Control y robótica

Control y robótica
Versión 1.0
Índice:
1. Control automático
2. Control por ordenador
3. Sensores
4. Robots
5. Estudio de un robot móvil
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Este texto es la versión offline/imprimible de uno de los capítulos del libro de texto multimedia de la web educativa www.tecno12-18.com.
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1. Control automático
1.1. ¿Qué es el control automático?
La tecnología de control, o control automático, estudia cómo hacer que las máquinas funcionen solas, sin la
intervención humana. Es una de las tecnologías que más rápidamente se ha desarrollado en los últimos años,
gracias al desarrollo de la microelectrónica y de la informática. El control automático ha permitido automatizar la
fabricación de muchos productos, evitando a las personas tareas repetitivas o peligrosas y haciendo que su
producción sea más económica. Nuestra economía actual está basada en gran medida en la automatización.
La tecnología de control incluye desde aplicaciones sencillas, como que la luz de una escalera se apague
automáticamente pasados unos minutos, hasta aplicaciones muy sofisticadas, como los robots industriales. A
menudo no somos conscientes que muchas de las máquinas que nos rodean tienen sistemas de control automático
muy complejos, pero en realidad están por todas partes. Los motores de los coches actuales, por ejemplo, están
controlados por un pequeño ordenador que controla cuándo se inyecta el combustible a los diferentes cilindros. Una
máquina expendedora de billetes de tren o de refrescos, un ascensor, una impresora o hasta una lavadora son
complejas máquinas que no podrían funcionar, al menos de la forma como lo hacen hoy en día, sin la utilización de
complejos sistemas de control basados en microprocesadores.
Dos tipos de sistemas de control automático
Existen dos tipos de sistemas de control automático: de lazo abierto y de lazo cerrado. Los de lazo abierto son los
más sencillos. Se caracterizan por no tener sensores, de forma que el proceso automatizado se hace siempre de la
misma manera, repetitivamente, sin poder comprobar si se hace correctamente o no. Son útiles en el control de
procesos sencillos como: un riego de jardín, la luz temporizada de una escalera, un semáforo, etc.
Los sistemas de control de lazo cerrado son los más sofisticados. Se caracterizan por tener sensores que vigilan el
proceso automatizado (por ejemplo, encender y apagar un farola en función de la luz ambiental), la información que
obtienen los sensores permite mejorar la manera como se hace el trabajo.
A continuación veremos tres ejemplos de sistemas de control, dos de lazo abierto (un riego automático de jardín y un
secador de manos con pulsador) y uno de lazo cerrado (un secador de manos sin pulsador).
1.2. Ejemplo de sistema de control de lazo abierto 1: riego automático
Un sistema de riego de un jardín es un ejemplo de sistema de control de lazo abierto. Está compuesto por los
siguientes elementos:
1. El controlador: un programador de riego. Es el elemento del sistema que toma las decisiones de cuándo
regar y durante cuánto tiempo.
2. Uno o más actuadores: las electroválvulas. Son válvulas (como los grifos) que se activan eléctricamente. Al
recibir una señal eléctrica del programador permiten el paso del agua por una tubería. El agua saldrá por
unos elementos denominados difusores, que la dispersan para que llegue a todo el césped.
Un programador de riego es básicamente un temporizador electrónico. Se trata de un circuito que enciende o apaga
unos receptores (en este caso electroválvulas) al llegar a un tiempo determinado. Se parece mucho a un reloj digital
que hace sonar una alarma de despertador. Su componente más importante es un chip que tiene un reloj interno y
memoriza las horas en las que hay que regar.
El sistema de control de un riego automático se puede representar con el siguiente diagrama de bloques. No hay
sensores y por lo tanto no hay realimentación (el controlador no recibe información sobre el proceso). Siempre
funciona de la misma manera, riega a las mismas horas y durante el mismo tiempo, independientemente de si ha
llovido, de si llueve en este momento o de si la tierra está ya suficientemente húmeda.
El funcionamiento de un sistema de riego automático típico es el siguiente:
1. Primero hay que programar las horas de comienzo y finalización del riego.
2. Cuando llega la hora, el programador envía corriente eléctrica a la electroválvula.
3. Al recibir corriente, la electroválvula se abre y permite el paso de agua.
4. La presión de agua hace subir la parte superior del difusor y se empieza a regar. Al llegar la hora de finalización
del riego, el programador cortará la corriente eléctrica y la válvula se cerrará.
