Robótica
Este elemento es una ampliación de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] La robótica actual puede describirse como una ciencia que se ocupa del movimiento inteligente de diversos mecanismos robóticos que pueden clasificarse en los cuatro grupos siguientes: manipuladores de robots, vehículos robot, sistemas hombre-robot y robots de inspiración biológica. Los manipuladores de robot más frecuentes son los mecanismos de robot en serie. El manipulador de robot está representado por una cadena en serie de cuerpos rígidos, llamados segmentos de robot, conectados por juntas. Los manipuladores de robot en serie se describirán con más detalle en la siguiente sección de este capítulo. Los robots paralelos son de considerable interés tanto en la ciencia como en la industria. Con ellos, la base y la plataforma del robot están conectadas entre sí con segmentos paralelos, llamados piernas. Los segmentos están equipados con actuadores de traslación, mientras que las articulaciones de la base y la plataforma son pasivas. Los robots paralelos se usan predominantemente para tareas de recogida y colocación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Se caracterizan por sus altas aceleraciones, repetibilidad y precisión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Como los manipuladores de los robots sustituyen al operador humano en varios trabajos de producción, su tamaño es a menudo similar al de un brazo humano. Los fabricantes también pueden proporcionar manipuladores robóticos hasta diez veces más grandes, capaces de manipular carrocerías de coches completos.
Pormenores
Por el contrario, en las áreas de biotecnología y nuevos materiales se utilizan micro y nanorobots. Los nanorobots permiten manipulaciones de empujar, tirar, recoger y colocar, orientar, doblar y ranurar en la escala de moléculas y partículas. El nanomanipulador más extendido se basa en el principio del microscopio de fuerza atómica.
Los vehículos robot autónomos se encuentran en tierra, en el agua y en el aire. Los robots móviles terrestres se aplican con mayor frecuencia en entornos artificiales, como apartamentos, hospitales, grandes almacenes o museos, pero cada vez se encuentran más en las carreteras e incluso en terrenos sin caminos.
Aviso
No obstante, la mayoría de los robots móviles se utilizan en terrenos planos con movimiento habilitado por ruedas, con tres ruedas que proporcionan la estabilidad necesaria. A menudo las ruedas están especialmente diseñadas para permitir movimientos omnidireccionales. Los vehículos robotizados pueden encontrarse como aspiradoras, cortadoras de césped autónomas, guías inteligentes a través de grandes almacenes o museos, asistentes en centros clínicos, vehículos espaciales o coches autónomos. Los estudiantes pueden disfrutar del aprendizaje en diversas competiciones, por ejemplo, de fútbol o de juegos de rescate, basados en el uso de pequeños robots móviles. Entre los vehículos aéreos, los más populares parecen ser los pequeños quadrocopters. Tienen una estructura mecánica muy simple, lo que los hace comparativamente baratos. Los quadrocopters vuelan utilizando cuatro rotores y están equipados con sensores como giróscopos, acelerómetros y cámaras, y se utilizan principalmente para fines de vigilancia. Las versiones autónomas más grandes se utilizan para misiones de reconocimiento militar. Los robots basados en el agua flotan en la superficie u operan bajo el agua. [rtbs name=”crisis-del-agua”] Las versiones submarinas pueden tener la forma de submarinos autónomos más pequeños. A menudo pueden estar equipados con un brazo robótico y se utilizan en la investigación oceánica, la observación del fondo del mar o de los restos de naufragios o como ayudantes en plataformas petrolíferas. Los robots flotantes autónomos se utilizan para evaluaciones ecológicas marinas.
