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CAPITULO II

MARCO TEORICO

2.1. Antecedentes. Para la elaboración de esta investigación se citan algunos trabajos de

tesis, lo cual permitieron un enfoque adecuado al proceso de análisis,

objetivo y desarrollado.

Urdaneta, P (2009). “Robot modular reconfigurable para evadir

obstáculos en áreas de difícil acceso”. Universidad Rafael Belloso Chacín.

Maracaibo Venezuela.; es de tipo explicativa y de campo; el diseño de esta

investigación es de tipo experimental. La recolección de los datos en esta

investigación se realizó por medio de la observación directa a través de la

variante intersubjetiva.

Para alcanzar los objetivos planteados, se empleó la metodología

planteada por Angulo, J. (1986), la cual consta de nueve fases y fue

adaptada a las características de este estudio de la siguiente forma: fase 1:

Definición de las Especificaciones, fase 2: Esquema General del Hardware,

fase 3: Organigrama General, fase 4: Implementación del Software, fase 5:

Implementación del Hardware, fase 6: Integración del Hardware con el

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Software y fase 7: Evaluación del Funcionamiento del Robot Modular

Reconfigurable. Como resultado se obtuvo un robot modular reconfigurable

que posee la capacidad de adaptarse fácilmente a las zonas de difícil acceso

y muestra en una interfaz gráfica a través de mensajes sencillos la trayectoria

recorrida; de igual forma se concluye que el robot modular es una

herramienta que presenta una gran versatilidad para ser configurado tanto a

nivel de hardware como de software, brindando la posibilidad de

implementarse como una buena opción para reconocimiento de áreas de

difícil acceso, entre otras tareas.

Esta investigación permitió un análisis a los sistemas de control que

un robot puede tener para garantizar su desplazamiento equilibrado y seguro

por un entorno desconocido.

Nabulsi, S (2009) Diseño y control reactivo de robots caminantes sobre

terreno natural. Universidad complutense de Madrid. España. En esta tesis

se aborda el problema de la locomoción sobre terreno natural de robots

caminantes. Para la realización de la tesis se ha elegido como plataforma

experimental el robot Roboclimber, que es un robot cuadrúpedo, caminante y

escalador, de grandes dimensiones, capaz de llevar consigo una carga muy

elevada de equipo especializado para la consolidación de laderas de

montañas rocosas.

Partiendo del diseño, realización y modelado del robot y de su sistema

de actuación servo-hidráulico, y definida su arquitectura de control, se

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investigan diversas alternativas para la obtención de las fuerzas de reacción

robot-entorno, bien de forma indirecta empleando sensores de ultrasonidos,

bien de forma directa mediante el empleo de sensores de presión localizados

en los actuadores hidráulicos.

El elevado número de señales presentes y de la presencia de ruido en

las medidas, se toman en consideración diversas técnicas de filtrado. Por

otro lado, la generación de modos de locomoción estables sobre terreno

natural es un problema complejo que requiere regular la interacción dinámica

robot-entorno. Por esta razón se investigan diversas estrategias de control

reactivo para locomoción sobre terreno natural, que van desde el control

acomodaticio hasta el control de impedancia. El propósito de esta tesis

permitió desarrollar un sistema locomotor acorde con los parámetros de un

robot quilópodo que pueda transportar carga con el menor impacto de

maltrato al ambiente.

Bastardo, M (2009) En este proyecto que tiene el título: Diseño y

construcción de un prototipo de robot cuadrúpedo, Universidad Simón

Bolívar. Caracas, Venezuela. Se presenta la descripción detallada del

proceso de diseño y construcción de un prototipo de máquina caminante de

cuatro extremidades. Se analizan distintos prototipos existentes, donde no

sólo se incluyen robots cuadrúpedos, para poder establecer las ventajas y

desventajas de la configuración seleccionada. Esto incluye una investigación

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de los patrones de movimiento de distintos seres vivos, tales como

mamíferos, insectos y reptiles, donde se seleccionó una combinación de los

dos últimos grupos para obtener una mayor eficiencia en el desplazamiento,

desencadenando un estudio cinemático del prototipo, que se realizó una vez

determinado el diseño final del mismo.

Se presentan las distintas propuestas de diseño, tanto conceptual como

en detalle, de las cuales se eligió la opción más ventajosa. A partir de esto,

se realizó el proceso de construcción, donde se consideraron los procesos

de fabricación más sencillos, y las condiciones de mínimo costo, para

obtener el prototipo idóneo. Este trabajo constituye un avance en el campo

de la mecatrónica, y permitirá desarrollar y crear nuevas opciones para el

estudio de las máquinas caminantes.