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1.3. Ejemplo de lazo abierto 2: secamanos con pulsador
Un secador de manos permite que los clientes de un establecimiento público se sequen las manos de una manera
higiénica, sin necesidad de poner toallas de ropa o de papel. Es una máquina bastante sencilla, en realidad no es
más que una estufa eléctrica de aire caliente. Se podría controlar muy fácilmente con un interruptor. El problema de
utilizar un interruptor es que muchas veces, por olvido o por despreocupación, la máquina se quedaría encendida, lo
cual sería un gasto inútil de energía y de dinero. Para evitarlo, los secadores de manos tienen incorporado un
sistema de control sencillo que se asegura de que la máquina se apaga. Este sistema de control puede ser de dos
tipos, en los secadores que se encienden presionando un pulsador es un sistema de control de lazo abierto, en los
que se encienden al poner las manos debajo es un sistema de control de lazo cerrado. Es importante remarcar que,
en ambos casos, el proceso a controlar no es si las manos están secas (esto lo hace la persona) sino simplemente
asegurarse de que el secador se apaga. Vamos a ver cómo funciona.
El sistema de control de un secador de manos de pulsador se puede representar con el siguiente diagrama de
bloques. No hay sensores y por lo tanto no hay realimentación (el controlador no recibe información sobre el proceso
que se está controlando). Un vez activado, el secador funcionará el tiempo que tenga programado,
independientemente de si la persona que ha presionado el pulsador está todavía o no.
Un secador de manos es una máquina sencilla, está compuesto por un ventilador centrífugo (formado por un motor
eléctrico y un rodete) y una resistencia eléctrica. El motor hace girar el rodete y éste genera un chorro de aire que
sale del secador. La resistencia eléctrica está formada por un hilo de una aleación de níquel y cromo enrollado en
forma de espiral; al conectarlo a la corriente eléctrica se calienta y genera calor. El aire que proviene del rodete
atraviesa la resistencia y se calienta, lo que hace que pueda secar mejor.
Los componentes del sistema de control de un secador de manos son los siguientes:
1. El controlador: un circuito electrónico. Este circuito es el "cerebro" del sistema de control, se encarga de
decirle al secador cuando tiene que pararse.
2. Un actuador: un relé electromecánico. Un relé es un interruptor controlado por la electricidad. Cuando el
controlador le envía una señal eléctrica, se cierra y deja pasar corriente eléctrica hacia el motor y la
resistencia. Antes hemos visto que un secador de manos se podría controlar manualmente con un simple
interruptor, el relé es el componente del automatismo de control que substituye al interruptor manual.
¿Cómo funciona un secador de manos con pulsador?
− Una máquina sencilla. Si quitamos la carcasa exterior del secador podemos ver que es una máquina relativamente
sencilla.
− ¡Pongámoslo en marcha! El circuito temporizador tiene un tiempo programado, unos 20 s. Al presionar el pulsador
el circuito comienza a contar este tiempo y a continuación enciende el motor y la resistencia.
− Generación del chorro de aire. El motor eléctrico tiene acoplado un rodete que, al girar, genera un chorro de aire
que sale por la tobera a gran velocidad.
− Calentamiento del aire. En su camino hacia el exterior el aire atraviesa la resistencia eléctrica que, al estar muy
caliente, eleva la temperatura del aire.
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− Desconexión. Cuando se acaba al tiempo programado, el circuito desconecta el motor y la resistencia y espera a
que se vuelva a presionar el pulsador. Como no tiene sensores, no sabe si la persona que lo utiliza necesita más
tiempo de secado o se ha marchado ya.
− El circuito electrónico. El circuito electrónico es el controlador, el elemento que determina cuando apagar el
secador. Está formado por muchos componentes electrónicos diferentes, el más importantes es el chip.
− El chip. Un circuito integrado o chip es un circuito electrónico miniaturizado protegido por una cápsula de plástico o
cerámica. Este chip en concreto es un temporizador programable. En su interior hay un circuito que cuenta el
tiempo y, al activarlo, emite una señal eléctrica durante el tiempo que tiene programado.
− El relé. Un relé es un interruptor controlado por la electricidad. Cuando el chip le envía una señal eléctrica, se cierra
y deja pasar electricidad hacia el motor y la resistencia. El relé puede abrir y cerrar circuitos por los que pasa una
gran cantidad de corriente, cosa que no puede hacer el chip. A pesar de que está soldado en el circuito electrónico,
es el actuador de este sistema de control.
1.4. Ejemplo de lazo cerrado: secamanos sin pulsador
Los secadores que se encienden de forma automática tienen otro elemento que no tienen los secadores de pulsador:
un sensor de presencia. Normalmente es un fotodiodo, un componente que es capaz de detectar luz. Cuando
ponemos las manos debajo de uno de estos secadores, la luz invisible (rayos infrarrojos) que proviene de un
componente electrónico llamado LED de infrarrojos rebota en nuestras manos y va a parar al sensor. Entonces el
sensor envía una señal eléctrica hacia el controlador (un circuito electrónico), que pone en marcha el aparato.
Los secadores sin pulsador disponen de un sistema de control de lazo cerrado y por lo tanto tienen realimentación.
