Capítulo II
MARCO TEÓRICO
10 CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En esta sección de la investigación se puede apreciar toda la fundamentación teórica presentada en la misma, comenzando por los antecedentes que sirvieron de soporte, para su desarrollo posteriormente las bases teóricas utilizadas y para finalizar conocer el sistema de variables.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Desde la variable principal de la investigación, Robot, inicialmente, se encuentra el proyecto de investigación desarrollado por Byl (2008), titulado Locomociónmeta estable de un robot con patas. Esta investigación se enfocó en crear un sistema de locomoción para que un robot con patas pudiera moverse con seguridad y de manera efectiva en terrenos difíciles e irregulares.
En este proyecto el autor intenta resolver este problema diseñando algoritmos de control que permitan el movimiento del robot por el terreno difícil con una facilidad satisfactoria y sin caerse. El algoritmo de control analiza a través de sensores el terreno y calcula rápidamente la mejor
solución para cada situación que se le vaya presentando yasí enfrentar de la mejor manera cada paso del robot.
Dicho proyecto fue exitoso en sus objetivos, pero el autor admite que este algoritmo no podría funcionar solo ya que trabaja con un análisis a corto plazo de sólo los próximos pasos del robot y nunca verifica que la dirección en la que se dirija pueda llevarlo a un lugar sin salida o un acantilado, por lo que podría complementarse con un algoritmo que estudie el movimiento a largo plazo para tomar decisiones no solo de cómo enfrentar cada paso, sino de elegir eficientemente el camino que tomará para llegar a su destino.
Se pueden tomar como aportes, de lo descrito anteriormente, la forma en que se enfrenta un terreno difícil a corto plazo mediante un algoritmo adecuado y la posibilidad de establecer no sólo la estabilidad paso a paso del robot sino además de elegir el mejor camino para llegar a su meta.
También se encuentra la investigación de Chan (2007), titulada “Diseño e implementación de actuación elástica en series en una pierna de robot biomórfica”. Esta tesis se enfoca en el estudio de las piernas o patas de organismos biológicos existentes para obtener un mejor entendimiento de su funcionamiento y así aplicarlos a la robótica para lograr que los robots se muevan tan bien o mejor que un humano en terrenos difíciles.
Dicha investigación dió como resultado un estudio detallado de todos los aspectos físicos y limitaciones de las piernas humanas y se implementó un diseño que puede superar las capacidades de esta.
El aporte que da este trabajo es a nivel de la construcción de las patas de
un robot ya que esta nunca toca los aspectos de programación que puedan hacer funcionar a la pierna diseñada mejor o igual que un humano, sólo que tiene las capacidades físicas para hacerlo. Se tienen que construir las patas de un robot de tal forma que respondan de la mejor manera posible al algoritmo que se va a utilizar.
Por su parte , Soyguder y Alli (2007), con su trabajo de investigación titulado Diseño y prototipo de un Robot insecto caminante de 6 patas buscaron el modelado de un robot con patas usando un modelo 3D computarizado inspirado en principios biológicos, para luego basado en estos modelos realizar un prototipo del robot.
En este proyecto se logró construir un sistema manejado por un mecanismo con sólo dos actuadores, con lo que el costo de producción es reducido y lo hace más accesible para producción.
Dichainvestigación aporta la manera como se usaron modelos computarizados 3D para la creación del prototipo y la gran facilidad que esto permite, de la misma manera que el prototipo de la presente investigación utiliza modelos 3D para imprimir las partes mecánicas del robot.
Desde el punto correspondiente al uso de músculos de metal, Talei Franzesi (2006), en su trabajo de investigación titulado Diseño de una novedosa prótesis de ligamentos cruzados, busca usar alambres de la aleación de memoria de forma, nitinol (NiTi), para alcanzar un comportamiento mecánico y fisiológico mejor que al utilizar fabriles de colágeno en una prótesis, las cuales naturalmente conforman el ligamento.
El diseño propuesto por Franzesi en su tesis fue construido, probado y obtuvo resultados prometedores en comparación con las prótesis ya existentes pero todavía es necesario hacer pruebas adicionales para validar el diseño propuesto.
La investigación da un aporte a la presente en el sentido de que ésta última utiliza la misma aleación de memoria de forma, llamada Nitinol, una aleación súper elástica formada por Titanio y Níquel, como músculo para que estos creen la locomoción del robot, los resultados positivos del trabajo de Franzesi comprueban los beneficios de utilizar esta tecnología.