Los nuevos conocimientos en el área del control de los robots están influyendo fuertemente en el desarrollo de los sistemas hombre-robot, como los robots hápticos, los telemanipuladores y los exoesqueletos. El uso de los robots hápticos está relacionado con los entornos virtuales que suelen aparecer en las pantallas de las computadoras. Los primeros entornos virtuales proporcionaban la vista y el sonido al observador, pero no el sentido del tacto. Los robots hápticos proporcionan al usuario la sensación de tacto, movimiento limitado, conformidad, fricción y textura en el entorno virtual. Los robots hápticos desempeñan un papel importante en la robótica de rehabilitación, en la que se utilizan pequeños robots hápticos para la evaluación y valoración de los movimientos de las extremidades superiores de las personas paralizadas. Los sistemas hápticos más potentes pueden sostener la muñeca de una persona paralizada y guiar el punto final del brazo a lo largo del camino deseado que se muestra al sujeto en un entorno virtual presentado en la pantalla de la computadora. El robot háptico ejerce dos tipos de fuerzas en la muñeca del sujeto. Cuando el paciente es incapaz de realizar un movimiento a lo largo de la trayectoria que se le muestra en el entorno virtual, el robot empuja la muñeca a lo largo de la trayectoria requerida y ayuda al paciente a realizar la tarea. El robot ayuda sólo en la medida necesaria para que el paciente alcance el punto de destino. Cuando la extremidad paralizada del paciente se aleja de la curva planificada, el robot empuja la muñeca hasta la proximidad de la trayectoria requerida. Los telemanipuladores son robots que son controlados por un operador humano cuando hay una barrera entre el telemanipulador y el operador humano. La barrera entre el operador y el entorno de trabajo suele ser la distancia (por ejemplo, el espacio exterior) o la peligrosidad (por ejemplo, dentro de una planta nuclear). Los telemanipuladores también están entrando en el mundo de la medicina, siendo utilizados en cirugía (telemedicina). Los exoesqueletos son mecanismos activos que están unidos a las extremidades superiores o inferiores de los seres humanos. Se utilizan principalmente para fines de rehabilitación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Los exoesqueletos de las extremidades inferiores pueden aumentar la fuerza de las personas sanas o permitir el reentrenamiento de las personas paralizadas al caminar.Entre las Líneas En comparación con los robots de rehabilitación hápticos, los exoesqueletos de las extremidades superiores ejercen fuerzas en todos los segmentos del brazo paralizado.
Los robots de inspiración biológica pueden dividirse en robots humanoides y los robots del mundo animal. Algunos ejemplos del mundo animal son varios tipos de serpientes robóticas, peces, cuadrúpedos, robots caminantes de seis u ocho patas. Los robots humanoides son, con mucho, los sistemas robóticos más avanzados del grupo de los robots de inspiración biológica. Están diseñados para vivir y trabajar en un entorno humano. La propiedad más notable de los robots humanoides es su capacidad de caminar bípedos. Caminan con un andar estáticamente estable o dinámicamente estable, pueden equilibrarse estando de pie sobre una sola pierna, se mueven de acuerdo con el compañero humano, incluso pueden correr. Los problemas actuales de la robótica humanoide están relacionados con la visión artificial, la percepción y el análisis del entorno, el procesamiento del lenguaje natural, la interacción humana, los sistemas cognitivos, el aprendizaje automático y los comportamientos. Algunos robots también aprenden de la experiencia de replicar procesos naturales como el ensayo y error y el aprendizaje por la práctica, de la misma manera que aprende un niño pequeño. De esta manera, el robot humanoide obtiene un cierto grado de autonomía (véase qué es, su concepto; y también su definición como “autonomy” en el contexto anglosajón, en inglés), lo que significa además que los robots humanoides pueden comportarse en algunas situaciones de manera impredecible para sus diseñadores humanos. Los robots humanoides están entrando en nuestras casas y se están convirtiendo en nuestros socios. Pronto serán compañeros de los ancianos y los niños, asistentes de enfermeras, médicos, bomberos y trabajadores. Está surgiendo la necesidad de incorporar la ética en un robot, lo que se conoce como robótica. La robótica es una ética aplicada cuyo objetivo es desarrollar herramientas científicas/culturales/técnicas que puedan ser compartidas por diferentes grupos sociales y creencias. Esas herramientas tienen por objeto promover y alentar el desarrollo de la robótica para el adelanto de la sociedad y los individuos humanos, y ayudar a prevenir su uso indebido contra la humanidad.
En 1942 el destacado novelista Isaac Asimov formuló sus famosas tres leyes de la robótica. Más tarde, en 1983, añadió la cuarta ley, conocida como la ley zeroth: Ningún robot puede dañar a la humanidad o a través de la inacción, permitir que la humanidad se vea perjudicada. La nueva generación de robots humanoides serán socios que coexistirán con los humanos ayudándolos tanto física como psicológicamente y contribuirán a la realización de una sociedad segura y pacífica. Serán potencialmente más éticos que los humanos.