Esta investigación nos permite entender la cinemática de un robot

caminante de cuatro patas.

González, J (2008). Robótica modular y locomoción: aplicación a robots

ápodos. Universidad autónoma de Madrid. Madrid España. Esta tesis se

enmarca dentro del área de la locomoción de robots modulares y se centra

específicamente en el estudio de las configuraciones con topología de una

dimensión, que denominamos robot sápodos. El problema a resolver es

cómo coordinar el movimiento de las articulaciones de estos robots para que

puedan desplazarse tanto en una como en dos dimensiones.

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En esta tesis establecemos una clasificación de los robots modulares

según su topología y tipo de conexionado y planteamos la hipótesis de

emplear generadores sinusoidales como controladores para la locomoción de

los robots ápodos modulares con topología de una dimensión. Con la

orientación de este trabajo de grado se obtuvo un buen análisis a las

articulaciones de un robot.

Bogado, J (2007) Control bilateral de robots teleoperados por

convergencia de estado. Universidad politécnica de Madrid. Madrid España.

Esta investigación se basó en el desarrollo de un robot capaz de desplazarse

de un lugar a otro por diversos terrenos, por muy escarpados y abruptos que

sean. Esto tiene especial interés en las aplicaciones en las que el entorno no

es conocido, como la exploración de las superficies de otros planetas,

navegación en entornos hostiles o las operaciones de búsqueda y rescate.

Uno de los grandes retos es el desarrollo de un robot lo más versátil

posible que sea capaz de desplazarse de un lugar a otro por diversos

terrenos, por muy escarpados y abruptos que sean. Esto tiene especial

interés en las aplicaciones en las que el entorno no es conocido, como la

exploración de las superficies de otros planetas, navegación en entornos

hostiles o las operaciones de búsqueda y rescate. El aporte que prestó esta

investigación son las distintas dificultades que puede enfrentar un robot al

desplazarse por un terreno natural.

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2.2. Bases teóricas: 2.2.1. Edafología: Ciencia que estudia las características de los suelos, su formación y su

evolución (edafogénesis), sus propiedades físicas, morfológicas, químicas y

mineralógicas y su distribución. También comprende el estudio de las

aptitudes de los suelos para la explotación agraria o forestal. La edafología

se constituye como ciencia a finales del siglo XIX. Los suelos se desarrollan

bajo la influencia del clima, la vegetación, los animales, el relieve y la roca

madre. La edafología se sitúa en la encrucijada de las ciencias de la Tierra y

de la vida y es fundamental para la conservación del medio ambiente natural.

2.2.2. Granulometría: La granulometría como el proceso para determinar la proporción en que

participan los granos del suelo, en función de sus tamaños. Esa proporción

se llama gradación del suelo. La distribución porcentual en masa de los

distintos tamaños de partículas que constituyen una muestra de suelo.

La gradación por tamaños es diferente al término geológico en el cual se

alude a los procesos de construcción (agradación) y la destrucción

(degradación) del relieve, por fuerzas y procesos tales como tectonismo,

vulcanismo, erosión, sedimentación, entre otros.

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2.2.3. Fitogeografía: La fitogeografía se define como una rama de la biogeografía, y esta a su

vez incorpora elementos de la biología y la geografía. Da cuenta de la

relación entre la vida vegetal y el medio terrestre o la ciencia que estudia el

hábitat de las plantas en la superficie terrestre. Esta ciencia tiene una doble

dirección, la primera es la posibilidad de estudiar por una parte la estructura y

biología de un manto vegetal, y por otra parte puede estudiar las especies

que constituyen el poblamiento vegetal de un tipo de vegetación o de un

determinado territorio.

Es importante conocer y distinguir las principales diferencias que existen

entre flora y vegetación. La flora corresponde al resultado de hechos

antiguos, donde las especies están ahí o en esas condiciones porque las

migraciones pasadas las han llevado, o porque conexiones

intercontinentales, o las oscilaciones climáticas han permitido esos

desplazamientos. La flora hace referencia a las especies y su respectiva

descripción taxonómica de los individuos que conforman la vegetación.

La vegetación en cambio hace referencia al resultado de causas

actuales, sean geográficas o biológicas y engloba a su vez formas

fisonómicas del poblamiento vegetal. Por lo tanto la vegetación corresponde

al conjunto resultante de la disposición en el espacio de los diferentes tipos

vegetales presentes en una determinada porción del territorio.

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2.2.4. Suelos: Constituye la capa más superficial de la corteza terrestre, que resulta de

la descomposición de las rocas por los cambios bruscos de temperatura y

por la acción del agua, del viento y de los seres vivos.

