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Manual de robotica I, en este manual se encuentran los conceptos de mecánica y se comienzan a introducir los conceptos electrónicos
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Taller de Robótica I | Dante Díaz Bahena
ROBÓTICA ROBÓTICA I “UNA INTRODUCCIÓN”
2 Temario del taller.
Robótica I “Una Introducción”.
Temario del taller. 1. Introducción a la robótica.
a. Breve Historia.
b. La Robótica en la actualidad.
c. Áreas involucradas en la robótica.
d. Clasificación de la Robótica.
2. Partes de un robot.
a. Sistema Mecánico.
i. Accionamiento.
ii. Transmisión.
b. Sistema Electrónico y sensorial.
i. Conceptos Básicos de Electrónica.
ii. Tipos de señales.
iii. Componentes básicos.
iv. Puente H
v. Controlador L293B
vi. Sensores.
vii. Microprocesador.
viii. Memoria ROM.
ix. Memoria RAM.
x. Micro controlador.
c. Sistema de Control.
i. Introducción a la programación.
ii. Lenguaje Ensamblador para PICs.
iii. Programación de PICs.
3 Capitulo 1 “Introducción a la Robótica”
Capitulo 1 “Introducción a la Robótica” Breve historia.
El hombre ha desarrollado diversas tareas a lo largo del tiempo, cada una de estas
tareas desarrolladas eran de acuerdo a sus actividades, en su búsqueda con mejorar
día a día estas actividades el hombre fue desarrollando herramientas para cada una de
estas actividades, con el paso del tiempo esas herramientas se han vuelto
indispensables para su vida, en el principio de su origen el hombre desarrollaba
herramientas para casería, siembra, recolección de frutos, etc. Hoy en día, todo esto
ha cambiado, vivimos en mundo completamente evolucionado, en donde cada vez la
tecnología junto con la automatización, juegan un papel sumamente importante en el
desarrollo de su vida.
Pero, ¿Cómo surge la robótica?, ¿Qué ciencias están involucradas con ella?, ¿Qué es
un Robot?; la robótica tiene mucho que ver con la Automatización, ya que la
automatización es la ciencia encargada del desarrollo de herramientas con partes
electrónicas y mecánicas (electromecánicas) que funcionen de manera automática,
esta ciencia no s ha permitido desarrollar herramientas utilizadas en la industria, ya
que es ahí en donde se requieren herramientas de este tipo en las tan repetitivas
tareas de producción que permiten eficiente
Áreas involucradas en la Robótica.
En la actualidad la Robótica es una ciencia muy compleja, y con ello, las ciencias
involucradas son cada vez más, en el caso de nuestro curso, involucraremos tres áreas
sumamente importantes para la elaboración e implementación de un robot, en
nuestro caso un Minirobot. Estas áreas son:
Mecánica.
Electrónica
Computación (Programación).
Estas serán las tres áreas a las que nos introduciremos en este primer curso de
Robótica, cada una de ellas, aporta a la robótica una parte fundamental para el
desarrollo de robots. A continuación, describimos que es lo que cada una de estas
ciencias aporta a la robótica.
Mecánica.
Todos los sistemas modernos que poseen algún tipo de movimiento necesitan de
subsistemas denominados mecánicos, los cuales permiten que el sistema tenga ese
movimiento, para ello, estos subsistemas necesitan de ciertos componentes
fundamentales, estos son comúnmente de dos tipos:
Accionamiento.
Transmisión.
Electrónica.
Está es sin duda alguna, una de las ciencias que se ha involucrada en nuestras vidas de
una manera contundente e importante en nuestras labores cotidianas, en la Robótica,
4 Capitulo 1 “Introducción a la Robótica”
podemos decir que es el sistema nervioso de un robot, ya que es quien lleva y trae a
cada uno de los elementos mecánicos el flujo eléctrico que lleva consigo mismo las
órdenes para el correcto funcionamiento del sistema robótico.
Computación (Programación).
Para que un sistema Robótico pueda desempeñar cada una de sus tareas de manera
efectiva, es necesario poseer de un “algo”, un subsistema el cual pueda controlar y
coordinar cada uno de los movimientos e impulsos que se produzcan durante la
realización de las tareas del sistema en su totalidad.
Sin lugar a duda, nos referimos a un sistema de control, mismo que es complementado
con un sistema computarizado que cuente con las herramientas necesarias para poder
realizar y ejercer este control, este subsistema, es incorporado en la robótica por
múltiples tipos muy variados y diversos de sistemas de control. En la industria, es muy
común escuchar de equipos denominados PLC, sin embargo, su alto costo ha
propiciado el desarrollo de nuevos sistemas de control, mismos que han surgido
también, gracias al alto grado de miniaturización y bajo costo, sin duda, nos referimos
a los Micro – controladores, los cuales aprenderemos a utilizar y programar en este
taller.
Clasificación de la robótica.
5 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Capítulo 2 “Partes de un Robot” Sistema mecánico.
Un sistema mecánico es la parte más visible de todo sistema autómata, juega un papel
muy importante en la estructura de un robot, ya que, es este el que permite que un
sistema o artefacto realice movimientos reales y tangibles.
Los sistemas mecánicos, se encuentran conformados por un gran número de
elementos básicos, los cuales estudiaremos en esta sección.
Aunque la mecánica es una ciencia muy amplia, veremos básicamente los elementos
necesarios para poder construir mecanismos que permitan ser utilizados para poder
construir robots.
Comenzaremos con lo más básico y finalizaremos con sistemas mecánicos que se
encuentran formados por un conjunto de todos los elementos mecánicos que se verán
en estas lecciones.
Las máquinas. Son dispositivos inventados por el hombre para ayudarlos a realizar
trabajos con un menor esfuerzo.
Existente algunos elementos denominados máquinas simples, estos elementos son:
La palanca.
La polea.
EL plano inclinado
El torno.
Estas máquinas pueden combinarse para formar otros mecanismos aún más
complejos.
Para la fabricación de mecanismos complejos utilizamos:
Poleas para transmitir movimientos.
Ruedas dentadas.
Ruedas excéntricas y bielas.
Levas.
Palancas.
La palanca es una máquina simple que consiste en una barra rígida que puede oscilar
sobre un eje o punto de apoyo.
Al realizar una fuerza en uno de los extremos de la palanca, de modo que baje, el otro
extremo sube, esto quiere decir que la palanca nos sirve para transmitir el
movimiento.
La palanca también nos sirve para obtener una ganancia mecánica, es decir, realizando
un esfuerzo pequeño sobre uno de los extremos de la palanca podemos mover un gran
peso que se encuentre en el otro extremo.
En una palanca existen tres elementos característicos:
Potencia (1). Es la fuerza que realizamos.
Resistencia (2). Es la fuerza o carga que se quiere vencer.
Punto de apoyo o fulcro (3). Es donde se sostiene la barra.
1
2
3
6 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Ley de la palanca.
La facilidad con la que se vence una resistencia depende tanto de la fuerza que se
ejerce sobre la palanca como de la posición que ocupa el punto de apoyo.
En la primera palanca, la fuerza necesaria para vencer la resistencia es mayor que en la
segunda palanca.
¿Por que?
Antes de contestar esta pregunta es necesario saber, que las palancas se diferencian
en la posición del punto de apoyo.
Cuando mayor sea la distancia del punto de apoyo a la potencia menos fuerza
tendremos que hacer para vencer la resistencia.