Manipulador de robots
Hoy en día, los sistemas robóticos más útiles y eficientes son los manipuladores de robots industriales que pueden sustituir a los trabajadores humanos en trabajos difíciles o monótonos, o en los que de otra manera un humano se enfrentaría a condiciones peligrosas. El manipulador de robot consiste en un brazo, una muñeca y una pinza de robot. El brazo del robot es una cadena en serie de tres segmentos rígidos que son relativamente largos y permiten el posicionamiento de la pinza en el espacio de trabajo. Los segmentos vecinos de un brazo robótico se conectan a través de una articulación del robot, que es translacional (prismática) o rotativa (revolutiva). La articulación rotacional tiene la forma de una bisagra y limita el movimiento de dos segmentos vecinos a la rotación alrededor del eje de la articulación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La posición relativa viene dada por el ángulo de rotación alrededor del eje de la articulación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto).Entre las Líneas En la robótica, los ángulos de la articulación se denotan con la letra griega ϑ.
En los diagramas simplificados, la junta rotativa está representada por un cilindro. La junta de traslación restringe el movimiento de dos segmentos vecinos a la traslación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La posición relativa entre dos segmentos se mide como una distancia. El símbolo de la junta de traslación es un prisma, mientras que la distancia se denota con la letra d. Las juntas de los robots son accionadas por motores eléctricos o hidráulicos. Los sensores de las articulaciones miden el ángulo o la distancia, la velocidad y el par.
La muñeca del robot normalmente consiste en tres articulaciones rotativas. La tarea de la muñeca del robot es permitir la orientación necesaria del objeto agarrado por la pinza del robot. La pinza del robot de dos o varios dedos se coloca en el punto final del robot.Entre las Líneas En el punto final también se pueden colocar diferentes herramientas para permitir la perforación, la pintura en aerosol o los dispositivos de soldadura. Los manipuladores de robots industriales suelen permitir la movilidad en seis grados de libertad, lo que significa que el mecanismo robótico tiene seis articulaciones y también seis actuadores. De esta manera, el brazo del robot puede posicionar un objeto en un lugar arbitrario del espacio de trabajo del robot, mientras que la pinza puede rotar el objeto alrededor de los tres ejes de un marco de coordenadas rectangulares.
Para aclarar el término grado de libertad, consideremos primero un cuerpo rígido que suele representar el objeto manipulado por el robot industrial. El cuerpo rígido más simple consiste en tres partículas de masa. Una sola partícula de masa tiene tres grados de libertad, descritos por tres desplazamientos a lo largo de los ejes de un marco rectangular. El desplazamiento a lo largo de una línea se llama traslación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Añadimos otra partícula de masa a la primera de tal manera que hay una distancia constante entre ellas. La segunda partícula está restringida a moverse en la superficie de una esfera que rodea a la primera. Su posición en la esfera puede ser descrita por dos círculos que nos recuerdan los meridianos y latitudes de un globo. El desplazamiento a lo largo de una línea circular se llama rotación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La tercera partícula de masa se añade de tal manera que las distancias con respecto a las dos primeras partículas se mantienen constantes. De esta manera la tercera partícula puede moverse a lo largo del círculo, una especie de ecuador, alrededor del eje determinado por las dos primeras partículas.
Una Conclusión
Por lo tanto, un cuerpo rígido tiene seis grados de libertad: tres traslaciones y tres rotaciones. Los primeros tres grados de libertad describen la posición del cuerpo, mientras que los otros tres grados de libertad determinan su orientación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). El término postura se utiliza para incluir tanto la posición como la orientación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). A menudo se dice que mientras el mundo que nos rodea es tridimensional, el mundo de un robótico es de seis dimensiones.
Los modernos manipuladores de robots industriales son reprogramables y multipropósito.Entre las Líneas En la producción industrial moderna, ya no es económico mantener grandes existencias de materiales o productos. Esto se conoce como: Producción “justo a tiempo”. Como consecuencia, puede suceder que diferentes tipos de un determinado producto se encuentren en la misma línea de producción durante el mismo día. Este problema, que es muy incómodo para los dispositivos fijos de automatización, puede resolverse eficazmente utilizando manipuladores robóticos industriales reprogramables. Los robots reprogramables permiten pasar de la producción de un tipo de producto a otro tipo tocando un botón.
Otros Elementos
Además, el manipulador de robot es un mecanismo multiuso. El mecanismo del robot es una burda imitación del brazo humano. De la misma manera que usamos nuestro brazo para trabajos precisos y pesados, podemos aplicar el mismo robot manipulador a diferentes tareas. Esto es aún más importante en vista de la vida económica de un robot industrial, que es bastante larga (12-16 años).
