Sistemas automáticos y robots

A pesar de la ayuda de las máquinas, muchas de las tareas realizadas en la industria y otros ámbitos de la vida resultan demasiado pesadas, rutinarias o minuciosas para el ser humano. Resulta lógico, por tanto, que desde hace largo tiempo se haya buscado la forma de que las máquinas efectúen todo el trabajo por sí mismas. Las máquinas que cumplen este objetivo, capaces de operar sin la supervisión de las personas, son los autómatas.

Un paso más allá de los autómatas se encuentran los robots. En la práctica, los robots están muy alejados de la imagen que de ellos ofrece el género de la ciencia-ficción: dispositivos de forma y comportamiento similar al de los humanos que ayudan a éstos en diversidad de tareas. Sólo la última parte de la anterior definición es pertinente. Los robots son autómatas avanzados que no sólo pueden trabajar sin supervisión, sino que además están capacitados para desempeñar una diversidad de funciones, recibir información del entorno que los rodea y emplearla para modificar su forma de trabajar, resultando así más efectivos.

La versatilidad de los robots ha permitido su implantación en ámbitos muy diversos, especialmente en la industria. Son muy útiles para el manejo de cargas pesadas o materiales peligrosos, además de ser capaces de operar en medios hostiles para el ser humano, como el fondo del mar o el espacio exterior.

Entre los elementos de que se componen los robots adquieren particular importancia los sensores. Éstos actúan a modo de órganos sensitivos y les proporcionan información sobre cambios en su entorno: temperatura, presencia de objetos en sus proximidades, velocidad de los mismos, etc. Tal información se traduce en señales eléctricas y, a continuación, en un mensaje digital que el sistema de control del robot emplea para acomodar su funcionamiento a las nuevas condiciones.

Automatización

A medida que el grado de mecanización en las industrias fue en aumento se hizo necesaria la división de las tareas en otras más sencillas y pequeñas, capaces de ser efectuadas por las máquinas. Sin embargo, era imprescindible que éstas fueran manejadas y controladas por personas. En muchos casos, esta labor resultaba excesivamente repetitiva y pesada. El siguiente paso consistió, por tanto, en reemplazar las máquinas por otras que no requirieran la supervisión del ser humano, sino que fueran capaces de operar por sí mismas. Tales máquinas se conocen como autómatas, y su aplicación a los procesos industriales es la automatización.

Las ventajas que ofrece la automatización son numerosas. Al eliminar el factor humano, fuente habitual de errores, la calidad del proceso automatizado es mayor. Por otro lado, el tiempo necesario para realizar el proceso disminuye, por lo que aumenta la productividad. La producción puede efectuarse de manera continuada. Los seres humanos se ven liberados de tareas pesadas, aburridas y peligrosas, pudiendo dedicarse a otras funciones. Además, se reducen los costos del proceso y de la mano de obra.

Las cadenas de montaje impulsaron un avance extraordinario en los métodos de producción industrial. El origen de la idea se sitúa en la industria automovilística y uno de sus artífices fue el empresario estadounidense Henry Ford.

Los autómatas son gobernados por un sistema de control que les permite trabajar sin la supervisión de una persona. Dependiendo de la complejidad de este control, se habla de sistemas de lazo abierto y de lazo cerrado.

Todo autómata opera basándose en una serie de señales de entrada que le son entregadas a modo de instrucciones. A continuación realiza su función, manifestada como señales de salida. Si estas señales de salida no son capaces de influir sobre el sistema de control, por ejemplo porque se haya producido un cambio en las condiciones en que se efectúa el trabajo, se habla de control en lazo abierto. En el lazo cerrado, las señales de salida sí pueden modificar el control realizado, adaptándose a las nuevas condiciones y optimizando el control. Los sistemas en lazo cerrado poseen mayor independencia.

Tipos de autómatas

La clasificación de los diferentes autómatas se realiza en función del tipo de elementos de los que se hallan formados. Sobre esta base se distinguen autómatas mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos e hidráulicos.

Históricamente, los autómatas mecánicos fueron los primeros en utilizarse. Están compuestos por elementos mecánicos, como palancas, poleas, bielas y engranajes. Se pueden encontrar autómatas de este tipo en los relojes de cuerda y en los molinos de viento. Por su parte, se llama autómatas eléctricos a los integrados por elementos eléctricos, como interruptores, baterías y condensadores.

