Robotica 299011

MÓDULO DE ROBÓTICA
Por
Freddy F. Valderrama Gutiérrez
Primera versión creada por
ING. LUIS ENRIQUE CAMARGO
en la
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
CEAD DUITAMA
Julio, 2008
Aprobado por:
Pedro Torres Silva Fecha
C.C
Gustavo Velásquez, Fecha
C.C

TABLA DE CONTENIDO
Página
LISTA DE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
1 PROTOCOLO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Intencionalidades formativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Propósitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Metas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.4 Competencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Unidades didácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Mapa Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Unidad I Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 Antecedentes históricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Breve Historia de la robótica . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.2 Automatización y robótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 Clasificación de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Transferencia de material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 Carga y descarga de máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4 Operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.5 Otras operaciones de procesamiento . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.6 Procesos de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.7 Manipuladores cinemáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.8 Agricultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.9 Espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.10 Vehiculos submarinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.11 Educación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 El mercado de la robótica y las perspectivas futuras . . . . . . . . 31
2.4 Subsistemas del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Robot Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.2 Clasificación de robots industriales . . . . . . . . . . . . . . 37
ii

2.6 Morfolog´ıa del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.1 Grados de Libertad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador . . . . . . 41
2.6.3 Capacidad de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.4 Problemas a enfrentar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.5 Exactitud y Repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.6 Resolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.7 Precisión en la repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.8 La resolución del mando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.9 Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.10 Coordenadas de los movimientos . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.11 Brazos del robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6.12 Programabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.13 Estructura mecánica de un robot . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.14 Transmisiones y reductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.15 Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6.16 Neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.6.17 Hidráulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.18 Eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6.19 Sensores internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.20 Sensores externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 UNIDAD II. Cinemática y dinámica del robot . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1 Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.1 Posición y orientación en el plano . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.2 Posición y orientación en el espacio . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.3 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2 Los parametros de Denavit-Hartenberg (D-H) . . . . . . . . . . . 87
3.3 El problema cinemático directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3.1 Ejemplo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.2 Ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4 El problema cinemático inverso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4.1 Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5 Velocidades y jacobiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 UNIDAD III. ACTUALIDAD EN ROBÓTICA . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.1 Sistema de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.2 La exploración de imágenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.3 La Retroalimentación visual para el funcionamiento del
Telerobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.4 La retroalimentación visual y de fuerza para ayudar al neu-
rocirujano durante una telecirug´ıa . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.5 La cirug´ıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
iii

4.2 Procesamiento de imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.1 Estructura y jerarqu´ıa en el proceso de imágenes . . . . . . 109
4.2.2 El video Estereoscópico y la Realidad Virtual . . . . . . . . 110
4.3 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.1 Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.2 Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.3.3 Nuevos Sectores de Aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . 128
APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
iv

LISTA DE TABLAS
Tabla P´agina
v

LISTA DE FIGURAS
Figura Página
1–1 Protocolo del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1–2 Unidad 1 y Unidad 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1–3 Unidad 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1–4 Mapa conceptual del curso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2–1 Robot diseñado por Ralph Mosher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2–2 Muñeca dibujante diseñada por Henri Maillardert. . . . . . . . . . . . 15
2–3 Cyril Walter Kenward y George C. Devol. . . . . . . . . . . . . . . . 19
2–4 Robot tranasportador de material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2–5 Robot usado en laboratorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2–6 Robot usado para explorar tuberias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2–7 Robot usado para esquilar ovejas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2–8 Robot usado para exploraciones espaciales. . . . . . . . . . . . . . . . 30
2–9 Robot manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2–10 Diagrama de bloque de un robot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2–11 Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad. . . . . . . . 41
2–12 Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad. 43
2–13 Esquema para definir la resolución de un robot industrial. . . . . . . . 44
2–14 Esquema para visualizar el error de posición. . . . . . . . . . . . . . . 44
2–15 Configuraciones básicas y coordenadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2–16 Tipos de junturas usadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2–17 Analogia entre un brazo humano y uno robótico. . . . . . . . . . . . . 49
2–18 Punto de centro de la herramienta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2–19 Espacio de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
vi

2–20 Tipos de transmisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2–21 Engranajes Circular-Circular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2–22 Caracteristicas de los reductores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2–23 Cilindro neumático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2–24 Motor neumático de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2–25 Motor DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2–26 Motor DC vista de rotor y estator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2–27 Motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2–28 Paralelo entre actuadores usados en robótica . . . . . . . . . . . . . . 63
2–29 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3–1 Robot PUMA, indicando sus articulaciones y movimientos posibles. . 72
3–2 Vector de coordenadas en el plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3–3 Coordenadas polares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3–4 localización de un objeto en posición y orientación . . . . . . . . . . . 74
3–5 Traslación del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3–6 Rotación del sistema de coordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3–7 Detección de un obstáculo desde un robot móvil . . . . . . . . . . . . 77
3–8 Cambio de sistema de referencia en navegación de robots móviles . . . 77
3–9 Cambio de sistema de referencia en un manipulador plano . . . . . . 78
3–10 Posición en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3–11 Posición en el espacio con coordenadas cil´ındricas . . . . . . . . . . . 80
3–12 Posición en el espacio con coordenadas esféricas . . . . . . . . . . . . 80
3–13 Posición y orientación en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3–14 Cambio de sistemas de referencia en el espacio . . . . . . . . . . . . . 82
3–15 Transformaciones compuestas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3–16 Manipulador plano con dos articulaciones de rotación . . . . . . . . . 84
3–17 Representación de ecuaciones de transforamción . . . . . . . . . . . . 86
vii

3–18 Asignación de ejes de referencia a articulaciones consecutivas . . . . . 87
3–19 Manipulador plano con tres articulaciones de rotación . . . . . . . . . 90
3–20 Esquema del robot del ejemplo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3–21 Espacio de trabajo de un manipulador plano con dos grados de liber-
tad de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3–22 Solución por métodos geométricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4–1 Robot telecontrolado de la universidad de australia . . . . . . . . . . 104
4–2 Ángulo elegido para la camara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4–3 Telecirujia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4–4 Cirug´ıa de tele-presencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4–5 Configuraciones de cámara de estereoscópica. . . . . . . . . . . . . . . 114
4–6 Robots soldadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4–7 Robot alimentador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4–8 Robot de corte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4–9 Robot tipo SCARA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4–10 El vagabundo de Marte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4–11 El Rocky 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
viii

PARTE 1
PROTOCOLO
Identificación del curso académico, véase 1–1.
Figure 1–1: Protocolo del curso.
1

2
1.1 Introducción
Este curso es de 3 créditos académicos, se ofrece como asignatura del plan académico
de Ingenier´ıa Electrónica y como curso electivo de Ingenier´ıa de sistemas, Tiene 3
unidades, las cuales se trabajan por cap´ıtulos. En la primera unidad se inicia ha-
ciendo una introducción a la robótica, en la doble vertiente de su significación social
y de su importancia tecnológica. La robótica es un componente esencial de la au-
tomatización de la fabricación, que afectará a la mano de obra humana en todos los
niveles, desde los trabajadores no especializados hasta los técnicos profesionales y
directores de producción. Esta obra tiene el objetivo ambicioso de proporcionar la
documentación técnica en este fascinante campo.
El segundo capitulo de la unidad I presenta la robótica como tecnolog´ıa interdisci-
plinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo histórico y estado
actual. El tercer capitulo esta dedicado al estudio de los elementos que componen
un robot: estructura mecánica, transmisiones y reductores, actuadores, elementos
terminales y sensores. No se pretende en el mismo hacer un estudio exhaustivo de
estos componentes, pues no es este objetivo propio de la robótica, sino destacar las
caracter´ısticas que los hacen adecuados para su empleo en robots.
Para que un robot pueda moverse y manipular objetos, es necesario una adecuada
localización de las configuraciones espaciales por las que se pretende que el robot
pase. Tanto para el usuario del robot como para su diseñador es necesario mane-
jar adecuadamente una serie de herramientas matemáticas que permitan situar en
posición y orientación un objeto (en particular el extremo del robot) existentes para
tal fin. En concordancia con lo anterior el estudio de la cinemática del robot hace
parte de la Unidad II, lo anterior permite relacionar la posición de sus actuadores
con la posición y orientación del extremo. Esta relación no trivial, es fundamental
para desarrollar el control del robot. Enseguida se aborda el modelado dinámico de
un robot. Como sistema dinámico, el robot es uno de los sistemas más fascinantes