La relación que existe entre la potencia, la resistencia y las distancias de ambas al
punto de apoyo, se denomina LEY DE LA PALANCA: “EL producto de la potencia por su
distancia al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia por su distancia al
mismo punto”, expresada en forma matemática:
Un ejemplo conocido donde se puede aplicar la ley de la palanca es: la balanza
romana, donde para calcular el peso de algún objeto se utiliza esta ley.
Tipos de palancas.
Las palancas se clasifican de acuerdo a la forma en que se encuentren colocados sus
elementos básicos. Podemos encontrar tres tipos de palancas:
Palanca de primer grado.
Palanca de segundo grado.
Palanca de tercer grado.
Palanca primer grado.
Palanca 1 Palanca 2
Potencia Resistencia
dp dr
l
dr = Distancia desde la potencia al fulcro.
dp = Distancia desde la resistencia al fulcro.
l = longitud de la palanca.
7 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Se caracteriza por tener el fulcro entre la potencia y la resistencia, se debe tener en
cuenta que al decir esto, no necesariamente debe de estar el fulcro al centro de la
barra.
Palanca de Segundo Grado.
Este tipo de palanca se caracteriza por tener el fulcro en un extremo, la potencia en el
extremo opuesto al fulcro y en algún punto intermedio a ellos, se encuentra la
resistencia.
Palanca de Tercer Grado.
Este tipo de palanca se caracteriza por tener el fulcro en un extremo, la resistencia en
el extremo opuesto y la potencia en algún punto intermedio entre el fulcro y la
resistencia.
Poleas.
La polea es una rueda, conocida también como roldana, esta compuesta básicamente de de un
disco, el cual tiene en su centro un orificio, los discos no siempre son metálicos, a menudo
pueden ser de algún tipo de plástico y anteriormente fueron de madera, vista de perfil, tiene
un canal o garganta, y por el orificio, entrará posteriormente un eje para que la polea pueda
girar.
Para poder hacer de una polea una máquina simple dispuesta para trabajar, necesitamos de un
soporte o techo para colgar la polea y también de una cuerda, pasamos por la garganta de la
polea la cuerda y podemos hacerla girar tirando de un extremo.
De esta manera podemos definir, de manera formal lo que es una polea, “Es una máquina
simple accionada por una cuerda o correa, compuesta por una rueda con un canal que gira,
alrededor de su eje.
Dependiendo de como este colocada la polea y de cuantas tengamos unidas entre si, podemos
clasificarlas entre:
Polea fija.
Polea Móvil .
En una palanca de primer grado,
el fulcro se encuentra entre la
potencia y la resistencia.
En una palanca de segundo grado,
la resistencia se encuentra entre la
potencia y el fulcro.
En una palanca de tercer grado, la
potencia se encuentra entre la
resistencia y el fulcro.
8 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Polipastos.
Transmisión por poleas
La polea fija.
La polea fija estará sujeta a un soporte. El eje le permitirá girar cuando tiremos de la cuerda
con una FUERZA “F”. En el otro extremo estará la RESISTENCIA “R” (o peso).
Por lo tanto la polea es un caso especial de palanca donde tenemos:
r (radios de la polea) = brazos de la RESISTENCIA y de la FUERZA O (eje de la polea) = FULCRO
R x brazo de la resistencia = Fuerza x brazo de la fuerza
Como los radios de la polea son iguales, la ley de equilibrio de las máquinas simples o ley de la
palanca quieren decir que no ahorramos esfuerzo, tenemos que hacer tanta FUERZA como
pese el objeto que queramos elevar.
La razón de usar una polea fija está en que es más fácil arrastrar un peso hacia abajo que tirar
del peso hacia arriba, por lo que al usar la polea cambiamos la dirección de la FUERZA que
estamos aplicando.
La conclusión es que la polea fija no proporciona ninguna ventaja mecánica, es decir no nos
ahorra esfuerzo. Solo cambia la dirección o el sentido de la fuerza aplicada a través de la
Kg
RESISTENCIA “R”
FUERZA “F”
R F
R x r = F x r
O
r r
Subir un peso hacia
arriba a pulso es muy
incómodo y cansado
La polea, hace que
subir el peso tirando
de él hacia abajo sea
más cómodo y se
aproveche mejor la
fuerza.
9 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
cuerda, lo que hace que sea más cómodo y eficaz el poder elevar un peso a una altura
determinada.
La polea móvil
La polea móvil es un dispositivo que consta de 2 poleas: una fija a un soporte y una polea móvil
conectada a la primera mediante una cuerda. A la fuerza también se le suele llamar potencia.
Para comprender el funcionamiento de la polea móvil debemos tener claro 4 parámetros
fundamentales:
1.- H; distancia que baja la cuerda dónde hacemos la fuerza.
2.- H/2; distancia que sube la resistencia, que siempre será la “mitad” de la que baje la cuerda
en la que hacemos la FUERZA.
3.- Resistencia; peso que levantamos.
4.- Fuerza; la que hacemos con nuestros brazos.
⁄
La ley de equilibrio de las máquinas simples quedará:
⁄
⁄
Trabajo resistente (Tr)= trabajo motor (Tm)
es decir
Fuerza
Resistencia
10 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Por tanto la fuerza que vamos a realizar con una polea móvil es la mitad de lo que pesa la
resistencia.
Las conclusiones son:
1.- La polea móvil proporciona ventaja mecánica es decir nos ahorra esfuerzo.
2.- Reduce el esfuerzo que tenemos que hacer a la mitad. F= R/2
3.- Cambia la dirección o el sentido de la fuerza aplicada a través de la cuerda, lo que hace que
sea más cómodo y eficaz el poder levantar un peso a una altura determinada.
El polipasto
Un polipasto es un conjunto de varios dispositivos de polea móvil accionados por una sola
cuerda. La mitad de las poleas son fijas y la otra mitad son móviles.
La ganancia mecánica del polipasto aplicamos la ley de equilibrio de las máquinas simples:
Trabajo resistente (Tr) = trabajo motor (Tm)
⁄
⁄
Esto quiere decir que con este polipasto de 2 poleas móviles, hemos reducido 4 veces el
esfuerzo que vamos a realizar para levantar la resistencia.
La conclusión es:
1. El polipasto se compone de varios dispositivos accionados por una sola cuerda. La
mitad de las poleas son fijas y la mitad son móviles.
es decir
“n” es el número de poleas
móviles conectadas
Este armazón no se mueve, sirve
para que giren las poleas fijas.
Extremo de la cuerda que queda
amarrado al armazón de las poleas
móviles, mientras el otro extremo de
la cuerda queda libre y será de la que
tiremos para elevar un peso.
Ésta es la única cuerda del polipasto,
pasa por todas las poleas, se engancha
en el armazón móvil, y es de la que
vamos a tirar.
11 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
2. La ganancia mecánica del polipasto es : ⁄
3. Cambia la dirección o el sentido de la fuerza a través de la cuerda, lo que hace que sea
más cómodo y eficaz el poder levantar un peso a una altura determinada.
Transmisión por poleas
Se utiliza para transmitir movimientos entre ejes que estén alejados. El elemento de arrastre
que se utiliza para transmitir el movimiento entre 2 poleas se llama correa de transmisión.
En un sistema de 2 poleas, la polea que se mueve se llama conductora y la que es movida
conducida.
