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6 I M Á G E N E S TECNURA 10 I SEMESTRE DE 2002 ROBOTS MÓVILES. TEORIA, APLICACIONES Y EXPERIENCIAS GIOVANNI BERMÚDEZ * [email protected] 1. Introducción La robótica móvil se considera actualmente un área de la tecnología avanzada manejadora de problemas de alta complejidad. Sus productos se constituyen en aplicaciones de las áreas de control, programación, inteligencia artificial, percepción e instrumentación, y sirven de base para el avance en diversos campos de la industria, aportando soluciones tecnológicas innovadoras orientadas al desarrollo de mejores robots y a la ampliación del abanico de aplicaciones disponibles. Así, este campo de la investigación esta desarrollándose en todo momento, quedando aún mucho que recorrer. También la percepción humana con respecto al área temática ha cambiado; el miedo de que los robots nos reemplacen ha desaparecido en razón del desarrollo de estudios de impactos tecnológicos, económicos y sociales realizados por la ACA (Asociación Colombiana de Automática), cuyos informes se presentan en su página web con la siguiente conclusión: «en vez de desplazar a un gran número de trabajadores, los robots han traído consigo un grupo importante de especialistas en operación y control de ordenadores y aparatos robóticos» 1 . Este artículo pretende generar un mayor interés en el lector por la robótica móvil. Para ello se presenta información detallada acerca de este tipo de equipos, y una reseña de diseños e implementaciones de robots desarrollados en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital F.J.C. 2. Antecedentes En 1979 el Instituto de Robótica de América definió el robot como «Un manipulador reprogramable y multifuncional diseñado para mover materiales, partes, herramientas o dispositivos especializados a través de varios movimientos programados para el desarrollo de una variedad de tareas». El Oxford English Dictionary, por su parte, lo define como «un aparato mecánico que se parece y hace PALABRAS CLAVES ROBÓTICA MÓVIL, SERVOMECANISMOS, MICROCONTROLADORES, SENSORES, INTELIGENCIA ARTIFICIAL, SISTEMAS AUTÓNOMOS INTELIGENTES * Ingeniero Electricista Universidad Nacional de Colombia. Magíster en Ingeniería en Electrónica y de Computadores Universidad de Los Andes. Profesor Tiempo Completo adscrito a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Miembro del Comité de Investigaciones de la Facultad y Director del Grupo de Investigación en Robots Móviles 1 En: http://www.control-automatico.net/ el trabajo de un ser humano». Estas son algunas definiciones, adecuadas para el tiempo en que se formularon; sin embargo,

ROBOTS MÓVILES. · 2019. 10. 26. · SERVOMECANISMOS, MICROCONTROLADORES, SENSORES, INTELIGENCIA ARTIFICIAL, SISTEMAS AUTÓNOMOS INTELIGENTES * Ingeniero Electricista Universidad

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  • 6 I M Á G E N E S

    T E C N U R A 10I SEMESTRE DE 2002

    ROBOTS MÓVILES.TEORIA, APLICACIONES Y EXPERIENCIAS

    GIOVANNI BERMÚDEZ*[email protected]

    1. Introducción

    La robótica móvil se considera actualmente un área de la tecnología avanzada manejadora deproblemas de alta complejidad. Sus productos se constituyen en aplicaciones de las áreas de control,programación, inteligencia artificial, percepción e instrumentación, y sirven de base para el avanceen diversos campos de la industria, aportando soluciones tecnológicas innovadoras orientadas aldesarrollo de mejores robots y a la ampliación del abanico de aplicaciones disponibles. Así, estecampo de la investigación esta desarrollándose en todo momento, quedando aún mucho que recorrer.

    También la percepción humana con respecto al área temática ha cambiado; el miedo de que los robotsnos reemplacen ha desaparecido en razón del desarrollo de estudios de impactos tecnológicos, económicosy sociales realizados por la ACA (Asociación Colombiana de Automática), cuyos informes se presentanen su página web con la siguiente conclusión: «en vez de desplazar a un gran número de trabajadores,los robots han traído consigo un grupo importante de especialistas en operación y control de ordenadoresy aparatos robóticos»1.

    Este artículo pretende generar un mayor interés en el lector por la robótica móvil. Para ello sepresenta información detallada acerca de este tipo de equipos, y una reseña de diseños eimplementaciones de robots desarrollados en la Facultad Tecnológica de la Universidad DistritalF.J.C.