3
para el control, por incorporar muchas de aquellas dificultades que clásicamente se
obvian en el estudio de control de sistemas.
La unidad III presenta el tema del sistema de visión artificial de maquinas, sus
beneficios para trabajos que requieren reconocimiento y precisión de objetos, config-
uración, etc. Al final de esta unidad se muestra la utilización del robot en diferentes
tipos de aplicaciones, tanto las mas habituales, como soldadura de carrocer´ıas, y
las mas novedosas en los sectores de construcción, espacio, cirug´ıa, etc. Es evi-
dente que la robótica esta siendo aplicada a un gran numero de sectores dispares,
siendo imposible pretender que el estudiante conozca todas las caracter´ısticas de los
mismos.

4
1.2 Justificación
¿Por qué la Robótica?
Beneficio inmediato para el estudiante:
• Se involucra activamente en su propio proceso de aprendizaje.
• Desarrolla la intuición cient´ıfica y de ingenier´ıa.
• Desarrolla sus intereses en matemáticas y tecnolog´ıa cient´ıfica.
• Potencia sus habilidades de investigación y resolución de problemas, as´ı como lec-
tura, escritura, habilidades de presentación y creatividad.
Beneficios a largo plazo:
• Construye auto-pensadores que además son capaces de apreciar el valor de la auto-
motivación y de sentirse con recursos.
• Permite que conseguir sus metas se transforme en un hábito.
• Convertirse en un autodidacta activo.
• Fomenta la habilidad para resolver los problemas mediante estrategias centrándose
en el razonamiento lógico, anal´ıtico, y pensamiento cr´ıtico. Esta habilidad es la
base de muchos campos cient´ıficos as´ı como de otras áreas profesionales.

5
1.3 Intencionalidades formativas
1.3.1 Propósitos
• Fundamentar la concepción de la robótica dentro de la ingenier´ıa y en especial de
los procesos de automatización.
• Capacitar a los estudiantes para la comprensión y aprehensión de los conceptos
propios de la robótica.
• Fomentar en el estudiante las caracter´ısticas que deben identificarlo en su de-
sempeño y actuación a la hora de trabajar con robots.
• Desarrollar habilidades para determinar el análisis, diseño, programación y manip-
ulación de robots.
1.3.2 Objetivos
• Fundamentar teóricamente la concepción de la robótica.
• Generar espacios de reflexión permanente sobre su capacidad para entender la
estructura y el funcionamiento de un robot atendiendo a los modelos matemáticos
para su fundamento y / o explicación.
• Aplicar la estrategia adecuada a la hora de diseñar e implementar un robot
• Potenciar habilidades, destrezas que permita que el estudiante sea competente a
la hora de manipular robots o sea proponente de una solución de automatización.
1.3.3 Metas
Al terminar el curso el estudiante:
• Identificará la “estructura” y la forma de “funcionamiento” de un robot..
• Reconocerá la fundamentación teórica y conceptual de la robótica. Distinguirá y
determinará los modelos matemáticos que la soportan y explican

6
• Al conocer el contexto actual de la robótica, podrá proponer, argumentar e inter-
pretar soluciones a problemas de la vida real que requieran de procesos de autom-
atización
1.3.4 Competencias
Este curso pretende ofrecer las siguientes competencias a nuestros estudiantes:
• Cognitiva: El estudiante podrá identificar, analizar y proponer soluciones que
requieran de Robots industriales que permitan automatizar procesos. Haciendo
uso de modelos y tecnolog´ıas vigentes.
• Comunicativa: El uso intensivo de las TICs permitirá al estudiante comunicarse
efectivamente usando las medios electrónicos tales como: foros, correo, blogs, entre
otros.
• Contextual: El estudiante se apropia de problemas de su entorno desde el punto
de vista social, económico y pol´ıtico, para plantear soluciones ingenieriles en ben-
eficio de su comunidad.
• Valorativa: El estudiante asume una actitud positiva ante la adquisición de
conocimientos ingenieriles, teniendo presentes los valores éticos y morales como
son: el respeto, la conciencia, el trabajo en equipo, el temperamento, la autodisci-
plina y el sentido de pertinencia.

7
1.4 Unidades did´acticas
Las ﬁguras 1–2 y 1–3 muestran los contenidos del presente curso.
Figure 1–2: Unidad 1 y Unidad 2.

9
1.5 Mapa Conceptual
Los conceptos tratados en el presente m´odulo se pueden organizar como se observa
en la Figura 1–4.
Figure 1–4: Mapa conceptual del curso.

PARTE 2
UNIDAD I CONCEPTOS GENERALES
2.1 Antecedentes históricos
La palabra robot fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor checo
Karel Capek (1890 - 1938) estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum’s
Universal Robot (R.U.R.). Su origen es de la palabra eslava robota, que se refiere al
trabajo realizado de manera forzada. Con el objetivo de diseñar una maquina flex-
ible, adaptable al entorno y de fácil manejo, George Devol, pionero de la Robótica
Industrial, patentó en 1948, un manipulador programable que industrial. En 1948
R.C. Goertz del Argonne National Laboratory desarrollo, con el objetivo de manip-
ular elementos radioactivos sin riesgo para el operador, el primer tele manipulador.
Este consist´ıa en un dispositivo mecánico maestro-esclavo. El manipulador maestro,
reproduc´ıa fielmente los movimientos de este. El operador además de poder observar
a través de un grueso cristal el resultado de sus acciones, sent´ıa a través del dispos-
itivo maestro, las fuerzas que el esclavo ejerc´ıa. Años mas tarde, en 1954, Goertz
hizo uso de la tecnolog´ıa electrónica y del servocontrol sustituyendo la transmisión
mecánica por eléctrica y desarrollando as´ı el primer tele manipulador con servo-
control bilateral. Otro de los pioneros de la tele manipulación fue Ralph Mosher,
ingeniero de la General Electric que en 1958 desarrollo un dispositivo denominado
Handy-Man, consistente en dos brazos mecánicos teleoperados mediante un maestro
del tipo denominado exoesqueleto, posteriormente diseñó el GE véase Figura 2–1.
Junto a la industria nuclear, a lo largo de los años sesenta la industria submarina
comenzó a interesarse por el uso de los tele manipu ladores. A este interés se sumo
10

11
la industria espacial en los años setenta. La evolución de los tele manipuladores a lo
largo de los últimos años no ha sido tan espectacular como la de los robots. Reclui-
dos en un mercado selecto y limitado(industria nuclear, militar, espacial, etc.) son
en general desconocidos y comparativamente poco atendidos por los investigadores
y usuarios de robots.
Figure 2–1: Robot diseñado por Ralph Mosher.
Por su propia concepción, un tele manipulador precisa el mando continuo de un
operador, y salvo por las aportaciones incorporadas con el concepto del control su-
pervisado y la mejora de la tele presencia promovida hoy d´ıa por la realidad virtual,
sus capacidades no han variado mucho respecto a las de sus or´ıgenes. La sustitución
del operador por un programa de ordenador que controlase los movimientos del
manipulador robot. La primera patente de un dispositivo robotico fue solicitada en
marzo de 1954 por el inventor británico C.W. Kenward. Dicha patente fue emitida en

