Capıtulo 2

Estado del Arte

2.1. Introduccion

Hoy en dıa existen muchos brazos mecanicos, la mayorıa hechos para la industria,aunque tambien los podemos hallar en procesos quirurgicos y en lugares como el espaciodonde es mejor operar algun brazo desde una zona segura sin arriesgar la vida humana.Al dispositivo mecanico que puede ser programado para realizar alguna tarea de mani-pulacion o la locomocion bajo control automatico se le llama Robot, Existen varios tiposde robots, como:

Robot “Pick and place“: Es un robot simple, a menudo con solo dos o tres gradosde libertad, que transfiere artıculos de un lugar a otro por medio de movimientospunto a punto.

Robot ”Manipulador”: Es un mecanismo que por lo general consiste en una serie desegmentos, articulados, con el fin de agarrar y mover objetos, generalmente cuentacon varios grados de libertad. Puede ser controlado remotamente por un ordena-dor o por un humano. Nota: Las frases “Por control remoto... Por un ser humano“indican que este dispositivo no es automatico.

Robot “Inteligente“: Un robot que puede ser programado para tomar decisiones pro-pias [ref].

Robot ”Fixed-Stop”: Un robot con control de parada de punto, pero no hay controlde trayectoria, es decir, cada uno de sus ejes tiene un lımite fijo en cada extremode su recorrido y no se puede detener excepto en uno o el otro de estos lımites. Esun robot con N grados de libertad por lo tanto, puede detenerse en no mas de 2Nlocaciones (donde incluye la ubicacion, posicion y orientacion).

Robot “Android“: Es un robot que parece un ser humano en el aspecto fısico.

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8 2.1. Introduccion

Figura 2.1: Robot manipulador o brazo robotico [16].

La figura 2.2 muestra la imagen de un brazo robotico creado por FESTO, el cual esuno de los mas avanzados y precisos del mundo, ya que cuenta con musculos, tendonesy huesos artificiales que son controlados por una computadora.

Figura 2.2: Brazo robotico de la empresa FESTO [1].

El siguiente brazo fue creado ”CEBEK”, tiene movimiento en cualquier direccion, esmuy preciso, uno de los problemas que podrıamos mencionar es que solo cuenta con unapinza, esta hecho de plastico, motores dc, es controlado por palancas lo cual lo hace de-pender de un operador y la precision de la persona que lo este operando, es comercial yse puede ordenar por internet. Este hecho con propositos de aprendizaje, se vende desar-mado, y el usuario lo va armando poco a poco.

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Figura 2.3: Brazo robotico fabricado por la empresa CEBEK[2].

El siguiente brazo es el famoso “Shadow Arm“ (Brazo de la sombra), cuenta con muscu-los artificiales los cuales imitan las fibras musculares de un brazo humano, esto lo hacecon ayuda de aire, contrayendose y extrayendose. Es uno de los mas fuertes en el mer-cado y obviamente de los mas caros. Es muy preciso y tiene movimientos individuales,es controlado por una computadora, la cual con ayuda de la neumatica hacen posible elfuncionamiento de este brazo.

Gracias a que cada vez mas personas dedican sus investigaciones al desarrollo de tec-nologıa de este tipo, los brazos son mas precisos, ya que la finalidad de la mayorıa esimitar los movimientos de el brazo humano, ya que al construir un brazo con los mismosmovimientos de un brazo humano podemos ser capaces de realizar tareas en donde existeun riesgo para una persona o el acceso a ciertos lugares es muy remoto.

Al principio la construccion de maquinas o robots era solo para el area de la industriaautomotriz, y solo se podıan encontrar en esos lugares, hoy en dıa podemos encontrarbrazos roboticos en cualquier lugar, desde la industria hasta en una tienda de juguetes,pasando por escuelas, laboratorios etc.

Hablemos un poco de realidad y ficcion, desde hace mucho tiempo se dice que los ro-bots estan a la vuelta de la esquina y que estos van a sustituir cosas que nosotros hacemosa diario, como labores domesticas, pero la verdad es que hoy en dıa los robots domesticosno pasan de simples disenos que siguen una lınea y van evadiendo obstaculos.

10 2.2. Caracterısticas Generales

Figura 2.4: Shadow arm es la mano comercial mas avanzada del mundo creada por Sha-dow Robot Company [3].

Un robot, podrıa decirse que es una maravilla, no se cansa, puede trabajar largas jorna-das, hace trabajos 10 veces mas duros que una persona comun, podrıa pensarse que todoesta resuelto gracias a los robots, pero la realidad es que los robots son naturalmente unproblema, ya que van remplazando a los obreros, o simplemente es mas facil que algunrobot haga el trabajo por nosotros, haciendonos dependientes de una maquina.

Como ya se ha mencionado, los robots son muy utiles por una gran variedad de ra-zones, no se enferman, tampoco se aburren lo cual significa que pueden hacer una tarearepetitiva durante decadas, esto ayuda a economizar precios para las industrias, ya quelas empresas ocupan mayor precision, mayor rapidez y produccion a gran escala, lo cualsimplemente con personas serıa casi imposible.

Al menos esas son algunas de las razones por las cuales se decidio tomar como temade tesis el diseno y control de una mano robotica, la cual podra ser controlada desde unazona segura por medio de un guante, sensando la posicion de la mano del usuario.