Relojes de cuerda y molinos de viento se sitúan entre los primeros sistemas de funcionamiento «automático» de la historia.

Relojes de cuerda y molinos de viento se sitúan entre los primeros sistemas de funcionamiento «automático» de la historia.

Los autómatas electrónicos gozan de un alto grado de aplicación. Se componen de elementos electrónicos, como diodos y transistores. Se diferencian de los eléctricos en que trabajan con intensidades de corriente mucho más bajas y poseen un tamaño más reducido. Se emplean, por ejemplo, en los electrodomésticos.

Se denomina autómatas neumáticos a los que funcionan mediante el uso de un gas a presión, habitualmente aire. El aire, una vez comprimido, es controlado por una serie de válvulas y acciona los actuadores, que pueden ser cilindros neumáticos o motores neumáticos. Los cilindros consisten en un émbolo dispuesto en el interior de un cilindro.

Cuando el aire comprimido se inyecta en éste, empuja al émbolo, dotándolo de un movimiento rectilíneo. Al cesar la entrada de aire, el émbolo regresa a su posición de partida por la acción de un muelle que tira de él. Los motores neumáticos consisten básicamente de un rotor de paletas que gira impulsado por el aire comprimido, con lo que dota de movimiento rotatorio a un eje.

El funcionamiento de los autómatas hidráulicos es similar al de los neumáticos, con la salvedad de que se emplea un líquido en vez de un gas, normalmente algún tipo de aceite. Este aceite se comprime mediante un compresor hidráulico y después acciona una serie de actuadores. Éstos se diferencian de los neumáticos en que en aquéllos el aire se vierte a la atmósfera una vez usado. El aceite retorna a un depósito para su reutilización, lo que hace que estos autómatas sean más complicados. Se emplean en los brazos elevadores de las grúas y en los sistemas de frenado de los coches.

Robots

Existen diferentes formas de definir un robot, si bien una de las más estrictas es la que ofrece la Asociación de Robótica Industrial. Según esta definición, un robot es un manipulador programable y multifuncional, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas u otros dispositivos, de acuerdo a trayectorias variables y programadas, a fin de desempeñar diferentes tareas.

Al igual que los autómatas, los robots realizan trabajos sin necesidad de supervisión continua de personas. Sin embargo, son mucho más versátiles. Pueden reprogramarse para efectuar diferentes labores; de aquí que tilden de multifuncionales. Disponen además de cierto grado de inteligencia, lo que los capacita para hacer frente a anomalías en el transcurso de su labor. Dependiendo de su sofisticación, pueden solventar estas anomalías o notificar lo ocurrido a las personas encargadas de su control.

Robot experimental Honda ASIMO bajando las escaleras. El desarrollo de la robótica coincidió con el auge de la electrónica y la informática.

Aunque existen ejemplos primitivos de robots en la forma de ciertos autómatas complejos, el desarrollo de la robótica tuvo lugar principalmente a finales del siglo xx, coincidiendo con el auge de la electrónica y la informática. Hoy en día, el campo de aplicación de los robots es muy amplio y se halla además en continuo crecimiento.

Los robots se emplean en el desempeño de labores pesadas, como la carga, transporte y descarga de pesos; en tareas repetitivas o que requieren mayor precisión que la que puede alcanzar una persona; para realizar trabajos que podrían resultar peligrosos para el ser humano, como la manipulación de residuos nucleares o productos químicos, y en entornos de acceso complicado para el hombre, como el fondo del mar, el interior de los volcanes o la superficie de Marte.

Históricamente, el desarrollo de los robots se ha dado en dividir en una serie de etapas, conocidas como generaciones, que se caracterizan por crecientes grados de complejidad. Hasta el momento pueden distinguirse tres generaciones principales de robots y se está investigando en los que compondrán la cuarta.

La astronáutica se ha beneficiado enormemente del uso de robots. Como ejemplo, varias naves robotizadas, en la imagen la Opportunity, se posaron en la superficie de Marte e iniciaron una extraordinaria labor científica de recogida y análisis de rocas y otros materiales.

