Resumen Parcial - Introducción a la Robótica PDF

Resumen: Capitulo #1 - Introducción a la Robótica Breve Resumen de "Capitulo #1- Introduccion a la Robotica.pdf" Este documento presenta una introducción detallada al mundo de la robótica, explorando su historia, origen, desarrollo y clasificación. A...

Resumen: Capitulo #1 - Introducción a la Robótica Breve Resumen de "Capitulo #1- Introduccion a la Robotica.pdf" Este documento presenta una introducción detallada al mundo de la robótica, explorando su historia, origen, desarrollo y clasificación. A continuación, se resumen los puntos clave: 1. Familiaridad con el concepto de Robot: El texto argumenta que la sociedad moderna está familiarizada con la idea del robot, más que con otras máquinas complejas. Se atribuye esta familiaridad a la influencia de la literatura y el cine de ciencia ficción, que si bien presentan una imagen poco realista del robot industrial, han popularizado el término. "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 éstos de mayor antigüedad o utilidad" 2. Antecedentes históricos: Desde la antigüedad, el hombre ha creado mecanismos que imitan funciones de seres vivos. Los griegos los llamaban "automatos". El texto repasa ejemplos históricos de autómatas, desde la clepsidra de Ctesibius hasta la muñeca que servía té de Hanzo Hosokawa, destacando la influencia de cada uno en el desarrollo de la robótica. 3. Origen de la palabra "Robot" y la influencia de Asimov: La palabra "robot" proviene de la obra R.U.R. (Robots Universales Rossum) de Karel Čapek, estrenada en 1921. Deriva de la palabra eslava "robota", que significa trabajo forzado. El escritor Isaac Asimov popularizó aún más el término y acuñó la palabra "robótica". Asimov también formuló las tres leyes de la robótica: 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. Resumen: 1  3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda ley. 4. Desarrollo de la robótica: Los primeros robots industriales surgieron a partir de los manipuladores teleoperados, utilizados para manejar materiales radioactivos. George Devol y Joseph Engelberger sentaron las bases del robot industrial moderno con la creación de Unimation y el primer robot Unimate. Japón lideró la adopción de la robótica a nivel industrial. 5. Definición de robot: El texto repasa diversas definiciones de "robot" y destaca la dificultad de establecer una definición única que abarque la variedad de sistemas robóticos existentes. Se presenta la definición de la norma ISO 8373 para "robot industrial manipulador": Robot manipulador industrial (ISO): Manipulador de 3 o más ejes, con control automático, reprogramable, multiaplicación, móvil o no, destinado a ser utilizado en aplicaciones de automatización industrial. Incluye al manipulador (sistema mecánico y accionadores) y al sistema de control (software y hardware de control y potencia). 6. Clasificación de robots: Se presentan diversos criterios para clasificar robots: Generación: Refleja el momento tecnológico en que aparecen. Resumen: 2  Área de aplicación: Sector económico o tipo de tarea que desarrollan (industrial, de servicio, etc.). Tipo de actuadores: Neumático, hidráulico o eléctrico. Número de ejes: 3 o más. Configuración: Cartesiano, cilíndrico, esférico, articular, SCARA o paralelo. Tipo de control: Secuencial, controlado por trayectoria, adaptativo o teleoperado. 7. Conclusiones: El documento destaca la rápida evolución de la robótica y la expansión de su uso a diversos campos. Se espera que la movilidad, destreza y autonomía de los robots sigan aumentando, así como su interacción con los humanos. 8. Aspectos no cubiertos: El texto no profundiza en el tema de los robots móviles, aunque reconoce su importancia. Se remite al lector a otras fuentes para obtener información al respecto. En resumen, este capítulo ofrece una completa introducción a la robótica, cubriendo desde su origen histórico hasta las definiciones y clasificaciones actuales, sentando las bases para una comprensión profunda de este campo en constante evolución. Línea de Tiempo en la Robótica: Antigüedad - Siglo XVIII: c. 270 a.C.: Ctesibius, ingeniero griego, crea los primeros relojes de agua (clepsidras) y órganos con figuras en movimiento utilizando neumática e hidráulica. 62 a.C.: Herón de Alejandría crea los Teatros Automáticos, donde mecanismos animados se mueven con dispositivos hidráulicos, poleas y palancas para entretenimiento. 87 a.C.: Se construye el Mecanismo de Antikythera, un dispositivo de engranajes para calcular la posición de los astros, siendo el ejemplo más antiguo de procesamiento de información mecánica. Resumen: 3  Siglos VIII - XV: La cultura árabe hereda y difunde el conocimiento griego de autómatas, aplicándolo a la vida cotidiana de la realeza con sistemas dispensadores de agua. 1200: Al-Jazari describe la Fuente del Pavo Real, un autómata para lavarse las manos. 1232-1316: Ramón Llull desarrolla el Ars Magna, una máquina lógica con círculos concéntricos y palabras para demostrar racionalmente los artículos de fe. 1352: Se construye el Gallo de Estrasburgo, el autómata más antiguo que se conserva, parte del reloj de la catedral de Estrasburgo. 1500: Leonardo Da Vinci construye el León Mecánico para el rey Luis XII de Francia. Siglo XVI: Juanelo Turriano construye el Hombre de palo y la Tocadora de Laúd para el emperador Carlos I de España. 1738: Jacques Vaucanson construye un flautista, un tamborilero y un pato mecánico capaz de comer, digerir y evacuar la comida. 1770 - 1773: Pierre Jaquet Droz y sus hijos construyen autómatas capaces de escribir, dibujar y tocar el órgano. 1778: El Barón Wolfgang von Kempelen presenta una Máquina Parlante que imita los órganos vocales humanos. 1796: Yoriano (Hanzo) Hosokawa publica "Karakurizui", manual que describe la construcción de una muñeca autómata que sirve té. Finales Siglo XVIII - Principios Siglo XIX: Avances en la industria textil con la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785) y el telar de Jacquard (1801). 1912: Leonardo Torres Quevedo inventa una máquina capaz de jugar partidas finales de ajedrez, una de las primeras en usar información para tomar decisiones. Siglo XX - Actualidad: 1921: Karel Čapek introduce la palabra "robot" en su obra R.U.R. (Robots Universales Rossum). Resumen: 4  1926: Thea von Harbou escribe "Metrópolis", con un líder androide llamado María. 