12
el Reino Unido en 1957, sin embargo fue Geoge C. Devol, ingeniero norteamericano,
inventor y autor de varias patentes, él estableció las bases del robot industrial mod-
erno. En 1954 Devol concibió la idea de un dispositivo de tr ansferencia de art´ıculos
programada que se patentó dio en paso al Estados concepto Unidos en de 1961.
En 1956 Joseph F. Engelberger, director de ingenier´ıa de la división aeroespacial
de la empresa Manning Maxwell y Moore en Stanford, Conneticut. Juntos Devol y
Engelberger comenzaron a trabajar en la utilización industrial de sus maquinas, fun-
dando la Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en Unima-
tion(Universal Automation), e instalando su primera maquina Unimate (1960), en la
fabrica de General Motors de Trenton, Nueva Jersey, en una aplicación de fundición
por inyección. Otras grandes empresas como AMF, emprendieron la construcción de
maquinas similares (Versatran- 1963. En 1968 J.F. Engelberger visito Japón y poco
más tarde se firmaron acuerdos con Kawasaki para la construcción de robots tipo
Unimate. El crecimiento de la robótica en Japón aventaja en breve a los Estados
U nidos gracias a Nissan, que formo la primera asociación robótica del mundo, la
Asociación de Robótica industrial de Japón (JIRA) en 1972. Dos años mas tarde se
formo el Instituto de Robótica de América (RIA), que en 1984 cambio su nombre
por el de Asociación de Industrias Robóticas, manteniendo las mismas siglas (RIA.
Por su parte Europa tuvo un despertar más tard´ıo. En 1973 la firma sueca ASEA
construyo el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico, en 1980 se fundo
la Federación Internacional de Robótica con sede en Estocolmo Suecia. La configu-
ración de los primeros robots respond´ıa a las denominadas configuraciones esférica
y antropomórfica, de uso especialmente valido para la manipulación. En 1982, el
profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japón, desarrolla el concepto de
robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) que busca un robot con
un numero reducido en grados de libertad (3 o 4), un coste limitado y una config-
uración orientada al ensamblado de piezas La definición del robot industrial, como

13
una maquina que puede efectuar un numero diverso de trabajos, automáticamente,
mediante la programación previa, no es valida, por que existen bastantes maquinas
de control numérico que cumplen esos requisitos. Una peculiaridad de los robots es
su estructura de brazo mecánico y otra su adaptabilidad a diferentes aprehensores
o herramientas. Otra caracter´ıstica especifica del robot, es la posibilidad de llevar a
cabo trabajos completamente diferentes, e incluso tomar decisiones según la infor-
mación procedente del mundo exterior, mediante el adecuado programa operativo
en su sistema informático.
Se pueden distinguir cinco fases relevantes en el desarrollo de la Robótica Industrial:
1. El laboratorio ARGONNE diseña, en 1950, manipuladores amo-esclavo para mane-
jar material radioactivo
2. Unimation, fundada en 1958 por Engelberger y hoy absorbida por Whestinghouse,
realiza los primeros proyectos de robots a principios de la década de los sesentas
de nuestro siglo, instalando el primero en 1961 y posteriormente, en 1967, un
conjunto de ellos en una factor´ıa de general motors. Tres años después, se inicia la
implantación de los robots en Europa, especialmente en el área de fabricación de
automóvi les. Japón comienza a implementar esta tecnolog´ıa hasta 1968.
3. Los laboratorios de la Universidad de Stanford y del MIT acometen, en 1970, la
tarea de controlar un robot mediante computador
4. En el año de 1975, la aplicación del microprocesador, transforma la imagen y las
caracter´ısticas del robot, hasta entonces grande y costoso
5. A partir de 1980, el fuerte impulso en la investigación, por parte de las empresas
fabricantes de robots, otros auxiliares y diversos departamentos de Universidades
de todo el mundo, sobre la informática aplicada y la experimentación de los sen-
sores, cada vez mas perfeccionados, potencian la configuración del robot inteligente
capaz de adaptarse al ambiente y tomar decisiones en tiempo real, adecuarlas para
cada situación.

14
La evolución de los robots industriales desde sus principios ha sido vertiginosa. En
poco mas de 30 años las investigaciones y desarrollos sobre robótica industrial han
permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las áreas productivas y tipos
de industria. En pequeñas o grandes fabricas, los robots pueden sustituir al hombre
en aquellas áreas repetitivas y hostiles, adaptándose inmediatamente a los cambios
de producción solicitados por la demand a variable.
2.1.1 Breve Historia de la robótica
Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imitan las partes del cuerpo
humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de sus dioses.
Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de
estos era inspiración de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban
con sistemas hidráulicos, las cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los
templos. Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos
mecánicos muy ingeniosos que ten´ıan algunas caracter´ısticas de robots. Jacques
de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo
XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito
espec´ıfico: la diversión.
En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer
dibujos, véase Figura 2–2. Una serie de levas se utilizaban como ’ el programa ’
para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Éstas creaciones mecánicas
de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio
de hombres que se anticiparon a su época.
Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por
mente s de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la pro-
ducción textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770),
la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785),

15
Figure 2–2: Muñeca dibujante diseñada por Henri Maillardert.
eltelar de Jacquard (1801), y otros. El desarrollo en la tecnolog´ıa, donde se incluyen
las poderosas computadoras electrónicas, los actuadores de control retroalimenta-
dos, transmisión de potencia a través de engranes, y la tecnolog´ıa en sensores han
contribuido a flexibilizar los mecanismos autómatas para desempeñar tareas dentro
de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los
primeros robots en la década de los 50’s. La investigación en inteligencia artificial
desarrolló maneras de emular el procesamiento de información humana con computa-
doras electrónicas e inventó una variedad de mecanismos para probar sus teor´ıas. No
obstante las limitaciones de las máquinas robóticas actuales, el concepto popular de
un robot es que tiene una apariencia humana y que actúa como tal. Este concepto
humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficción.
Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossum’s
Universal Robots, dio lugar al término robot. La palabra checa ’Robota’ significa
servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirtió en el

16
término robot. Dicha narración se refiere a un brillante cient´ıfico llamado Rossum
y su hijo, quienes desarrollan una sustancia qu´ımica que es similar al protoplasma.
Utilizan ésta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots
sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos f´ısicos.
Rossum sigue realizando mejoras en el diseño de los robots, elimina órganos y otros
elementos in necesarios, y finalmente desarrolla un ser ”perfecto”. El argumento ex-
perimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir
con su papel de servidores y se rebelan contra sus dueños, destruyendo toda la vida
humana. Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con varias
narraciones relativas a robots, comenzó en 1939, a él se atribuye el acuñamiento
del término Robótica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una
máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con
tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de
la Robótica, y son:
1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, que un
ser humano sufra daños
2. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que
estén en conflictos con la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las
dos primeras leyes.
Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano,
de ésta forma su actitud contraviene a la de Kapek.
En el siguiente link, se puede profundizar en este tema:
2.1.2 Automatización y robótica
La historia de la automatización industrial está caracterizada por per´ıodos de con-
stantes innovaciones tecnológicas. Esto se debe a que las técnicas de automatización