Una vez activados, un sensor envía información al controlador sobre el proceso que se está controlando y se
compara con un valor predeterminado que se pretende obtener, la consigna. Si existen divergencias entre la
información que llega del sensor y la consigna, el controlador mantendrá el proceso activo hasta que se llegue al
valor de la consigna.
El proceso a controlar no es si las manos del usuario están secas o no (esto requeriría de un sistema de control muy
complejo), sino sencillamente asegurarse que la máquina se apaga, es el usuario quien determina si tiene las manos
secas. La consigna que tiene el sistema de control es la siguiente: "el usuario se ha ido". Una vez que el secador
está en marcha el sistema de control comparará la consigna con la información que recibe del sensor de presencia.
Si el sensor de presencia le informa de que "el usuario está todavía" el controlador mantendrá encendido el secador
activando el relé. Si el sensor de presencia le informa que "el usuario se ha ido", el sistema de control verá que es
igual que la consigna que tiene y apagará el secador desconectando el relé.
¿Cómo funciona un secador de manos con sensor de presencia?
Los secadores sin pulsador tienen un sensor llamado fotodiodo, un componente electrónico que detecta la luz. Muy
cerca del sensor hay otro componente llamado LED de infrarrojos; este LED ilumina la zona de debajo del secador
con luz infrarroja, un tipo de luz que no podemos ver. Al poner las manos en esta zona, la luz se refleja en ellas y va
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a parar al sensor; entonces el sensor envía una señal eléctrica al controlador (un circuito electrónico), que pone en
marcha el aparato. Cuando quitamos las manos el sensor deja de enviar la señal eléctrica y el secador se apaga.
2. Control por ordenador
2.1. Control por ordenador
La tecnología de control se ha desarrollado enormemente en las últimas décadas gracias a la introducción de los
ordenadores. Pero, cuidado, no hay que identificar la palabra "ordenador" solamente con "ordenador personal", los
que tenemos en casa o en el instituto. Cuando hablamos de control por ordenador, debemos tener en cuenta la
acepción más amplia del término, según la cual un ordenador es un dispositivo electrónico que procesa información a
gran velocidad con el fin de resolver problemas lógicos siguiendo las instrucciones que recibe de un programa
almacenado en su memoria. Muchos de los aparatos que nos rodean tienen en su interior auténticos ordenadores:
una cámara de fotos digital, un televisor TDT, el motor de un automóvil, un lector de MP3, etc. Son máquinas tan
complejas que se necesita un controlador muy sofisticado para hacer que funcionen correctamente, deben ser
controladas por un ordenador.
Existen fundamentalmente tres tipos de ordenadores usados en la tecnología de control automático: los propios
ordenadores personales, los microcontroladores y los PLC (controlador lógico programable).
2.1.1. Ordenadores personales (PC)
Los ordenadores personales (PC) son muy utilizados para controlar todo tipo de máquinas industriales: tornos y
fresadoras de control numérico, brazos robóticos, líneas de fabricación en serie, etc. Se les suele denominar PC
industriales. Básicamente son los mismos ordenadores que hay en las oficinas, aunque con carcasas más
resistentes y componentes de mayor calidad. Estos componentes les permiten soportar la gran responsabilidad que
se deposita en ellos: si fallan, una máquina o una planta entera dejan de funcionar o funcionan de forma incorrecta.
2.1.2. Microcontroladores
Los microcontroladores son pequeños ordenadores integrados en un solo chip. Están compuestos por una memoria,
donde se guarda un programa breve, y por un microprocesador que ejecuta este programa tomando en
consideración la información que llega de sensores externos. Un mismo microcontrolador se puede programar para
que realice diferentes funciones, como gobernar una máquina de refrescos, un ascensor, una máquina industrial o un
horno microondas. En impresoras de inyección de tinta, auténticas máquinas electromecánicas de precisión, un
microcontrolador se encarga de controlar los motores eléctricos que mueven el papel y los cartuchos y de hacer que
la tinta se inyecte cuando es necesario.
2.1.3. Controladores lógicos programables (PLC)
Un PLC (programmable logic controller o controlador lógico programable) es básicamente un microcontrolador
protegido con una caja de plástico para que pueda instalarse fácilmente en cualquier entorno industrial. En la caja del
PLC el fabricante dispone los elementos necesarios para conectar de forma sencilla sensores y actuadores. Los PLC
están pensados para que los técnicos que los instalan no tengan que preocuparse de la parte electrónica. Se utilizan
ampliamente en automatización industrial para controlar todo tipo de máquinas.
Un ejemplo de aplicación de un PLC es un máquina que coloca tapones en botellas. Un sensor indica al PLC dónde
hay una botella. A continuación, siguiendo el programa que tiene en su memoria, el PLC hace avanzar la cinta
transportadora hasta situar la botella debajo del cilindro que pone los tapones, seguidamente acciona el cilindro.