1942: Isaac Asimov utiliza por primera vez la palabra "robótica" en su historia "Runaround" y enuncia sus tres leyes de la robótica. 1948: R.C. Goertz desarrolla el primer sistema de telemanipulación maestro-esclavo para manejar elementos radioactivos. 1954: George Devol concibe la idea del Unimate (Máquina de Transferencia Universal). Goertz desarrolla el primer sistema de telemanipulación con servocontrol bilateral. 1956: Devol y Joseph F. Engelberger comienzan a trabajar en la aplicación industrial de sus máquinas. 1961: Se instala el primer Unimate en una fábrica de General Motors en Nueva Jersey. Década de 1960: Se desarrollan los primeros robots submarinos y se crean laboratorios de inteligencia artificial. 1968: Engelberger lleva la robótica a Japón, donde se desarrolla rápidamente. 1969: Victor Scheinman diseña el Brazo de Stanford, el primer manipulador controlado por computadora con accionamiento eléctrico. 1972: Se funda la Asociación de Robótica Industrial de Japón (JIRA). 1973: ASEA construye el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, el IRb6. 1974: Se funda el Instituto de Robótica de América (RIA). Década de 1970: Los robots se utilizan en la exploración espacial y submarina. 1980: Se funda la Federación Internacional de Robótica. 1981: Se utiliza el Sistema de Manipulación Remota (SRMS) en los transbordadores espaciales. Se desarrollan los primeros robots con accionamiento directo. 1982: El profesor Makino desarrolla el concepto de robot SCARA. 1985: El profesor Ichiro Kato presenta el Wasubot, uno de los primeros robots humanoides modernos. Resumen: 5  1996: Honda presenta el P-2, un robot humanoide bípedo capaz de andar. Peshkin y Colgate idean los Cobots. 1999: Sony presenta Aibo, un robot mascota con forma de perro. 2002: iRobot lanza Roomba, una aspiradora robótica autónoma. Honda presenta Asimo, una versión evolucionada de sus robots humanoides. Personajes Principales Ctesibius (c. 270 a.C.): Ingeniero griego, pionero en neumática e hidráulica, creador de las primeras clepsidras y órganos con figuras en movimiento. Herón de Alejandría (62 a.C.): Ingeniero griego, inventor de los Teatros Automáticos, que utilizaban mecanismos hidráulicos para animar figuras. Al-Jazari (1150?-1220?): Ingeniero árabe, autor de un tratado de mecanismos ingeniosos, incluyendo la Fuente del Pavo Real, un autómata para lavarse las manos. Ramón Llull (1232-1316): Místico español, creador del Ars Magna, una máquina lógica para demostrar racionalmente los artículos de fe. Leonardo Da Vinci (1452-1519): Artista e inventor italiano, creador del León Mecánico, un autómata que mostraba el escudo de armas del rey Luis XII de Francia. Juanelo Turriano (1501-1575): Ingeniero español, creador del Hombre de palo y la Tocadora de Laúd, autómatas para el emperador Carlos I de España. Jacques Vaucanson (1709-1782): Inventor francés, creador de un flautista, un tamborilero y un pato mecánico, pionero en la construcción de autómatas complejos. Pierre Jaquet Droz (1721-1790): Relojero suizo, junto a sus hijos construyó autómatas capaces de escribir, dibujar y tocar el órgano. Barón Wolfgang von Kempelen (1734-1804): Inventor húngaro, creador de una Máquina Parlante que imitaba los órganos vocales humanos. Yoriano (Hanzo) Hosokawa (Siglo XVIII): Autor japonés del manual "Karakurizui", que describe la construcción de una muñeca autómata que sirve té. Resumen: 6  Leonardo Torres Quevedo (1852-1936): Ingeniero español, inventor de una máquina de ajedrez, pionero en teleoperación y máquinas algebraicas. Karel Čapek (1890-1938): Escritor checo, introductor de la palabra "robot" en su obra R.U.R. (Robots Universales Rossum). Thea von Harbou (1888-1954): Escritora alemana, autora de "Metrópolis", novela que presenta un líder androide. Isaac Asimov (1920-1992): Escritor estadounidense, divulgador de la robótica, creador del término "robótica" y de las tres leyes de la robótica. R.C. Goertz (Siglo XX): Investigador del Argonne National Laboratory, pionero en el desarrollo de sistemas de telemanipulación. George Devol (1912-2011): Inventor estadounidense, creador del concepto del Unimate, base del robot industrial moderno. Joseph F. Engelberger (1925-2015): Ingeniero estadounidense, colaborador de Devol, impulsor de la aplicación industrial de los robots. Victor Scheinman (1945-2016): Inventor estadounidense, creador del Brazo de Stanford, primer manipulador controlado por computadora con accionamiento eléctrico. Profesor Makino (Siglo XX): Investigador de la Universidad Yamanashi de Japón, creador del concepto de robot SCARA. Profesor Ichiro Kato (Siglo XX): Investigador de la Universidad de Waseda, creador del Wasubot, uno de los primeros robots humanoides modernos. Peshkin y Colgate (Siglo XX): Inventores del concepto de Cobot, dispositivos robóticos para la colaboración física directa con el humano. Preguntas Frecuentes sobre Robótica ¿Qué es un robot? Un robot, según la norma ISO 8373, se define como un manipulador industrial con tres o más ejes, control automático, reprogramable, multiaplicación, móvil o no, destinado a ser utilizado en aplicaciones de automatización industrial. Incluye tanto el manipulador (sistema mecánico y actuadores) como el sistema de control (software y hardware). Esencialmente, para ser considerado un robot, un dispositivo debe cumplir con las siguientes características: Resumen: 7  Reprogramable: Sus movimientos y funciones auxiliares pueden modificarse sin alteraciones físicas en su estructura. Multifuncional: Puede ser adaptado para realizar diversas tareas. Servocontrolado: Posee al menos 3 ejes controlados por sistemas de posicionamiento que consideran la posición de referencia y la posición real en cada momento. ¿Cuál es el origen de la palabra "robot"? La palabra "robot" se utilizó por primera vez en 1921 en la obra teatral R.U.R. (Robots Universales Rossum) del escritor checo Karel Čapek. Proviene de la palabra eslava robota, que significa trabajo forzado. En la obra, los robots son máquinas androides que realizan trabajos físicos para los humanos, pero eventualmente se rebelan contra sus creadores. ¿Cuáles son las tres leyes de la robótica de Asimov? El escritor de ciencia ficción Isaac Asimov, un prolífico autor de historias sobre robots, formuló las tres leyes de la robótica en su obra. Estas leyes son: 1. Un robot no puede dañar a un ser humano ni, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño. 