Una Conclusión
Por lo tanto, podría suceder que un manipulador de robot adquirido para propósitos de soldadura, pudiera ser reasignado a una tarea de “pick and place”. Los brazos de los robots tienen otra propiedad importante, a saber, los ejes de dos juntas vecinas son paralelos o perpendiculares. Como el brazo del robot sólo tiene tres grados de libertad, existe un número limitado de estructuras posibles de brazos robóticos. Entre ellas, las más utilizadas son las antropomórficas y el llamado brazo robótico SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly). El brazo robótico de tipo antropomórfico, tiene las tres articulaciones de tipo rotacional, y como tal se asemeja en gran medida al brazo humano. El segundo eje de la articulación es perpendicular al primero, mientras que el tercer eje de la articulación es paralelo al segundo. El espacio de trabajo del brazo antropomórfico del robot, que abarca todos los puntos a los que puede llegar el extremo del robot, tiene una forma esférica. El brazo robótico SCARA apareció relativamente tarde en el desarrollo de la robótica industrial (Fig. 1.6) y se utiliza predominantemente para procesos de montaje industrial. Dos de las articulaciones son rotacionales y una es translacional. Los ejes de las tres articulaciones son paralelos. El espacio de trabajo del brazo robótico SCARA es de tipo cilíndrico.Entre las Líneas En el mercado también podemos encontrar otras tres estructuras comerciales de los brazos robóticos: cilíndrica, cartesiana y, en menor medida, esférica.
Robótica Industrial
La industria actual ya no puede imaginarse sin manipuladores robóticos industriales, que pueden dividirse en tres grupos diferentes.Entre las Líneas En el primer grupo clasificamos los robots industriales que tienen el papel de maestro en una célula robótica. Una célula robótica suele comprometer a uno o más robots, estaciones de trabajo, buffers de almacenamiento, sistemas de transporte y máquinas de control numérico.Entre las Líneas En el segundo grupo están los robots que son esclavos dentro de la célula robótica.Entre las Líneas En el tercer grupo incluimos los robots industriales que se utilizan en aplicaciones especiales.
Los maestros de los robots en una célula robótica, pueden encontrarse en los siguientes procesos de producción: soldadura, pintura, recubrimiento y sellado, mecanizado y montaje. La soldadura robotizada (por puntos, por arco, por láser) representa las aplicaciones más frecuentes de los robots. Se caracteriza por su velocidad, precisión y exactitud. La soldadura por robot es especialmente económica cuando se realiza en tres turnos. Hoy en día nos encontramos con el mayor número de robots de soldadura en la industria del automóvil. Allí, la proporción de trabajadores humanos y robots es de 6:1. Los robots industriales se utilizan a menudo en entornos agresivos o peligrosos, como la pintura en aerosol. La pintura robótica en aerosol representa un ahorro de material junto con una mayor calidad de las superficies pintadas. Donde existe un ambiente tóxico, la motivación social para la introducción de robots puede superar los factores económicos.Entre las Líneas En las aplicaciones de mecanizado, el robot suele sujetar una pieza de trabajo o un husillo motorizado y realiza tareas de perforación, rectificado, desbarbado u otras aplicaciones similares. Los manipuladores de robots están entrando cada vez más en el área del ensamblaje industrial, donde las piezas de los componentes se ensamblan en un sistema funcional.
Más Información
Las industrias electrónica y electromecánica representan un área importante para la aplicación de los robots de ensamblaje. También hay atractivas operaciones de ensamblaje en la industria automovilística, en las que un robot dispensa adhesivo en el cristal del parabrisas, mientras que otro robot sujeta el parabrisas y lo introduce en la abertura de la carrocería del vehículo.
El robot desempeña el papel de esclavo en las siguientes aplicaciones industriales: manipulación de piezas y materiales, paletizado y alimentación de piezas, fundición a presión y fijación flexible.Entre las Líneas En esta situación, el papel de un maestro se puede dar a una máquina de control numérico en la célula del robot. Los robots de recogida y colocación representan el uso más común de los robots en la manipulación de materiales, donde las tareas suelen ser tediosas o repetitivas y potencialmente peligrosas (por ejemplo, la carga de prensas). A menudo, los robots industriales se utilizan en las tareas cuando ejecutan movimientos de punto a punto. Esos ejemplos se encuentran en el paletizado, es decir, en la disposición de piezas de trabajo o productos con el fin de empaquetarlos o entregarlos a una máquina. El paletizado por robots es especialmente apropiado y bienvenido cuando se consideran objetos pesados (por ejemplo, barriles en una cervecería). Las operaciones de fundición a presión son calientes, sucias y peligrosas, y proporcionan un entorno desagradable para los trabajadores humanos. Con la manipulación por robot, las piezas de fundición a presión se orientan con precisión en la máquina de fundición a presión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La eficacia de una célula robótica puede mejorarse mediante el uso de sistemas de fijación flexibles. La flexibilidad de una célula robótica se consigue mediante posicionadores programables accionados por servomotores, lo que permite que el proceso de fabricación se realice con mayor rapidez y destreza.