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2.2. Funcionamiento elemental de un ordenador
Los ordenadores están formados básicamente por 4 elementos: 1 Periféricos de entrada, 2 CPU (del inglés Central
Processing Unit, Unidad Central de Proceso), 3 Memoria y 4 Periféricos de salida. Para procesar la información, los
ordenadores siguen un camino denominado entrada-proceso-salida (input-process-output). Los datos de los
periféricos de entrada se envían a la CPU. La CPU procesa estos datos siguiendo las instrucciones contenidas en un
programa y, una vez procesados, los datos resultantes se envían a los periféricos de salida. La memoria guarda el
programa que ejecuta la CPU y sirve de almacenamiento provisional de los datos que todavía no están totalmente
procesados y no se pueden enviar a los periféricos de salida.
2.3. Programación de ordenadores
La parte física del ordenador (hardware) no es más que un grupo de cables y componentes electrónicos y
electromecánicos. Para que el ordenador realice un trabajo útil debe programarse, es decir, se debe introducir un
programa en su memoria. Un programa es un conjunto de instrucciones y datos que especifican qué debe hacer la
CPU con los datos que recibe de los periféricos de entrada, cómo debe procesar estos datos, y cómo debe
presentar el resultado en los periféricos de salida para que sea de utilidad.
Los programas se almacenan en un chip de memoria, que debe ser una memoria muy rápida para que la CPU pueda
leer y grabar información continuamente. En los PC se utiliza una memoria volátil, la memoria RAM, cuyo contenido
se pierde al apagar el ordenador. Por esta razón también tienen un disco duro, donde los programas se guardan de
forma permanente y se cargan en la memoria RAM cuando son necesarios. Los microcontroladores y los PLC tienen
memorias no volátiles, de tecnología similar a la de las tarjetas de memoria de las cámaras de fotos (las fotos no se
pierden cuando apagamos la cámara). Estas memorias suelen estar integradas en el propio chip del
microcontrolador, aunque si se necesita más capacidad se pueden conectar chips de memoria externos.
2.3.1. Lenguajes de programación
Los ordenadores sólo entienden las instrucciones si se las damos
como una secuencia determinada de señales eléctricas que entran
por los terminales de la CPU. Estas señales se almacenan en la
memoria formando un conjunto de 0 (no entra corriente) y 1 (entra
corriente). Es lo que se conoce como código máquina, ya que es el
único lenguaje que entiende la CPU.
Un programa, por lo tanto, no es más que una secuencia de 0 y 1.
El problema es que a las personas nos resulta muy difícil escribir
instrucciones en forma de secuencias de 0 y 1. Para ayudarnos con
este trabajo existen programas especializados denominados
entornos de programación. Un entorno de programación permite
escribir programas utilizando un código específico muy parecido al
lenguaje humano, normalmente al inglés, llamado lenguaje de
programación. En la pantalla de la derecha puedes ver un pequeño
fragmento del código de un programa, el código fuente, escrito en el
lenguaje de programación C++. Cuando se acaba de escribir el
código fuente, el mismo entorno de programación se encarga de
traducirlo a código máquina, para que pueda interpretarlo el
ordenador. Esta traducción de un lenguaje a otro se denomina
compilación.
Hay muchos lenguajes de programación distintos: Visual basic,
C++, Java, PHP y Cobol son algunos de ellos.
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2.3.2. Algoritmos
Las instrucciones que forman un programa deben escribirse
siguiendo un orden lógico para que el programa funcione
correctamente. Antes de comenzar a escribir código hay que
describir exactamente, paso a paso, qué queremos que haga el
programa y en qué orden. Es lo que se conoce como algoritmo.
La representación gráfica de un algoritmo se hace mediante un
diagrama de flujo.
2.3.3. Estructuras básicas de programación
Los programas de ordenador, por muy complejos que sean, se elaboran a partir de instrucciones lógicas sencillas. La
suma de muchas de estas estructuras básicas de programación, a veces miles e incluso millones de ellas, genera
toda la complejidad que vemos en un programa de gran tamaño.
A continuación veremos algunas de estas estructuras básicas de programación: la estructura secuencial, un bucle
sencillo y las estructuras condicionales "If... then..." y "If... then... else...". Para ilustrarlas y que puedas ver un
ejemplo aplicado que te permita entenderlas mejor, hemos utilizado un pequeño robot móvil programable.
RoboMind: Se trata de un programa pensado para enseñar a niños y jóvenes los fundamentos de la programación de
ordenadores. Te permitirá probar los pequeños programas que aparecen a continuación y, mejor todavía,
modificarlos y hacer los tuyos propios. Utiliza un lenguaje de programación denominado ROBO. Ha sido desarrollado
por Arvid Halma y Aksel Ethembabaoglu en la Universidad de Amsterdam. Puedes descargarlo gratuitamente desde
http://www.robomind.net/en/ (en inglés). Existen versiones para Windows, Linux y Mac.