Los robots de primera generación sólo eran capaces de realizar tareas repetitivas bajo el control de un programa informático. Carecían de la capacidad de hacer frente a las modificaciones que se presentaban en el entorno y que afectaban a su funcionamiento. Este tipo de robots fue el aplicado en las cadenas de montaje de la industria automovilística para mover piezas, soldarlas o pintarlas.

La segunda generación de robots podía ya afrontar cambios en el entorno. Disponían de sistemas, conocidos como sensores, que les permitían tomar información del exterior y utilizarla para modificar su forma de trabajar. Estos robots tenían una mayor precisión y autonomía que los de la generación anterior.

En los robots de tercera generación, los sistemas de sensores se encuentran más desarrollados. Estos robots son capaces de organizar ellos mismos las tareas a realizar, en función de cuáles sean las condiciones del entorno. Son también adaptables a entornos diferentes. Por último, los robots de cuarta generación, aún en desarrollo, están dotados de inteligencia artificial y pueden aprender solos a partir de la práctica para tomar decisiones por sí mismos.

Componentes y funcionamiento de los robots

Básicamente, todo robot consta de dos partes bien diferenciadas: el sistema mecánico y el sistema de control. El primero está formado por una serie de piezas rígidas que constituyen el armazón del robot. Estas piezas se conocen como eslabones y se hallan unidas entre sí mediante articulaciones. El robot mecánico consta además de un conjunto de actuadores, encargados de transformar el movimiento, si fuera necesario, y transmitirlo hasta las articulaciones.

Los robots disponen de un manipulador que les permite realizar su función. Éste es el caso del brazo articulado de la imagen, perteneciente al modelo Wolvervine, un robot artificiero.

La forma de accionar el sistema mecánico puede ser hidráulica, mediante un fluido sometido a presión, habitualmente aceite; neumática, si se emplea aire comprimido, o eléctrica, con un motor eléctrico que transforma electricidad en trabajo mecánico. Por último, los robots disponen de un manipulador, o elemento encargado de desempeñar las tareas a las que aquél está destinado. Puede tratarse de una pinza para agarrar objetos, de un electrodo de soldadura, de una boquilla por la que se aplica pintura, etc.

La función del sistema de control es precisamente controlar la operación del robot, liberándolo de la necesidad de supervisión humana. Este sistema está formado por una serie de componentes electrónicos, entre los que destaca una computadora, a través de la cual se introduce la programación de tareas, y los sensores, asimilables a los órganos sensitivos del robot.

Al tratarse de autómatas, el funcionamiento de los robots se basa en primer lugar en una serie de instrucciones de funcionamiento que le son facilitadas y que actúan como señales de entrada. Basándose en tales instrucciones, el robot desempeñará una serie de tareas, correspondientes a señales de salida. De forma más detallada, el proceso puede dividirse en tres fases: toma de datos, análisis de los mismos y acción.

Mediante una serie de sensores, el robot mide ciertas magnitudes del entorno que poseen influencia en su funcionamiento. Tales medidas se traducen en impulsos eléctricos y sirven de señales de entrada. El sistema informático que controla al robot recibe, interpreta y analiza los datos enviados por los sensores. Sobre esta base determina el modo en que el robot ha de desempeñar su tarea y envía órdenes a los elementos de ejecución.

Finalmente, se llama acción a todo cambio de la situación física de un robot. Puede tratarse de variar su posición en el entorno, del desplazamiento de una articulación, de asir un objeto, etc. Tales cambios son ordenados por el sistema de control y ejecutados mediante accionamientos hidráulicos, neumáticos o eléctricos.

Sensores de los robots

Para que pueda desempeñar su función correctamente, un robot debe recibir información del entorno que lo rodea: temperatura, humedad, presencia y velocidad de objetos, etc. Esta función es desempeñada por los sensores, que realizan para el robot la misma labor que los sentidos para el ser humano.

Un sensor está constituido básicamente por tres componentes. En primer lugar se encuentra el mecanismo de medición, encargado de captar las señales físicas. A continuación, un transductor se ocupa de transformar la medición en una señal eléctrica. Por último, un digitalizador traduce la señal eléctrica anterior en otra digital, comprensible para el sistema de control del robot.