La diferencia de diámetros entre la polea conductora y la conducida no debe ser
excesivamente grande ya que, entonces, la correa de transmisión “abrazará” poco a la polea
menor y habrá muchas posibilidades de que patine o deslice.
La polea conductora irá solidaria a un eje, que a su vez, será movida, por una máquina matriz ó
motor.
La conducida también estará acoplada a un eje, dónde encontraremos la resistencia que
tendremos que vencer.
Ley de transmisión
El colocar poleas de distintos tamaños en el mismo mecanismo, tienen un motivo práctico.
Variando los diámetros de las poleas podemos cambiar la velocidad d e las distintas partes de
un mecanismo y la fuerza que este puede llegar a desarrollar.
Depende de la forma de montaje de la
correa de transmisión, podemos hacer
que las 2 poleas movidas giren en el
mismo sentido o en sentidos opuestos.
Conducida = mayor diámetro
Conducida = menos velocidad
Conducida = más fuerza
Conductora = mayor diámetro Conductora = menor diámetro Conducida = menor diámetro
Conductora= menos velocidad
Conductora = más fuerza
Conducida = más velocidad
Conducida = menos fuerza
Conductora = más velocidad
Conductora = menos fuerza
12 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Dependiendo de qué máquina queramos construir, nos puede interesar fuerza ó velocidad.
La transmisión por correo se puede expresar con una ley similar a la ley de la palanca.
Tanto en la ley de transmisión, como en la relación de transmisión, no se hace distinción entre
polea conductora o conducida. Eso dependerá de nosotros y lo que queramos obtener en la
transmisión.
Sistemas Múltiples de transmisión
Pongamos como ejemplo la transmisión de la figura, compuesta por 4 poleas: A, B, C, D; las
poleas B y C están unidas solidariamente al mismo eje, por lo que ambas junto con su eje
tendrán que girar a la misma velocidad.
Al transmitir movimiento de la A a la B, conseguimos una reducción de velocidad, ya que B es
mayor que A; al girara B girará su eje y, por tanto la C, y todo el gripo con la misma velocidad.
La polea C, a su vez, hará que gire la D, consiguiendo una nueva reducción en la velocidad.
Con esto logramos a través de este sistema múltiple reducir doblemente la velocidad de giro y,
al mismo tiempo multiplicar la capacidad final de esfuerzo.
Compresor de aire
En este ejemplo se puede ver la transmisión que permite convertir el giro muy rápido de la
polea acoplada al eje de un motor eléctrico, en un giro mucho más lento pero con más fuerza,
para comprimir aire que entra por los conductos superiores.
La velocidad de giro, W, se expresa en
r.p.m (revoluciones por minuto) y el
diámetro, D, en Milímetros.
w 2
D 1
w 1
D2
B
C
A
D
Depósito de aire
comprimido
Motor eléctrico
Conductora Conducida
13 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Esta máquina se usa mucho en talleres e industrias. Siempre que nos haga falta aire
comprimido podemos recurrir a ella.
Desde inflar un balón de fútbol ó un neumático, hasta pintar con pistola o presión sólo unas
pocas muestras de sus aplicaciones.
Lavadora
Aquí tenemos otro ejemplo real de transmisión por correa, muy cercano a nosotros. Quizás
alguna vez te has preguntado cómo se puede mover el bombo de la ropa de la lavadora que
tenemos en casa, pues no es más que una transmisión por correa. Si quitamos su parte
delantera, no encontramos con que el bobo de la ropa tiene una polea de gran diámetro,
solidaria al mismo. En la base encontramos un motor eléctrico, que será el que tiene acoplado
a su eje la polea pequeña, en este caso la conductora.
Otras máquinas simples
El torno
El plano inclinado
La cuña
El torno
El torno o cabrestante es una máquina simple, formada por un tambor, muy parecido a una
polea, con una cuerda y una manivela, que se usa para levantar cargas hasta la altura del
tambor.
Veremos el comportamiento que presenta el torno cuando el brazo de la manivela es más
largo que el diámetro del tambor, existe ganancia mecánica.
Bombo de la
ropa
Motor eléctrico
Conductora
Conducida
Tambor
Mango de la
manivela
Soporte
Manivela
14 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Lo que se observa que en esta máquina simple es el principio de la palanca:
El fulcro lo encontramos en el eje de giro del tambor.
Eso quiere decir que para poder levantar más peso con la cuerda, deberíamos colocar una
manivela más larga. El problema aparece ante la incomodidad de hacerla girar, además de
algunos inconvenientes de construcción.
Además conviene que el radio del tambor no sea muy grande para no aumentar, el producto
de la resistencia por su brazo, que es el radio del tambor.
La ganancia mecánica la obtendremos a cambio de girar la manivela un buen número de veces.
El plano inclinado.
La superficie plana que tiene un extremo elevado a cierta altura, se conoce como plano
inclinado o rampa.
La rampa permite subir o bajar objetos con mayor facilidad y menor esfuerzo, deslizándolos. Si
intentamos subir el objeto por el lado vertical de altura H, tendríamos que hacer mucho más
fuerza.
Brazo de la
manivela Radio del
tambor
Eje de giro
del tambor Fuerza (F)
Brazo de la
manivela
Resistencia (R)
Brazo de la
resistencia
La forma que tiene una rampa.
Subiendo, por la parte inclinada, nos
elevamos una altura H.
Altura
H Rampa
15 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
La cantidad de trabajo que se requiere para elevar un cuerpo, es la misma, tanto si se levanta
en vertical como si se utilizará un plano inclinado.
Lo haremos aplicando la igualdad entre trabajo hecho por resistencia o carga (trabajo
resistente), y el trabajo realizado por el persona (trabajo motor).
( ) ( )
Al final del recorrido habremos hecho el mismo trabajo, pero con el plano inclinado nos
habremos ahorrado un esfuerzo considerable, eso quiere decir que con el plano inclinado
tendremos ganancia mecánica.
Y por tanto la ganancia mecánica será:
En el cociente entre altura y longitud del plano, encontramos la ganancia mecánica. Cuánto
más largo sea el plano inclinado, para una altura dada, mayor será la ganancia mecánica, es
decir, tendremos que hacer menos esfuerzo. A cambio, estaremos más tiempo andando y
empujando, aunque haciendo bastante menos fuerza.
Podemos encontrar gran variedad de mecanismos que utilizan el principio del plano inclinado,
por ejemplo la cuña o el tornillo.
Hay ejemplos en la historia de la Humanidad, que aunque oscuros, permiten suponer el uso
de rampas. Tal fue el caso de las construcciones de las pirámides del antiguo Egipto. Dónde
Lo que conseguimos con el plano
inclinado es hacer menos esfuerzo.
Por tanto tenemos ganancia
mecánica, lo que quiere decir que
estamos ante una máquina simple.
Requiere más
esfuerzo Altura
( H )
Peso
( )
( )
Requiere menos esfuerzo
Peso
Fuerza
Longitud ( L )
Ganancia mecánica
16 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
todavía no ha quedado claro qué tipo de rampas se utilizaron para poder subir esos grandes
bloques de piedra a grandes alturas. Se supone el uso de rampas en espiral ya que las rectas
supondrían un gasto de material enorme, además de problemas constructivos.
La cuña
La cuña no es otra cosa que la combinación de dos planos inclinados unidos por un extremo.
La cuña es una máquina simple que tiene forma de prisma triangular y tiene la propiedad de
descomponer la fuerza que se aplica en dos fuerzas que actúan perpendicularmente a las caras
laterales cuando se golpea la cara opuesta al filo.
