Conceptos Fundamentales de Robótica: Componentes, Clasificación y Aplicaciones

Conceptos Fundamentales de la Robótica

Coordenadas Generalizadas y Grados de Libertad

Las coordenadas generalizadas determinan de manera unívoca la configuración de un sistema. No necesitan ser de dimensiones homogéneas (x, y, z,

). Los grados de libertad (GDL) representan movimientos independientes (6 GDL para un objeto libre en el espacio). Un sistema es redundante si tiene más GDL de los necesarios y subactuado si tiene menos actuadores que GDL. Por ejemplo, un dron tiene 4 actuadores, pero 6 GDL.

Componentes Estructurales y Sistemas de Percepción

Los componentes estructurales de un robot incluyen mecanismos de transmisión del movimiento, actuadores, sistemas de control y elementos terminales. Los sistemas de percepción sensorial, tanto propioceptivos como exteroceptivos, proporcionan información sobre la posición y orientación del robot y reciben estímulos del entorno exterior, respectivamente.

Un robot se compone de cadenas cinemáticas, que son conjuntos de eslabones (cuerpos rígidos con nodos o puntos de unión) y articulaciones (conexiones entre dos eslabones mediante sus nodos).

Clasificación de Articulaciones y Cadenas Cinemáticas

Las articulaciones se clasifican según sus GDL (rotación (1), prismática (1), helicoidal), orden (número de eslabones que conectan) y si son activas (generan movimiento propio) o pasivas (se mueven por influencia de otras). Las cadenas cinemáticas pueden ser serie (manipuladores) o paralelas (no manipuladores), con ambos extremos fijos. También existen cadenas híbridas, como los simuladores 3D.

Los robots planares son perpendiculares al plano, como las impresoras 2D o sistemas de grabado. Los robots espaciales operan en coordenadas XYZ. La movilidad se refiere al número de grados de libertad determinados por los GDL de las articulaciones.

Espacio de Trabajo y Precisión

El espacio de trabajo es el volumen que un robot puede alcanzar. Se distingue entre el espacio accesible o alcanzable y el espacio diestro, que es la región que el robot puede alcanzar con precisión (forma de dona). La precisión se refiere a la capacidad de llevar un efector final a la posición deseada, y se define por la resolución espacial, exactitud y repetibilidad. La estabilidad implica la ausencia de oscilaciones.

Geometría de Robots Serie

La geometría de los robots serie incluye configuraciones cartesianas (PPP, rectangulares o lineales, x, y, z), cilíndricas (RPP, con una base giratoria y prismas para conectar eslabones), esféricas (RRP, lineales con dos rotaciones, tres ejes perpendiculares), antropomórficas (RRR, tres articulaciones rotacionales, angulares, de revolución y articuladas) y SCARA (RRP, tres ejes paralelos, brazo robótico adaptable).

Efector Final

El efector final interactúa directamente con el entorno del robot, proporcionando versatilidad. Está diseñado para cada tarea específica y se clasifica según su aplicación en aprehensión (pinzas), montaje y operación (herramientas).

Cinemática Robótica

La cinemática robótica describe el movimiento de un robot respecto a un sistema de referencia, analizando el movimiento espacial en función del tiempo. Relaciona la posición del efector final con las coordenadas articulares. Existen dos problemas principales: la cinemática directa (dadas las coordenadas articulares, encontrar la posición y orientación final) y la cinemática inversa (dada la posición y orientación final, encontrar las coordenadas articulares).

Se puede trabajar en distintos espacios: articular, de configuración (posición de cada eslabón) y de tarea (coordenadas cartesianas, cilíndricas o esféricas que determinan la posición del efector final). Es posible fijar un sistema de referencia arbitrario a cada eslabón. Se asigna un sistema de coordenadas (frame) a cada articulación, y cada frame tiene una posición y orientación que representa la orientación y posición de las articulaciones o eslabones adyacentes. Cada articulación tiene una matriz de transformación homogénea (MTH) que transforma las coordenadas de la articulación anterior a la siguiente.

Historia y Evolución de la Robótica

Definición y Orígenes

Un robot es una máquina programable capaz de manipular objetos y realizar diversas operaciones. La reprogramación es clave para la automatización flexible. Las máquinas de propósito especial tienen 1 GDL, mientras que los robots tienen varios GDL.

La robótica, término acuñado por Isaac Asimov en 1948 en su obra "Yo, robot", es una disciplina que integra matemáticas, ingeniería mecánica, control, electrónica y computación. Los autómatas, que imitan figuras y movimientos de seres animados, fueron inicialmente de programa fijo y para entretenimiento. Arquitas de Tarento es considerado el padre de la mecánica. El gallo de Estrasburgo es uno de los autómatas más antiguos.

Leyes de la Robótica y Desarrollos Posteriores

Las tres leyes de la robótica de Asimov son: no perjudicar a un ser humano, obedecer órdenes y proteger su propia existencia. Los progenitores de los robots modernos surgieron después de la Segunda Guerra Mundial, incluyendo telemanipuladores y máquinas CNC. La primera patente de un robot fue registrada por Kenward en 1954.

En 1971 se creó la primera asociación de robótica en Japón. En 1974 se fundó la RIA (Robotics Industries Association). El robot SCARA fue desarrollado en 1979. Hubo muertes relacionadas con robots en 1979 o 1981. La nanorobótica surgió en 1985, la robótica doméstica en 1998 y los humanoides en 2000.

Áreas de Investigación en Robótica

Manipulación y Movilidad

La robótica de investigación se centra en la manipulación (posicionar y orientar el efector final con un patrón de velocidad y control de fuerza) y la movilidad (percepción del entorno, localización, navegación y control de movimiento). Los robots de investigación suelen ser humanoides, móviles/vehículos con inteligencia (terrestres, aéreos, acuáticos), animales o híbridos.

Percepción y Agentes Inteligentes

La percepción da significado al ambiente mediante la organización e interpretación de impresiones sensoriales. La sensación es el primer contacto entre el organismo y el entorno. El procesamiento de la información identifica e interpreta estímulos del mundo exterior para guiar acciones. Un agente percibe su entorno y responde mediante actuadores.

Las propiedades de los agentes incluyen continuidad temporal, personalidad, sociabilidad, autonomía, racionalidad, adaptabilidad y movilidad. Un ejemplo es el sistema PAMA (Percepción, Visión, Acción, Meta, Ambiente), que describe cómo se observa el mundo, qué acciones se realizan, los objetivos y dónde se llevan a cabo las acciones.

Visión Artificial

La visión artificial obtiene información a partir de imágenes procesadas para obtener una descripción específica mediante sensores.