Agregado: Se emplea para designar una masa de suelo. Los agregados

de suelo pueden definir textura, estructura, compacidad, consistencia y

humedad.

Botones: Fragmentos de roca entre 80 y 300 mm.

Grava: Agregados sin cohesión de fragmentos granulares. Poco o no

alterados, de rocas y minerales, cuyos tamaños varían entre 5 y 80 mm.

Arena: Agregados sin cohesión, cuyos tamaños varían entre 0.08 y

5mm.

Limos: Suelos de grano fino con poca o ninguna plasticidad y de tamaño

comprendido entre 0.005 y 0.08 mm.

Arcillas: Son agregados de partículas pequeñísimas derivadas de la

descomposición química de las rocas, son plásticas y el tamaño de sus

partículas es menor a 0.005 mm.

2.2.5. Clasificación de suelos: Los términos principales usados para describir los suelos son: grava,

arena, limo y arcilla. La mayor parte de los suelos naturales se componen de

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una mezcla de dos o más de estos elementos, y pueden contener por

añadidura, material orgánico parcial o completamente descompuesto.

En los Estados Unidos se ha adoptado la clasificación de la ASTM,

cuyos límites dados en la tabla 1 se utilizan como normas para Fines

Lécniws.

Tabla 1 Limites de los tamaños de los componentes del suelo según la clasificación de

la ASTM (en milímetros) Fuente: Juarez Badillo y Rico Rodriguez (2009, p 99) - Bloques mayor a 300 mm - Bolones de 80 a 300 mm - Grava de 5 a 80 mm - Arenas de 0.08 a 5 mm - Limos de 0.005 a 0.08 mm - Arcillas menores a 0.005mm 2.2.6. Zonas fitogeografías de Venezuela: Las sabanas: Son zonas planas, de características climáticas muy estables,

temperatura promedio de 30° C y una vegetación entre hierbas y árboles. Su

clima es cálido, presenta un período de sequía seguido de una época de

abundantes precipitaciones, durante las cuales las plantas se tornan

frondosas y frescas. Posee una vegetación constituida por arbustos, hierbas,

árboles achaparrados (de tamaño mediano y troncos retorcidos) y árboles

deciduos (pierden hojas en épocas de sequías). Este bioma predomina en

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Venezuela en los llamados llanos venezolanos, y se encuentra delimitado al

noreste por la Cordillera de la Costa y la de los Andes, al sur por Guayana y

al este con el Delta del Orinoco.

Los bosques: Son ecosistemas donde hay predominio de vegetación arbórea. Los

árboles por lo general son de gran tamaño y se encuentran distribuidos

homogéneamente a lo largo de este ecosistema.

Los suelos de los bosques son muy importantes ya que pueden retener

agua, y una vez filtrada, alimentar manantiales y ríos.

Este tipo de selva se localiza en Venezuela, en el Delta del Orinoco, Sur

del Lago de Maracaibo y Guayana.

Los páramos: Ocupan una región muy propia de las altas montañas, carentes de

árboles, con condiciones climáticas drásticas, bajas temperaturas (Oº C a 13°

C); precipitaciones escasas o pocas y suelos secos.

En Venezuela existen los páramos de los Andes a alturas mayores a los

3000 mts. En él encontramos una vegetación muy característica como lo es

el frailejón (Espeletia). También hay musgos y líquenes.

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La fauna de los páramos venezolanos se encuentra representada por el

cóndor andino, el águila negra, la musaraña de Mérida, el águila real,

numerosas especies de ranas, entre otros. Todas estas especies están bien

adaptadas para soportar las bajas temperaturas que caracterizan a los

páramos.

Los desiertos: Estas áreas conocidas como médanos, corresponden en su aspecto a lo

que muchos autores denominan "semidesiertos venezolanos". Estas son

zonas xerófilas, ya que en su vegetación está constituida por cardones y

cujíes, las lluvias son escasas, la vegetación presenta follaje muy reducido

para evitar así la excesiva pérdida de agua por evaporación, la temperatura

es muy elevada y alcanza de los 25 a 30" C.

Venezuela presenta la zona xerófila ubicada en las cercanías de las

costas marinas. De ésta forma las encontramos al noreste del estado Sucre,

Isla de Margarita, en el centro-norte de Lara y en las costas de Falcón.

Falcón presenta en las zonas próximas a sus costas, regiones en las cuales

se agrupan montículos de arena suelta formadas por el viento. Estas

formaciones son denominadas dunas.