Cuanto más agudo sea el ángulo del prisma, mayor fuerza se realizará con la cuña. Aplicando
la ley de equilibrio de las máquinas simples.
Cuando mayor sea la longitud de la cuña, a, menor será la fuerza de penetración necesaria, P,
para superar la resistencia lateral, R.
b
a
P R R
Una cuña aprovecha la
fuerza para levantar o
partir un objeto.
La cuña se utiliza en
hachas, cortafríos,
cuchillos, cinceles.
En la agricultura se usa en el arado.
17 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Mecanismos para transmitir movimientos
Rueda de fricción
Transmisión por poleas
Transmisión por engranajes
Relación de transmisión y ganancia mecánica
Transmisión por tren de poleas
Transformación de movimiento circular/lineal
Ruedas de Fricción
Las ruedas de fricción son sistemas de dos o más ruedas que están en contacto,
transmitiéndose de esta forma el movimiento.
Una de las ruedas se denomina de entrada o motriz, porque es en ella donde se indica el
movimiento; la segunda se llama de salida o conducida, porque es en donde finaliza el
movimiento.
Los sentidos de giro de ambas ruedas son contrarios. En el caso de que haya más de dos
ruedas, los sentidos de giro van cambiando alternativamente.
Variación de velocidad
Como en todos los mecanismos de transmisión por ruedas, la rueda más pequeña gira más
rápido que la rueda grande. La relación entre las velocidades de giro y los diámetros se refleja
en la ecuación:
Una aplicación de la cuña
la vemos en los BARCOS
ROMPEHIELOS.
18 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Donde d representa el diámetro, normalmente en milímetros, y w la velocidad en RPM
(revoluciones o vueltas por minuto). En dos, ruedas en las que una sea el doble la otra, la
mayor gira a la mitad que la pequeña, como acurre en el gráfico.
Variación de velocidad (ejemplo 1)
En el mecanismo de la derecha, la velocidad de giro de la rueda pequeña es de 30 RPM y su
diámetro es de 20 mm. Calcular la velocidad de giro de la rueda grande que tiene 40 mm.
Sustituimos en la ecuación los valores que sabemos y despejamos ws:
Transmisión por poleas
Las poleas, como ya has visto, son ruedas acanaladas en su perímetro. Si colocamos dos de
ellas y las unimos por una correa de transmisión, transmitiremos el giro entre ambas.
En este mecanismo, las dos poleas giran en el mismo sentido cuando la correa se coloca como
en la primer figura, aunque si colocamos la correa de transmisión cruzada, las poleas giran en
sentidos contrarios.
Variación de velocidad.
También aquí, la polea más pequeña gira más rápido que la polea grande. La relación entre las
velocidades de giro y los diámetros se refleja en la ecuación:
En dos poleas en las que una sea el doble que la otra, la mayor gira a la mitad que la pequeña.
19 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Variación de velocidad (ejemplo 1)
En el mecanismo de la derecha, la polea conductora es de 15 mm y gira 60 RPM. Calcula la
velocidad de la polea de 45 mm conectada a ella mediante una correa de transmisión.
Variación de velocidad (ejemplo 2)
En el mecanismo de la derecha, la polea conductora es de 30 mm y gira 24 RPM. Calcula la
velocidad de la polea de 45 mm conectada a ella mediante una correa de transmisión.
Transmisión por engranajes
Los engranajes son ruedas con salientes denominados dientes, por lo que también se llaman a
estas ruedas dentadas.
En engranaje en el que se inicia el movimiento se denomina engranaje de entrada o motriz; en
el que termina la transmisión, engranaje de salida o conducido.
Como en las ruedas de fricción, los sentidos de giro de los engranajes son contrarios.
Variación de velocidad
Como en todas las transmisiones por ruedas, el engranaje más pequeño gira más rápido que el
engranaje grande. El tamaño en este caso se mide por el número de dientes, que se representa
por la letra z. La relación entre las velocidades de giro y el número de dientes se refleja en la
ecuación.
En dos engranajes en los que uno tenga el doble de dientes que el otro, el mayor gira a la
mitad que el pequeño.
20 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Variación de velocidad (ejemplo 1)
En el mecanismo de la derecha el engranaje de entrada tienen 15 dientes y gira a una
velocidad de 10 RPM. Calcular la velocidad a la que girará el engranaje de salida sabiendo que
tienen 30 dientes.
Sustituimos los datos en la ecuación anterior:
Despejamos :
Variación de velocidad (ejemplo 2)
En el mecanismo de la derecha el engranaje de entrada tienen 130 dientes y gira a una
velocidad de 9 RPM. Calcular la velocidad a la que girará el engranaje de salida sabiendo que
tienen 45 dientes.
Sustituimos los datos en la ecuación anterior:
Despejamos :
Relación de transmisión y ganancia mecánica
Es un término que se usa para expresar la variación de velocidad de un mecanismo de
transmisión de movimiento circular. La relación de transmisión se expresa como:
En ruedas de fricción y poleas
En engranajes
21 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Relación de transmisión (ejemplos)
Relación de transmisión (ejemplos)
Ventaja mecánica en transmisiones
Una transmisión se comporta de forma similar a una palanca.
En la reductora del gráfico, la polea de entrada se comporta como el brazo de la polea de
salida, como el brazo de la resistencia.
El mecanismo en su conjunto actúa como una palanca de 1er. Género, con el brazo de la
potencia mayor que el de la resistencia, por lo que sólo podremos elevar cargas pequeñas.
Si i > 1, la velocidad final es mayor que la entrada y el mecanismo se llama multiplicadora.
Si i > 1, la velocidad final es menor que la de entrada y el mecanismo se llama reductora.
Si i > 1, la velocidad final es mayor que la entrada y el mecanismo se llama multiplicadora.
Si i > 1, la velocidad final es menor que la de entrada y el mecanismo se llama reductora.
Palanca de 1er. género
22 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Ventaja mecánica en transmisiones
En la multiplicadora del gráfico, la polea de entrada se comporta como el brazo de la potencia
y la polea de salida, como el brazo de la resistencia. El mecanismo en su conjunto actúa como
una polea de 1er. género, con el brazo de la potencia mayor que el de la resistencia, por lo que
podremos elevar grandes cargas.
Conclusiones
En los sistemas de transmisión por ruedas (ruedas de fricción, poleas o engranajes) podemos
buscar dos efectos:
REDUCTORAS: aumentan la velocidad final pero mueven menos cargas.
MULTIPLICADORAS: disminuyen la velocidad final pero mueven cargas más pesadas.
Tren de poleas
Un tren de poleas consiste en una transmisión en la que interviene más de un par de poleas.
Se usa para reducir o aumentar la velocidad más de lo que podemos hacerlo con un solo juego
de poleas. En el tren de la figura, las poleas 2 y 3 giran a la misma velocidad ya que están
unidas al mismo eje. Al tiempo que reducimos la velocidad de giro aumentamos las fuerzas
que nuestro mecanismo sea capaz de desarrollar.
Palanca de 1er. género
- VELOCIDAD
+ FUERZA
+ VELOCIDAD
- FUERZA
Sentido de la transmisión
REDUCTORA
MULTIPLICADORA
1
2
3 4
23 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Tren de poleas (2)
Cuanto mayor sea el número de parejas de poleas, menor será la velocidad de giro y mayor la
ventaja mecánica, en el caso de una reductora.