17
están muy ligadas a los sucesos económicos mundiales. El uso de robots industriales
junto con los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), y los sistemas
de fabricación asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia de au-
tomatización de los procesos de fabricación. Éstas tecnolog´ıas conducen a la au-
tomatización industrial a otra transición, de alcances aún desconocidos. Aunque el
crecimiento del mercado de la industria Robótica ha sido lento en comparación con
los primeros años de la década de los 80´s, de acuerdo a algunas predicciones, la
industria de la robótica está en su infancia. Ya sea que éstas predicciones se realicen
completamente, o no, es claro que la industria robótica, en una forma o en otra,
permanecerá.
En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en operaciones
muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisión. Los análisis
de mercado en cuanto a fabricación predicen que en ésta década y en las poste-
riores los robots industriales incrementaran su campo de aplicación, esto debido
a los avances tecnológicos en sensorica, los cuales permitirán tareas mas sofisti-
cadas como el ensamble de materiales. la automatización y la robótica son dos
tecnolog´ıas estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir
la automatización como una tecnolog´ıa que está relacionada con el empleo de sis-
temas mecánicos-eléctricos basados en computadoras para la operación y control de
la producción. En consecuencia la robótica es una forma de automatización indus-
trial.
Hay tres clases muy amplias de automatización industrial: automatización fija, au-
tomatización programable, y automatización flexible. La automatización fija se
utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto se puede justificar
económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el
producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Además de esto,

18
otro inconveniente de la automatización fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a
la vigencia del producto en el mercado. La automatización programable se emplea
cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de pro-
ducción a obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse
a la variaciones de configuración del producto; ésta adaptación se realiza por medio
de un programa (Software). Por su parte la automatización flexible es más adecuada
para un rango de producción medio. Estos sistemas flexibles poseen caracter´ısticas
de la automatización fija y de la automatización programada. Los sistemas flexibles
suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre
s´ı, y por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en
su conjunto por una computadora. De los tres tipos de automatización, la robótica
coincide más estrechamente con la automatización programable.
En tiempos más recientes, el control numérico y la telequerica son dos tecnolog´ıas
importantes en el desarrollo de la robótica. El control numérico (NC) se desar-
rolló para máquinas herramienta a finales de los años 40 y principios de los 50´s.
Como su nombre lo indica, el control numérico implica el control de acciones de un
máquina-herramienta por medio de números. Está basado en el trabajo original de
Jhon Parsons, que concibió el empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de
posiciones, para controlar los ejes de una máquina-herramienta.
El campo de la telequerica abarca la utilización de un manipulador remoto contro-
lado por un ser humano.
A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo mecánico
que traduce los movimientos del operador humano en movimientos correspondientes
en una posición remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la telequerica. En
1948 construyó un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el Argonne

19
Figure 2–3: Cyril Walter Kenward y George C. Devol.
National Laboratory. El empleo más frecuente de los teleoperadores se encuentra en
la manipulación de sustancias radiactivas, o peligrosas para el ser humano.
La combinación del control numérico y la telequerica es la base que constituye al
robot modelo. Hay dos individuos (véase Figura 2–3) que merecen el reconocimiento
de la confluencia de éstas dos tecnolog´ıas y el personal que pod´ıa ofrecer en las
aplicaciones industriales. El primero fue un inventor británico llamado Cyril Walter
Kenward, que solicitó una patente británica para un dispositivo robótico en marzo
de 1954. La segunda persona citada es George C. Devol, inventor americano, al que
debe atribuirse dos invenciones que llevaron al desarrollo de los robots hasta nuestros
d´ıas. La primera invención consist´ıa en un dispositivo para grabar magnéticamente
señales eléctricas y reproducirlas para controlar un máquina. La segunda invención
se denominaba Transferencia de Art´ıculos Programada.
En el contexto de la automatización un robot industrial se puede definir como
una máquina programable de uso general que tiene algunas caracter´ısticas antropomórficas

20
o ¨humanoides¨. La más relevante es la de sus brazos móviles, los que se desplazarán
por medio de secuencias de movimientos que son programados para la ejecución de
tareas de utilidad. La definición oficial de un robot industrial se pro porciona por
la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of
América. ” Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable
diseñado para desplazar materiales , piezas, herramientas o dispositivos especiales,
mediante movimientos variables programados para la ejecución de una diversidad
de tareas ”. Se espera en un futuro no muy lejano que la tecnolog´ıa en robótica se
desplace en una dirección que sea capaz de proporcionar a éstas máquinas capaci-
dades más similares a las humanas.
2.1.3 Clasificación de los robots
La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del
robot dentro de las limitantes del diseño mecánico y la capacidad de los sensores.
Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generación, a su nivel de inteligencia,
a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programación. Éstas clasificaciones
reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada inter-
acción de los sensores. La generación de un robot se determina por el orden histórico
de desarrollos en la robótica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los
robots industriales. La tercera generación es utilizada en la industria, la cuarta se
desarrolla en los laboratorios de investigación, y la quinta generación es un gran
sueño.
1. Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas,
como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos
robots comúnmente tienen un control de lazo abierto.
2. Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimien-
tos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores

21
3. Robots controlados por visión, donde los robots pueden manipular un objeto al
utilizar información desde un sistema de visión.
4. Robots controlados que pueden automáticamente reprogramar sus acciones sobre
la base de los datos obtenidos por los sensores.
5. Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las técnicas de inteligen-
cia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.
La Asociación de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis
clases sobre la base de su nivel de inteligencia:
1. Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.
2. Robots de secuencia arreglada
3. Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia
fácilmente.
4. Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a través de la
tarea.
5. Robots de control numérico, donde el operador alimenta la programación del
movimiento, hasta que se enseñe manualmente la tarea
6. Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el
medio ambiente.
Los programas en el controlador del robot pueden ser agrupados de acuerdo al nivel
de control que realizan:
1. Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptará un comando como ”lev-
antar el producto” y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo
nivel basados en un modelo estratégico de las tareas.

22
2. Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo
que se incluye la interacción dinámica entre los diferentes mecanismos, trayectorias
planeadas, y los puntos de asignación seleccionados.
3. Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parámetros de los
mecanismos con el uso de una retroalimentación interna de los datos obtenidos por
los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de
sensores externos. Todas las detecciones de fallas y mecanismos de corrección son
implementados en este nivel.
En la clasificación final se considerara el nivel del lenguaje de programación. La clave
para una aplicación efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el
desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programación de
robots, aunque la mayor´ıa del software más avanzado se encuentra en los laboratorios
de investigación. Los sistemas de programación de robots caen dentro de tres clases:
1. Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a través de los movimientos
a ser realizados
2. Sistemas de programación de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un pro-
grama de computadora al especificar el movimiento.
3. Sistemas de programación de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la op-
eración por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula
2.2 Aplicaciones
Los robots son utilizados en una diversidad de aplicaciones, desde robots tortugas
en los salones de clases, robots soldadores en la industria automotriz, hasta brazos
teleoperados en el transbordador espacial. Cada robot lleva consigo su problemática
propia y sus soluciones afines; no obstante que mucha gente considera que la autom-
atización de procesos a través de robots está en sus inicios, es un hecho innegable que