2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto si estas órdenes entran en conflicto con la primera ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protección no entre en conflicto con la primera o la segunda ley. ¿Cuáles son los diferentes tipos de robots? Los robots se pueden clasificar en diversas categorías, dependiendo de su generación, área de aplicación, tipo de actuadores, número de ejes, configuración y tipo de control. Algunos ejemplos son: Robots industriales: Diseñados para realizar tareas de manufactura en entornos industriales, como soldadura, ensamblaje, paletización, etc. Robots de servicio: Realizan tareas útiles para los humanos o equipos fuera del ámbito de la manufactura, como robots domésticos, robots Resumen: 8  quirúrgicos, robots de rescate, etc. Robots móviles: Capaces de desplazarse de forma autónoma o semiautónoma, como robots aéreos, robots terrestres, robots submarinos, etc. Telerobots: Controlados remotamente por un operador humano, extendiendo sus capacidades sensoriales y motoras a localizaciones remotas. ¿Cuáles son los antecedentes históricos de la robótica? A lo largo de la historia, la humanidad ha desarrollado dispositivos que imitan las funciones y movimientos de los seres vivos, conocidos como autómatas. Ejemplos notables son: La clepsidra y el órgano de agua de Ctesibius (c. 270 a.C.). El mecanismo de Antikythera (c. 87 a.C.), un antiguo dispositivo para calcular la posición de los astros. La Fuente del Pavo Real de Al-Jazari (c. 1200), un autómata para lavarse las manos. El Gallo de Estrasburgo (1352), un reloj medieval que movía las alas, levantaba la cabeza y cacareaba. ¿Quiénes fueron los pioneros en el desarrollo de la robótica moderna? George Devol y Joseph F. Engelberger son considerados los padres de la robótica industrial moderna. En 1954, Devol patentó el Unimate, un dispositivo de transferencia de artículos programado. En 1961, instalaron el primer Unimate en una planta de General Motors, marcando un hito en la automatización industrial. Otros pioneros notables son: Victor Scheinman: Diseñó el Brazo de Stanford, el primer manipulador controlado por computadora con accionamiento eléctrico, que posteriormente llevó al desarrollo del robot PUMA. Resumen: 9  Profesor Makino: Desarrolló el concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), un robot de bajo coste con configuración orientada al ensamblaje. ¿Cuáles son las tendencias futuras en la robótica? Las investigaciones en robótica se centran en aumentar la movilidad, destreza y autonomía de los robots, así como en mejorar su capacidad de interacción con los humanos. Se espera un crecimiento significativo en áreas como: Robots de servicio: Robots domésticos, robots asistenciales, robots de transporte personal, robots de seguridad, etc. Robots colaborativos (cobots): Diseñados para trabajar en estrecha colaboración con los humanos. Robots con inteligencia artificial: Capaces de aprender, adaptarse y tomar decisiones de forma autónoma. ¿Qué impacto social tiene la robótica? La robótica ha revolucionado la industria manufacturera, aumentando la eficiencia, precisión y seguridad en los procesos de producción. Además, los robots están comenzando a desempeñar roles importantes en sectores como la medicina, la agricultura, la logística y la exploración espacial. Sin embargo, la creciente automatización también plantea desafíos sociales, como el desplazamiento de mano de obra y la necesidad de adaptar los sistemas educativos y laborales a las nuevas demandas del mercado. Es fundamental abordar estas cuestiones para garantizar que los beneficios de la robótica se distribuyan de forma equitativa en la sociedad. Capítulo #1. Introducción a la Cibernetica. Breve Resumen de “Capitulo #1 - Introducción a la Cibernetica.pdf” 1. Inicios y desarrollo de la Cibernética: Definición: El término cibernética se define como "el estudio de los sistemas de control y comunicación de los seres vivos y de las analogías entre los sistemas de control artificiales y los naturales" (DRAE). Resumen: 10  Orígenes: Aunque el término se acuñó en el siglo XX, la cibernética tiene raíces en ideas y mecanismos antiguos, como sistemas de apertura de puertas automatizados en templos griegos y el regulador de Watt para controlar la velocidad de la máquina de vapor. Influencias clave: El desarrollo de la cibernética en el siglo XX se vio influenciado por trabajos como: "Behavior, Purpose and Teleology" de Arturo Rosenblueth, Norbert Wiener y Julian Bigelow. "A Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity" por Warren McCulloch y Walter Pitts. Figuras importantes: El desarrollo de la cibernética se vio impulsado por figuras como Norbert Wiener (considerado el padre de la disciplina), Warren McCulloch, Walter Pitts, John von Neumann y Heinz von Foerster. 2. Teoría de Sistemas de Control Autorregulados: los sistemas regulados son aquellos que poseen dispositivos capaces de alterar el funcionamiento del sistema en funcion de su respuesta instantanea. Objetivo de crear los sistemas regulados: El objetivo es conseguir una sencilla interfaz de comunicación entre máquina y el usuario. Enfoque: La cibernética se centra en el estudio de los sistemas autorregulados, utilizando mecanismos para mantener un comportamiento o estado deseado. Un ejemplo clásico es el regulador de Watt, que controlaba la velocidad de una máquina de vapor. Importancia de la retroalimentación: Los sistemas de control autorregulados se basan en la retroalimentación para ajustar su comportamiento. "La Cibernética, en su primera aproximación es equivalente al estudio de los sistemas autorregulados. En ellos se toman como imitación los mecanismos de regulación existentes en los seres vivos para implantarlos y mejorarlos en dispositivos con esquemas similares de funcionamiento." Modelo matemático: La cibernética utiliza modelos matemáticos para representar y analizar sistemas de control, empleando herramientas Resumen: 11  como las transformadas de Laplace y Fourier. 