2.3.3.1. Estructura secuencial
Las instrucciones que forman un programa, si no se indica de otra manera, se ejecutan de forma
secuencial. El ordenador lee el código de arriba a abajo, igual que nosotros, y ejecuta primero la
primera instrucción que se encuentra, después lee la siguiente instrucción y la ejecuta. Así
sucesivamente hasta que llega a la última línea de código y el programa se acaba.
En el ejemplo de debajo el robot ejecuta una estructura secuencial que hace que dibuje un cuadrado
blanco que ocupa cuatro casillas, después se para. El diagrama de flujo es el de la derecha.
2.3.3.2. Bucle sencillo
Aunque la estructura secuencial es la base de un programa, también son muy frecuentes los bucles.
Los bucles son repeticiones de una o varias instrucciones. Se usan para no tener que escribir el
mismo código varias veces. En el ejemplo de debajo se utiliza la expresión "repeat" para ordenar al
programa que debe repetir las instrucciones que tiene entre corchetes "{" y "}". El número que hay
entre paréntesis indica las veces que el bucle debe repetirse antes de continuar con la secuencia
principal del programa. El resultado es que el robot dibuja una escalera con 4 peldaños. A la derecha
se muestra el diagrama de flujo del algoritmo.
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2.3.3.3. If... then...
En muchas ocasiones un programa tiene que tomar una decisión en función de una condición externa. Algo así
como: "Si pasa esto, entonces haz esto otro". Esto se implementa en los lenguajes de programación con la expresión
inglesa "If... then...". Un ejemplo de la vida diaria: llegamos a un paso de cebra con semáforo. Nuestra actuación
será: "Si el semáforo está en rojo, entonces me paro". En un programa quedaría: "If semáforo = rojo then parar". En
el ejemplo de debajo, si el robot se encuentra un obstáculo en la siguiente casilla, se acaba el programa (instrucción
end). Si la condición no se produce, se lee la siguiente línea de código: forward(1), avanzar una casilla. Repeat()
indica que es un bucle que se repite indefinidamente.
2.3.3.4. If... then... else...
A veces no es suficiente con especificar qué decisión tomar si se da una condición, también interesa determinar qué
otra decisión tomar en caso de que la condición no se cumpla. Algo así como: "Si pasa esto, entonces haz aquello, si
no, haz esto otro". En lenguaje de programación se implementa con la expresión inglesa "If... then... else...".
Siguiendo con el ejemplo del paso de cebra, nuestra actuación será: "Si el semáforo está en rojo, entonces me paro,
si no, paso". En el ejemplo de debajo, si hay un obstáculo en la siguiente casilla, entonces el robot gira a la derecha la instrucción right()- si no, avanza una casilla -instrucción forward(1)-. Esta estructura condicional está en un bucle
que se repite indefinidamente - instrucción repeat()-.
3. Sensores
3.1. Introducción
Muchos de los sistemas automáticos que utilizamos a diario utilizan sensores. Un sensor es un dispositivo capaz de
captar información del exterior (temperatura, luz, distancia, velocidad, posición, etc.) y transmitirla, normalmente en
forma de señal eléctrica, a un controlador. Analizando la información recibida de los sensores, el controlador decidirá
qué acción ejecutar. A continuación estudiaremos algunos de los sensores más usuales.
3.2. Microrruptor
Quizá el sensor más sencillo es el microrruptor, también llamado interruptor de final de carrera. Funciona de forma
similar a un pulsador, cuando una pieza móvil presiona la palanca del microrruptor, éste abre o cierra un circuito. En
el ejemplo de debajo se pueden ver dos microrruptores instalados en los extremos del recorrido de una puerta
corredera. Cuando la puerta está completamente abierta o completamente cerrada, uno de los microrruptores se
activa indicando al controlador que debe parar el motor. Podemos decir que es un sensor de posición, indica si un
objeto está o no en una posición determinada.
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Puerta automática con dos microrruptores de final de carrera que indican al controlador cuándo
debe parar el motor eléctrico que impulsa la puerta. Los elementos no están a escala.
3.3. Interruptor reed
El interruptor reed es un sensor de posición que se activa en presencia de un campo magnético. Está formado por
dos laminillas de hierro encerradas en un tubo de vidrio sin aire. Al acercarle un imán o un electroimán, las dos
láminas se magnetizan y se atraen entre sí, tocándose y cerrando el circuito. Cuando el campo magnético se aleja,
las láminas vuelven a separarse y el circuito se abre. Este sensor es muy utilizado en los sistemas antirrobo. Se
coloca un imán en la puerta y un interruptor reed en el marco (fíjate en la ilustración). Si un ladrón abre la puerta, el
sistema antirrobo recibe una señal y la alarma empieza a sonar.