La vegetación predominante en estas zonas son los cardones, tunas,

cujíes, guamachos, sisal, abrijo y plantas rastreras de hojas carnosas. Estas

plantas crecen sobre las desnudas arenas de los médanos, están bien

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adaptadas a ese tipo de hábitaty en términos globales son denominadas

espinares.

El manglar: Es el nombre que recibe la vegetación típica que crece en las aguas

tropicales y subtropicales de algunas áreas costeras. Esta especie típica se

le conoce como mangle, son plantas que toleran una gran salinidad. Los

árboles que le rodean presentan gruesas y grandes raíces que se fijan en el

suelo en forma de sancos arqueados.

Los manglares contribuyen a la formación de islas, protegen las costas

de la erosiónde las aguas marinas y contribuyen con el avance terrestre

sobre el mar.

2.2.7. Quilópodo: Los quilópodos, comprende a las escolopondras (ciempiés), Ver figura

1, que son miriápodos aplanados en los que se distingue cabeza y tronco. La

cabeza posee un par de antenas multiarticuladas, un par de ocelos, un labro,

un par de mandíbulas, dos pares de maxilas y un par de órganos de

Tömösvary. El tronco presenta en el primer segmento un par de forcípulas,

que son unas pinzas robustas acabadas en dos uñas que ratinizadas en las

que desembocan, sendas glándulas venenosas. El tronco puede tener desde

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unos pocos segmentos a más de 100, con un par de patas laterales

marchadoras cada uno. El último par de patas es mucho más largo que las

demás.

Figura 1: Quilópodo. Fuente: Internet

2.2.8. Robot: El robot se define, de manera formal en la Organización Internacional

para la Estandarización (ISO), como un manipulador multifuncional

reprogramable, capaz de mover materia les, piezas, herramientas o

dispositivos especiales, a través de movimientos variables programados,

para el desempeño de tareas diversas.

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2.2.9. Clasificación de los robots: Un robot puede ser clasificado atendiendo a diferentes criterios o

características. Algunas de éstas serán dependientes de su propia esencia,

otras de la aplicación o tarea a que se destinan.

2.2.9.1. Clasificación atendiendo a la Generación: La generación de un robot hace referencia al momento tecnológico en

que éste aparece. De este modo se puede considerar que se pasa de una

generación a la siguiente cuando se da un hito que supone un avance

significativo en las capacidades de los robots.

Aun siendo ésta una división subjetiva, es interesante, pues permite

hacerse una idea de cuán avanzado es un robot. Cronológicamente podría

decirse que la primera generación se extiende desde el comienzo de la

robótica hasta los años ochenta. La segunda generación se desarrolla en los

años ochenta y es la que mayoritariamente se puede encontrar hoy en día en

las industrias. La tercera gene ración está desarrollándose en estos días,

siendo, por tanto, objeto de un futuro cercano.

(1).- Generación: Repite la tarea programada secuencialmente. No toma

en cuenta las posibles alteraciones de su entorno.

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(2).- Generación: Adquiere información limitada de su entorno y actúa en

consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y

adaptar sus movimientos en consecuencia.

(3).- Generación: su programación se realiza mediante el empleo de un

lenguaje natural. Posee capacidad para la planificación automática de tareas.

2.2.9.2. Clasificación atendiendo al Área de Aplicación: Desde el punto de vista del uso que se da al robot es posible

clasificarlos bien en base al sector económico en el que se encuentran

trabajando o bien en base al tipo de aplicación o tarea que desarrollan,

independientemente de en qué sector económico trabajen.

En cuanto a los robos de servicio, la IFR establece de manera poco

precisa un primer criterio de clasificación según que el servicio «prestado»

por el robot esté dirigido a los huma nos, a los equipos o a otras actividades.

Dentro de cada una de estas alternativas se considera el grado de

interacción con el humano.

2.2.9.3. Clasificación atendiendo al tipo de actuadores: Dependiendo de cuál sea el tipo de energía utilizada por los ejes

principales del robot, éste puede ser clasificado como:

● Robot Neumático.

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● Robot Hidráulico.

● Robot eléctrico.

La mayor parte de los robots actuales son de acciona miento eléctrico,

pero pueden encontrarse casos particulares de robots con accionamiento

hidráulico o neumático.

2.2.9.4. Clasificación atendiendo al número de ejes: Esta característica es aplicable a los robots o telerobot con cadena

cinemática. Se en tiende por eje cada uno de los movimientos

independientes con que está dotado el robot. Puesto que (le acuerdo a la

definición ISO el robot manipulador industrial debe tener al menos 3 ejes y

extendiendo esta condición a los robots de servicio manipuladores, se

podrán encontrar robots de cualquier número de ejes superior o igual a 3. En

la práctica, la mayor parte de los robots tienen 6 ejes, seguidos por los de 4.