3. Componentes de un sistema de regulación: Elementos principales: Los sistemas de regulación se componen de: Planta o proceso: El sistema cuyo comportamiento se desea controlar. Controlador: Recibe información del sensor y compara el valor actual con el valor deseado, tomando decisiones para corregir la diferencia. Actuador: Ejecuta las acciones del controlador sobre el proceso. Sensor: Obtiene información del proceso y la transmite al controlador. Ejemplo: Un sistema de calefacción doméstico se utiliza para ilustrar el funcionamiento de los componentes en un sistema de regulación. En un sistema de regulación con control en bucle cerrado el controlador compensa de forma automática las variaciones en la salida producidas por cambios en las condiciones de funcionamiento. Se habla de sistemas de Regulación cuando los sistemas de control realimentados estan diseñados para que su salida se mantenga constante y lo más próxima a un valor de referencia. En los sistemas de control en bucle abierto no existe retroalimentación y la compensación de perturbaciones sólo se lleva a cabo mediante el ajuste continuo de la señal de referencia del sistema. 4. Disciplinas relacionadas con la Cibernética: La cibernética se relaciona con diversas disciplinas, incluyendo: Teoría de Control Automático: Estudia el diseño de sistemas automáticos y de control. Informática: surge como una rama de la Cibernética especializada en el Cálculo Automático y las maquinas que lo realizan Cálculo Automático. Telemática: Tecnicas que utilizan transmisión de información mediante telecomunicaciones. Robótica: se dedica al diseño, control y programación de robots. Resumen: 12  Inteligencia Artificial: Estudio y desarrollo de técnicas para conseguir que un computador resuelva problemas en el ámbito convencional de intervención humana. Procesamiento de señales: Visión por computador: estudio y desarrollo de técnicas de tratamiento por computador de señales de video. Procesamiento y síntesis de voz: las señales analizadas son señales de audio relacionadas con el habla. 5. Robótica: El documento también introduce la robótica como una disciplina estrechamente relacionada con la cibernética. Definición de robot: "Es un manipulador reprogramable, multifuncional, con control automático de movimientos, programable en dos o más ejes, que está dotado de movimiento puede estar fijo o móvil para la realización de diversas tareas". Estos son algunos atributos de los robots: Programable: Se trata de una máquina cuyas acciones están programadas. Por tanto, existe la posibilidad de cambiar el programa para modificar su funcionamiento, lo que resalta la importancia del desarrollo del software. Multifuncional: Un robot se concibe para una aplicación concreta, pero esto no elimina la posibilidad de emplearlo para distintos fines. De hecho, existen robots que permiten la programación de distintos tipos de herramientas en una muñeca común con un adaptador de centro para reorientación de las mismas, con la herramienta de sujeción que use cada herramienta: atornillador, etc. Con control automático: Los robots son máquinas con control automático por computador. Por tanto, son en su conjunto sistemas considerablemente más complejos y constituyen en la robótica una parte del paradigma subsimbolizado por la Cibernética. Los robots, al igual que muchos sistemas vivos y artificiales estudiados por la Cibernética, en un robot podemos observar la existencia de un proceso Resumen: 13  cíclico compuesto por tres fases : Percepción: Mediante el empleo de los sensores, los robots son capaces de obtener información sobre su estado propio y/o el entorno físico. El estado interno de un robot es el conjunto de valores de magnitudes externas relacionadas con sus mecanismos internos, como posición, orientación, velocidad, etc. Además de conocer el estado del propio robot, en algunas robots se necesitan obtener también datos del estado del mundo circundante para poder llevar a cabo su tarea, en el caso de percepción del entorno. Decisión: Conocido el estado interno y la posible existencia de obstáculos a evitar durante el movimiento que se pretende, el subsistema de control del robot debe decidir la acción siguiente a realizar. Esta decisión no es una función simple que hace corresponder al estado del entorno una acción. En dicho contexto, las decisiones se toman de forma impredecible. Junto a las acciones del robot, como en su presencia, situaciones de emergencia. Acción: Finalmente, se ejecuta la acción escogida, obtenida en la fase previa, comprobando que su ejecución es correcta. Los dispositivos responsables de las acciones del robot son los actuadores, de forma general, y la ejecución la coordinan, según las fases mencionadas anteriormente, sistemas sensoriales, etc. Tipos de robots: Se clasifican en: Robots industriales: Se usan principalmente en tareas de manipulación de materiales. Robots móviles: Capaces de desplazarse de forma autónoma. Robots de servicio: Trabajan en entornos domésticos o públicos. Características importantes: Al analizar los robots industriales, se destacan características como: Resolución: es la menor variación posible en el posicionamiento del extremo del robot. Precisión: diferencia entre la posición ordenada y la realmente alcanzada por el robot. Resumen: 14  Repetibilidad: capacidad del robot para regresar, en sucesivas repeticiones a una posición programada. Volumen de trabajo: envolvente de los puntos accesibles por el extremo del robot sin tener en cuenta la pinza o herramienta instalada, ya que ésta puede ser de muchos tipos y dimensiones geométricas. Capacidad de carga: peso maximo que puede resplazar el robot incluyendo el peso de la herramienta instalada en la muñeca del robot. Lenguaje de programación: se emplea varios metodos entre los que se incluye habitualmente el guiado mediante consola de aprendizaje. Linea de Tiempo en la Robótica: Antigüedad: Se registran los primeros ejemplos de sistemas automáticos, como las clepsidras en la Antigua Grecia. Siglo XVIII: 1788: James Watt desarrolla el regulador centrífugo para controlar la velocidad de la máquina de vapor, sentando las bases del control automático. Siglo XIX: 1899: Louis Couffignal define la cibernética como la ciencia y tecnología de los mecanismos autocontrolados. Siglo XX: 1900: W. Grey Walter crea robots móviles, alimentados por baterías y equipados con sensores, que exhiben un comportamiento similar al de un ser vivo. Década de 1940:Se intensifican las investigaciones sobre la cibernética, lideradas por figuras como Warren McCulloch, Walter Pitts, John von Neumann y Heinz Forster. Norbert Wiener participa en las conferencias de la Fundación Macy sobre cibernética. Resumen: 15  1948: Se publica "Cybernetics", el libro de Norbert Wiener, considerado el punto de partida formal de la cibernética como disciplina. 