2.2. Caracterısticas Generales

El proyecto de tesis esta dividido en 3 partes.

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Diseno mecanico de la mano.

Sensado de los movimientos de la mano por medio de un guante.

Diseno del sistema de control por flexion.

A continuacion un diagrama de bloques describiendo las tres partes.

Sensado Sistema decontrol Robotico

Brazo´

Figura 2.5: Diagrama a bloques.

Las ventajas de esta mano robotica seran la maniobrabilidad, la precision de sus movi-mientos, rigidez y sobre todo la facilidad de controlar la mano. El sistema de control porflexion puede adaptarse en muchos lugares, como podrıa ser en una maquina de palancas,simplemente tendrıa que hacerse el arreglo para sustituir las palancas y adecuar los sen-sores en las partes de nuestro cuerpo para imitar la funcionalidad de las palancas, en estecaso con nuestra mano. No se nos deben olvidar las tres leyes de la robotica, propuestaspor Isaac Asimov en 1942; las cuales son:

Un robot no debe danar al ser humano, o permitir que con una accion el mismohumano se dane.

Un robot debe obedecer las ordenes dadas por un humano, a menos que esten enconflicto con la primera ley.

Un robot debe de proteger su propia existencia, mientras esta no entre en conflictocon la primera y segunda ley.

Tomando en cuenta estas leyes, se puede pasar a la construccion de nuestra manorobotica, junto con su sistema de control y el sensado.

2.3. El control en la manipulacion de robots

El Control automatico desempena un papel importante en los procesos de manufactu-ra, industriales, navales, aeroespaciales, economicos, biologicos, controlados por robots.Algunos tipos de control empleados para estos procesos seran descritos a continuacion.

12 2.3. El control en la manipulacion de robots

Control Difuso: La logica difusa o la logica heurıstica se basan en lo relativo de loobservado como posicion diferencial. Este tipo de logica toma dos valores aleato-rios, pero contextualizados y referidos entre sı. Ası, por ejemplo, una persona quemida 2 metros es claramente una persona alta, si previamente se ha tomado el valorde persona baja y se ha establecido en 1 metro. Ambos valores estan contextualiza-dos a personas y referidos a una medida metrica lineal. La logica difusa se utilizacuando la complejidad del proceso en cuestion es muy alta y no existen modelosmatematicos precisos, para procesos altamente no lineales y cuando se envuelvendefiniciones y conocimiento no estrictamente definido (impreciso o subjetivo). Encambio, no es una buena idea usarla cuando algun modelo matematico ya solucionaeficientemente el problema, cuando los problemas son lineales o cuando no tienensolucion. Como principal ventaja, cabe destacar los excelentes resultados que brindaun sistema de control basado en logica difusa: ofrece salidas de una forma veloz yprecisa, disminuyendo ası las transiciones de estados fundamentales en el entornofısico que controle. Por ejemplo, si el aire acondicionado se encendiese al llegar ala temperatura de 30 ◦, y la temperatura actual oscila entre los 29 ◦-30 ◦, nuestrosistema de aire acondicionado estarıa encendiendose y apagandose continuamente,con el gasto energetico que ello conllevarıa. Si estuviese regulado por logica difusa,esos 30 ◦no serıan ningun umbral, y el sistema de control aprenderıa a mantener unatemperatura estable sin continuos apagados y encendidos. [4]

Control PID: El control PID (proportional-integral-derivative) es un mecanismo deretroalimentacion de lazo cerrado, ampliamente utilizado en sistemas de control in-dustrial. PID es el controlador de retroalimentacion mas utilizado comunmente. Uncontrolador PID calcula el valor de un ”error” como la diferencia entre una variablede un proceso y un punto de ajuste deseado. El controlador intenta reducir al mıni-mo el error mediante el ajuste de las entradas de control. Una ventaja distintiva delos controladores PID es que dos controladores PID se pueden utilizar juntos paradar un mejor rendimiento dinamico. Esto se denomina control en cascada PID. En elcontrol en cascada hay dos PIDs dispuestos con un PID para controlar el punto deconsigna de otro. Un controlador PID actua como controlador de lazo exterior, quecontrola el parametro principal fısico, tales como el nivel del lıquido o la velocidad.El otro controlador actua como controlador de lazo interior, que lee la salida del con-trolador de lazo externo como punto de referencia, generalmente controlar aun masrapido los cambios de parametros, el caudal o la aceleracion [5].

Control Cinematico: La cinematica es la rama de la mecanica clasica que estudia lasleyes del movimiento (cambios de posicion) de los cuerpos, sin tomar en cuenta lascausas que lo producen, limitandose esencialmente, al estudio de la trayectoria enfuncion del tiempo.La imagen muestra el tipo de robot del cual trata esta tesis. Lafinalidad del control cinematico es establecer las trayectorias que ha de seguir ca-

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da articulacion del robot para lograr los objetivos fijados por el usuario, teniendoen cuenta las restricciones fısicas de los accionamientos y atendiendo a criterios desuavidad y precision. La funcion principal del control cinematico es generar las re-ferencias articulares para el control dinamico a partir de las trayectorias articularesgeneradas, teniendo en cuenta los datos del programador, las limitaciones fısicas,restricciones y el modelo cinematico del robot [6].