En el caso de una multiplicadora, menor velocidad y la fuerza de arrastre. Para calcular la
relación de transmisión de un tren de poleas multiplicaremos las relaciones de transmisión
parciales de cada una de las transmisiones del mecanismo.
Tren de poleas (3)
Sistema pinón – cremallera
El sistema pinón – cremallera consiste en una rueda dentada que engrana con una barra que
también tiene dientes.
Hay dos maneras diferentes de hacer el movimiento:
El piñón gira sobre su eje y desplaza a la cremallera.
La polea primera gira 9 veces más rápido
que la última y podremos mover una
carga 9 veces más pesada.
24 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
La cremallera permanece fija y el piñón, al girar, se desplaza.
Sistema piñón – cremallera
El sistema piñón cremallera es el usado en los sacacorchos. Al bajar los brazos, los engranajes
actúan sobre la cremallera que levanta el corcho. También se emplea en la llave inglesa para
abrir y cerrar su boca.
Sistema biela-leva
Una leva es una pieza normalmente con forma ovoide que gira alrededor de un eje. Al girar la
leva, ésta empuja a otra pieza denominada seguidor, que es la que se desplaza con un
movimiento de vaivén.
Las levas pueden tener más de un saliente o tener otras formas para conseguir el efecto
deseado.
25 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Sistema biela-manivela
Un ejemplo de mecanismo que emplea el sistema be biela manivela es el motor de explosión
de coches y motos.
La carga eléctrica
La materia está formada por átomos y estos, a su vez, están constituidos por otras partículas
de menores dimensiones, las más importantes, desde el punto de vista eléctrico, son los
portones, que tienen carga eléctrica positiva, y los electrones, que poseen carga eléctrica
negativa. En casa tipo de material la cantidad de portones y electrones que integran sus
átomos es diferente.
Los fenómenos eléctricos y magnéticos se fundamentan en el desplazamiento de electrones,
de tal manera que si en una determinada zona retiramos electrones de los átomos, aparecerá
una carga positiva, y si estos electrones retirados se llevan a otra zona aparecerá una carga
negativa. Cuando esta carga es estática produce fuerzas entre zonas de diferentes cargas, pero
cuando la carga se desplaza por un conductor se genera una corriente eléctrica y aparecen
efectos magnéticos.
Electricidad estática.
Cuando en un material concreto se produce una determinada acumulación de carga eléctrica,
si ésta no se mueve por no encontrar un conductor para desplazarse se produce el fenómeno
conocido como electricidad estática.
Hay un experimento clásico y muy conocido que consiste en frotar una barra de ámbar contra
una tela de lana, la barra se carga de electricidad estática y puede atraer pequeños trozos de
papel. Hoy día no es fácil encontrar ámbar, pero pueden utilizar ámbar, pero pueden utilizarse
algunos tipos de plásticos para realizar este experimento.
Para que se produzca una acumulación de electricidad estática es necesario que el objeto
cargado esté aislado.
Otro ejemplo muy conocido es la electricidad estática que se acumula en la carrocería de un
automóvil por el simple frotamiento de ésta con las partículas del aire; las ruedas del
automóvil lo aíslan del suelo. En tiempo seco se agudiza el fenómeno, de manera que cuando
descendemos del vehículo y llevamos un calzado de suela humedecido, y por tanto conductor,
26 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
en el momento de tocar la carrocería salta una chispa, bastante fuerte, y en ocasiones muy
desagradable. Estas cargas eléctricas pueden dañar equipos electrónicos si se manipula en su
interior sin tomar las debidas precauciones para descargarse de electricidad estática.
El Culombio
Para poder realizar cálculos y estudios hay que definir la unidad de medida de la carga
eléctrica. La carga eléctrica más pequeña es el electrón, pero es una carga muy pequeña y se
decidió definir una unidad de carga denominada CULOMBIO en el Sistema Internacional de
Unidades. Un culombio es la cantidad de carga que a la distancia de un metro ejerce sobre otra
carga igual una fuerza de 9 x 109Newton. Hay que tener en cuenta que un kilogramo de fuerza
equivale a 9,81 Newton. Esta definición está muy bien, pero lo más práctico es recordar que un
culombio es la carga acumulada de 6,27 x 1018 electrones.
Como dato curioso la carga del electrón fue determinada por el físico americano Roberto
Millikan en el año 1909.
Corriente Eléctrica
Cuando la carga eléctrica atraviesa el espacio a través de un cuerpo conductor se produce una
corriente eléctrica. En este caso también hay que definir una unidad de corriente, aunque es
más conocida: el amperio. Un amperio corresponde al paso de una carga de un culombio a
través de un determinado punto en un segundo. Pero para que haya movimiento de cargas
tiene que haber una diferencia de potencial, que habitualmente se denomina tensión. La
tensión se genera por la propia acumulación de cargas.
Conductores
Los conductores eléctricos son los materiales que facilitan el movimiento de electrones, los
más conocidos son lo materiales que tienen sus electrones muy fijos no facilitan el movimiento
de electrones y se denominan aislantes.
***2 y 3***
Cálculo de Circuitos con resistencias
Los circuitos que tienen una fuente de tensión continua están formados por resistencias son
fáciles de estudiar. Se pueden calcular todas las corrientes que circulan por cada resistencia del
circuito y también las tensiones entre los dos terminales de casa una de ellas. Es suficiente con
conocer la ley de Ohm y realiza algunas operaciones matemáticas elementales.
Resistencia en serie
Cuando se conectan dos resistencias en serie el valor de resistencias resultante es la suma de
las resistencias conectadas en serie. Basta con realizar una simple suma. Este valor resultante
siempre será mayor que la mayor resistencia conectada en serie.
27 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Resistencias en paralelo
Para el cálculo de la resistencia que resulta de conectar varias resistencias en paralelo pueden
darse varias fórmulas matemáticas; pero la más fácil es la siguiente: La inversa de la resistencia
resultante es igual a la suma de las inversas de las resistencias conectadas en paralelo. Para
realizar el cálculo primero se calculan los inversos de las resistencias, con una calculadora es
muy fácil basta con utilizar la tecla 1/X. después se suman, y al final se vuelve a utilizar la tecla
1/X para obtener el resultado a partir de la suma anterior. El resultado será siempre el valor
de resistencia menor que la más pequeña de las conectadas en paralelo.
Circuito con resistencias en serie
Vamos a fijarnos en el ejemplo de un circuito con dos resistencias conectadas en serie. En este
caso tenemos una batería de 18v y dos resistencias, una de 6K8 y otra de 2K2.
Al ser un circuito en serie la misma corriente atraviesa las dos resistencias. La resistencia
resultante es la suma de dos, en decir 6K8 + 2K2, es decir 9K.
Si utilizamos la ley de Ohm podremos calcular esta corriente: I = V/R, sustituyendo por los
valores del circuito, I = 18 / 9K = 2mA.
Una vez conocida la corriente podemos ver la caída de tensión en cada resistencia, es decir la
tensión que podemos medir entre sus terminales.
Aplicamos de nuevo la ley de Ohm V1 = I x R1 = 13,6V, para R2, V2 = I x R2 = 4,4 V. Si sumamos
estas dos tensiones, tiene que dar la tensión de la batería 13,6 + 4,4 = 18V.