De la misma manera,se tiene el trabajo de grado de Rosmarin (2006) titulado Diseño de una mano humanoide usando actuadores de segmentos de aleación de memoria de forma que busca resolver un problema en la robótica hoy en día, que es el de la falta de una mano robótica que reproduzca la destreza de la mano humana, mientras tampoco son del mismo tamaño o peso que una; el autor remarca como esto se da por el peso, tamaño y complejidad que tienen los actuadores utilizados en las manos robóticas hoy en día.
En dicho trabajo se explicacómo las aleaciones de memoria de forma termales cuentan con características que los hacen actuadores ideales para este tipo de situaciones pero al mismo tiempo tienen características que podrían hacer poco práctico el uso de estos, por lo que en esta investigación se tratan cosas como la libertad de 20 grados de la muñeca y la mano, se usa una actuación segmentada para resolver ciertos problemas. Se diseña
una mano con 16 ejes controlados y una caja de actuadores de 32 ejes que resultaron en una mano robótica funcional con un tamaño y peso similar a la mano humana.
Este trabajo concluye que los actuadores de aleaciones de memoria de forma sí son una solución viable para el problema propuesto ya que da, no sólo una estructura liviana y compacta sino que además le permite actuar en vastos grados de libertad.
El aporte de esta investigación a la presente es que sirve de ejemplo para construir patas menos complicadas y con menor necesidad de restringir su tamaño. El poco peso y las grandes libertades de movimiento que se comprueban favorecen mucho la utilización de aleaciones de memoria de forma termales al momento de diseñar los miembros del robot.
2. BASES TEÓRICAS
Las bases teóricas presentan las disposiciones generales, los postulados y las concepciones que puedan ser utilizados como marco de referencia a las variables objeto de estudio. Se presenta a continuación la revisión teórica relacionada con el Robot.
2.1. ROBOT
Según Moriello (2004, p. 13)“Un robot es un manipulador multifuncional y
reprogramable, diseñado para movermateriales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programados yvariables que permiten llevar a cabo diversas tareas”.Mientras que Bergren (2003, p. 5) dice que “Un robot es una máquina que hace algo automáticamente en respuesta a su entorno, por medio de motores, sensores, sonidos y sus partes móviles que están controladas por un programa realizado en un lenguaje de programación”.
Se puede notar como ambos autores apuntan el hecho de que un robot sea automatizado, de para que de esta manera pueda cumplir la tarea que se le quiera asignar mediante el uso de una programación previa, la cual controle al robot.
2.1.1. ROBÓTICA
Explica Jones (2002, p. 10) que el término "Robótica" fue acuñado por Isaac Asimov para describir la tecnología de losrobots.El término robótica puede ser definido desde diversos puntos de vista:
La robótica es la conexión inteligente de la percepción a la acción.
La robótica consiste en el diseño de sistemas, actuadores de locomoción, manipuladores,sistemas de control, sensores, fuentes de energía y software de calidadtodos estossubsistemas tienen que ser diseñados para trabajar conjuntamente en la consecución de latarea del robot.
Que al compararlo con lo dicho por J. Lerache (2004, p.11)“La Robótica describe todas las tecnologías asociadas con los robots.La robótica es la ciencia encaminada a diseñar y construir aparatos y sistemas capaces derealizar tareas propias de un ser humano” se observa cómo la robótica es descrita para la utilización de tecnología que se relaciona con el uso de un robot.
2.1.2. TIPOS DE ROBOTS
Hay dos grandes familias de los robots, las cuales se describen a continuación:
2.1.2.1. ROBOTS INDUSTRIALES
Según Barrientos (2007, p. 9) “Un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación.”
O como lo define la Asociación de Industrias Robóticas (RIA) (Citado en Barrientos (2007, p. 10), “Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas”, estas tareas orientadas a la resolución de problemas o de la realización de un proceso de manera eficaz y veloz dependiendo de las funciones necesarias para la realización de dicha actividad.