Las aplicaciones especiales de los robots industriales son las siguientes: garantía de calidad, inspección y prueba, mantenimiento y reparación, robots en la industria alimentaria, textil y de la confección, y en la construcción. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). El aseguramiento de la calidad, la inspección y las pruebas se aplican a menudo en la industria electrónica, donde los parámetros eléctricos (por ejemplo, voltaje, corriente, resistencia) se prueban durante el montaje de los circuitos electrónicos.Entre las Líneas En esta situación el robot realiza las mediciones necesarias sobre el objeto (dimensionales, eléctricas), a la vez que lo agarra y lo coloca en una nueva posición. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto).Entre las Líneas En el mantenimiento y la reparación de robots se utilizan robots teleoperados y autónomos para diversas aplicaciones en la industria nuclear, las carreteras, los ferrocarriles, el mantenimiento de las líneas eléctricas y el servicio de aeronaves. Los robots también están entrando en la industria alimentaria, donde además de las aplicaciones de manipulación y empaquetado en el procesamiento de alimentos, se utilizan para tareas como la preparación de alimentos o incluso la decoración de chocolates. La industria textil y de la confección presenta problemas singulares debido a la naturaleza blanda de las piezas de trabajo, lo que hace que la manipulación de los textiles o de materiales similares sea extremadamente complicada. Se han desarrollado muchos tipos diferentes de robots de construcción en todo el mundo, sin embargo muy pocos se han comercializado.
Los principales desafíos de la robótica actual son la interacción entre el hombre y el robot y la colaboración entre el hombre y el robot. El desarrollo de la llamada robótica blanda permite a los humanos y a los robots interactuar y colaborar en entornos industriales, de servicios y cotidianos. Cuando se desarrollan robots de colaboración, o en breve co-bots, debe garantizarse la seguridad de la interacción hombre-robot.
Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):
Una Conclusión
Por consiguiente, el análisis de las lesiones humanas causadas por los impactos de herramientas contundentes o afiladas era necesario como primer paso en la investigación de los robots de colaboración. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Sobre la base de numerosos estudios de colisiones entre humanos y robots, se determinaron las velocidades seguras de los robots en función de determinadas propiedades de inercia de los mismos. La interacción segura entre el hombre y el robot se garantiza además mediante novedosos esquemas de control que miden el par de torsión en cada articulación del robot, detectando los más mínimos contactos entre el robot y el operador humano y deteniendo instantáneamente el robot. El requisito previo para un control eficaz del par es un modelo extremadamente detallado de la dinámica del robot. Para que el manipulador del robot cumpla con las normas, cuando está en contacto con el operador humano, también se utiliza un enfoque de inspiración biológica. El almacenamiento de la energía en los elementos de resorte de las articulaciones del brazo del robot hace que el control del movimiento sea eficiente y natural. Los co-bots complejos, que a menudo se aplican como sistemas de robots de múltiples brazos, no pueden programarse de la misma manera que los manipuladores de robots industriales ordinarios. Deben introducirse enfoques de robótica cognitiva basados en técnicas de inteligencia artificial, como el aprendizaje por imitación, el aprendizaje a partir de demostraciones, el aprendizaje de refuerzo o el aprendizaje a partir de recompensas. De esta manera, los co-bots son capaces de realizar tareas en entornos desconocidos y no estructurados. También debe prestarse especial atención a las manos de los robots. Al colaborar con el operador humano, la mano robótica debe ser humanoide para poder operar herramientas y equipos diseñados para la mano humana.
Otros Elementos
Además, la mano robótica debe medir las fuerzas ejercidas para proporcionar un agarre suave. Por razones de seguridad, los robots industriales de hoy en día siguen trabajando detrás de las vallas. La robótica blanda industrial sin vallas tiene el potencial de abrir nuevas aplicaciones imprevistas, lo que conduce a una automatización más flexible y rentable.
Datos verificados por: Marck
Véase También
Ingeniería, Control, Robótica, Mecatrónica
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Robótica
A continuación se examinará el significado.
¿Cómo se define? Concepto de Robótica
Véase la definición de Robótica en el diccionario.
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