R2 R1 R3
R2
R1
R3
Resistencia en Serie
Resistencia en Paralelo
28 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Circuito con resistencia en paralelo
Vamos a calcular ahora las tensiones y corrientes en un circuito formado por una batería de 5V
ala que se conectan en paralelo dos resistencias, una de 12K y la otra de 820Ω. Éste es un caso
sencillo, ya que las dos resistencias están a la misma tensión, que en este caso coincide con la
de la batería, es decir 5V. La resistencia equivalente se obtienen de la siguiente manera:
primero se calcula el inverso de 12K, después el inverso de 820, se suman estos valore, y del
resultado obtenido se calcula el inverso, que resulta 767,5Ω. Aplicamos la ley de Ohm para
calcular la corriente que entrega la batería, en este caso es I= 5/767,8 = 6,6 mA. Que da por
calcular qué corriente circula por cada resistencia. Como conocemos el valor de la resistencia y
la tensión aplicada entre sus extremos podemos calcular la corriente. I1 = V/R1 = 5/12K = 0,4
mA e I2 = 5/0,820 = 6,1 mA la suma de estas corrientes 0,4 + 6,1 = 6,5 que es igual a la
corriente que entrega la batería.
Circuito Mixto
En este esquema se pueden observar 5 resistencias y una batería de 12V, las resistencias R2,
R3, y R4 están conectadas en paralelo y la resistencia resultante de este paralelo esta
conectada en serie con R1 y R5. Para poder calcular la corriente total que circula por el circuito
hay que calcular la resistencia resultante. En primer lugar se comienza por calcular los inversos
de los valores de las resistencias R2, R3 y R4, se suman los valores obtenidos y se invierte el
Esquema con dos
Resistencias en Serie
I
R2 R1
6K8
2K2
V1
V2
18V
+
I1
+
5V
12K
820Ω
R2
R1 I
Esquema con dos
Resistencias en Paralelo
29 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
resultado, se obtienen una resistencia equivalente de 3.740Ω que sumada a R1 de 3K3 y a R5
de 470 da lugar a una resistencia total de 7.510Ω. La corriente que circula por el circuito es de
I= V/R = 12/7.510 = 0,00016A= 1,6 mA. Vamos a calcular ahora las caídas de tensión en las
resistencias R1 y R5, son respectivamente V1 = I x R1 = 1,6 x 3K3 = 5,28V, y V5 = I x R5 = 0,470 x
1,6 = 0,75V; y finalmente la resistencia que cae en el conjunto R2, R3 y R4 es de VP = 3K74 x
1,6 = 5,98V.
Si sumamos estas tres tensiones: 5,28 +0,75 + 5,98 nos da 12,01V, que coincide con la batería.
No hay una coincidencia exacta por haber despreciado decimales en las operaciones
matemáticas. Aún nos falta por calcular la corriente que circula por cada una de las
resistencias R2, R3 y R4. De nuevo utilizamos la ley de Ohm: I2 = VP / R2 = 5,98/22K = 0,27 mA,
I3 = VP / R3 = 5,98/8K2 = 0,73 mA, e I4 = VP / R4 = 5,98/10K = 0,6 mA, si se suman
Sistema Electrónico y sensorial.
La electrónica juega un papel muy importante en la estructura de un robot, ya que es
ella la encargado de llevar y traer señales de un lugar a otro dentro del mismo robot y a su
alrededor, en esta sección se describirá cada una de las partes de que constará nuestro robot,
así como el funcionamiento de las mismas, comenzaremos con los conceptos básicos y
llegaremos a conocer el funcionamiento de cada uno de los componentes involucrados.
Conceptos Básicos de Electrónica.
Lo primero que debemos conocer son las bases de la electrónica, en realidad esta
ciencia ha evolucionado de manera muy significativa y se encuentra en todos nuestros
alrededores, en la televisión, los celulares, el horno de microondas, la licuadora, en los
juguetes que por lo menos encienden algún tipo de luz, etc., es decir, se encuentra involucrada
en nuestra vida de manera significativa. En fin involucremos pues en este fascinante mundo.
Los primeros conceptos que
estudiaremos son:
Voltaje
Corriente
Resistencia
Para ello, realizaremos la siguiente
analogía, imaginemos un tanque de agua
como el mostrado en la siguiente imagen,
este tanque cuenta con ciertas características,
primeramente, contiene agua a una cierta
capacidad, cuenta con una compuerta o llave
Figura 1. 1 Analogía de un sistema hidráulico con un sistema eléctrico
30 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
para poder “vaciar” su contenido, mismo que saldrá de alguna manera por el tubo de desagüe,
imaginemos la situación, la pregunta a este pequeño planteamiento es: ¿de que depende la
cantidad de agua que se pueda externar por el tubo de desagüe?, ¿qué opina Ud. a simple
vista?, veamos la imagen y analicemos la situación.
1. Indudablemente, la cantidad de agua que salga por el tubo de desagüe, dependerá
de la apertura de la compuerta, debido a que entre mayor sea la apertura de esta,
mayor será la cantidad de agua que pueda salir del tanque.
2. Otro de los sucesos que afectará indudablemente a la cantidad de agua que salga
por el tubo, será el nivel del agua que se encuentre contenida en el tanque, ya que,
como es sabido, la gravedad influirá de manera significativa a que el agua se
desplace con mayor o menor fuerza y sea expulsada por el tubo de desagüe.
Estos dos factores dependerán indudablemente en la pregunta que anteriormente
formulamos, al primer hecho, lo relacionaremos con un componente básico en la electrónica,
este componente es conocido como “resistencia”, su nombre es debido a la función de
oponerse es decir, resistir, al paso de las partículas de agua que juntas formarán el caudal
mismo que será expulsado por el tubo de desagüe, podemos realizar la analogía de que esta
compuerta será una resistencia y que se opondrá al paso del agua, en el caso del circuito
eléctrico, diremos que se opondrá al paso de la corriente eléctrica.
En el caso de la segunda observación, realizaremos la siguiente analogía, el nivel del agua
ejercerá una presión y hará que el agua salga por el desagüe con mucha, poco o mínima
presión o “Fuerza”, es decir, esta porte es la más interesante de nuestro ejemplo, ya que si no
existiera esa fuerza de empuje de partículas de agua, no tendría caso colocar una compuerta,
no abría salida de agua simplemente, a esta fuerza, la relacionaremos con la fuerza con que
cuentan los electrones en la corriente eléctrica para desplazarse mismo que recibe el nombre
de “Voltaje”.
De esta manera hemos hecho la analogía de dos componentes importantes en un circuito
electrónico, sin embargo, nos hace falta uno de ellos, este es, la corriente, continuando con el
ejemplo anterior, diremos que la cantidad de partículas de agua que se encuentren saliendo
por el tubo a cada instante será en nuestro circuito eléctrico la “corriente”, es decir, en el caso
de la electrónica, la corriente es: la cantidad de electrones que pasan por un punto dado en un
momento específico, de esta manera hemos explicado los tres componentes básicos o
fundamentales en un circuito electrónico. Podemos resumir lo siguiente:
Corriente. Es la cantidad de electrones
Voltaje. Es la fuerza con que se cuenta para desplazar electrones.
Resistencia. Es la capacidad con que cuenta un material, para oponerse al paso de
la corriente eléctrica.
Utilizando este mismo ejemplo, podemos también analizar otro término sumamente
importante en la electrónica, este es, la potencia. Podemos ver que al salir agua por el tubo
tendremos que se consumirá o se gastará en algo el agua que en un momento se encontraba
contenida en el tanque, algo muy similar pasa con la potencia, esta es, la cantidad de energía
utilizada para realizar un trabajo, éste necesitará de cierta energía misma que se utilizará y
31 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
será convertida en algún otro elemento, ya sea trabajo eléctrico, mecánico o cualquier otro.