Independientemente del tipo de señal que capte, todo sensor debe cumplir una serie de exigencias: precisión, rango y respuesta. La precisión debe ser la mayor posible, pero teniendo en cuenta la función que desempeña el robot y las limitaciones de éste. Si la labor que se ha de realizar es descargar cajas de una plataforma, la precisión requerida es menor que si el robot debe montar diminutos circuitos integrados.

Robot médico provisto de varios sensores e instrumentos de medida, como cámara infrarroja, detector de oxígeno en sangre y estetoscopio.

En cuanto al rango, se trata del margen dentro del cual el sensor puede detectar variaciones de una magnitud. Resulta de gran importancia que el margen del sensor supere tanto la medida máxima como la mínima que el robot puede llegar a necesitar para su trabajo. De este modo, se asegura que pueda operar en cualquier circunstancia. Finalmente, la respuesta es el tiempo que el sensor tarda en detectar una variación en la magnitud medida. Interesa que este tiempo sea el menor posible.

La primera división que se puede realizar de los sensores se basa en el origen de la información que detectan. Si la información se refiere al estado interno del propio robot, se habla de sensores propioceptivos. Éstos miden magnitudes tales como la velocidad a que se desplazan los elementos móviles del robot y las fuerzas a que se encuentra sometida cada pieza.

Si, por el contrario, la información se refiere al entorno exterior, los sensores son extereorreceptivos. Los sensores de este tipo detectan, por ejemplo, la presencia de objetos en el entorno del robot, siendo capaces de medir la distancia a la que se encuentran, a fin de evitar una colisión entre ambos.

De forma más concreta, los sensores se diferencian por el tipo de magnitud que están capacitados para medir. De acuerdo con este criterio, los más destacados son los sensores de posición, presencia, velocidad, contacto y fuerza.

Sensores de posición. Detectan la posición del robot, o de sus elementos móviles, en cada momento. Resulta muy habitual que los robots se desplacen gracias al giro de una o varias ruedas. Por tanto, una forma sencilla de saber dónde se encuentra el robot es medir cuántas vueltas han dado dichas ruedas.

Esta medición se realiza gracias a una serie de pequeños orificios situados en el borde de un disco montado sobre el eje. Un emisor de luz, como puede ser un láser, apunta hacia el borde del disco. Al otro lado de éste se sitúa un fotorreceptor que contabiliza el número de veces que el haz de luz pasa por los agujeros. Esta cuenta sirve para medir cuánto ha girado la rueda.

Otra función de los sensores de posición es detectar la situación del robot basándose en referencias externas. Es decir, los sensores miden la distancia entre el robot y una serie de puntos de referencia que indican los límites dentro de los que puede desplazarse. Estos sensores se conocen como sistemas transpondedores. Su funcionamiento es similar al de un radar. Emiten una señal que rebota contra los objetos y regresa al sensor. A continuación miden el tiempo que la señal ha tardado en ir y volver, lo que les permite calcular la distancia a los objetos.

Sensores de presencia. Estos detectores se encargan de detectar la presencia de un objeto en el entorno del robot. Existen diversos sensores capaces de cumplir esta función. Entre ellos, dos de los más empleados son los inductivos y los ópticos.

Los sensores inductivos se sirven de medios magnéticos para detectar la presencia de objetos que contengan materiales férricos. Los ópticos se componen básicamente de un fotoemisor y un fototransmisor. El primero emite un haz de algún tipo de luz, por ejemplo, luz visible o infrarroja. El fototransmisor es capaz de generar una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre él. El funcionamiento del sensor es el siguiente.

El fotoemisor emite el haz de luz, que choca contra el objeto y rebota. El haz rebotado incide sobre el fototransmisor, que genera una corriente indicadora de la presencia en las proximidades de un objeto. La corriente producida por el fototransmisor depende de la intensidad del haz rebotado. Cuanto más cerca se encuentre el objeto, mayor es la intensidad de este haz y por tanto de la corriente, lo que sirve al sistema de control del robot para determinar la distancia al objeto.

Sensores de velocidad, contacto y fuerza. Los sensores de velocidad pueden medir tanto la velocidad de un objeto del entorno como la del propio robot o sus partes móviles. En este caso, los sensores más empleados son los tacómetros. Éstos consisten en una dinamo, o pequeño generador eléctrico, que es accionada por el movimiento del robot y al girar genera una corriente eléctrica. Cuanta más alta es su velocidad de giro, mayor cantidad de electricidad produce. La medida de ésta permite calcular la velocidad.