23
la introducción de la tecnolog´ıa robótica en la industria, ya ha causado un gran im-
pacto. En este sentido la industria Automotriz desempeña un papel preponderante.
Es necesario hacer mención de los problemas de tipo social, económicos e incluso
pol´ıtico, que puede generar una mala orientación de robotización de la industria.
Se hace indispensable que la planificación de los recursos humanos, tecnológicos y
financieros se realice de una manera inteligente. La Robótica contribuirá en gran
medida al incremento del empleo. ¿Pero, como se puede hacer esto? al automatizar
los procesos en máquinas más flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce
una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma
de fabricación de los mismos. Esto puede originar una gran cantidad de empresas
familiares (Micro y pequeñas empresas ) lo que provocar´ıa la descentralización de la
industria.
2.2.1 Industria
Los robots son utilizados por una diversidad de procesos industriales como lo son:
la soldadura de punto y soldadura de arco, pinturas de spray, transportación de
materiales, molienda de materiales, moldeado en la industria plástica, máquinas-
herramientas, y otras más. A continuación se hará una breve explicación de algunas
de ellas.
2.2.2 Transferencia de material
Las aplicaciones de transferencia de material (véase Figura 2–4) se definen como
operaciones en las cuales el objetivo primario es mover una pieza de una posición a
otra. Se suelen considerar entre las operaciones más sencillas o directas de realizar
por los robots. Las aplicaciones normalmente necesitan un robot poco sofisticado,
y los requisitos de enclavamiento con otros equipos son t´ıpicamente simples

24
Figure 2–4: Robot tranasportador de material.
2.2.3 Carga y descarga de máquinas
Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot se utiliza para
servir a una máquina de producción transfiriendo piezas a/o desde las máquinas.
Existen tres casos que caen dentro de ésta categor´ıa de aplicación:
Carga/Descarga de Máquinas. El robot carga una pieza de trabajo en bruto en el
proceso y descarga una pieza acabada. Una operación de mecanizado es un ejemplo
de este caso. Carga de máquinas. El robot debe de cargar la pieza de trabajo en
bruto a los materiales en las máquinas, pero la pieza se extrae mediante algún otro
medio. En una operación de prensado, el robot se puede programar para cargar
láminas de metal en la prensa, pero las piezas acabadas se permite que caigan fuera
de la prensa por gravedad. Descarga de máquinas. La máquina produce piezas
acabadas a partir de materiales en bruto que se cargan directamente en la máquina
sin la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la máquina. Ejemplos de
ésta categor´ıa incluyen aplicaciones de fundición de troquel y moldeado plástico. La
aplicación se tipifica mejor mediante una célula de trabajo con el robot en el centro
que consta de la máquina de producción, el robot y alguna forma de entrega de
piezas.

25
2.2.4 Operaciones de procesamiento
Además de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una gran clase de aplicaciones
en las cuales el robot realmente efectúa trabajos sobre piezas. Este trabajo casi
siempre necesita que el efector final del robot sea una herramienta en lugar de una
pinza. Por tanto la utilización de una herramienta para efectuar el trabajo es una
caracter´ıstica distinta de este grupo de aplicaciones. El tipo de herramienta depende
de la operación de procesamiento que se realiza.
• Soldadura por puntos: Como el término lo sugiere, la soldadura por puntos es un
proceso en el que dos piezas de metal se soldan en puntos localizados, al hacer pasar
una gran corriente eléctrica a través de las piezas donde se efectúa la soldadura.
• Soldadura por arco continua: La soldadura por arco es un proceso de soldadura
continua en oposición a la soldadura por punto que podr´ıa llamarse un proceso
discontinuo. Se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones soldadas en
las cuales, a menudo, se necesita un cierre hermético entre las dos piezas de metal
que se van a unir. El proceso utiliza un electrodo en forma de barra o alambre de
metal para suministrar la alta corriente eléctrica de 100 a 300 amperes
• Recubrimiento con spray: La mayor´ıa de los productos fabricados de materiales
metálicos requieren de alguna forma de acabado de pintura antes de la entrega al
cliente. La tecnolog´ıa para aplicar estos acabados varia en la complejidad desde
métodos manuales simples a técnicas automáticas altamente sofisticadas. Se divi-
den los métodos de recubrimiento industrial en dos categor´ıas:
– Métodos de recubrimiento de flujo e inmersión.
– Métodos de recubrimiento al spray.
Los métodos de recubrimiento mediante flujo de inmersión se suelen considerar que
son métodos de aplicar pintura al producto de baja tecnolog´ıa. La inmersión sim-
plemente requiere sumergir la pieza o producto en un tanque de pintura liquida.

26
2.2.5 Otras operaciones de procesamiento
Además de la soldadura por punto, la soldadura por arco, y el recubrimiento al
spray existe una serie de otras aplicaciones de robots que utilizan alguna forma de
herramienta especializada como efector final. Operaciones que están en ésta cate-
gor´ıa incluyen: Taladro, acanalado, y otras aplicaciones de mecanizado. Rectificado,
pulido, desbarbado, cepillado y operaciones similares. Remachado, Corte por chorro
de agua. Taladro y corte por láser.
2.2.6 Procesos de laboratorio
Los robots están encontrando un gran número de aplicaciones en los laboratorios
(véase Figura 2–5). Llevan a cabo con efectividad tareas repetitivas como la colo-
cación de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medición. En ésta etapa
de su desarrollo los robots son utilizados para realizar procedimientos manuales au-
tomatizados. Un t´ıpico sistema de preparación de muestras consiste de un robot y
una estación de laboratorio, la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados,
racks de tubos de pruebas, etc. Las muestras son movidas desde la estación de lab-
oratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa.
Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la operación
manual: incrementan la productividad, mejoran la calidad y reducen la exposición
del ser humano a sustancias qu´ımicas nocivas.
Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medición del pH, viscosidad, y el por-
centaje de sólidos en pol´ımeros, preparación de plasma humano para muestras ,
calor, flujo, peso y disolución de muestras para espectrometr´ıas.

27
Figure 2–5: Robot usado en laboratorios.
2.2.7 Manipuladores cinemáticos
La tecnolog´ıa robótica encontró su primer aplicación en la industria nuclear con el
desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo. Los robots más re-
cientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la inspección de tuber´ıas
(véase Figura 2–6) en áreas de alta radiación. El accidente en la planta nuclear de
Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimuló el desarrollo y aplicación de
los robots en la industria nuclear. El reactor numero 2 (TMI-2) perdió su enfri-
amiento, y provocó la destrucción de la mayor´ıa del reactor, y dejó grandes áreas
del reactor contaminadas, inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles
de radiación las tareas de limpieza solo eran posibles por medios remotos.
Varios robots y veh´ıculos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin
en los lugares donde ha ocurrido una catástrofe de este tipo.

28
Ésta clase de robots son equipados en su mayor´ıa con sofisticados equipos para detec-
tar niveles de radiación, cámaras, e incluso llegan a traer a bordo un minilaboratorio
para hacer pruebas.
Figure 2–6: Robot usado para explorar tuberias.
2.2.8 Agricultura
Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia ficción, pero la realidad
es muy diferente; o al menos as´ı parece ser para el Instituto de Investigación Aus-
traliano, el cual ha invertido una gran cantidad de dinero y tiempo en el desarrollo
de este tipo de robots. Entre sus proyectos se encuentra una máquina que esquila
ovejas (véase Figura 2–7.) La trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas
se planea con un modelo geométrico de la oveja.
Para compensar el tamaño entre la oveja real y el modelo, se tiene un conjunto de
sensores que registran la información de la respiración del animal como de su mismo
tamaño, ésta es mandada a una computadora que realiza las compensaciones nece-
sarias y modifica la trayectoria del cortador en tiempo real.
Debido a la escasez de trabajadores en los obradores, se desarrolla otro proyecto,
que consiste en hacer un sistema automatizado de un obrador, el prototipo requiere
un alto nivel de coordinación entre una cámara de v´ıdeo y el efector final que realiza
en menos de 30 segundos ocho cortes al cuerpo del cerdo.
Por su parte en Francia se hacen aplicaciones de tipo experimental para incluir a los