2.1.2.2. ROBOTS EXPERIMENTALES
Desarrollados normalmente por universidades, empresas e institucionescon el propósito de investigar campos concretos de la robótica. Estas dos últimas divisionestienden a solaparse en ocasiones. Algunos han llegado a popularizarse como ASIMO de Honda, e incluso se vendían al público como los perritos Aibo de Sony. (J. Ierache, 2004)
2.1.3. TIPOS DE LOCOMOCIÓN
La locomoción se divide, según los diferentes autores consultados, de la siguiente forma:
2.1.3.1. DIFERENCIAL
Según la Asociación Española de Robótica y Automatización (1995, p. 33) en la locomoción diferencial no hay ruedas directrices, o sea las ruedas no cambian de dirección en relación al vehículo para variar la dirección de este sino que la relación de velocidad entre las ruedas de un lado y del otro cambian para crear un giro.
Las ventajas de esta locomoción es el precio y la simplicidad del diseño y de su implementación, mientras que sus inconvenientes son la dificultad al momento de controlar el movimiento y la necesidad de un control de precisión cuando se necesita una trayectoria recta ya que tienen que tener
exactamente la misma velocidad ambas ruedas. Por otra parte Aníbal (2001, p.30), sostiene que el direccionamiento viene dado por la diferencia de velocidades entre las ruedas laterales. La tracción se consigue con estas mismas ruedas. Adicionalmente existen una o más ruedas para soporte. En la figura 1, se ilustra el sistema de locomoción de la plataforma Labmate.
Esta es la configuración más frecuente en robots para interiores.
Figura 1. Locomoción con direccionamiento diferencial en dos ruedas laterales.
Fuente: Aníbal (2001).
2.1.3.2. SÍNCRONA
Explica la Asociación Española de Robótica y Automatización (1995, p. 34), que la locomoción síncrona funciona con tres (3) diferentes motores trabajando al mismo tiempo en forma de triciclo. El uso de motores separados simplifica el control en la translación y rotación. Además que a
diferencia de la locomoción diferencial, la síncrona garantiza un movimiento en línea recta ya que todas las ruedas se mueven juntas a la misma velocidad en la misma dirección. El diseño es complejo pero no hay deslizamiento.Por otra parte Aníbal (2001, p.32), dice que esta consiste en la actuación de todas las ruedas, que giran de forma síncrona. La transmisión se consigue mediante coronas de engranaje (synchro drive) o concorreas concéntricas.
2.1.3.3. ACKERMAN
Según la Asociación Española de Robótica y Automatización (1995, p.37), la locomoción Ackerman consta de un sistema donde las ruedas traseras no cambian su dirección y las delanteras giran de tal forma que la elongación del eje de las 4 ruedas se encuentre en un mismo punto.
Tiene la ventaja de ser fácil de implementar y en un robot permite movimiento por cualquier tipo de terreno incluso subir escaleras mientras que tiene los inconvenientes de ser difícil de controlar, inestable y el gran consumo de energía.
En este orden de ideas, Aníbal (2001, p.28)aclara que es utilizado en vehículos de cuatro ruedas convencionales. De hecho, los vehículos robóticos para exteriores resultan normalmente de la modificación de vehículos convencionales tales como automóviles o incluso vehículos más pesados. Este sistema de locomoción se ilustra en la figura 2. La
ruedadelantera interior gira un ángulo ligeramente superior a la exterior (θ1>θ0) para eliminar el deslizamiento. Las prolongaciones de los ejes de las dos ruedas delanteras intersectan en un punto sobre la prolongación del eje de las ruedas traseras.
El lugar de los puntos trazados sobre el suelo por los centros de los neumáticos son circunferencias concéntricas con centro en el eje de rotación P1 en la figura 2. Si no se tienen en cuenta las fuerzas centrífugas, los vectores de velocidad son tangentes a estas curvas.
Figura 2. Sistema Ackerman.
Fuente: Aníbal (2001)
2.2. SISTEMAS DE CONTROL
Un sistema según Ogata (2009, p.3) es “una combinación de componentes que actúan juntos para realizar un objetivo específico.”Mientras Kuo (1996, p.
14), explica que un sistema de control es aquel que permite mediante comandos directos o de manera automática modificar variables que permita n regular la acción de un mecanismo u otros sistemas “En general, el objetivo de un sistema de control es controlar una salida en alguna forma prescrita mediante entradas a través de los elementos de un sistema de control”.
2.3. MÚSCULOS DE METAL
De acuerdo con Newton, C. Braga (2001, p.119) expresa que :
Las aleaciones de memoria de forma son materiales que tienen la capacidad de volver a una forma predeterminada cuando se calienta.
Cuando un SMA (Smart Muscle Alloy) está frío, se mostrará un bajo límite elástico y se puede deformar fácilmente en una nueva forma que es retenido por el material. Sin embargo, si el material se calienta por encima de la temperatura de transformación, se somete a un cambio en la estructura atómica que hace que vuelva a su forma original.