Sistema antirrobo con interruptor reed en una puerta.
3.4. Sensor inductivo
Los sensores inductivos son utilizados en la industria para detectar materiales ferromagnéticos (los que son atraídos
por los imanes, fundamentalmente el hierro y sus aleaciones). Un sensor inductivo está formado por un imán
permanente y una bobina. Cuando un objeto ferromagnético se acerca o se aleja del sensor, se produce una
deformación en el campo magnético del imán. El campo magnético fluctuante induce una pequeña tensión en la
bobina, es decir, se genera una señal eléctrica. La señal es más fuerte cuanto más rápidamente se mueve el objeto y
es nula cuando el objeto está parado. Los sensores inductivos permiten a los ingenieros diseñar sistemas que
detectan objetos, cuentan piezas y calculan velocidades de desplazamiento y de rotación.
Detector inductivo detectando un objeto ferromagnético.
3.5. Fotodiodo
Un fotodiodo es un tipo de sensor fotoeléctrico, es decir, un sensor que detecta luz. Normalmente se utiliza junto a un
LED de infrarrojos, un emisor de luz no visible. En un secador de manos sin pulsador, emisor (LED de infrarrojos) y
receptor (fotodiodo) están juntos. El secador se activa cuando parte del haz de luz que emite el LED se refleja en las
manos y es captado por el fotodiodo. En algunos ascensores, emisor y receptor están separados, alineados entre sí.
La puerta se cierra si el haz de infrarrojos emitido por el LED es captado por el fotodiodo, es decir, mientras no haya
ninguna persona u objeto interponiéndose entre ambos.
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3.6. LDR
Otro tipo de sensor fotoeléctrico son las LDR, también denominadas fotorresistencias. Su nombre proviene de lightdependent resistor, resistencia dependiente de la luz.
Las LDR tienen una resistencia eléctrica muy elevada cuando están en la oscuridad. Muy poca corriente puede
atravesarlas en la oscuridad. En cambio, cuando están expuestas a la luz, su resistencia se reduce drásticamente y
dejan pasar mucha corriente.
Es fácil ver cómo varía la resistencia eléctrica de una LDR al exponerla a la luz o la oscuridad, sólo hay que
conectarla directamente a un óhmetro, el aparato que se utiliza para medir la resistencia. También se puede usar un
multímetro o tester.
Las LDR se usan en farolas que se encienden automáticamente cuando oscurece, en cámaras fotográficas como
sensores de luz, en sistemas de alarma para detectar intrusos, en sistemas antiincendios como detectores de humo,
etc.
3.7. Termistor
Los termistores son sensores de temperatura. Al variar la temperatura su resistencia eléctrica cambia mucho. Existen
dos tipos: termistores NTC y PTC. Los termistores NTC (de negative temperature coefficient, coeficiente de
temperatura negativo), tienen menor resistencia conforme aumenta la temperatura. Los del tipo PTC (de positive
temperature coefficient, coeficiente de temperatura positivo), tienen más resistencia conforme aumenta la
temperatura. Se utilizan en dispositivos de medida y control de la temperatura, como termostatos y termómetros
digitales o circuitos para proteger equipos eléctricos contra el calentamiento excesivo.
3.8. Encoder
Un encoder es un sensor que se utiliza para conocer la
velocidad de giro de un eje. Está formado por un disco que
tiene una serie de ranuras dispuestas radialmente. A un lado
del disco se coloca un emisor de luz, normalmente un LED de
infrarrojos, y al otro lado un sensor de luz, un fotodiodo, por
ejemplo. La luz del LED llega al fotodiodo solo cuando pasa a
través de una de las ranuras del disco. Podemos saber la
velocidad de giro del eje contando los impulsos eléctricos que
se generan en el fotodiodo en una determinada cantidad de
tiempo.
Algunos encoders más complejos permiten conocer, no solo la
velocidad de giro, sino también la posición del eje en cada
momento. Esto los hace muy útiles en robots industriales y
plataformas giratorias de máquinas, como radares, antenas
móviles o telescopios.
Funcionamiento de un encoder sencillo.
3.9. Existen muchos más sensores
Hemos visto algunos de los sensores más comunes, pero existen muchos más. El mercado de los sensores está en
continuo desarrollo. Vivimos en una época de aceleración tecnológica, donde constantemente aparecen nuevos
productos y aplicaciones que necesitan de sensores innovadores. La industria, la robótica, la medicina, la electrónica
de consumo, los sistemas de seguridad y el medio ambiente son algunos de los campos donde los sensores son
imprescindibles. Dos ejemplos de sensores que se han popularizado recientemente: sensores de movimiento en
mandos de videoconsolas que mejoran la interacción con el jugador y un sensor de huellas dactilares que mejora la
seguridad de acceso a los datos que contiene un ordenador.