    2. Antecedentes

    En 1979 el Instituto de Robótica de América definió el robot como «Un manipulador reprogramabley multifuncional diseñado para mover materiales, partes, herramientas o dispositivos especializadosa través de varios movimientos programados para el desarrollo de una variedad de tareas». ElOxford English Dictionary, por su parte, lo define como «un aparato mecánico que se parece y hace

    PALABRAS CLAVES

    ROBÓTICA MÓVIL,SERVOMECANISMOS,MICROCONTROLADORES,SENSORES, INTELIGENCIAARTIFICIAL, SISTEMASAUTÓNOMOS INTELIGENTES

    * Ingeniero Electricista Universidad Nacional de Colombia. Magíster enIngeniería en Electrónica y de Computadores Universidad de Los Andes.Profesor Tiempo Completo adscrito a la Facultad Tecnológica de laUniversidad Distrital Francisco José de Caldas. Miembro del Comité deInvestigaciones de la Facultad y Director del Grupo de Investigación enRobots Móviles

    1 En: http://www.control-automatico.net/

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    el trabajo de un ser humano». Estas son algunas definiciones,adecuadas para el tiempo en que se formularon; sin embargo,

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    versiones actuales más completas debería incluiralgunos conceptos como inteligencia, si se quierellegar a una aproximación de la tendencia de losrobots modernos.

    Muchos años han trascurrido desde que el checoKarel Capek introdujo el término «robot» en sudrama R.U.R, en el año de 1920. En este dramaun personaje fabrica una serie de hombresartificiales llamados robots, que se asemejan a loshumanos y fueron creados para reemplazarlos enel trabajo; como desenlace, los robots se vuelvencontra sus creadores aniquilando la raza humana.

    La robótica se ha desarrollado a pasos agigantadosentre la década de los 50s hasta el día de hoy, condiferentes campos de aplicación, hasta la iden-tificación de dos áreas de investigación claramentedefinidas, así: teleoperados y autonomía.

    FIGURA 1.Imagen de Algunos Personajes dePelícula (R2D2 C3P0)

    FIGURA 2. Manipulador Universal Programable paraEnsamblaje PUMA

    Uno de los primeros robots fue el llamado Shakey,desarrollado en el Instituto de Investigaciones deStanford en 1960 y capaz de tomar bloques deuna pila utilizando una cámara de video comosensor visual, y de procesar información en unapequeña computadora. Tiempo después, amediados de 1970, la General Motors financió unprograma de desarrollo en el que el investigadorVictor Scheinman, del Instituto de Tecnología deMassachussets, inventó un brazo mecánico paraproducir un «manipulador universal programablepara ensamblaje (Programmable UniversalManipulator for Assembly, PUMA)», el cualmarcó el inicio de la era de los robots (Figura 2).

    El campo de acción de la robótica comprende laactividad productiva, la investigación científicay la medicina; de acuerdo con su uso y aplica-ción, los aparatos tienen diversas características.En la producción industrial los robots se unen aotras máquinas con el propósito de mejorar laeficiencia en la producción, obtener mejorescalidades de producto terminado y/o a aumentarla rapidez del proceso; sin embargo, su utili-zación también conlleva la disminución de lacantidad de mano de obra requerida.

    En el área científica diversos dispositivos sonempleados para hacer investigaciones en campos

    Esta escalofriante visión generó una concepciónde los robots como máquinas humanoidesdotadas de inteligencia y personalidadesindividuales, que con el tiempo se aleja cada vezmás de la ficción para acercarse a los desarrollosactuales y al futuro cercano de la robótica.Aunque los productos de la imaginacióncolectiva nacida en la literatura y el cine parecenser muy lejanos comparados con los robotsindustriales modernos, la cienciaficción enmuchas ocasiones se ha adelantado a los avancestecnológicos con tal rigor en sus vaticinios, queen cierto modo pareciera que los propiciara. Así,no pasarán muchos años antes de que personajesde película, como Metrópolis (1926) o Star Wars(1977, con C3PO y R2D2, mostrados en laFigura 1) sean una realidad, de la misma maneracomo los robots industriales modernos pare-cerían fantásticos para las personas de 1920.

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    2 Wise, Edwin. «Applied Robotics». Prompt. Indianapolis. 1999

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    en los cuales el hombre no puede ir o le es muydifícil ir, por tratarse de medios hostiles odemasiado peligrosos (submarino, espacial,irradiado por centrales nucleares, etc.). Así, deacuerdo con su misión y su sentido deoperacionalidad se han diseñado dos tipos derobot: los robots autónomos se programan parauna misión, casi siempre de realización detrabajos sencillos que no requieren de reflexiónni de comprender su entorno; por su parte, lateleoperación o telepresencia permite el controla distancia por un puesto maestro monitoreadopor un operador humano.

