inspección de tuberías y drenajes subterráneos, inspección de sistemas de refrigeración de centrales nucleares); robots militares (desactivación de bombas, robots centinelas experimentales dedicados a patrullar áreas críticas); robots móviles industriales (robots bomberos para patrullar fábricas, robots bibliotecarios, robots andantes con piernas); aplicaciones médicas (prótesis robotizadas, sistemas de ayuda a discapacitados); aplicaciones agrícolas (sembrado y recogida de cosechas, robot para esquilar ovejas); y un largo etcétera. Parece como si la robótica y los telemanipuladores, volviendo los ojos hacia sus orígenes y con la experiencia acumulada tras 30 años, reemprendiesen, esta vez juntos, el camino que un día tomaron de manera divergente. Puede que en un futuro los robots industriales se parezcan a aquellos robots de las novelas de Asimov, Capek o Harbou, que dieron nombre a los actuales herederos del Unimate. ## 1.3. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL ROBOT La robótica está experimentando en la actualidad una notoria ampliación de sus campos de actuación. Saturadas en cierta medida las aplicaciones del robot en talleres y líneas de fabricación, los robots están tomando posiciones en aplicaciones fuera del taller, caracterizadas fundamentalmente por la falta de estandarización del producto y del proceso y la no estructuración del entorno. Buena parte de las definiciones y clasificaciones de robots existentes responde al robot ampliamente utilizado hasta la fecha, destinado a la fabricación flexible de series medias y que se conoce como robot industrial o robot de producción. Frente a éstos, los robots especiales, también denominados robots de servicio, están aún en un estado de desarrollo incipiente, aunque es previsible un considerable desarrollo de los mismos. Las definiciones y generaciones aquí presentadas responden fundamentalmente al robot industrial. ### 1.3.1. Definición de robot industrial Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés y el euro-americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación (ver la Figura 1.5), el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. ## Figura 1.5. Manipuladores de accionamiento neumático. En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definición formal. Además, la evolución de la robótica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición. La definición más comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA), según la cual: - Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas. Esta definición, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organización Internacional de Estándares (ISO) que define al robot industrial como: - Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas. Se incluye en esta definición la necesidad de que el robot tenga varios grados de libertad. Una definición más completa es la establecida por la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR) que define primero el manipulador y, basándose en dicha definición, el robot: - Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico. - Robot: manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material. Por último, la Federación Internacional de Robótica (IFR) en su informe técnico ISO/TR 83737 (septiembre 1988) distingue entre robot industrial de manipulación y otros robots: - Por robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento. | **Tipo** | **Manipulador automático según la AFRI** | |---|---| | **A** | Manipulador con control manual o telemando. | | **B** | Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico. | | **C** | Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimientos sobre su entorno. | | **D** | Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de éstos. | | **Generação** | **Nome** | **Tipos de control** | **Grau de mobilidade** | **Usos mais frequentes** | |---|---|---|---|---| | 1ª (1982) | Pick & place | **Fines de carreira, aprendizado** | **Niguno** | **Manipulação, serviço de máquinas** | | 2ª (1984) | Servo | **Servocontrol, trajetória contínua, progr. condicional** | **Deslocamento por via** | **Soldadura, pintura** | | 3ª (1989) | Ensamblado | **Servos de precisão, visão, tato, progr. off-line** | **AGV Guiado por via** | **Ensamblado Desbarbado** | | 4ª (2000) | Móvil | **Sensores inteligentes** | **Patas Rodas** | **Construção Manutenção ** | | 5ª (2010) | Especiais | **Controlados com técnicas de IA** | **Andante Saltarín** | **Uso espacial Uso militar** | Por último y con el fin de dar una visión del posible futuro, se incluye en la Tabla 1.4 la clasificación propuesta por T.M. Knasel [KNASEL-86]. La Figura 1.6 y la Figura 1.7 recrean buena parte de los diversos tipos de robots que se pueden encontrar hoy en día. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los casos más futuristas están en estado de desarrollo en los centros de investigación de robótica. ## 1.4. BIBLIOGRAFÍA - [ASIMOV-85] I. Asimov, K.A. Frenkel, Robots. Máquinas a imagen y semejanza del hombre, Plaza y Janés, 1985. - [BYRON-94] Byron Press Multimedia, Isaac Asimov's The Ultimate Robot, CD-ROM media, Microsoft Corp., 1994. - [CAPEK-35] K. Capek, R.U.R Rossum's Universal Robots, F.R. Borový, Praga, 1935 (Edición en Checo). - [CAPEK- 66] K. Capek, R.U.R. Robots Universales Rossum, Alianza Editorial, Libro de bolsillo, Madrid, 1966. - [KNASEL-86] T.M. Kansel, “Mobile Robotics. State of the art review", en: Robotics 2, North-Holland, 1986. - [NOSTRAND-90] J.W. Nostrand y E.L. Sampson, "Robots in Service Industry", en: Concise International Encyclopledia of Robotics, Editor R.C. Dorf, John Wiley & Sons, 1990. - [ROSHEIM-94] M.E. Rosheim, Robot Evolution. The Development of Anthrobotics, John Wiley & Sons, 1994. ==End of OCR for page 1==