Así, entonces, definimos a la potencia como la cantidad de energía utilizada o gastada por un
equipo electrónico.
Estos son los términos más elementales a tratar en el campo de la electrónica, no quiere
decir que sean todos, de ninguna manera, sin embargo son los conceptos básicos que
necesitamos para comenzar a introducirnos en este mudo de la electrónica.
Circuito Electrónico Básico.
Una vez conocidos los términos básicos de la electrónica, es momento de ponerlos a
prueba y comenzar a utilizarlos, para ello, estudiaremos lo que denominamos circuito
electrónico básico, este esta compuesto básicamente de:
Una fuente de Voltaje.
Una Resistencia Eléctrica.
Una referencia de voltaje denominada muy a menudo “tierra”
En la figura 1.2 se muestra se muestra un diagrama correspondiente a lo que hemos
denominado como “Circuito electrónico básico”, con sus correspondientes símbolos.
Hemos denominado a este circuito como básico, ya que con
él comenzaremos a crear nuestros circuitos electrónicos y a
partir de él comenzaremos a explorar el fascinante mundo
de la electrónica.
Como podemos apreciar, el diagrama cuenta con una
fuente de Voltaje de corriente directa, este símbolo es
utilizado muy a menudo al momento de utilizar baterías
eléctricas, ya que son ellas algunos de los dispositivos que
producen por reacción química este tipo de corriente que en adelante encontraremos
abreviada como CD, es importante notar que esta fuente tiene bien definidos sus contactos,
esta normalmente cuanta con dos, uno de ellos positivo (+) y otro de ellos negativo (-), si
seguimos la línea identificada con carga positiva, encontraremos conectada una resistencia
eléctrica, pasando por la resistencia, es decir, continuando con el circuito, encontraremos que
al otro extremo de la resistencia se encuentra conectado a la terminal negativa de la fuente de
voltaje, sin pasar por alto el símbolo denominado tierra o GND, siguiente este recorrido,
encontraremos que coincidimos con el sentido de la flecha encontrada en el interior del
circuito, esta representa el flujo convencional de la corriente eléctrica (de mas a menos), y
podemos ver que es un circuito perfectamente cerrado, es decir, que cada una de las
terminales y componentes del circuito se encuentran unidas unas con otras hasta formar un
circuito “cerrado”, es importante identificar que se encuentre cerrado, ya que de no ser así, no
existirá flujo eléctrico en el mismo.
Ley de Ohm.
32 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Una vez presentado el circuito eléctrico básico, podemos ahora explicar la denominada “Ley de
Ohm”, esta ley, es la base de electrónica y nos describe la relación que existe entre cada uno
de los componentes de un circuito eléctrico con sus voltajes y corrientes. La ley es la siguiente:
V= IR
Donde:
V Voltaje.
I Corriente.
R Resistencia.
De donde podemos obtener las siguientes dos expresiones:
I=V/R y R=V/I.
Podemos representar de muchas maneras estas
expresiones con la finalidad de poder aprenderlas, en la
figura 1.3, tenemos una representación gráfica de esta
ley, la cual nos es de mucha utilidad, ya que permite
darnos cuenta de una manera visual la forma de obtener
los valores de la expresión.
Figura 1. 2 Representación gráfica de la ley de ohm
33 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
Sistema Mínimo.
La electrónica moderna junto con la miniaturización que se ha alcanzado en nuestros
días, nos ha permitido que los sistemas de control evolucionen de una manera notable,
además de que cada día podemos encontrarnos con dispositivos cada vez más económicos y
potentes.
Estos sistemas de control, son muy importantes en cada uno de los sistemas
electromecánicos encontrados en la vida cotidiana, ya que son, como su nombre lo indica,
quienes ejercen el control, es decir, quien decide cada uno de los movimientos que realizará el
sistema, claro esta, que estas decisiones serán tomadas en base a procesamientos, es decir, a
un “razonamiento”, que se realizará en base a otras acciones que afecten al sistema.
Como podemos ver, estos sistemas de control, son sumamente importantes en los
sistemas electromecánicos modernos, ya que sin duda alguna, sin ellos, nuestros sistemas no
contarían con la capacidad de realizar acciones automáticas y sin ellas, no podrían realizar
tareas.
Estos sistemas de control de que hablamos, siguen un estándar muy bien especificado y
que, ha permitido que sean más perceptibles y amigables en su momento de ser
primeramente estudiados y posteriormente utilizados en campo, este modelo o estándar
recibe el nombre de “Modelo de Von Neumann” el cual, es también conocido en la electrónica
digital como “Sistema Mínimo”, este sistema, se describe de manera global a continuación.
El sistema Mínimo, es llamado de esta manera, ya que nos dice, a manera de bloques,
cuales son los componentes necesarios que son requeridos para poder crear un sistema de
control básico, este sistema esta compuesto de los siguientes dispositivos electrónicos
digitales:
Microprocesador.
Memoria de Sólo Lectura (ROM).
Memoria de Acceso aleatorio (RAM).
Controlador de Entradas y salidas.
Como se puede apreciar, son pocos los dispositivos de que esta compuesto un Sistema
Mínimo, cabe mencionar que todos en su conjunto forman el denominado “Sistema Mínimo”,
y como todo sistema, todos los elementos son sumamente importantes, y que si en algún
momento, alguno de ellos no se llegara a encontrar, muy probablemente el sistema tendría o
sufriría de alguna mala operación o desempeño. Comenzaremos a describir cada uno de los
dispositivos de que esta conformado este fabuloso sistema.
El Microprocesador.
Un microprocesador es un chip, compuesto de una gran cantidad de transistores, los
cuales se encuentran agrupados en bloques, que han sido diseñados para realizar una función
específica, dependiendo de la capacidad, características y funcionalidades para las cuales fue
diseñado el micro, será la cantidad de transistores que contenga, el microprocesador, juega un
papel muy importante dentro de un Sistema Mínimo, ya que es el encargado de realizar todas
34 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
y cada una de las operaciones Aritmético – Lógicas que requieran ser procesadas, es decir, este
dispositivo es el encargado de llevar a cabo las indicaciones u órdenes que realizará en su
conjunto el Sistema Mínimo, a mendo, podemos encontrarnos que el microprocesador en el
cerebro de cada uno de los sistemas de control moderno, básicamente y de manera muy
general un microprocesador cuenta con los siguientes bloques:
ALU (Unidad Aritmética Lógica)
Circuito de reloj.
Sección de Registros de Función especial “SFR” (Memoria RAM Interna).
Sección de comunicación con el exterior.
En la figura 1.YY se aprecia la
manera en que estos bloques se
encuentran comunicados unos a
otros dentro del microprocesador.
El Circuito de Reloj. Es el
encargado de sincronizar las
operaciones del Microprocesador,
es decir, este circuito es el
encargado de enviar pulsos
digitales constantes para que el
Microprocesador pueda realizar
sus operaciones aritmético –
lógicas.
Registros de Función Especial SFR. En una pequeña cantidad de memoria RAM, la cual es
utilizada por la ALU para poder realizar sus operaciones, es un lugar donde se encuentran un
grupo de registros, mismos que almacenan de manera temporal la información con que
trabaja la ALU.