1950: Se funda la Sociedad Americana de Cibernética (ASC). Década de 1960:Se desarrollan y estudian los sistemas de control autorregulados. Se publican obras influyentes sobre el desarrollo de la cibernética. Segunda mitad del siglo XX: La cibernética se diversifica y amplía su campo de aplicación a diversas áreas, incluyendo la robótica, la informática, las telecomunicaciones y la inteligencia artificial. Actualidad: La cibernética continúa desarrollándose y expandiéndose, con aplicaciones en áreas como la mecatrónica, la biología, la psicología y las ciencias sociales. Personajes Principales: James Watt (1736-1819): Ingeniero e inventor escocés, conocido por sus mejoras a la máquina de vapor. Desarrolló el regulador centrífugo, un mecanismo clave para el control automático. Louis Couffignal (1899-1954): Matemático e ingeniero francés, pionero en el campo de la cibernética. Definió la cibernética como la ciencia de los sistemas autocontrolados. W. Grey Walter (1910-1977): Neurofisiólogo británico, pionero en la creación de robots móviles. Sus robots, conocidos como "tortugas", exhibían un comportamiento similar al de un ser vivo, sentando las bases de la robótica moderna. Warren McCulloch (1898-1969): Neurofisiólogo y cibernético estadounidense. Realizó importantes contribuciones al estudio del sistema nervioso y su relación con la cibernética. Walter Pitts (1923-1969): Lógico y científico cognitivo estadounidense. Colaboró con McCulloch en el desarrollo de modelos matemáticos del cerebro y los sistemas neuronales. John von Neumann (1903-1957): Matemático húngaro- estadounidense. Realizó importantes contribuciones a la teoría de Resumen: 16  juegos, la computación y la cibernética. Heinz von Foerster (1911-2002): Físico y cibernético austriaco- estadounidense. Fue una figura clave en el desarrollo de la cibernética de segundo orden. Norbert Wiener (1894-1964): Matemático estadounidense, considerado el padre de la cibernética. Su libro "Cybernetics" (1948) estableció las bases de esta disciplina. Seymour Papert (1928-2016): Matemático y científico computacional sudafricano-estadounidense. Pionero en inteligencia artificial y aprendizaje, famoso por el desarrollo del lenguaje de programación LOGO y su trabajo con robots en la educación. Preguntas Frecuentes sobre la Cibernetica 1. ¿Qué es la cibernética? La cibernética es el estudio interdisciplinario de la estructura de los sistemas reguladores, sus comportamientos, procesos de comunicación y mecanismos de control. Se enfoca en cómo los sistemas procesan información, reaccionan a estímulos y se adaptan a su entorno. 2. ¿Cuáles son algunos ejemplos de sistemas de control autorregulados? Un ejemplo simple es el regulador centrífugo de Watt, utilizado en las máquinas de vapor para mantener una velocidad constante. Otro ejemplo es el sistema de calefacción de una habitación, que utiliza un termostato para controlar la temperatura. 3. ¿Cuáles son las ventajas de los sistemas de control autorregulados? Los sistemas de control autorregulados ofrecen varias ventajas, como la capacidad de mantener un rendimiento consistente, simplificar las interfaces hombre-máquina y mejorar la eficiencia general. Facilitan la automatización de tareas, reduciendo la necesidad de intervención humana constante. 4. ¿Qué disciplinas están relacionadas con la cibernética? La cibernética tiene fuertes vínculos con disciplinas como la teoría de control automático, informática, telecomunicaciones, robótica e inteligencia artificial. Estos campos se basan en los principios cibernéticos para desarrollar sistemas y tecnologías avanzados. Resumen: 17  Robótica 5. ¿Qué es un robot? Un robot es una máquina programable, multifuncional y con control automático que realiza diversas tareas mediante movimientos programados. Puede manipular objetos, piezas o herramientas especializadas para ejecutar una variedad de funciones. 6. ¿Cuáles son los principales tipos de robots? Los robots se clasifican principalmente en dos categorías: Robots industriales (Estacionarios): Diseñados para tareas específicas en entornos industriales, como soldadura, pintura y ensamblaje. Robots móviles: Capaces de desplazarse en diversos entornos, incluyendo robots de servicio, exploración e intervención. 7. ¿Cuáles son las características importantes de los robots industriales? Los robots industriales se caracterizan por su: Resolución: Precisión en el posicionamiento del extremo del robot. Precisión: Capacidad para alcanzar la posición deseada con exactitud. Repetibilidad: Capacidad para regresar a la misma posición repetidamente. Volumen de trabajo: Espacio accesible por el robot. Capacidad de carga: Peso máximo que puede desplazar. 8. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones de los robots en la industria? Los robots se utilizan ampliamente en diversas industrias para tareas como: Trabajo en fundición: Manipulación de piezas fundidas. Soldadura: Automatización de procesos de soldadura. Pintura: Aplicación precisa de pintura en diversas superficies. Alimentación: Carga y descarga de materiales en máquinas. Montaje: Ensamblaje de piezas y componentes. Paletizado: Manipulación y organización de objetos en paletas. Control de calidad: Inspección y verificación de productos. Resumen: 18  Estas aplicaciones ayudan a aumentar la eficiencia, precisión y seguridad en los procesos industriales, liberando a los trabajadores de tareas repetitivas o peligrosas. Capítulo #2 - Morfología del robot Breve Resumen del “Capítulo #2 - Morfología del robot.pdf” 2.1. ESTRUCTURA MÉCANICA DE UN ROBOT Grados de Libertad (GDL): Cada articulación de un robot tiene un grado de libertad (GDL), que representa un movimiento independiente que puede realizar con respecto a la articulación anterior. Los GDL pueden ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos. Los robots utilizan principalmente dos tipos de articulaciones: de rotación (movimiento giratorio) y prismática (movimiento lineal). Ambas tienen un solo GDL. Para posicionar y orientar un objeto en el espacio se necesitan seis parámetros: tres para la posición y tres para la orientación. Por lo tanto, un robot necesita al menos seis GDL para manipular un objeto libremente en el espacio. Resumen: 19  Cadenas Cinemáticas y Tipos de Robots: Los robots están