    Los sistemas teleoperados, a su vez, puedenclasificarse como sistemas manipulados osistemas vehículos. Los primeros son sistemasque se mueven por mando en su ambiente, y lossegundos son usados sólo para navegar omoverse sobre su espacio individual. Así mismo,la telerobótica o robots semiautónomos (SA) sonun híbrido entre sistemas autónomos y teleo-perados, con usos especialmente industriales.

    Específicamente, la robótica se preocupa por elestudio de sistemas controlados por computadorque son capaces de interactuar con su ambientepara llevar a cabo una tarea específica. Deacuerdo con su diseño cada robot puede realizarfunciones específicas y predeterminadas. Elinterés investigativo particular del autor es el deconocer, diseñar y desarrollar prototipos realesde robots móviles con alguna de las siguientesaplicaciones industriales:

    • Operación en ambientes industriales hostiles,por ejemplo en refinerías de petróleos, plantasquímicas o nucleares, o procesos queimpliquen manipulación de sustancias tóxicas

    • Realización de rutinas de mantenimiento yseguridad en caso de accidentes

    • Inspección de tuberías terrestres y submarinaspara detectar posibles filtraciones o fisuras

    • Detección, recolección y clasificación defrutos o flores delicadas en el sector agrario

    • Exploración submarina• Reconocimiento de ambientes donde el

    hombre no puede llegar• Tecnificación de la pesca• Realización de labores de construcción que

    impliquen gran esfuerzo físico, o actividadesque requieran constante concentración

    • Vigilancia y seguridad de plantas industriales• Inspección y reparación de tubos de

    evacuación que demanden controles ysensores robustos para trabajar en entornosmuy contaminados

    • Transporte de materiales en actividades deproducción industrial

    • Sillas de ruedas eléctricas dotadas de sistemasde sensores que permitan a los usuariosdiscapacitados evitar obstáculos y realizardesplazamientos seguros

    • Implantación de sistemas de telerobots parael mantenimiento de líneas de distribuciónde energía eléctrica

    • Extinción de pequeños incendios caseros• Fabricación de juguetes sofisticados y

    educativos.Como aplicación especial y campo posible deinvestigación cabe destacar que los robotsteleoperados son empleados en situaciones queimplican peligro para los seres humanos; elloshan sido usados en el seguimiento de la limpiezade incidentes como los ocurridos en las plantasnucleares de Chernobyl y Three Mile Island.Además, las fuerzas militares los emplean pararecoger, probar o destruir bombas y explosivoscontenidos en paquetes sospechosos.

    3. Algunos Robots Móviles en la Historia

    Algunos diseños de robots móviles desarrolladospara fines específicos y que describen camposposibles de aplicación se describen a con-tinuación2:

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    • Robots Industriales

    Las primeras aplicaciones fueron en el campo de la limpieza; aúnen el mercado actual se sigue aprovechando el potencial de robotsque aspiran y limpian. En 1991 una compañía dedicada acomercializar robots móviles, la Denning Mobile Robots yWindsor Industries, produjo el Roboscrub (ver Figura 3), un robotque aspira y limpia pisos de grandes capacidades. El equipo seprogramó para seguir un patrón a través del espacio por limpiar,percibiendo la presencia de obstáculos para no tropezar con ellos;como parte de sus características, tiene incorporados transductorestipo sonar, infrarrojos y switches, y también algoritmos denavegación autónomos.

    El RoboKent fue otro robot, fabricado por Cleaning Equipmentsen 1988, para labores de limpieza de espacios grandes; este hasido tal vez el equipo de este tipo de mayor éxito en Norteamérica.Posee un sistema de detección tipo sonar y un control automáticoo manual que le indica la ruta establecida para la limpieza;posteriormente, el robot realiza autónomamente la tareaprogramada.

    • Seguridad

    Demming Mobile Robotics diseñó el Denning Sentry (Figura 5),destinado a ser un robot de seguridad. Mediante sensores dedetección de intrusos él puede hacer patrullajes de manerainfatigable en una instalación, bodega o similares. Cuando laalimentación se agota, el robot retorna automáticamente a suestación de carga y recarga sus baterías sin asistencia de ningúnoperador; el equipo incorpora un anillo de sonares para detecciónde obstáculos, sensores de movimiento de tipo infrarrojo y demicroondas. También posee una cámara de TV, micrófono ytransmisores inalámbricos para enviar la información a la estaciónde seguridad.