29
robots en la siembra, y poda de los viñedos, como en la pizca de la manzana.
Figure 2–7: Robot usado para esquilar ovejas.
2.2.9 Espaciales
La exploración espacial posee problemas especiales para el uso de robots (véase
Figura 2–8). El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un
equipo de protección muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio. Muchos
cient´ıficos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de Robots para contin-
uar con los avances en la exploración espacial; pero como todav´ıa no se llega a un
grado de automatización tan precisa para ésta aplicación, el ser humano aún no ha
podido ser reemplazado por estos. Por su parte, son los teleoperadores los que han
encontrado aplicación en los transbordadores espaciales.
En Marzo de 1982 el transbordador Columbia fue el primero en utilizar este tipo
de robots, aunque el ser humano participa en la realización del control de lazo cer-
rado. Algunas investigaciones están encaminadas al diseño, construcción y control
de veh´ıculos autónomos, los cuales llevarán a bordo complejos laboratorios y cámaras
muy sofisticadas para la exploración de otros planetas.
En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del Lunokhod 1, el cual

30
pose´ıa cámaras de televisión, sensores y un pequeño laboratorio, era controlado re-
motamente desde la tierra. En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en
Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recog´ıa muestras de
piedra, tierra y otros elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue
acondicionado en el interior del robot. Por supuesto también contaba con un equipo
muy sofisticado de cámaras de v´ıdeo.
Figure 2–8: Robot usado para exploraciones espaciales.
2.2.10 Vehiculos submarinos
Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el interés de
los veh´ıculos submarinos. En el primero - Un avión de la Air Indian se estrelló en
el Océano Atlántico cerca de las costas de Irlanda u n veh´ıculo submarino guiado
remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para
encontrar y recobrar la caja negra del avión. El segundo fue el descubrimiento del
Titanic en el fondo de un cañón, donde hab´ıa permanecido después del choque con
un iceberg en 1912, cuatro kilómetros abajo de la superficie. Un veh´ıculo submarino
fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.
En la actualidad muchos de estos veh´ıculos submarinos se utilizan en la inspección
y mantenimiento de tuber´ıas que conducen petróleo, gas o aceite en las plataformas
oceánicas; en el tendido e inspección del cableado para comunicaciones, para inves-
tigaciones geológicas y geof´ısicas en el suelo marino.

31
La tendencia hacia el estudio e investigación de este tipo de robots se incrementará
a medida que la industria se interese aún más en la utilización de los robots, sobra
mencionar los beneficios que se obtendr´ıan si se consigue una tecnolog´ıa segura para
la exploración del suelo marino y la explotación del mismo.
2.2.11 Educación
Los robots están apareciendo en los salones de clases de tres distintas formas.
Primero, los programas educacionales utilizan la simulación de control de robots
como un medio de enseñanza. Un ejemplo palpable es la utilización del lenguaje de
programación del robot Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es utilizado
por la introducción a la enseñanza de la programación.
El segundo y de uso más común es el uso del robot tortuga en conjunción con el
lenguaje LOGO para enseñar ciencias computacionales. LOGO fue creado con la
intención de proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en el apren-
dizaje de las matemáticas.
En tercer lugar está el uso de los robots en los salones de clases. Una serie de manip-
uladores de bajo costo, robots móviles, y sistemas completos han sido desarrollados
para su utilización en los laboratorios educacionales. Debido a su bajo costo mu-
chos de estos sistemas no poseen una fiabilidad en su sistema mecánico, tienen poca
exactitud, no tienen sensores y en su mayor´ıa carecen de software.
2.3 El mercado de la robótica y las perspectivas futuras
Las ventas anuales para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos
a razón del 25% de acuerdo a estad´ısticas del año 1981 a 1992. El incremento de
ésta tasa se debe a factores muy diversos. En primer lugar, hay más personas en
la industria que tienen conocimiento de la tecnolog´ıa y de su potencial para sus
aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnolog´ıa de la robótica mejorará en

32
los próximos años de manera que hará a los robots más amistosos con el usuario,
más fáciles de interconectar con otro hardware y más sencillos de instalar.
En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles econom´ıas de escala en la
producción de robots para proporcionar una reducción en el precio unitario, lo que
har´ıa los proyectos de aplicaciones de robots más fáciles de justificar. En cuarto
lugar se espera que el mercado de la robótica sufra una expansión más allá de las
grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para ésta tecnolog´ıa, y llegue
a las empresas de tamaño mediano, pequeño y ¿por qué no?; las microempresas.
Estas circunstancias darán un notable incremento en las bases de clientes para los
robots.
La robótica es una tecnolog´ıa con futuro y también para el futuro. Si continúan las
tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigación en el laboratorio
actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnolog´ıa factible, los robots
del futuro serán unidades móviles con uno o más brazos, capacidades de sensores
múltiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de cálculo que las
grandes computadoras actuales. Serán capaces de responder a órdenes dadas con voz
humana. As´ı mismo serán capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas,
con el uso de la inteligencia artificial en un conjunto espec´ıfico de acciones requeri-
das para llevarlas a cabo. Podrán ver, o´ır, palpar, aplicar una fuerza media con
precisión a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros
robots tendr´ıan muchos de los atributos de los seres humanos. Es dif´ıcil pensar
que los robots llegarán a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de
Carel Kapek, Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robótica es una
tecnolog´ıa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo,
como otras tecnolog´ıas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse
salvaguardas para no permitir su uso pernicioso.

33
El paso del presente al futuro exigirá mucho trabajo de ingenier´ıa mecánica, inge-
nier´ıa electrónica, informática, ingenier´ıa industrial, tecnolog´ıa de materiales, inge-
nier´ıas de sistemas de fabricación y ciencias sociales.
2.4 Subsistemas del robot
Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticación, depende de la per-
spectiva con que se mire. Un técnico en mantenimiento puede ver un robot como
una colección de componentes mecánicos y electrónicos; por su parte un ingeniero
en sistemas puede pensar que un robot es una colección de subsistemas interrela-
cionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una máquina para
ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una máquina
capaz de realizar un tarea espec´ıfica. En contraste, un cient´ıfico puede pensar que un
robot es un mecanismo que él construye para probar una hipótesis. Un robot puede
ser descompuesto en un conjunto de subsistemas funcionales: procesos, planeación,
control, sensores, sistemas eléctricos, y sistemas mecánicos.
El subsistema de Software es una parte impl´ıcita de los subsistemas de sensores,
planeación, y control; que integra todos los subsistemas como un todo. En la actu-
alidad, muchas de las funciones llevadas a cabo por los subsistemas son realizadas
manualmente, o de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en estos
campos permitirán la automatización de dichas tareas.
El Subsistema de Procesos incluye las tareas que lleva acabo el robot, el medio
ambiente en el cual es colocado, y la interacción entre este y el robot. Este es el
dominio de la ingenier´ıa aplicada. Antes de que un robot pueda realizar una tarea,
ésta debe ser buscada dentro de una secuencia de pasos que el robot pueda ejecutar.
La tarea de búsqueda es llevada acabo por el Subsistema de Planeación, el cuál
incluye los modelos de procesos inteligente s, percepción y planeación. En el modelo
de procesos, los datos que se obtienen de una variedad de sensores son fusionados

34
(Integración Sensorial) con modelos matemáticos de las tareas para formar un mod-
elo del mundo. Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepción selecciona
la estrategia para ejecutar la tarea. Estas estrategias son convertidas dentro de los
programas de control de el robot durante el proceso de planeación.
Estos programas son ejecutados por el Subsistema de Control; en este subsis-
tema, los comandos de alto nivel son convertidos en referencias para actuadores
f´ısicos, los valores retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los
algoritmos de control estabilizan el movimiento de los elementos f´ısicos.
Al realizar ésta tarea los mecanismos son modelados, el proceso es modelado, la
ganancia de lazo cerrado puede ser adaptada, y los valores medidos son utilizados
para actualizar los procesos y los modelos de los mecanismos.
Desde el subsistema de control se alimentan las referencias de los actuadores al
Subsistema Eléctrico el cuál incluye todos los controles eléctricos de los actu-
adores. Los actuadores hidráulicos y neumáticos son usualmente manejados por
electroválvulas controladas. También, este subsistema contiene computadoras, in-
terfaces, y fuentes de alimentación. Los actuadores manejan los mecanismos en el
Subsistema Mecánico para operar en el medio ambiente, esto es, realizar una
tarea determinada. Los parámetros dentro del robot y del medio ambiente son
monitoreados por el Subsistema de Sensores; ésta información se utiliza como
retroalimentación en las ganancias de lazo cerrado para detectar potencialmente las
situaciones peligrosas, para verificar que las tareas se realizan correctamente, y para
construir un modelo del mundo.