Los robots con más de 6 ejes son poco frecuentes, estando justificado este

número para aumentar la capacidad de maniobra del robot y siendo en

muchas ocasiones telerobots.

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2.2.9.5. Clasificación atendiendo a la configuración: Esta clasificación es sólo aplicable a robots o telerobots con cadenas

cinemática. La configuración de un robot queda definida por el tipo de

movimientos permitidos entre 2 eslabones consecutivos de la cadena. De

acuerdo a esto se tienen los tipos de configuraciones.

● Cartesiano.

● Cilíndrico.

● Polar o Esférico.

● Articular.

● SCARA.

● Paralelo.

2.2.9.6. Clasificación atendiendo al tipo de control: Atendiendo al tipo de control, la norma IS0 8373 y, en consonancia la

IFR, distingue entre los siguientes:

Robot secueneial (ISO): Robot con un sistema de control en el que un

conjunto de movimientos se efectúa eje a eje en un orden dado, de tal forma

que la finalización de un movimiento inicia el siguiente.

En este tipo de robots sólo es posible controlar una serie de puntos de

parada, resultando un movimiento punto a punto (Point to Point: PTP). Un

ejemplo de ellos son los manipula dores neumáticos.

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Robot controlado por trayectoria (ISO): Robot que ejecuta un

procedimiento controlado por el cual los movimientos de tres o más ejes

controlados, se desarrollan según instrucciones que especifican en el tiempo

la trayectoria requerida para alcanzar la siguiente posición (obtenida

normalmente por interpolación).

Los robots controlados por trayectoria permiten la realización de

movimientos en los que puede ser especificado toda la trayectoria de manera

continua.

Robot adaptativo (ISO): Robot que tiene funciones de control con

sensores, control adaptativo, o funciones de control de aprendizaje.

De este modo el robot puede modificar su tarea de acuerdo a la

información captada del entorno, por ejemplo, a través de un sistema de

visión por computador o por sensores de fuerza o contacto.

Robot Teleoperado (ISO): Un robot que puede ser controlado

remotamente por un operador humano, extendiendo las capacidades

sensoriales y motoras de éste a localizaciones remotas.

2.2.10. Morfología de un robot: Un robot está formado por los siguientes elementos: estructura

mecánica, transmisiones, sistema de accionamiento, sistema sensorial,

sistema de control y elementos terminales.

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2.2.11. Estructura mecánica de un robot: Mecánicamente, un robot está formado por una serie de elementos o

eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento

relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución tísica de la

mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía

del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los

distintos elementos que componen el robot, se usan término corno cuerpo,

brazo, codo y muñeca.

El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de

giro, o de una combinación de ambos, De este modo son posibles los seis

tipos diferentes de articulaciones en la Figura 2, aunque, en la práctica, en

los robots sólo se emplean la de rotación y la prismática.

Figura 2: Tipos de Articulaciones. Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 52)

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Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada

articulación con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad (GDL).

En la Figura 2 se indica el número de GDL de cada tipo de articulación. El

número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los grados

de libertad de las articulaciones que lo componen. Puesto que, como se ha

indicado, las articulaciones empleadas son únicamente las de rotación y

prismática con un solo GIL cada una, el número de GDL del robot suele

coincidir con el número de articulaciones de que se compone.

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da

lugar a diferentes configuraciones, con características a tener en cuenta

tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación. Las

combinaciones más frecuentes son las representadas en la Figura 3 donde

se atiende únicamente a las tres primeras articulaciones del robot, que son

las más importantes a la hora de posicionar su extremo en un punto del

espacio.

Figura 3: Combinación de articulación. Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 60)

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Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en

el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres

para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su

extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en

el espacio, se precisarán al menos seis GDL.

2.2.12. Actuadores: Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los

elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los

actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática,

hidráulica o eléctrica. Cada uno de estos sistemas presenta características

diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de

actuador más conveniente. Las características a considerar son entre otras:

● Potencia

● Controlabilidad.

● Peso y volumen.

● Precisión.

● Velocidad.

● Mantenimiento.

● Coste.

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2.2.13. Actuadores neumáticos. En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen

dos tipos de actuadores neumáticos:

● Cilindros neumáticos.

● Motores neumáticos (de aletas rotativas o de pistones axiales).

En los primeros se consigue el desplazamiento de un émbolo encerrado

en un cilindro, como con secuencia de la diferencia de presión a ambos lados

de aquel (Figura 4). Los cilindros neumáticos pueden ser de simple o doble

efecto. En los primeros, el émbolo se desplaza en un sentido como resultado

del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se

desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al

émbolo a su posición de reposo). En los cilindros de doble efecto el aire a

presión es el encargado de empujar al émbolo en las dos direcciones, al

poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos cámaras.