Unidad Aritmética Lógica ALU. Es un grupo de circuitos digitales agrupados según su función,
aquí es donde se realizan todos los cálculos y operaciones que se indiquen al microprocesador,
es la parte central de procesamiento y quizás, sea la más importante dentro del micro
controlador.
Todos los microprocesadores modernos, cuentan con una sección de comunicación con el
exterior a él, esta sección se encuentra dividida en 3 secciones importantes que a continuación
describimos.
Bus de Dirección. Un bus es un conjunto de conductores que cuentan con una función
específica, en este caso, es un grupo de conductores que cuentan con la finalidad de llevar
información a los demás componentes conectados al microprocesador, esta información es
muy importante ya que, permite seleccionar el dispositivo al cual se le enviará algún tipo de
Bus de Datos. Este bus, tiene la finalidad de llevar información a cada uno de los dispositivos
conectados al microprocesador, es este bus el encargado de llevar la información de tipo
Circuito de Reloj Registros de Función
Especial SFR
Unidad Aritmética – Lógica. ALU
Bus de Dirección. Bus de Datos.
Bus de Control.
35 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
datos, ya que es con esta información con la que cada uno de los dispositivos trabaja, estos
datos, pueden ser letras, números, símbolos e instrucciones en forma de comandos.
Bus de Control. Este bus, es el encargado de indicar si la información enviada a un dispositivo
específico se leerá o escribirá en ese dispositivo, normalmente esta información es de un solo
bit, es decir, puede ser 0 o 1 según el caso.
Estas son las partes de que esta compuesto de manera muy general un Microprocesador
moderno, sin embargo, como decíamos anteriormente, es un sistema, y como tal, no se basa
en el funcionamiento exclusivo de un único componente. Con esto abrimos paso a conocer el
siguiente componente encontrado en un Sistema Mínimo, este es, la Memoria de Sólo Lectura
o como es muy conocida en los sistemas de cómputo ROM, este nombre se da debido a sus
siglas en inglés “Read Only Memory”, que a continuación describimos.
Memoria de Sólo Lectura (ROM – “Read Only Memory”).
El nombre es debido a la incapacidad con que cuenta un sistema para poder escribir,
grabar, almacenar o guardar información en este dispositivo, la razón para que nos sea útil un
dispositivo con esta funcionalidad es sumamente simple, para ello, pongamos un sencillo
ejemplo, haremos la analogía con nuestra vida cotidiana para poder entender el por que de un
dispositivo con esta característica y posteriormente describiremos su historia, funcionamiento
y estructura.
El ejemplo: En nuestra vida cotidiana, estamos acostumbrados de manera automática,
transparente y sin darnos cuenta, de funcionalidades sumamente importantes para nuestra
existencia, pero que, al ser completamente cotidianas, nos hemos olvidado de tomarlas en
cuenta, me refiero a la posibilidad que tenemos de controlar cada uno de los movimientos de
nuestro cuerpo, es decir, el poder mover una mano y decir en modo de gesto, “Hola” a otra
persona, o el simple hecho de poder controlar nuestros ojos y poder entender lo que nos
encontramos leyendo en estos momentos, o de poder respirar, hablar, caminar, escuchar, etc.,
es decir, cada uno de nuestros movimientos corporales, cada una de esas funciones, se
encuentran grabadas, escritas, almacenadas, memorizadas, guardadas en algún lugar de
nuestro cuerpo, ahora, que sucedería, si de momento, algún día nos levantáramos de nuestro
sueño, o así de repente, que por alguna razón nuestro cerebro (en este caso, como órgano
principal de control de nuestro cuerpo), no encontrara la función que permite, a nuestro
cerebro accionar los músculos necesarios para poder contraerlos y de esta manera poder
mover nuestra mano y decir, “Hola” en forma de gesto, o nuestro dedo para escribir con el
lápiz, o para poder controlar el parpadeo de nuestros ojos, ó que tal, las órdenes precisas para
poder indicar a nuestros pulmones que aspiren. Como podemos ver, existen algunas cosas,
que no tomamos en cuenta en nuestra vida cotidiana, ya que son tan obvias, comunes,
cotidianas, etc., que no nos detenemos a pensar en ellas, como podemos ver, son cosas que no
podemos olvidar, como unas llaves para abrir un coche, o la casa, o el recado de algún familiar.
Estas cosas, este algo que no podemos olvidar tan sencillamente, ya que afectaría el
funcionamiento de nuestro sistema, se almacena en el caso de un sistema electromecánico en
una memoria llamada ROM, ya que, no podemos permitirnos, que se le olvide a nuestro
sistema Electro – Mecánico, como un Reloj, que nos indique la hora actual, es decir no tendría
sentido, o a un Horno de Micro Ondas que se le olvide como encender el mecanismo que
36 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
permite activar las microondas y así comenzar a calentar nuestra comida, no tendría sentido
tener con nosotros un Horno que no lo supiera Hacer, ¿no lo cree?. Es por esto que se han
desarrollado dispositivos que cuentan con esta característica. Ya que a menudo, es en este
lugar, donde se grabarán las instrucciones que indicarán las labores o tareas que debe realizar
un sistema para su correcto funcionamiento, a esta memoria, se le suele llamar, memoria de
programa, ya que, un programa es precisamente un conjunto de instrucciones que juntas,
permiten realizar una tarea específica y se le denomina memoria, debido a que es un almacén
donde se guardará, almacenará o escribirá este programa.
Estos dispositivos llamados ROM, han evolucionada con el paso del tiempo, gracias a la
tecnología moderna y desde luego, a las necesidades de mejora que se han ido requiriendo
con el paso del tiempo.
PROM –Programmable Read Only Memory.
Es el primer tipo de ROM que se desarrolló y que únicamente podía ser programado una
única vez, así es, es necesario tomar las órdenes de algún lugar, ¿no lo cree?, bueno, pues la
manera de poder grabar, almacenar o escribir información en un dispositivo de este tipo, es
colocándolo a una tarjeta completamente especial, que por lo regular no se encuentra en el
mismo sistema mínimo, ya que, para poder grabar información en este dispositivo es necesario
hacer circular una carga al rededor de 12V para poder grabar información en este dispositivo,
el inconveniente que tiene este dispositivo, es que, sólo es posible grabar información en él
una única vez, ya que su estructura o composición interna no le permite al usuario poder
borrar el contenido que este contenga una vez que haya sido grabado o programado. Esto es a
que, su funcionamiento interno se basa en pequeños fusibles eléctricos, los cuales al hacerles
pasar una carga alta por cada uno de ellos obtendremos su apertura debido al exceso de
corriente que produce calentamiento excesivo llevando al pequeño metal o conductor
utilizado como fusible a fundirse y ocasionar un circuito abierto, que para fines prácticos según
la lógica con que haya sido construido el dispositivo puede representar un 0 o un 1 lógico,
presencia o ausencia de corriente eléctrica y así grabar órdenes en forma digital en un
dispositivo de este tipo, no se puede volver a grabar información en este tipo de dispositivos
ya que no existe manera alguna de remplazar los fusibles rotos o no se desea volver ha hacer
eso en este tipo de tecnología desarrollada, cabe mencionar, fue el primer tipo de ROM
desarrollado hace ya varios años a nuestra fecha.
EPROM – Erasable Programmable Read Only Memory.
El
El Micro controlador.
37 Capítulo 2 “Partes de un Robot”