4. Robots
4.1. Introducción
Cuando pensamos en la palabra robot normalmente nos viene a la cabeza la imagen de una máquina parecida a una
persona, con capacidad de pensar y actuar como si estuviese viva y fuese consciente.
Esto se debe, sobretodo, a la influencia del cine. Quién no ha visto en una película un robot como, por ejemplo, el
simpático C-3PO de Star Wars? O a Data de Star Treck, o a Terminator. También hay numerosos ejemplos en la
literatura, juguetes, anuncios, etc.
4.2. Androides
El tipo de robot que intenta parecerse a los seres humanos se llama androide. Uno de los androides más avanzados
del mundo es un robot que puede andar, subir escaleras y tiene cierto comportamiento social, se trata del ASIMO, de
la compañía HONDA.
A pesar de que ASIMO y otros androides parecidos son robots muy avanzados, no llegan ni de lejos a tener un
comportamiento similar al humano. Esta es una tarea imposible para la tecnología actual. Quién sabe si, en un
futuro, se podrá hacer un androide que se comporte como una persona...
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4.3. Robots lavacoches
Los robots actuales útiles no son tan espectaculares como los robots de las películas, de hecho, a veces incluso no
nos damos cuenta de que son robots. Un tren de lavado de automóviles, por ejemplo, es en realidad un robot
bastante sofisticado.
Realiza un trabajo (lavar un coche) de una manera autónoma, sin intervención de las personas. Además tiene cierta
inteligencia, ya que puede adaptar su manera de trabajar a la forma de cada coche. Estas dos características son las
que definen a un robot.
4.4. Robots industriales
La mayoría de robots actuales son robots industriales. Más del 90 % de los robots se utilizan en las industrias,
especialmente en la industria automovilística, donde hacen trabajos de soldadura, montaje, pintura, etc. Un robot
industrial típico (como los que sueldan en una fábrica de coches) tiene forma de brazo articulado, por esta razón
también se le denomina brazo robótico.
Los robots industriales han de ser capaces de repetir continuamente diferentes movimientos con una precisión
milimétrica. También han de ser máquinas flexibles, que puedan cambiar rápidamente su manera de trabajar si se
cambia el producto que se fabrica. Esto se consigue gracias a la aplicación de dos disciplinas básicas de la
tecnología: la mecánica y la informática.
Llos elementos más importantes que conforman un robot industrial:
- Ordenador: Controla el robot. Envía las órdenes que ejecuta el brazo robótico. Está protegido por un armario
metálico.
- Brazo robótica: Está compuesto por una estructura metálica y motores neumáticos, hidráulicos o eléctricos que le
dan movimiento.
- Herramienta de trabajo: Hace el trabajo para el que está programado el robot. Por ejemplo un soldador eléctrico.
Otros ejemplos: un equipo de pintura, un destornillador, una pinza, etc.
4.5. Robots de servicios
Los robots de servicios están diseñados para ayudarnos a hacer las tareas domésticas. De momento hay pocos
modelos, ya que se trata de un campo nuevo y de mucha complejidad. Se pueden encontrar robots que aspiran el
polvo del suelo (aspiradoras robóticas) y que cortan el césped de los jardines (segadoras robóticas). Algunos
ingenieros creen que en el futuro un grupo de pequeños robots se encargarán de hacer los trabajos de casa.
4.6. Robots educativos
Anualmente se celebran numerosos concursos de robótica dirigidos a estudiantes de ingeniería o de ciclos
formativos. Se trata de diseñar y construir un robot que compita con otros robots en una prueba. Una de las
competiciones más famosas es la de sumo, en ella dos robots luchan entre sí para expulsar al oponente de una
superficie circular. El concurso está inspirado en la lucha de sumo japonesa. Lo que se pretende con estos
concursos es que los estudiantes aprendan, de una manera divertida, a diseñar y programar robots.
4.7. Robots telemanipuladores
Los telemanipuladores son robots controlados directamente por personas a través de un mando (parecido al de un
videojuego) o desde la pantalla de un ordenador. A diferencia de los otros robots no tienen capacidad de tomar
decisiones de forma autónoma. Se utilizan en lugares donde no pueden llegar las personas o es peligroso ir.
Las imágenes que capta la cámara de que tiene en la parte delantera un inspeccionador de tuberías se envían a un
monitor a través de los cables de la parte posterior. Mediante estos cables también se envían las órdenes para
controlar el robot.
Otros telemanipuladores se utilizan en centrales nucleares, en desactivación de explosivos, en la búsqueda de
personas sepultadas en terremotos, etc.