Según Drexel M. Selvaduray G. y Pelton A. (2007, p. 114) dice “los músculos de metal es un concepto nuevo que produce movimiento lineal que se contraen cuando se activan como los músculos biológicos, el trabajo de estos músculos se realiza con un proceso de recalentamiento y enfriamiento” y luego explica que es “el proceso de recalentamiento durante el cual produce la refundición del material por defecto y genera el decremento en la densidad que reduce la energía de tensión almacenada dentro del NITINOL”
2.4. IMPRESIÓN 3D
Como explica Brian Evans (2012, p. XXIII) “La impresión 3D, llamado a veces fabricación aditiva o prototipeo rápido, trata sobre construir objetos 3D usando plástico y otros materiales basándose en un diseño digital”. Concepto que se asemeja al dado por James Floyd Kelly (2012, p.2) quien explica que es el “Proceso de aplicar plástico fundido (que se enfría y endurece) en las tres direcciones en una superficie plana: izquierda y derecha en la superficie, arriba y abajo en la superficie y alejarse verticalmente hacia arriba de la superficie”.
Es posible ver cómo ambos describen la impresión 3D como el proceso que hace una impresora con plástico u otro material, no sólo en la superficie sino sobre el mismo material de forma que se aleje de la superficie dándole altura, para así dar una representación física a un diseño creado por computadora.
2.5. ARDUINO
El creador de Arduino, Massimo Benzi (2011, p.1) lo define como “una plataforma física computacional open source basada en una simple tabla de entradas y salidas y un medio de desarrollo que implementa el lenguaje Processing”, mientras que Dale Wheat (2012, p.2) dice que “Arduino compone técnicamente no sólo el hardware sino además el software, el equipo de desarrollo, la filosofía de diseño y el esprit de corps de la comunidad de usuarios”.
2.6. BATERIAS DE ION DE LITIO
Según Engel (2007, p.255) acerca de las baterías de litio asegura que:
Las baterías de ion de litio son de particular interés por dos razones Debido a que el porcentaje de célula es elevado (-3.7v), una célula produce casi el mismo voltaje que tres pilas alcalinas en serie.
Adicionalmente como el litio tiene una baja masa atómica y un potencial de célulagrande la densidad de energía (A h kg~1)de una célula de litio es mayor que en la de un acumulador de plomo en un factor de ~15. Las baterías recargables de litio tienen las siguientes reacciones de semi-célula:
Ánodo: LiCoO2(s)? Lil-nCoO2(s) +ne~(1) Cátodo: C(s) + nLi?+ne~? CLix (2)
Las flechas de izquierda y derechas indican las direcciones de cargar y descarga,respectivamente. La relación global es:
LiCoO2(s) + C(s) ? Lil-nCoO2(s) + CLix(3) E~ 3.7v
3. SISTEMA DE VARIABLES
En todo proyecto de investigación es importante plantear variables, para que estas puedan hacer relación de algunos conceptos y referencial características que el investigador va a estudiar. Para el proyecto se toma como variable el robot el cual será la estructura fundamental del prototipo y al
tener la forma de un insecto se estudiaran diversas formas para su elaboración.
3.1. DEFINICIÓN NOMINAL
El robot es el elemento principal del proyecto de investigación y al tener diversas cantidades de formas es necesario el análisis de los tipos de insecto, tomar en cuenta las condiciones físicas, distribución de las fuerzas y la participación de los diferentes elementos que lo componen, para que de este modo se pueda llegar a un prototipo ideal que se adapte a los diferentes eventos que puedan suceder.
3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL
Según Moriello (2004, p. 13) “Un robot es un manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programados y variables que permiten llevar a cabo diversas tareas”. Mientras que Bergren (2003, p. 5) dice que “Un robot es una máquina que hace algo automáticamente en respuesta a su entorno, por medio de motores, sensores, sonidos y sus partes móviles que están controladas por un programa realizado en un lenguaje de programación”.
3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL
Para el desarrollo operacional de un robot es necesario un algoritmo que permita el control que provee la funcionabilidad de las diversas variables que serán tomadas del ambiente por medio de sensores y otras introducidas previamente en el software del robot estas variables son tipo de terreno, tiempo de reacción y enfriamiento del musculo de metal, obstáculos y nivel de batería.