formados por eslabones (barras) conectados por articulaciones, formando una cadena cinemática. Existen dos tipos de cadenas cinemáticas: Abierta: Solo hay un camino posible entre dos eslabones. Cerrada: Hay al menos dos caminos posibles entre dos eslabones. Tipos de Robots: Robots con cadena cinemática abierta: La mayoría de los robots manipuladores son de este tipo. Las articulaciones son de rotación o prismática, cada una con un solo GDL. El número de GDL del robot coincide con el número de articulaciones. Las configuraciones más comunes son: angular (articular), cartesiana y SCARA. Los robots esféricos y cilíndricos son menos comunes hoy en día. Resumen: 20  La mayoría de los robots manipuladores tienen una cadena cinemática abierta. Estos robots se clasifican según su configuración: Angular (articular): La más común, representa el 45% de los robots. Cartesiana: Movimiento en tres ejes lineales. SCARA: Movimiento en dos ejes lineales y uno rotacional. Esférica y cilíndrica: Menos comunes en la actualidad. Robots con cadena cinemática cerrada: Menos frecuentes que los de cadena abierta. Incluyen robots de "estructura paralela". Suelen estudiarse por separado debido a su complejidad. Resumen: 21  Robots redundantes: Tienen más GDL de los necesarios para una tarea específica. Pueden sortear obstáculos y acceder a más puntos en su entorno. GDL y Tareas: Se necesitan seis GDL para posicionar y orientar un objeto en el espacio: tres para la posición y tres para la orientación. Muchos robots industriales tienen solo 4 o 5 GDL, suficientes para tareas simples como coger y dejar objetos o paletizado. A veces se necesitan más de 6 GDL para sortear obstáculos o aumentar el alcance del robot. Se puede añadir un GDL adicional para que el robot se desplace sobre un carril. La mayor parte de los robots manipuladores actuales, responden a la estructura angular. Los robots de estructura esférica y cilíndrica fueron frecuentes durante los orígenes de la robótica, pero en la actualidad se encuentran en desuso Si un robot tuviera una articulación con más de un GDL, se podría interpretar como varias articulaciones unidas por eslabones de longitud cero. Articulaciones y Eslabones: Los robots están formados por eslabones (barras) unidos por articulaciones. clasificó las articulaciones en: Franz Reuleaux Pares inferiores: El contacto se produce entre superficies. Resumen: 22  Pares superiores: El contacto es puntual o lineal. 2.3. TRANSMISIONES Y REDUCTORES Transmisiones: Función: Las transmisiones son las responsables de llevar el movimiento desde los actuadores (motores) hasta las articulaciones del robot. Importancia del diseño: Reducción de la inercia: Dado que los robots mueven sus extremos con aceleraciones altas, es fundamental minimizar el momento de inercia. Esto se logra, en parte, colocando los actuadores (generalmente pesados) cerca de la base del robot y utilizando transmisiones para llevar el movimiento a las articulaciones. Adaptación del par y la velocidad: Los reductores, junto con las transmisiones, ajustan el par y la velocidad del actuador a los valores requeridos para el movimiento de las articulaciones del robot. Características deseables: Tamaño y peso reducidos. Mínimo juego u holguras. Alto rendimiento. Capacidad para soportar un funcionamiento continuo a un par elevado. Capacidad de transmitir movimiento a grandes distancias. Tipos comunes: Si bien no existe un sistema de transmisión específico para robots, algunos se utilizan con mayor frecuencia. Entre ellos, destacan: Engranajes: Se muestran en la Figura 2.8 como ejemplo de transmisión del par de los motores a los eslabones en un brazo articulado. Correas dentadas. Resumen: 23  Cadenas. Acoplamiento directo: Algunos robots industriales modernos utilizan un acoplamiento directo entre el actuador y la articulación. Aunque ventajoso en algunos casos, se trata de una excepción a la regla general, que implica el uso de transmisiones y reductores. Reductores: Función: Adaptar la velocidad y el par de salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento del robot. Exigencias en robótica: Debido a las altas prestaciones que se exigen a los robots en términos de precisión y velocidad, los reductores utilizados deben cumplir con requisitos muy específicos. Características deseables: Bajo peso y tamaño reducido. Bajo rozamiento. Capacidad de realizar una reducción elevada de velocidad en un solo paso. Momento de inercia mínimo. Capacidad para soportar pares elevados puntuales (debido a los ciclos cortos de trabajo de los robots). Juego angular o backlash mínimo. Alta rigidez torsional. Resumen: 24  Reductores más comunes en robótica: Harmonic Drive y Cyclo-Getriebebau: Concebidos en 1955 y utilizados en misiones espaciales como los rovers lunares. Su funcionamiento se basa en una corona exterior con dentado interior (circular spline) y un vaso flexible (flexspline) con dentado exterior. Un rodamiento elipsoidal (wave generator) deforma el vaso, permitiendo la transmisión del movimiento. Accionamiento directo: Concepto: En este enfoque, se elimina el reductor y el motor se conecta directamente a la articulación. Ventajas: Mayor velocidad y precisión en comparación con los sistemas de accionamiento tradicionales. Desafíos: Requiere motores especiales (síncronos, de continua sin escobillas o de inducción de reluctancia variable) que proporcionen un par elevado a bajas revoluciones, lo que encarece el sistema. La cinemática del robot debe diseñarse teniendo en cuenta el peso y volumen de los motores, lo que limita las configuraciones posibles. Los robots SCARA se adaptan bien a este tipo de accionamiento. La resolución del codificador de posición se ve afectada, lo que requiere el uso de codificadores de alta resolución. dato: El robot AdeptOne, un SCARA comercializado en 1984, fue el primer robot con accionamiento directo. Resumen: 25  2.3. ACTUADORES Actuadores Los actuadores son los componentes responsables de generar el movimiento en los robots, siguiendo las instrucciones de la unidad de control. Las fuentes describen tres tipos principales de actuadores: neumáticos, hidráulicos y eléctricos. Características generales Potencia Controlabilidad Peso y volumen Precisión Velocidad Mantenimiento Coste Actuadores Neumáticos Estos actuadores utilizan aire comprimido a una presión de 5 a 10 bar como fuente de energía. Se clasifican en dos tipos