35
2.5 Robot Industrial
2.5.1 Definición
Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que
es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual en-
tre el mercado japonés y el euro americano de lo que es un robot y lo que es un
manipulador. As´ı, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier
dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación,
el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre
todo en lo relativo al control.
En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque existe una
idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo
a la hora de establecer una definición formal. Adem ás, la evolución de la robótica
ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición. La definición mas
comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias Robóticas
(RIA), según la cual: Un robot industrial es un manipulador multifuncional repro-
gramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales,
según trayectorias variables, programadas para realizar diversas. Esta definición,
ligeramente modificada, ha sido ad optada por la Organización Internacional de
Estándares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional
reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas,
herramientas o dispositivos especiales según trayectorias tareas variables progra-
madas para realizar tareas diversas.
Se incluye en esta definición la necesidad de que e l robot tenga varios grados de lib-
ertad. Una definición más completa es la establecida por la Asociación Francesa de
Normalización (AFNOR) que define primero el manipulador y, basándose en dicha
definición el robot:

36
Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articula-
dos entre s´ı, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y
puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo
lógico.
Robot: manipulador automático servo controlado, reprogramable, polivalente, ca-
paz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayec-
toria variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente
tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de
control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del en-
torno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera c´ıclica, pudiéndose
adaptar a otra sin cambios permanentes en su material
Por ultimo, la Federación Internacional de Robótica (IFR) distingue entre robot
industrial de manipulación y otros robots:
Por robot industrial de manipulación se entiende a una maquina de manipulación
automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posi-
cionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la
ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial,
ya sea en una posición fija o en movimiento.
En esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y multifunción se
consigue sin modificaciones f´ısicas del robot. Común en todas las definiciones ante-
riores es la aceptación del robot industrial como un brazo mecánico con capacidad
de manipulación y que incorpora un control más o menos complejo. Un sistema
robotizado, en cambio, es un concepto más amplio. Engloba todos aquellos dispos-
itivos que realizan tareas de forma automática en sustitución de un ser humano y
que pueden incorporar o no a uno o varios robots, siendo esto último lo más frecuente.

37
Figure 2–9: Robot manipulador.
2.5.2 Clasificación de robots industriales
La maquinaria para la automatización r´ıgida dio paso al robot con el desarrollo de
controladores rápidos, basados en el microprocesador, as´ı como un empleo de ser-
vos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posición real de los
elementos del robot y establecer el error con la posición deseada. Esta evolución ha
dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuación:
• Manipuladores: Son sistemas mecánicos multifunciónales (véase Figura 2–9),
con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus
elementos, de los siguientes modos:
– Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.
– De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo
preparado previamente.
– De secuencia variable: Se pueden alterar algunas caracter´ısticas de los ciclos
de trabajo.
Existen muchas operaciones básicas que pueden ser realizadas óptimamente medi-
ante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos
dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.
• Robots de aprendizaje: Son manipuladores que se limitan a repetir una secuen-
cia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso

38
de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el op-
erario en la fase de enseñanza, se vale de una pistola de programación con diversos
pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniqu´ı, o a veces, desplaza
directamente la mano del robot.Los robots de aprendizaje son los mas conocidos,
hoy d´ıa, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan,
recibe el nombre de ”gestual”.
• Robots computador: Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales,
controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador.
En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de
la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador
dispone de un lenguaje especifico, compuesto por varias instrucciones adaptadas
al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicación utilizando
solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programación se le denomina
textual y se crea sin la intervención con control por del manipulador. Las grandes
ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el
mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personal cualificado,
capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informático.
• Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, además, son
capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y tomar
decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conoci-
dos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los
grupos investigadores por potenciarles y hacerles más efectivos, al mismo tiempo
que más asequibles. La visión artificial, el sonido de máquina y la inteligencia ar-
tificial, son las ciencias que más están estudiando para su aplicación en los robots
inteligentes.

39
• Micro-robots: Con fines educacionales, de entretenimiento o investigación, ex-
isten numerosos robots de formación o micro-robots a un precio muy asequible y,
cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial.
Por otra parte la AFRI, sostiene que hay cuatro tipos de robots:
1. Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.
2. Tipo B: Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación mediante
fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o
hidráulico.
3. Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de
conocimiento sobre su entorno.
4. Tipo D: Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en
función de estos.
Otra forma de clasificar los robots es propuesta por la IFR:
1. Robot secuencial
2. Robot de trayectoria controlable
3. Robot Adaptativo
4. Robot Manipulado
Por último y con el fin de dar una visión del posible futuro, se presentaron en forma
clasificada, buena parte de los diversos tipos de robots que se puedan encontrar hoy
en d´ıa. Todos los robots representados existen en la actualidad, aunque los casos más
futuristas están en estado de desarrollo en los centros de investigación de robótica.
Robots de servicio y teleoperados
En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como:
Dispositivos o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecánicos
independientes, controlados por un programa ordenador y que realizan tareas no
industriales de servicio.

40
En esta definición entrar´ıan entre otros los robots dedicados a cuidados médicos,
educación, domésticos, uso en oficinas, intervención en ambientes peligrosos, aplica-
ciones aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definición de robots
de servicio excluye los tele espaciales, manipuladores, pues estos no se mueven medi-
ante el control de un programa ordenador, sino que están controlados directamente
por el operador humano.
Los robots teleoperados son dispositivos robóticos con brazos manipuladores y sen-
sores con cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador hu-
mano de manera directa o a través de un ordenador. Definidos por la NASA como
Telerobots. El diseño de Telerobots y los Grupos de Aplicaciones desarrollan y apli-
can las tecnolog´ıas para el funcionamiento dirigido de telerobots en el espacio y las
aplicaciones terrestres. Las áreas actuales de investigación y desarrollo incluyen:
• El manipulador y el mando del robot móvil
• Las arquitecturas del telerobot remotas
• Procesado, integración, y fusión, del sistema sensorial.
• Tareas interactivas que planea y ejecuta
• La visualización gráfica de las imágenes sobrepuestas
• Multisensor - el mando equilibrado.
• Micromecanismos - control para el despliegue de los instrumentos
2.6 Morfolog´ıa del Robot
En general, un robot interactua con su entorno tal y como se muestra en la Figura
2–10, A continuación se describen las caracter´ısticas mofológicas más relevantes
propias de los robots y se proporcionan valores concretos de las mismas, para deter-
minados modelos y aplicaciones.