Figura 4: Cilindros neumáticos.

Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 75)

32

Normalmente, con los cilindros neumáticos sólo se persigue un

posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento

continuo. Esto último se puede conseguir con una válvula de distribución

(generalmente de accionamiento eléctrico) que canaliza el aire a presión

hacia una de las dos caras del émbolo alternativamente.

En los motores neumáticos se consigue el movimiento de rotación de un

eje mediante aire a presión. Los dos tipos más usados son los motores de

aletas rotativas y los motores de pistones axiales. En los primeros, sobre el

rotor excéntrico están dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar aire

a presión en uno de los compartimentos formados por dos aletas y la

carcasa, éstas tienden a girar hacia una situación en la que el compartimento

tenga mayor volumen.

Otro método común más sencillo de obtener movimientos de rotación a

partir de actuadores neumáticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo

émbolo se encuentra acoplado a un sistema de piñón cremallera. El conjunto

forma una unidad compacta que puede adquirirse en el mercado corno tal

(Figura 5).

Figura 5: Motores neumáticos

Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 93)

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En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores

neumáticos no consiguen una buena precisión de posicionamiento. Sin

embargo, su sencillez y robustez hacen adecuado su uso en aquellos casos

en los que sea suficiente un posicionamiento en dos situaciones diferentes

(todo o nada). Por ejemplo, son utilizados en manipuladores sencillos, en

apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de algún robot

(como el movimiento vertical del tercer grado de libertad de algunos robots

tipo SCARA).

2.2.14. Actuadores hidráulicos. Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente en mucho de

los neumáticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una

presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en

ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el caso de los

neumáticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y

pistones.

Sin embargo, las características del fluido utilizado en los actuadores

hidráulicos marcan ciertas diferencias con los neumáticos. En primer lugar, el

grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente

inferior al del aire, por lo que la precisión obtenida en este caso es mayor.

Por motivos similares, es más fácil en ellos realizar un control continuo,

pudiendo posicionar su eje en todo un rango de valores (haciendo uso de

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servocontrol) con notable precisión. Además, las elevadas presiones de

trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neumáticos, permiten

desarrollar elevadas fuerzas y pares.

Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a

cargas estáticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas,

como el peso o una presión ejercida sobre una superficie, sin aporte de

energía (para mover el émbolo de un cilindro sería preciso vaciar éste de

aceite). También es destacable su elevada capacidad de carga y relación

potencia-peso, así como sus características de autolubricación y robustez.

Frente a estas ventajas existen también ciertos inconvenientes. Por

ejemplo, las elevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia

de fugas de aceite a lo largo de la instalación. Asimismo, esta instalación es

más complicada que la necesaria para los actuadores neumáticos y mucho

más que para los eléctricos, necesitando de equipos de filtrado de partículas,

eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de

distribución.

Los accionamientos hidráulicos se usan con frecuencia en aquellos

robots que deben manejar grandes cargas. Así, este tipo de accionamiento

ha sido usado por robots como el UNIMATE 2000 y 4000 con capacidades

de carga de 70 y 205 kg, respectivamente.

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2.2.15. Actuadores eléctricos: Las características de control, sencillez y precisión de los

accionamientos eléctricos ha hecho que sean los más usados en los robots

industriales actuales.

Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos

diferentes:

Motores de corriente continua (DC).

Controlados por inducido.

Controlados por excitación.

Motores de corriente alterna (AC).

Síncronos.

Asíncronos.

Motores paso a paso.

2.2.15.1. Motores de corriente continua (DC). Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control.

Los motores DC están constituidos, por dos devanados internos,

inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua.

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El inductor, también denominado devanado de excitación, está situado

en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado de

excitación.

El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza

de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y

del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través

del colector de delgas, en el que se apoyan tinas escobillas de grafito.

Para que se pueda realizar la conversión de energía eléctrica en energía

mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del

estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es

máxima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de

delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se

mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las

corrientes rotóricas. De esta forma se consigue transforma automáticamente,

en función de la velocidad de la maquina, la corriente continua que alimenta

al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo

de funcionamiento se cono ce con el nombre de autopilotado.

Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina.

Si el motor está alimentado a tensión constante, se puede aumentar la

velocidad disminuyendo el flujo de excitación. Pero cuanto más débil sea el

flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad

de inducido constante. En el caso de control por inducido, la intensidad del

inductor se mantiene constante, mientras que la tensión del inducido se

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utiliza para controlar la velocidad de giro. En los controlados por excitación

se actúa al contrario.