4.8. Robots espaciales
Resulta mucho más barato y sencillo enviar un pequeño robot, en lugar de a una persona, a explorar un planeta. Un
ejemplo de robot espacial es el rover Sojourner de la NASA, que estudió la superficie de Marte. Muchos de estos
robots son telemanipuladores (son controlados manualmente desde la Tierra), a pesar de que los nuevos modelos
tienen cada vez más capacidad de tomar decisiones propias, lo que los hace más autónomos y eficaces.
4.9. Robots conductores
En algunas ciudades y aeropuertos comienzan a funcionar líneas de metro sin conductor. Podemos decir que se
trata de sistemas robóticos de conducción. Un conjunto de ordenadores analiza la información que captan unos
sensores situados en las vías y da a cada vehículo las órdenes que necesita para hacer su trabajo: arrancar,
acelerar, frenar, parar, etc. El sistema funciona prácticamente sin la intervención humana.
4.10. Muchos más robots
Solamente hemos visto unos cuantos robots. Hay muchos más: robots que trabajan en sitios peligrosos, robots que
sirven para desactivar explosivos, robots que hacen radiografías de uniones metálicas, robots submarinos, robots
militares, robots de rescate, robots que caminan, robots que hacen operaciones médicas, etc., etc.
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5. Estudio de un robot móvil
5.1. Un robot móvil educativo
En esta unidad estudiaremos cómo funciona un robot móvil. Para ello utilizaremos un robot comercial llamado
Scribbler, un robot educativo diseñado para aprender los fundamentos de la robótica y la programación de robots. El
Scribbler es capaz de realizar tareas simples, como esquivar obstáculos que encuentra en su camino o seguir líneas
marcadas en el suelo. A pesar de que es un robot muy sencillo, su estructura básica es similar a la de los robots
utilizados en aplicaciones industriales.
5.2. Esquivar obstáculos
Una de las capacidades del Scribbler es sortear obstáculos sin tocarlos. Cuando se acerca a un objeto, lo detecta a
cierta distancia, unos pocos centímetros, y lo esquiva ejecutando una maniobra de evasión. En esta miniunidad
estudiaremos cómo lo consigue y cuáles son los componentes que intervienen en el proceso.
5.3. ¿Cómo funciona?
Para entender cómo el Scribbler es capaz de esquivar obstáculos sin tocarlos, es necesario saber cómo es por
dentro.
En el interior del robot hay una carcasa de plástico que hace también de estructura, ya que sostiene los elementos
mecánicos y electrónicos. El movimiento del robot lo producen dos motores eléctricos conectados a las ruedas a
través de reductoras de engranajes. También hay un circuito impreso, la placa base, que contiene los componentes
electrónicos que controlan el funcionamiento del robot.
En la parte delantera, el robot tiene dos LED que emiten, de forma alternativa, ráfagas de luz infrarroja. Es un tipo de
luz que los humanos no podemos ver, pero que podemos detectar utilizando un sensor adecuado.
Cuando el robot se encuentra con un obstáculo, parte de la luz emitida por los LED se refleja en el objeto y va a
parar a un sensor de infrarrojos situado en el centro de la placa base.
Si el sensor detecta luz infrarroja reflejada, envía una señal eléctrica al microcontrolador, el chip que se encarga de
decidir cómo debe comportarse el robot. Los microcontroladores son parecidos a los microprocesadores de los
ordenadores personales, aunque más sencillos. El microcontrolador necesita instrucciones para saber qué hacer, es
decir, necesita un programa. El programa que hace funcionar el robot se graba en un chip de memoria situado al lado
del microcontrolador.
A partir de los datos que le suministra el sensor, y siguiendo las instrucciones del programa, el microcontrolador
decide cómo sortear un obstáculo. Para ello debe ordenar a los motores eléctricos que accionen las ruedas y se
inicie una maniobra de evasión.
El microcontrolador no puede accionar directamente los motores eléctricos, lo hace a través de un chip especializado
en esta tarea: un chip controlador de motores eléctricos. Este chip enciende o apaga cada uno de los motores, o
cambia su sentido de giro, siguiendo las instrucciones que recibe del microcontrolador.
Interior de un robot.
5.4. Programación
Un programa se elabora en un ordenador utilizando un editor de programas.
Para cargar un programa en el chip de memoria, hay que conectar el robot al ordenador a través de un cable
especial. Cuando el robot se vuelva a encender, ejecutará el nuevo programa que hemos cargado.
Un robot se programa normalmente con un tipo de programación llamada textual, que consiste en darle instrucciones
por escrito, en forma de texto. Es una tarea compleja, ya que es necesario aprender un lenguaje de programación,
en el caso del Scribbler, uno llamado PBASIC.
Para facilitar la programación a usuarios inexpertos, algunos robots disponen también de programación gráfica. En
este tipo de programación se sustituyen las instrucciones de texto por iconos gráficos. De esta manera, cualquiera
puede programar un robot.
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