    • Hospitales

    El Helpmate (Figura 6) es un robot enfermero fabricado porHelpmate Robotics Inc. Nace de la reducción de la efectividad delos enfermeros y otros trabajadores de hospitales debido al tiempoque pierden en labores incidentales, y fue diseñado para aliviar elpeso de tales tareas. Recorre los corredores de los hospitalescombinando el sistema de navegación y la ubicación por sonar.Presionando un botón, el operario puede enviar el robot adeterminado lugar del mapa y navegar de una estación programada

    FIGURA 3. El Roboscrub, para laaspiración y limpieza de pisos

    FIGURA 4. El RoboKent

    FIGURA 6. El Helpmate o RobotEnfermero

    FIGURA 5. Robot de SeguridadDenning Sentry

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    FIGURA 9. Sistemas LEGO

    FIGURA 10. Algunos JuguetesRobots

    a otra. El equipo incorpora sonares para evitar obstáculos, y unsistema de triangulación por luz estroboscóspica.

    • Investigación espacial

    La misión Pathfinder, que viajó a Marte en 1997, llevó el que sepuede considerar el robot móvil autónomo de mayor éxito en lahistoria. El robot Sojourner (ver Figura 7) concentró la atenciónde millones de personas en su exploración del planeta rojo. Ejecutófielmente los comandos enviados desde controladores en ellaboratorio de Propulsión a Cohete en California; también podíatomar acciones por sí mismo, manteniéndose alerta de obstáculosy abismos. El equipo fue el resultado del desarrollo de variosprototipos tempranos, y fue programado de acuerdo a losprincipios del control por comportamientos.

    • Actividad Militar

    Otro de los robots más interesantes es el Fletch (ver Figura 8),diseñado con el propósito de remover las pequeñas bombas ygranadas de la munición antitanque que no explotan en el campode batalla. La munición es soltada desde aeronaves y se calculaque el 25% de ella no explota, lo que genera un grave problema.La tarea de remoción es perfecta para un robot; en la evaluaciónse demostró que ellos pueden deshacerse incluso de explosivosde artillería. El robot tuvo éxito en su navegación autónoma a unpunto, en la búsqueda de munición en espiral, y en su localización,levantamiento y trasporte a un punto.

    • Sector Educativo

    La investigación y desarrollo de sistemas contribuye a lageneración de conocimiento. Específicamente, los sistemas LEGO(mostrados en la Figura 9) han desarrollado la robótica en todo elsentido de la palabra; ellos brindan información, elementos ypartes que permiten crear cualquier sistema, constituyéndose enun apoyo educativo muy fuerte a partir de la utilización potencialdel software, piezas mecánicas, sensores, sistemas de desarrolloy demás elementos necesarios para que el estudiante construyasus propios desarrollos asimilando el conocimiento requerido.

    • Juguetes y Biología Electrónica

    Algunas de los desarrollos de robots de juguete son presentadosen la Figura 10. Por su parte, en la Figura 11 se observa un robotcon la figura de un animal.

    FIGURA 7. Robot Sojourner, parainvestigación espacial

    FIGURA 8. Robort Fletch, de usomilitar

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    • Humanoides

    El robot Honda P3 (ver Figura 12) es posi-blemente el más avanzado del mundo, al poderhacer tareas únicas como subir escaleras. Su tipoes conocido como humanoide, debido a suaparente forma humana. Sin embargo, aunquepueda parecer que se ha obtenido un sistemacompleto, capaz de realizar una amplia gama deactividades, en verdad no es así.

    El diseño del robot y de su sistema sensorialinherente está orientado a conseguir unacapacidad de desplazamiento elevada, pero losbrazos han de ser controlados de forma remota.En él pueden distinguirse cuatro tipo desensores: los táctiles, situados en las manos yen los pies, que le permiten controlar la fuerzade agarre de objetos o de pisada; un sensorgiroscópico en la cintura, para detectar ycontrolar los movimientos de las piernas;internamente, sin señalarse en la Figura, disponede un inclinómetro que le permite conocer laposición de su «columna vertebral»; además,una cámara localizada en su cabeza, que lepermite desplazarse por el entorno mediantetécnicas de visión.

    La población de robots crece a pasosagigantados; muy pronto formarán parteindisoluble del paisaje tecnológico, pasando adominar muchas de sus áreas de aplicación.Sólo en los Estados Unidos, el número de robotscasi se dobló durante la pasada década, y supresencia es cada día más importante enoperaciones como la exploración espacial, lacirugía o la producción de servicios.

    En 1985 integrar seres humanos y robots eracasi un sueño. Ahora existe un área científicadedicada a la ergonomía de estos aparatos,orientada a facilitar la relación hombre/máquina. En diversos procesos de fabricación,agricultura y construcción, los robots se hallanya plenamente integrados en la labor de losseres humanos.