principales: Cilindros neumáticos: Consisten en un émbolo que se desplaza dentro de un cilindro debido a la diferencia de presión del aire a ambos lados. Se pueden encontrar cilindros de simple efecto, donde el movimiento en un sentido se logra con aire a presión y en el otro mediante un muelle, y de doble efecto, donde el aire a presión controla el movimiento en ambas direcciones. Suelen utilizarse para un posicionamiento en los extremos, es decir, un movimiento "todo o nada". Motores neumáticos: Estos motores utilizan el aire a presión para generar un movimiento rotatorio. Los dos tipos más comunes son: Motores de aletas rotativas: El aire a presión entra en compartimentos formados por aletas y la carcasa, haciendo que las aletas giren buscando un mayor volumen. Motores de pistones axiales: Un eje solidario a un tambor gira gracias a la fuerza ejercida por varios cilindros que se apoyan en un Resumen: 26  plano inclinado. Sistema piñón-cremallera: Otra opción para obtener movimiento rotatorio, donde un cilindro neumático está acoplado a un sistema de piñón-cremallera, formando una unidad compacta. Ventajas de los actuadores neumáticos: Sencillez: Su diseño y funcionamiento son relativamente simples. Robustez: Son resistentes a condiciones adversas. Económicos: Su coste es generalmente menor en comparación con otros tipos de actuadores. Desventajas de los actuadores neumáticos: Baja precisión: La compresibilidad del aire limita la precisión del posicionamiento. Movimiento "todo o nada": No son adecuados para un control preciso del movimiento. Necesidad de una instalación de aire comprimido: Se requiere un compresor, sistema de distribución, filtros, etc. Aplicaciones de los actuadores neumáticos: Manipuladores sencillos. Apertura y cierre de pinzas. Movimiento vertical en robots SCARA. Actuadores Hidráulicos Estos actuadores funcionan de forma similar a los neumáticos, pero utilizan aceites minerales en lugar de aire, a presiones mucho más elevadas, entre 50 y 100 bar, pudiendo llegar a superar los 300 bar. Al igual que los neumáticos, se pueden encontrar en forma de cilindros y motores de aletas o pistones. Ventajas de los actuadores hidráulicos: Alta precisión: La menor compresibilidad del aceite en comparación con el aire permite una mayor precisión en el posicionamiento. Control continuo: Permiten un control preciso del movimiento en todo un rango de valores. Resumen: 27  Elevadas fuerzas y pares: Las altas presiones de trabajo permiten desarrollar grandes fuerzas y pares. Estabilidad frente a cargas estáticas: Pueden soportar cargas sin necesidad de un aporte continuo de energía. Elevada capacidad de carga y relación potencia-peso: Ofrecen una gran potencia con relación a su peso. Autolubricación: El aceite utilizado proporciona lubricación a las partes móviles. Robustez: Son resistentes a condiciones adversas. Desventajas de los actuadores hidráulicos: Riesgo de fugas: Las altas presiones de trabajo aumentan la posibilidad de fugas de aceite. Instalación compleja: Requiere equipos de filtrado, eliminación de aire, refrigeración y control de distribución. Mantenimiento: Requiere un mantenimiento más especializado que otros tipos de actuadores. Aplicaciones de los actuadores hidráulicos: Robots con una alta capacidad de carga. Actuadores Eléctricos Los actuadores eléctricos son los más utilizados en la robótica industrial actual, gracias a su control preciso, sencillez y eficiencia. Se clasifican en: Motores de corriente continua (DC): están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua: Inductor El inductor, también conocido como devanado de excitación, se encuentra ubicado en el estator del motor, es decir, la parte fija. Su función principal es crear un campo magnético de dirección fija. Este campo magnético se denomina campo de excitación. En algunos motores DC, el devanado inductor se puede reemplazar por imanes permanentes, los cuales generan un campo magnético constante de manera equivalente. Resumen: 28  Inducido El inducido está situado en el rotor del motor, que es la parte que gira. Está compuesto por un devanado que recibe la corriente eléctrica del exterior a través del colector de delgas. El colector de delgas es un componente que permite la conexión eléctrica con el inducido mientras gira, utilizando escobillas de grafito que se deslizan sobre él. La interacción entre la corriente que circula por el inducido y el campo magnético de excitación creado por el inductor genera una fuerza llamada fuerza de Lorentz. Esta fuerza de Lorentz es la que provoca el giro del rotor. Funcionamiento Conjunto Para que el motor funcione correctamente, los campos magnéticos del estator (creado por el inductor) y del rotor (creado por el inducido) deben permanecer estáticos entre sí. Esto se logra gracias al colector de delgas, que actúa como un conmutador sincronizado con el rotor. El colector cambia la dirección de la corriente en el inducido a medida que el rotor gira, asegurando que la fuerza de Lorentz siempre actúe en la dirección correcta para mantener el giro. Control de la Velocidad La velocidad de giro del motor DC se puede regular variando la tensión que se aplica al inducido o al inductor. Aumentar la tensión del inducido incrementa la velocidad del motor. Si la tensión de alimentación es constante, la velocidad se puede ajustar modificando el flujo del campo de excitación (variando la tensión del inductor). Sin embargo, un flujo de excitación más débil reduce el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de corriente en el inducido constante. Tipos de Control Existen dos tipos principales de control para motores DC: Resumen: 29  Control por inducido: La intensidad de corriente en el inductor se mantiene constante, mientras que la tensión del inducido se ajusta para regular la velocidad de giro. Control por excitación: Se controla la tensión del inductor, manteniendo constante la corriente del inducido. Dato: En la robótica, el control por inducido es el más utilizado debido a su mejor respuesta y a un efecto estabilizador de la velocidad que produce la fuerza contraelectromotriz. Ventajas de los motores DC: Fáciles de controlar. Buen comportamiento lineal. Desventajas de los motores DC: Necesidad de mantenimiento debido a las escobillas. Limitaciones de par debido al riesgo de sobrecalentamiento. Posibilidad de chispas, lo que los hace inadecuados para