CONTROL Y ROBÓTICA
1. EL ORIGEN DE LOS ROBOTS.
2. AUTOMATISMOS, ROBOTS Y CONTROL POR ORDENADOR.
3. INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE SISTEMAS.
A. ¿QUÉ ES UN ROBOT?
B. SISTEMAS DE CONTROL.
C. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL.
D. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL.
4. APLICACIONES DEL CONTROL AUTOMÁTICO: ROBOTS.
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS NO PROGRAMABLES.
A. LA ELECTRÓNICA.
a) LA ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO.
b) EL PAR DARLINGTON.
c) SENSORES
B. LA MECÁNICA
CONTROL Y ROBÓTICA
1. EL ORIGEN DE LOS ROBOTS.
Se puede decir que los humanos hemos intentado tener máquinas que funcionaran de manera autónoma desde hace mucho tiempo. En el siglo II a. C., el griego Tesibio era famoso por sus relojes y órganos de agua con figuras que se movían.
La palabra robot se usó por primera vez en 1921, en la obra de teatro R.U.R., del escritor checo Karel Capek. Robot proviene de la palabra checa robota, que significa trabajador. - ¿Por qué nos empeñamos en construir robots?.
Porque son máquinas capaces de realizar tareas repetitivas con precisión. Estas tareas ahorran tiempo y esfuerzo a los seres humanos. Pero de los robots actuales, aun siendo muy precisos, podemos decir que se encuentran en la «infancia» de su desarrollo.
2. AUTOMATISMOS, ROBOTS Y CONTROL POR ORDENADOR.
Es cierto que estas máquinas están muy lejos de existir, pero los robots están bastante más cerca de nosotros de lo que pensamos.
• Pueden ser muy simples, como el mecanismo que abre la puerta del ascensor cuando
llegamos a la planta deseada (mecanismo de lazo abierto). Un poco menos simple si esta misma puerta es capaz de detectar el paso de una persona (mecanismo de lazo cerrado).
• Otros son bastante complejos, corno las modernas lavadoras, que deciden la
cantidad de agua y detergente que deben usar según la cantidad de ropa que lavan (automatismo).
Para que esto suceda, la máquina debe poseer un ordenador capaz de responder a los estímulos externos y de organizar las tareas.
Un ejemplo de automatismo es el lavado automático de vehículos. Cuando el coche acciona el correspondiente final de carrera, el sistema reconoce que está bajo los aspersores y ordena a la válvula que deje pasar el agua jabonosa, hace girar los rodillos de limpieza o los aspiradores de secado.
A. ¿QUÉ ES UN ROBOT?
Un robot tiene que captar información de su entorno y, en función de los datos que recibe, realizar alguna acción como respuesta.
La diferencia entre un robot y un mecanismo es que los mecanismos realizan funciones repetitivamente, independientemente de que cambien las condiciones en su entorno. En cambio, los robots solo reaccionan cuando se producen determinados cambios en sus proximidades.
Máquina embotelladora de Mollina.
Un ejemplo de mecanismo es un dispositivo encargado de colocar los tapones a las botellas de una cadena de llenado. El mecanismo seguirá intentando colocar los tapones cada cierto tiempo, aunque no lleguen botellas hasta él. Un robot para tapar botellas solo colocará el tapón cuando detecte la presencia de una botella en el lugar adecuado.
B. SISTEMAS DE CONTROL.
La función del sistema de control es detectar alguna condición del entorno: luz, temperatura, contacto, humedad, etc., y, en función de los valores que detecta, realizar alguna acción.
En un sistema de control se introduce una señal, dada por algún sensor (LDR, NTC, final de carrera...). El valor de esa señal es comparado con un valor prefijado, llamado punto de tarado, de manera que, cuando hay diferencia entre la señal de entrada y el punto de tarado, se genera una señal de error que se utiliza para actuar sobre algún dispositivo: motor, bombilla, zumbador, etc.
Para estudiar los sistemas de control, vamos a usar como referencia un detector de oscuridad . Este circuito conecta una bombilla cuando detecta niveles de iluminación bajos.
C. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL.
Señal de entrada.
La señal de entrada es la que se toma del exterior mediante un sensor.
Los robots utilizan sensores de luz normal, luz infrarroja y sensores de contacto (finales de carrera), etc. Estos sensores transforman la información que reciben del entorno en una señal eléctrica, que se introduce en el sistema de control para compararla con la señal de referencia. Algunos tipos de sensores:
• LDR: resistencia variable con la luz, para detectores de oscuridad o claridad. • NTC: resistencia variable con la temperatura, para detectores de temperatura. • TSUS5400 y BPW40: emisor y receptor de infrarrojos.
• Final de carrera: para detectores de contacto.
Señal de referencia, punto de ajuste o punto de tarado.
La señal de referencia es el valor que se compara con la señal de entrada. En los nuestros robots, este valor se puede ajustar mediante un potenciómetro.
El termostato de un aparato de aire acondicionado es un sensor térmico que enciende el aparato cuando la temperatura es más alta que la programada y lo apaga cuando es igual o más baja.
Es un mecanismo de lazo cerrado. La señal de referencia es la temperatura deseada (se controla con el mando a distancia).
Comparador.
El comparador, como su nombre indica, compara la señal de entrada con la señal de referencia o punto de tarado. Cuando la diferencia entre ambas señales supera un determinado valor, el transistor pasa de corte a saturación, indicando que la diferencia
La acción de control la realiza el transistor junto con el relé, que se activa cuando le llega la señal del transistor. El relé, al activarse y cambiar de posición sus contactos, enciende la bombilla.
Señal de salida.