    FIGURA 11. Una imagen de animales electrónicos

    FIGURA 12. Robots Humanoides. El Robot Honda 3

    En Japón, el número de robots por cada 10.000empleados dedicados a la fabricación pasó de 8,3en 1980 a 265 en 1996. En Alemania pasó de 2 a79, en los Estados Unidos de tres a 38, y de 0 a98 en Singapur. En suma, la población de robotsen todo el mundo pasó de 35.000 en 1982 a677.000 en 1996, y se estima en 950.000 en elaño 2000.

    FIGURA 13. Diagrama de bloques de un robot

    ActuadorFinal

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    4. El robot y su funcionamiento

    Las propiedades características de los robots sonla versatilidad y la autoadaptabilidad. La primerase entiende como la potencialidad estructural deejecutar tareas diversas y/o ejecutar una mismatarea de forma diversa, lo cual implica unaestructura mecánica de geometría variable. Laautoadaptabilidad significa que un robot debe, porsí solo, alcanzar su objetivo a pesar de lasperturbaciones imprevistas del entorno a lo largode la ejecución de su tarea; esto supone unaconsciencia del entorno otorgada por la posesiónde sentidos artificiales.

    Un robot operacional está constituido por cuatrosistemas relacionados entre sí: mecánico,sensórico, control y alimentación. El sistemamecánico permite el movimiento, utilizandodiferentes elementos de acuerdo con el propósitodel robot y ubicados estratégicamente. El sistemasensórico brinda información importante para laubicación de elementos u obstáculos: los sensorespropioceptivos permiten determinar posición yvelocidad; los sensores exteroceptivos determinanla interacción del entorno con él mismo. El sistemade control es el cerebro del robot, al interpretar ytratar la información; él debe contener un modelodel robot físico (actuadores y sensores), un modelodel entorno o estrategias para conocerlo, y losprogramas que permiten realizar las tareas(algoritmo de control). Un diagrama modulartípico de un sistema robótico se presenta en laFigura 13; en él se pueden identificar los sistemasmencionados3.

    4.1. Sistema Mecánico

    Un robot móvil debe tener un principio delocomoción claramente definido y apropiadopara su aplicación, el cual define su movilidad,la superficie de contacto y demás características

    de operación. En el diseño es necesario laconsideración de las propiedades físicas (peso,tamaño, modo de transporte) y la estabilidad delequipo4.

    El sistema de locomoción de un robot móvil estádeterminado especialmente por su peso, dado queéste afecta la movilidad y define la potencia de losmotores necesaria para el desplazamiento. A su vez,el peso se encuentra determinado por las siguientespartes: chasis, motores, baterías y sistemaelectrónico. Cuando un robot se considera pesadoes necesario realizar una selección adecuada demotores, elegir el material adecuado para el chasisy comenzar una dieta de alimentación.

    La dieta de alimentación es un método actual-mente utilizado para disminuir el peso, redu-ciendo el tamaño de la fuente de energía perotambién la autonomía del equipo. Se trata derealizar un diagrama de flujo de los requeri-mientos inmediatos de energía y establecer lasprioridades de alimentación, de acuerdo con eltipo de aplicación.

    Para establecer el nivel de estabilidad del robotes necesario calcular el Centro de Balance Hori-zontal que indica la distribución del peso sobrela base y el Centro de Gravedad Vertical quedetermina el área de contacto del robot con lasuperficie y a su vez, determina el nivel de esta-bilidad del robot.

    En el sistema mecánico se relacionan lossistemas de movilidad, el sistema de transmisiónmecánico, los cálculos de velocidad y la resolu-ción espacial mecánica necesaria para caracte-rizar un robot. Los principales sistemas demovilidad se dividen en cuatro grupos, a saber:

    • Diferencial: nombre técnico dado al sistemaoruga utilizado por los tanque militares;mediante sistemas de engranajes y dos

    3 McDonald, Anthony. «Robot technology: theory, design and applications». Prentice – Hall. USA. 19864 Rorabaugh, Britt. «Mechanical Devices for the Electronics Experimenter». McGraw – Hill. USA. 1999

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    motores se logran desplazamientos lentos ygiros de 360°

    • Automóvil: movilidad análoga a la empleadapor los carros, utilizándose un motor detracción y otro de dirección

    • Triciclo: es el más empleado por experimen-tadores en robótica dada la facilidad de sudiseño; utiliza dos motores para la movilidady dirección, y la estabilidad se realiza utili-zando ruedas locas (castres)

    • Omnidireccional: es un sistema de altatecnología que utiliza motor para cada unade los extremidades que produzcan movi-lidad; requiere un alto nivel de integraciónde los sistemas.

    funciones definidas al equipo. Utiliza especial-mente los principios de los sentidos humanospara captar valores de variables y procesar lainformación, que en nuestro caso es realizada porel denominado sistema de control5.