La información de que el robot ha entrado en contacto con un objeto es facilitada por los palpadores. Éstos se encuentran formados por una pieza alargada y móvil, capaz de efectuar un desplazamiento rectilíneo. Si el palpador toca un objeto, se desplaza, empujado por éste, y acciona un microinterruptor, cerrándolo. Esto provoca el paso de una corriente eléctrica que es enviada al sistema de control, que la interpretará como que se ha producido un contacto. Si el palpador no llega a tocar ningún objeto, el microinterruptor permanece abierto y no circula corriente por él.

Numerosos robots móviles usan mecanismos de ruedas para desplazarse en superficies adaptadas a su diseño y función. En la imagen, robot capacitado para subir rampas.

Finalmente, los sensores de fuerza miden tanto los esfuerzos a que está sometido un robot como los ejercidos por éste cuando, por ejemplo, debe agarrar un objeto. Su funcionamiento se basa en los materiales piezoeléctricos, que conducen la electricidad cuando se ven sometidos a una deformación.

Los robots en la industria

Ya se han mencionado algunas de las numerosas aplicaciones de los robots, en la exploración, en la producción e incluso en nuestros hogares, con el fin de desempeñar las tareas más diversas. Sin embargo, es en el ámbito de la industria donde los robots han encontrado un mayor uso, siendo aplicados en todos sus campos.

Así, los robots resultan unas herramientas especialmente aptas para el manejo de cargas. Son capaces de transportarlas sin problemas y almacenarlas en unos depósitos especiales, de modo que puedan memorizar la posición de los objetos para más tarde volver a ellos cuando sea necesario retirarlos.

Muchas máquinas se usan para operar en condiciones atmosféricas extremas o en situaciones de alto riesgo, donde no es recomendable la presencia humana. En la fotografía, un robot artificiero, diseñado para el examen y detonación de explosivos.

En procesos industriales donde se realiza una producción en serie de maquinaria, como sucede en la industria automovilística, los robots desempeñan tareas que, por su pesadez, repetitividad o precisión resultarían pocos apropiadas para el hombre. Algunas de estas tareas son el corte de piezas, la soldadura, el ensamblaje, el taladrado y el pintado.

Por otra parte, existen lugares que por lo recóndito o angosto no son fácilmente accesibles para las personas. En estos casos se recurre al uso de robots. También la industria química y las centrales nucleares utilizan robots para manipular los materiales peligrosos que emplean y evitar, con ello, riesgos a sus trabajadores.

Basándose en su capacidad de movimiento, los robots industriales se clasifican en cartesianos, cilíndricos, esféricos y articulados. Los cartesianos disponen de tres articulaciones y, por tanto, de otros tantos posibles movimientos, los tres de tipo lineal, tanto de avance como de retroceso. Sus movimientos se efectúan respectivamente siguiendo las tres coordenadas cartesianas: alto, ancho y profundidad.

En los robots cilíndricos, las articulaciones siguen siendo tres. Dos de ellas, que son prismáticas, permiten la realización de movimientos lineales, mientras que la tercera es giratoria. Las coordenadas usadas para el desplazamiento son cilíndricas. Las articulaciones de que disponen los robots esféricos son dos giratorias y una prismática. Las coordenadas empleadas son cilíndricas. Por último, los robots articulados tienen tres articulaciones giratorias. Esto les permite efectuar movimientos más complejos que los de los tipos anteriores. Utilizan coordenadas polares.

Una amplia familia de robots, en particular los de uso industrial, tiene como rasgo común la presencia de un brazo articulado en cuyo extremo se dispone el elemento manipulador.

En la mayoría de los casos, los robots están dotados de un brazo articulado, el cual puede moverse de acuerdo a algunos de los sistemas antes descritos. En el extremo de este brazo se dispone un elemento manipulador, con el que el robot entra en contacto con los objetos que maneja o, en general, desempeña la función a que está destinado. Tal elemento puede tratarse de una pinza, un soldador o un cabezal móvil dotado de una cámara de vídeo, entre otros tipos posibles.