La señal de salida es la que emite el elemento de control y actúa sobre el elemento que realiza la acción de control (actuador).
Actuador.
El actuador es la bombilla, que, al encenderse, aumenta el nivel de luminosidad del área elegida. Es el elemento que corrige la variable: controlada; en este caso, la luz.
Variable controlada.
Es inspeccionada por el sistema con el fin de actuar en consecuencia. Se llama variable porque cambia independientemente del sistema. Por ejemplo, la temperatura o la luz.
Realimentación.
La realimentación en este circuito se realiza mediante la vigilancia continua de la variable controlada. Esto permite detectar cualquier cambio en el nivel de iluminación ambiental. D. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL.
Lazo abierto.
En estos sistemas de control no se evalúa el valor de la variable que se trata de controlar; es decir, no tienen realimentación.
Lazo cerrado.
En estos sistemas se evalúa continuamente el valor de la variable controlada; es decir, estos sistemas tienen realimentación.
Ejemplos:
- La regulación de la calefacción de una habitación con un sistema de relojería que determina los periodos de conexión y desconexión de la misma.
- El llenado de un depósito con un grifo que abre durante un tiempo determinado o una lavadora automática.
- La programación de un vídeo a las horas prefijadas.
Ejemplos:
- Control de la temperatura de una habitación con un termostato.
- Control del llenado de un depósito con dos sensores de nivel, uno que detecta cuándo está vacío el depósito, y es el que abre el grifo; y otro que detecta cuándo está lleno, y es el que lo cierra.
4. APLICACIONES DEL CONTROL AUTOMÁTICO: ROBOTS.
El uso de robots controlados mediante sofisticados programas de software es esencial en la industria moderna. Hay múltiples procesos en los que la intervención humana es tremendamente arriesgada o en los que se requiere una precisión extrema. Por ello, se usan mecanismos robotizados que realizan las tareas en lugar de las personas.
Las centrales nucleares son un claro ejemplo: la carga de uranio enriquecido en las mismas se hace mediante su manipulación por mecanismos robotizados.
La ingeniería de precisión es otro ejemplo. Ningún ser humano, por muy hábil que fuera, podría realizar manualmente las soldaduras microscópicas que se necesitan en los circuitos impresos.
La exploración espacial es otro de los campos en los que se usan los sistemas robotizados. Así, se han enviado sondas y robots para explorar otros planetas.
Los componentes de un robot.
órdenes recibidas del sistema de control. Podemos diferenciar en él varias partes: - Piezas rígidas llamadas eslabones.
- Articulaciones: elementos que sirven de unión entre dos piezas rígidas.
- Actuadores: elementos que transmiten el movimiento a las articulaciones del robot. El movimiento del robot puede estar producido de diversas maneras:
* Sistemas neumáticos: utilizan aire comprimido. * Sistemas eléctricos: emplean corriente eléctrica.
*Sistemas hidráulicos: usan circuitos de agua o de aceite.
- La herramienta. Es la parte del robot encargada finalmente de realizar el trabajo. Por ejemplo, en una cadena de montaje de automóviles, la herramienta puede ser un destornillador, un soldador, una pistola con pintura...
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS NO PROGRAMABLES.
Vamos a separar el proceso de diseño y construcción en tres fases: la electrónica, la mecánica y el propio funcionamiento.
A. LA ELECTRÓNICA.
La electrónica de los robots se puede trabajar en tres partes diferenciadas:
a) LA ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO.
El funcionamiento de los motores produce inestabilidad (cambios en la tensión) en los circuitos electrónicos. Para que el funcionamiento de los motores no afecte al circuito del control de los robots, se pueden utilizar dos sistemas:
- Usar dos alimentaciones diferentes; una para el circuito de control y otra para los motores.
- Conectar en los terminales del motor un condensador (100 nF) en paralelo con el motor.
b) EL PAR DARLINGTON.
El par Darlington permite aumentar la sensibilidad de los sensores, incrementando la ganancia del sistema.
Puede construirse utilizando dos transistores y conectándolos como se indica en el esquema, aunque existen transistores en los cuales ya está integrado el par Darlington.
c) SENSORES
Los sensores pueden ser desde una simple resistencia LDR hasta sensores infrarrojos.
El funcionamiento de los sensores de infrarrojos es similar a los sensores de luz normal, pero tienen la gran ventaja de que son mucho menos sensibles a la luz ambiente. Es decir, con ellos es más dificil que la luz ambiente influya en el funcionamiento de los robots y los movimientos serán más certeros.
B. LA MECÁNICA
La mecánica de los robots es igual de importante o más que la electrónica. Un circuito electrónico que funcione perfectamente no sirve de nada si lo acoplamos a un robot que no está bien construido o que se mueve a una velocidad inadecuada.
Los robots se tienen que mover lentamente. Si el robot se mueve muy rápido, aunque el sensor detecte una línea negra, por ejemplo, no dará tiempo a que reaccione, y entonces el robot se pasará de la línea o se caerá de la mesa por la inercia que lleva.
Por tanto, para construir los robots vamos a utilizar motores que lleven incorporado un sistema reductor de velocidad.
Supongamos como ejemplo un robot que sea capaz de seguir una línea negra pintada en el suelo, su funcionamiento sería el siguiente:
- cuando el robot se sale hacia la derecha del camino delimitado por la línea negra, el sensor derecho detecta el cambio y manda la información a la unidad de control que ordena el funcionamiento del motor derecho, para que girando corrija la trayectoria.
- cuando el robot se sale hacia la izquierda del camino delimitado por la línea negra,el sensor izquierdo detecta el cambio y manda la información a la unidad de control que ordena el funcionamiento del motor izquierdo, para que girando corrija la trayectoria.