    De acuerdo con la proximidad y distancia delobjeto identificado existen sistemas de detecciónde objetos cercanos, y de detección de objetoslejanos, aunque «lejano» y «cercano» sonconceptos relativos dependientes de la aplicacióndel robot. Para la determinación de movimientosy decisiones del robot deben usarse algoritmosrápidos. La detección de objeto cercano requierede información de dos variables: proximidad ydistancia; para ella se utilizan sensorescapacitivos, inductivos, ultrasónicos, ópticos,etc. Por su parte, la detección de objeto lejanose realiza fuera del área de interés del robot perodentro de un rango de detección principal; paraella se emplean técnicas basadas en mapeoespacial, como radares, sonares, lidares, etc.

    El sistema de detección se debe diseñar de talforma que sea redundante, es decir que siemprehaya un criterio de comparación confiable parael sistema. La redundancia se basa en el adagiopopular de que «dos cabezas son mejores queuna», que definitivamente lleva a poder afirmarque «dos ojos son mejores que uno». Así, paracumplirlo es necesario emplear sensores igualesque utilicen el mismo principio de detección;luego se aplica la estadística, y concretamentela interpolación, para mejorar el sistema sen-sórico. También se emplean sensores comple-mentarios, para que las lecturas de variablesrealizadas pueden ser comparadas por diferentessistemas, y comprobarse los errores generados;así se constituyen sistemas de respaldo para ladetección de la variable deseada6.

    En cuanto a los sistemas de engranajes utilizadospara la transmisión de fuerza en los robot debedecirse que se encuentran altamente desarrolladostrenes de engranajes rectos llamados motorre-ductores (ver Figura 14). De estos dispositivos esnecesario conocer su relación de transmisión,eficiencia y tamaño, principalmente.

    4.2. Sistema Sensórico

    Es el sistema que brinda la información delentorno necesaria para el cumplimiento de las

    5 Everett, H. R. «Sensors for Mobile Robots: theory and application». A. K. Peters. USA. 19956 JONES, Joseph. «Mobile Robots: inspirations to implementation». A. K. Peters. USA. 1999

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    FIGURA 14. Tren de Engranajes

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    7 www.solarbotics.com8 ÁLVAREZ, Juan. Planificación de Movimiento de Vehículos Autónomos Basada en Sensores. Tesis Docotoral.

    Universidad de Oviedo. Septiembre 1998

    4.3. Sistema de Control

    Es el sistema principal, si se considera que en élse procesa toda la información del robot.Actualmente realiza las siguientes funciones:control de motores, manejo de información delsistema sensórico, dietas de alimentación,algoritmos de navegación y algoritmos deprocesamiento de información.

    Para llevar a cabo cada una de estas funcionesse ha requerido desarrollar niveles cognitivos queincorporen un procesamiento de informaciónaltamente relacionado y transportable adispositivos electrónicos. Los principales con-ceptos utilizados en la robótica son: lógica di-fusa, redes neuronales artificiales, inteligenciaartificial, etc.

    Aunque en general el procesamiento deinformación requiere de una actividad deprogramación intensiva, existe un investigador queha desarrollado sistemas mediante la comparacióncon la naturaleza. El Dr. Mark Tilden, delLaboratorio Los Álamos en USA7, establece unacomparación razonable: «un reloj digital tienealrededor de 50.000 transistores y un animal tienealrededor de 100 transistores. Cada uno de ellosutiliza los transistores para el procesamiento deinformación. Si la naturaleza hace tanto con tanpoco, deben existir sistemas de informaciónsencillos y confiables». Es así como él implementósistemas de control y procesamiento deinformación utilizando transistores bipolaresmediante una conexión que llamo «Solarengine»,que utiliza para la implementación de redesnerviosas en el desarrollo de robots móviles tipoBeam (Ver Figura 11).

    4.4. Autonomía en Robots

    Su objetivo es hacer que los robots se muevande manera independiente en sus entornos de

    trabajo. Para conseguirlo, ellos han de sercapaces de orientarse y elegir la ruta adecuadaque les permita desplazarse mientras completanla tarea encomendada, sin colisiones u otrospercances. Además de este tipo de movimientose pueden demandar otras especificaciones,como su realización en el menor tiempo posibleo por el camino más corto. El enfoque másempleado en la literatura para estudiar lanavegación autónoma consiste en dividirla en tresproblemas, que se expresan respectivamente contres preguntas: ¿dónde estoy? (localización),¿hacia dónde quiero ir? (planeación de tareas),y ¿cómo puedo llegar allí? (planeación demovimiento)8.