Del estudio de ambos tipos de motores, y realizándose las

simplificaciones correspondientes, se obtiene que la relación entre tensión de

control y velocidad de giro (función de transferencia), responde a un sistema

de primer orden en los controlados por inducido, mientras que en el caso de

los motores controlados por excitación, esta relación es la de un segundo

orden.

2.2.15.2. Motores de corriente alterna (AC). Este tipo de motores no ha tenido aplicación en el campo de la robótica

hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control.

Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las máquinas síncronas

hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de

corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores:

• La construcción de rotores síncronos sin escobillas.

• Uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia (y así

la velocidad de giro) con facilidad y precisión.

• Empleo de la microelectrónica que permite una gran capacidad de

control.

El inductor se sitúa en el rotor y está constituido por imanes

permanentes, mientras que el inducid, situado en el estator, está formado por

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tres devanados iguales de calados 120° eléctricos y se alimenta con un

sistema trifásico de tensiones. Es preciso resaltar la similitud que existe entre

este es quema de funcionamiento y el del motor sin escobillas.

En los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la

frecuencia de la tensión que alimenta el inducido. Para poder variar ésta con

precisión, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de

frecuencia. Para evitar el riesgo de pérdida de sincronismo se utiliza un

sensor de posición continuo que detecta la posición del rotor y permite

mantener en todo momento el ángulo que forman los campos del estator y

del rotor. Este método de control se conoce como autosincrono o

autopilotado.

El motor síncrono autupilotado excitado con imán permanente, también

llamado motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a

que no posee escobillas y tiene una gran capacidad de evacuación de calor,

ya que los devanados están en contacto directo con la carcasa. El control de

posición se puede realizar sin la utilización de un sensor externo adicional,

aprovechando el detector de posición del rotor que posee el propio motor.

Además permite desarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que el

motor de corriente continua. En la actualidad diversos robots industriales

emplean este tipo de accionamientos con notables ventajas frente a los

motores de corriente continua.

39

Tabla 2: Resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica.

Fuente: Antonio Barrientos, Luis Felipe Peña (207, p 106)

En el caso de los motores asíncronos, no se ha conseguido resolver

satisfactoriamente los problemas de control que presentan. Esto ha hecho

que hasta el momento no tengan aplicación en robótica.

Como resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica, en la

se presenta un cuadro comparativo de éstos.

2.2.15.3. Motores paso a paso: Los motores paso a paso generalmente no han sido considerados

dentro de los accionamientos industriales, debido principalmente a que los

pares para los que estaban disponibles eran muy pequeños y los pasos entre

40

posiciones consecutivas eran grandes. Esto limitaba su aplicación a

controles de posición simples. En los últimos años se han mejorado

notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su

control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso capaces de

desarrollar pares suficientes en pequeños pasos para su uso como

accionamientos industriales.

Existen tres tipos de motores paso a paso:

● De imanes permanentes.

● De reluctancia variable.

● Híbridos.

En los primeros, de imanes permanentes, el rotor, que posee una

paralización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al

campo magnético creado por las fases del estator. En los motores de

reluctancia variable. el rotor está formado por un material ferro magnético

que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza

del campo magnético generado por la bobinas de estator. Los motores

híbridos combinan el modo de funciona miento de los dos tipos anteriores.

En los motores paso a paso la señal de control son trenes de pulsos que

van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en

el estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado

número discreto de grados.

Para conseguir el giro del rotor en un determinado número de grados,

las bobinas del estator deben ser excitadas secuencialmente a una

41

frecuencia que determina la velocidad de giro. Las inercias propias del

arranque y parada (aumentadas por las fuerzas magnéticas en equilibrio que

se dan cuando está parado) impiden que el rotor alcance la velocidad

nominal instantáneamente, por lo que ésta, y por tanto la frecuencia de los

pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente.

Para simplificar el control de estos motores existen circuitos

especializados que a partir de tres señales (tren de pulsos, sentido de giro e

inhibición) generan, a través de una etapa lógica, las secuencias de pulsos

que un circuito de conmutación distribuye a cada fase.

Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su

capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar

además de forma continua, con velocidad variable, como motores síncronos,

ser sincronizados entre sí, obedecer a secuencias complejas de funciona

miento, etc. Se trata al mismo tiempo de motores muy ligeros, fiables y

fáciles de controlar, pues al ser cada estado de. Excitación del estator

estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad de sensores

de reatoalimentación.

Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajas

velocidades no es suave, y que existe el peligro de pérdida de una posición

por trabajar en bucle abierto.

Su potencia nominal es baja y su precisión (mínimo ángulo girado) llega

típicamente hasta 1,8º. Se emplean para el posicionado de ejes que no

precisan grandes potencias (giro de pinza) o para robots pequeños

42

(educacionales); también son muy utilizados en dispositivos periféricos del

robot, como mesas de coordenadas.

2.2.16. Servo Motor: Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento

controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al

enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la

línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje.

Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones

cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control

como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos

también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

2.3. SISTEMA DE VARIABLES. 2.3.1.- Robot Quilópodo. En lo conceptual los quilópodos son conocido como cien pies. Se

mueven con rapidez por la superficie. Tiene el cuerpo deprimido con patas

bastante espaciadas, que salen de la preuras. Las antenas son largas y

filiformes. El número de patas no es tan grande como lo indica el nombre de

43

cien pies. Tres de los cuadro ordenes de quilópodos poseen 15, 21 o 23

pares de patas.

La definición operacional del quilópodo es un robot conformado por

tres segmento, con ocho patas cada modulo uno independiente del otro. Con

un microcontrolador que permite el movimiento de sus patas al controlar unos

servo motores.

Variable Dimensión Indicadores

Robot quilópodo Transporte de carga

Análisis de posición. Técnicas de control. Control de articulaciones. Estabilidad. Liberta de movimiento.

Fuente: Montero (2012). Tabla 3: Sistema de Variable. 2.4. DEFINICION DE TERMINOS BASICOS. 2.4.1. Articulación: Es la unión entre dos o más huesos próximos. Las funciones más

importantes de las articulaciones son de constituir puntos de unión del

esqueleto y producir movimientos mecánicos, proporcionándole elasticidad y

plasticidad al cuerpo, además de ser lugares de crecimiento.

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2.4.2. Blender: Blender es un programa informático multiplataforma, dedicado

especialmente al modelado, animación y creación de gráficos

tridimensionales.

2.4.3. Matlab:

MATLAB (abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices")

es un software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado

(IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible

para las plataformas Unix,Windows y Apple Mac OS X.

Es un software muy usado en universidades y centros de investigación y

desarrollo. En los últimos años ha aumentado el número de prestaciones,

como la de programar directamente procesadores digitales de señalo crear

código VHDL.

2.4.4. MPLAB:

MPLAB es un editor IDE gratuito, destinado a productos de la marca

Microchip. Este editor es modular, permite seleccionar los distintos

microcontroladores soportados, además de permitir la grabación de estos

circuitos integrados directamente al programador.

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Es un programa que corre bajo Windows y como tal, presenta las

clásicas barras de programa, de menú, de herramientas de estado, entre

otros. El ambiente MPLAB posee editor de texto, compilador y simulación.

2.4.5. Proteus:

Es un programa para simular circuitos electrónicos complejos integrados

inclusive desarrollos realizados con microcontroladores de varios tipos, en

una herramienta de alto desempeño con unas capacidades graficas

impresionantes.

Proteus en realidad se divide en dos programas, ISIS y ARES. Con el

primero tendremos un generador de circuitos reales, que funcionan, de forma

que podremos comprobar si el diseño que queremos implementar en un PCB

funcionará. Una vez comprobado y testado con las herramientas

incorporadas, ARES pasará a la acción para conseguir pasar el diseño virtual

a algo que podamos implementar en la realidad con todos los componentes

de su base de datos correctamente identificados.

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2.4.6. Simulador:

Un simulador es un aparato, por lo general informático, que permite la

reproducción de un sistema. Los simuladores reproducen sensaciones que

en realidad no están sucediendo.

Un simulador pretende reproducir tanto las sensaciones físicas

(velocidad, aceleración, percepción del entorno) como el comportamiento de

los equipos de la máquina que se pretende simular. Para simular las

sensaciones físicas se puede recurrir a complejos mecanismos hidráulicos

comandados por potentes ordenadores que mediante modelos matemáticos

consiguen reproducir sensaciones de velocidad y aceleración.

2.4.7. Torque:

Es la tendencia de una fuerza para girar un objeto alrededor de un eje,

punto de apoyo o pivote. Al igual que una fuerza es un empujón o un tirón, un

par puede ser pensado como una vuelta de tuerca.

En términos generales, el par es una medida de la fuerza de giro en un

objeto, como un tornillo o un volante de inercia. Por ejemplo, empujar o tirar

de la palanca de una llave conectada a una tuerca o el tornillo produce un

torque (fuerza de giro) que se afloja o se aprieta la tuerca o el tornillo.