ambientes con riesgo de explosión. Motores sin escobillas (brushless): Variante de los motores DC donde los imanes se sitúan en el rotor y los devanados en el estator, lo que permite eliminar las escobillas y mejorar la eficiencia. Ventajas de los motores brushless: Menor mantenimiento. Bajo momento de inercia. Alto par a velocidad nula. Mejor rendimiento. Mejor disipación térmica. Mejor relación potencia-peso o volumen. No hay riesgo de explosión. Motores paso a paso: Giran un ángulo discreto por cada pulso de señal que reciben. Tipos de Motores Paso a Paso Resumen: 30  De Imanes Permanentes: El rotor tiene una polarización magnética constante y gira para alinear sus polos con el campo magnético generado por las fases del estator. De Reluctancia Variable: El rotor, hecho de material ferromagnético, se orienta para facilitar el camino de las líneas de fuerza del campo magnético del estator. Híbridos: Combinan los principios de funcionamiento de los motores de imanes permanentes y de reluctancia variable. La señal de control para estos motores consiste en trenes de pulsos que actúan sobre los electroimanes del estator. La frecuencia de los pulsos determina la velocidad de giro del rotor. Es importante aumentar la frecuencia progresivamente para evitar problemas de inercia al arrancar y parar. Existen circuitos especializados que simplifican el control de estos motores, generando las secuencias de pulsos para cada fase a partir de señales de tren de pulsos, sentido de giro e inhibición. Ventajas de los Motores Paso a Paso Posicionamiento Simple y Exacto: Su capacidad para asegurar un posicionamiento preciso es una ventaja clave frente a los servomotores tradicionales. Giro Continuo con Velocidad Variable: Pueden funcionar como motores síncronos, girando continuamente a velocidades variables. Sincronización: Se pueden sincronizar entre sí para realizar movimientos coordinados. Secuencias Complejas: Capacidad para ejecutar secuencias de funcionamiento complejas. Ligeros, Fiables y Fáciles de Controlar: Su diseño simple los hace ligeros, fiables y fáciles de controlar. Control en Bucle Abierto: Cada estado de excitación del estator es estable, lo que permite un control en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación. Desventajas de los Motores Paso a Paso Resumen: 31  Funcionamiento Irregular a Bajas Velocidades: Su movimiento no es suave a bajas velocidades. Riesgo de Pérdida de Posición: Trabajar en bucle abierto implica un riesgo de perder la posición. Sobrecalentamiento a Altas Velocidades: Tienden a sobrecalentarse cuando funcionan a altas velocidades. Límite de Tamaño: Existe un límite en el tamaño que pueden alcanzar. Baja Potencia y Precisión Limitada: Su potencia nominal es baja y su precisión, típicamente de hasta 1.8°, es limitada. Aplicaciones de los Motores Paso a Paso Posicionamiento de Ejes de Baja Potencia: Giro de pinzas en robots. Robots Pequeños: Especialmente en robots educacionales. Dispositivos Periféricos: Mesas de coordenadas y otros dispositivos que requieren posicionamiento preciso. Aunque no se mencionan ejemplos específicos en las fuentes, los motores paso a paso también se utilizan en una variedad de aplicaciones como impresoras 3D, escáneres, máquinas CNC y dispositivos médicos. Motores de corriente alterna (AC): Los motores de corriente alterna (AC) se han convertido en una alternativa popular en la robótica industrial moderna, superando a los motores de corriente continua (DC) en muchas aplicaciones. Esto se debe a varios factores, incluyendo: Construcción de rotores sin escobillas: Los motores AC síncronos modernos utilizan rotores sin escobillas, lo que elimina la necesidad de mantenimiento asociado con las escobillas y el colector de delgas. Convertidores estáticos: El uso de convertidores estáticos facilita la variación de la frecuencia de la corriente alterna, lo que permite controlar con precisión la velocidad de giro del motor. Microelectrónica: Los avances en microelectrónica han permitido un control más sofisticado y eficiente de los motores AC. Tipos de Motores AC Las fuentes mencionan dos tipos principales de motores AC: Resumen: 32  Síncronos: En los motores síncronos, la velocidad de giro del rotor está sincronizada con la frecuencia de la corriente alterna que alimenta el estator. Asíncronos: En los motores asíncronos, la velocidad del rotor es ligeramente inferior a la frecuencia de la corriente alterna del estator. Motores Síncronos en Robótica: Los motores síncronos son los más utilizados en robótica industrial actual. Su configuración típica para aplicaciones robóticas incluye: Inductor en el rotor: El inductor, que genera el campo magnético, se encuentra en el rotor y está formado por imanes permanentes. Inducido en el estator: El inducido, que recibe la corriente alterna, está ubicado en el estator y consiste en tres devanados iguales desplazados 120° eléctricos. Control de Velocidad: Para controlar la velocidad de un motor síncrono, se utiliza un convertidor de frecuencia que ajusta la frecuencia de la corriente alterna que alimenta el estator. Se usa un sensor de posición para detectar la posición del rotor y mantener la sincronización entre el campo magnético del rotor y la corriente del estator, evitando la pérdida de sincronismo. Este método de control se conoce como "autosíncrono" o "autopilotado". Ventajas: Sin escobillas: Elimina el mantenimiento de las escobillas. Buena disipación de calor: Los devanados en el estator permiten una buena disipación del calor. Mayor potencia: Desarrollan mayor potencia que los motores DC de igual peso. Control de posición integrado: El sensor de posición del motor puede usarse para el control de posición sin necesidad de sensores adicionales. Motores Asíncronos en Robótica A diferencia de los motores síncronos, los motores asíncronos aún no se han adoptado ampliamente en robótica. Las fuentes indican que esto se Resumen: 33  debe a la dificultad para controlarlos de forma precisa y eficiente. Comparación con Motores Sin Escobillas DC Es importante destacar que los motores síncronos AC comparten similitudes con los motores sin escobillas DC (brushless DC). Ambos tipos utilizan imanes permanentes en el rotor y conmutación electrónica para controlar la corriente en el estator. Sin embargo, existen diferencias en el diseño y control que los hacen adecuados para diferentes aplicaciones. Resumen: 34