    El problema de la localización consiste enconocer en todo momento las coordenadas delrobot respecto a un cierto sistema fijo dereferencia.

    La planificación de tareas se encarga de decidirqué acciones y en qué orden se han de realizarpara completar una misión. Este es elrazonamiento de más alto nivel exigido a unrobot, y se aborda frecuentemente con técnicasde inteligencia artificial. La planeación demovimiento se encarga de resolver el problemade navegación para desplazarse desde unaposición inicial a otra final.

    4.5. Programación usada en Robótica

    La programación empleada en el área de larobótica tiene características diferentes: en formaexplícita, porque el operador es el responsablede las acciones de control y de las instruccionesadecuadas que deben alimentarse; así mismo,cuando se describen la tarea y el entorno ensistemas autónomos debe realizarse unamodelación del mundo exterior, para que elpropio sistema toma las decisiones.

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    La programación explícita es la más utilizada enlas aplicaciones industriales y consta de dostécnicas fundamentales: programación gestual yprogramación textual. La primera exige elempleo del manipulador en la fase de enseñanza,es decir que trabaja on line; en la segunda noparticipa la máquina (trabajo off line).

    • Programación gestual o directa (on line):cuando el propio robot interviene en elmovimiento y en las acciones a desarrollar. Seencuentra dividida en dos clases: programaciónpor aprendizaje directo y programaciónmediante un dispositivo de enseñanza. Laprimera tiene pocas posibilidades de edición, yaque para generar una trayectoria continua espreciso almacenar o definir una gran cantidadde puntos y su reducción origina discontinuidades.La segunda clase consiste en determinar lasacciones y movimientos del robot a través de unelemento especial para este fin; en este caso, lasoperaciones ordenadas se sincronizan paraconformar el programa de trabajo.

    • Programación textual (off line): en este casoel programa queda constituido por un texto deinstrucciones o sentencias cuya conformación norequiere de la intervención del robot. Así, eloperador prácticamente no define las accionesdel robot, sino que ellas se calculan en elprograma mediante el empleo de las instruc-ciones textuales adecuadas.

    5. La Robótica en Colombia

    El estudio de Robótica en Colombia ha tomadoun nivel de interés muy alto por parte dediferentes universidades9:

    • La Universidad Pontificia Bolivariana poseeun robot didáctico RHINO y ControladorMARK-III, una celda de manufacturaflexible didáctica, y trabaja en sistemas devisión artificial y AGVs

    • La Universidad de Antioquia tiene el grupoGIRAA (Grupo de Investigación en Robóticay Areas Afines). Se trabaja en el área demanipulación, control, sensórica, procesa-miento digital de imágenes y software

    • La Universidad Nacional de Colombia sedeBogotá trabaja en Inteligencia Artificial yRobótica. Ha desarrollado robots del tipoBeam , un robot caminador y un robotmicrocontrolado con una red neuronal deltipo perceptron

    • La Pontificia Universidad Javeriana de Caliposee manipuladores industriales, vehículoautoguiado y varios robots autónomospequeños. Con los autónomos se trabajanproblemas de planificación de trayectoriasdinámicas, y con los manipuladores tareasde posicionamiento

    • La Universidad del Norte cuenta con unlaboratorio de robótica y manufacturaflexible con cuatro estaciones de trabajo

    • La Universidad del Valle tienen dos gruposde investigación en robótica: el Grupo deRobótica y Prodúctica y el Grupo dePercepción y Robótica Avanzada.

    • La Universidad de los Andes se encuentratrabajando en sistemas de detección de minasantipersonales y ha desarrollado plataformasposibles para mecanismos.

    En el caso particular, la Facultad Tecnológica dela Universidad Distrital F.J.C. cuenta conmanipuladores y una célula didáctica demanufactura flexible. Específicamente, en elprograma de Ingeniería en Control Electrónicoe Instrumentación se han diseñado asignaturasque orientan la aprehensión del conocimiento dela robótica por parte de los estudiantes. Por ejem-plo, el curso de Instrumentación Robótica haliderado el desarrollo del conocimiento acercade robots móviles en la Facultad; así, mediantela organización y desarrollo de campeonatosestudiantiles se alcanzan resultados tangibles encada semestre académico con respecto a temasespecíficos. De esta forma se propicia el desa-9 http://www.control-automatico.net/

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    T E C N U R A 10I SEMESTRE DE 2002

    FIGURA 15. Robot paraSolucionar Laberintos

    FIGURA 16. Robot para Soluciónde Laberintos Adaptado a partirde un Juguete Mecánico

    FIGURA 17. Sweeperbot. UnRobot Limpiador de Superficie

    FIGURA 18. MANEPA. Un Robotde Limpieza

    rrollo de una mentalidad de diseñador de sistemas aplicados acasos específicos. Los concursos realizados hasta la fechacomprenden: solución de un laberinto, seguidores de línea, limpia-dores de superficie, y actualmente en curso luchadores de Sumo.A continuación se describen algunas de las características de losdiseños aquí generados.

    • Robots para solucionar laberintos: en la Figura 15 se apreciaun robot autónomo con algoritmo de decisión para establecer elcamino más corto en la solución del laberinto, implementado enun PIC. Sistema sensórico a base de switches y bastón ciego parasu contorno, y sensores de efecto hall en las ruedas para ladeterminación de la posición de ellas. El sistema de alimentaciónemplea una batería recargable. Para la implementación del sistemamecánico se utilizó la caja de reducción de un juguete, pero elchasis es diseñado a partir de estructuras en acrílico. Lasdimensiones aproximadas del diseño son de 30 * 30 cm.

    El robot presentado en la Figura 16 se desarrolló a partir delacondicionamiento de un juguete cuyo sistema mecánico no fuealterado. A él se le adaptó un sistema sensórico con utilización desensores ópticos, y un algoritmo de control para la toma dedecisiones implementadas en un PIC. Entre los problemas de estediseño figuran su peso liviano y su poca compensación de peso,que ocasiona patinado de las ruedas al momento de girar; tambiénel consumo de corriente de los sensores y la ausencia deimplementación de una dieta de alimentación reflejada en laautonomía del diseño.

    • Robots limpiadores de superficie: Sweeperbot, mostrado en laFigura 17, es un robot con un algoritmo autónomo diseñado paralimpiar superficies (igual a un carro escoba autónomo),programado en un PIC. Posee un sistema de detección diseñado apartir de sensores ópticos, y un sistema de limpieza desarrolladoa partir de un rodillo giratorio tipo escoba; tiene además un sistemade recolección independiente, muy similar a las bolsas deaspiradoras. De su diseño es destacable su algoritmo de ahorro depotencia, que evita consumo de energía cuando no detecta suciedaden la superficie. Todas la estructura es original y puede llegar aconstruirse de forma modular

    • Manepa es un robot autónomo con un algoritmo de control sencilloimplementado en un PLC. Su sistema sensórico se encuentracompuesto por switches y posee un sistema de limpieza tipoaspiradora y un sistema de movilidad tipo triciclo, como se observaen la Figura 18. El inconveniente fundamental del diseño es elconsumo de energía del robot, que disminuye su tiempo de autonomía.

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    T&

    6. Perspectivas de Investigación en elÁrea en la Facultad Tecnológica

    En la Facultad Tecnológica se ha conformado ungrupo de trabajo dividido en dos componentes: unGrupo de Interés y un Grupo de Investigación,orientados principalmente al estudio de robotsmóviles; en él tienen participación activaestudiantes de diferentes programas académicos,orientados por docentes de la Facultad para abordartemas específicos de trabajo. La meta principal detrabajo es la generación de un prototipo para eldesarrollo de investigaciones en sensórica,mecanismos, control y sistemas de alimentación.

    El grupo de interés trabaja en el estudio de losprincipios operacionales y áreas del conocimientotecnológico que conforman el concepto de robot,y simultáneamente en el desarrollo de dosprototipos: un robot para la detección de conatos

    de fuego como guía para el apagado de incendios abomberos y un gripper inteligente, mediante lautilización de alambre muscular.

    El grupo de investigación se encuentra en procesode formación y consolidación y tiene propósitosde formalización de su existencia en Colciencias.Pretende especializarse en áreas del conocimientode mayor complejidad, aplicadas al desarrollo desistemas autónomos, reconocimiento de imágenes,controladores fuzzy logic, detección de marcasnaturales y redes neuronales artifícales aplicadasa prototipos desarrollados dentro del grupo.

    Con el fortalecimiento de esta área de investigaciónla Facultad Tecnológica pretende identificaralternativas de solución a problemas reales delsector productivo, con el consecuente desarrollode fortalezas de conocimiento en los programas deIngeniería actualmente ofrecidos.

    REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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