41
Figure 2–10: Diagrama de bloque de un robot.
2.6.1 Grados de Libertad
El numero de grados de libertad que tiene un brazo robot es el numero de magnitudes
que pueden variarse independientemente -por lo general coincide con el numero de
articulaciones moviles- Se necesitan tres grados de libertad para posicionar el efector
terminal dentro de un entorno de trabajo tridimensional. Se necesitan otros tres
para dirigir el efector terminal hacia cualquier direccion. En la figura 2–11, se
muestra un robot con 6 grados de libertad q1, q2, q3, q4, q5 y q6, este numero es el
que generalmente posee un robot industrial.
Figure 2–11: Esquema de un robot industrial con 6 grados de libertad.
2.6.2 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador
Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad,
definen la zona de trabajo del robot, caracter´ıstica fundamental en las fases de se-
lección e implantación del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en

42
áreas diferenciadas entre s´ı, por la accesibilidad especifica del elemento terminal
(aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente
o con el determinado ángulo de inclinación. También queda restringida la zona de
trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.
2.6.3 Capacidad de carga
El peso, en kilogramos, que puede transportar la garra del manipulador recibe el
nombre de capacidad de carga. A veces, este dato lo proporcionan los fabricantes,
incluyendo el peso de la propia garra. En modelos de robots indústriales, la capaci-
dad de carga de la garra, puede oscilar de entre 205kg. y 0.9Kg. La capacidad de
carga es una de las caracter´ısticas que más se tienen en cuenta en la selección de
un robot, según la tarea a la que se destine. En soldadura y mecanizado es común
precisar capacidades de carga superiores a los 50kg.
2.6.4 Problemas a enfrentar
Algunos aspectos a tener en cuenta en el diseño y programación de robots son:
Resolución el uso de sistemas digitales, y otros factores que sólo son un número
limitado de posiciones que están disponibles. As´ı el usuario ajusta a menudo las
coordenadas a la posición discreta más cercana.
La cinemática el error modelado el modelo de la cinemática del robot no em-
pareja al robot exactamente. Como resultado los cálculos de ángulos de la juntura
requeridos contienen un error pequeño.
Los errores de la calibración La posición determinada durante la calibración
puede estar apagada ligeramente, mientras se está produciendo un error en la
posición calculada.
Los errores del azar - los problemas se incrementan conforme el robot opera.
Por ejemplo, fricción, torcimiento estructural, la expansión termica, la repercusión

43
negativa / la falla en las transmisione s, etc. pueden causar las variaciones en la
posición.
2.6.5 Exactitud y Repetibilidad
Exactitud de un punto Mide la distancia entre la posición especificada, y la
posición real del efector de extremo de robot.
• ¿Cómo el robot consigue llegar al punto deseado?
• Cobra mayor importancia cuando se realiza off-line (programando), porque
se usan las coordenadas absolutas.
Repetibilidad Es una medida del error o variabilidad al alcanzar repetidamente
para una sola posición.
• ¿Cómo el movimiento del robot permite llegar a la misma posición, con el
mismo movimiento hecho en ocasiones anteriores?
• La repetibilidad de punto es a menudo más pequeña que la exactitud.
En la Figura 2–12 si quisieramos mover el efector final a cierto punto donde se
encuentra la pieza de trabajo, entonces el robot solamente podr´ıa acercarse al objeto
posicionándose en el punto direccionable más próximo. En otras palabras, no podr´ıa
colocarse exactamente en la posición requerida.
Figure 2–12: Malla de movimiento posible para un robot de dos grados de libertad.
2.6.6 Resolución
La Resolución de punto está basada en un número limitado de puntos que el robot
puede alcanzar, por ejemplo en la Figura 2–13 se muestran como los puntos negros.

44
Estos puntos están t´ıpicamente separados por un mil´ımetro o menos, dependiendo
del tipo de robot. Por ejemplo si un usuario solicitara una posición como 456.4mm,
y el sistema sólo puede mover al mil´ımetro más cercano, 456mm, el error resultante
de exactitud es de 0.4mm.
Figure 2–13: Esquema para definir la resolución de un robot industrial.
La Cinemática de punto y errores de la calibración son básicamente el cambio en
los puntos en el espacio de trabajo que producen un error e (véase Figura 2–14).
T´ıpicamente las caracter´ısticas técnicas del vendedor asumen esa calibración y los
errores modelados son cero.
Figure 2–14: Esquema para visualizar el error de posición.
Los puntos al azar son errores que impedirán al robot volver a la misma situación
exacta cada tiempo, y esto puede modelarse con una distribución de probabilidad
normal sobre cada punto.

45
2.6.7 Precisión en la repetibilidad
Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repetición de los movimientos de
un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que se
deba realizar, la precisión en la repetibilidad de los movimientos es mayor o menor.
As´ı por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha caracter´ıstica ha de ser
menor a +-0.1mm. En soldadura, pintura y manipulación de piezas, la precisión en
la repetibilidad esta comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones de mecanizado,
la precisión ha de ser menor de 1mm.
2.6.8 La resolución del mando
La resolución espacial es el incremento más pequeño de movimiento en que el robot
puede dividir su volumen de trabajo. La resolución espacial depende de dos factores:
los sistemas que controlan la resolución y las inexactitudes mecánicas de los robots.
Control de la resolución es determinado por el sistema de mando de posición del
robot y su sistema de medida de regeneración. Es la habilidad de los controladores de
dividir el rango total de movimiento en incrementos individuales que pueden dirigirse
en el controlador. Los incrementos a veces son llamados ”el direccionamiento parte”
esto depende de la capacidad de almacenamiento en la memoria de mando. El
número de incrementos separados, identificables para un eje particular se muestra
en (2.2):
#incrementos = 2n
(2.1)
Por ejemplo - Para un robot con 8 bits, la resolución de mando de extremo puede
dividir un rango del movimiento en 256 posiciones discretas.
2.6.9 Velocidad
En muchas ocasiones, aumenta extraordinariamente el rendimiento del robot, por
lo que esta magnitud se valora considerablemente en una velocidad la de elección
trabajo elevada, del mismo. En tareas de soldadura y manipulación de piezas es

46
muy aconsejable que la velocidad de trabajo sea alta. En pintura, mecanizado y
ensamblaje, la velocidad debe ser media e incluso baja
2.6.10 Coordenadas de los movimientos
La estructura del manipulador y la relación entre sus elementos proporcionan una
configuración mecánica, que da origen al establecimiento de los parámetros que hay
que conocer para definir la posición y orientación del elemento terminal. Fundamen-
talmente, existen cuatro estructuras clásicas en los manipuladores, que se relacionan
con los correspondientes modelos de coordenadas (véase Figura 2–15), en el espacio
y que se citan a continuación:
• Cartesianas
• Cilindricas
• Polares
• Angulares
Figure 2–15: Configuraciones básicas y coordenadas.

47
2.6.11 Brazos del robot
Tipos de junturas
los tipos de junturas básicos se muestran en la Figura 2–16
Figure 2–16: Tipos de junturas usadas.
Tipos de actuadores
Los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones pueden ser,
según la energ´ıa que consuman, de tipo hidráulico, neumático o eléctrico. Los ac-
tuadores de tipo hidráulico se destinan a tareas que requieren una gran potencia y
grandes capacidades de carga. Dado el tipo de energ´ıa que emplean, se construyen
con mecánica de precisión y su coste es elevado. Los robots hidráulicos, se diseñan
formando un conjunto compacto conformado por la central hidráulica, la cabina
electrónica de control y el brazo del manipulador.
La energ´ıa neumática dota a sus actuadores de una gran velocidad de respuesta,
junto a un bajo coste, pero su empleo está siendo sustituido por elementos eléctricos.
Los motores eléctricos, que cubren la gama de media y baja potencia, acaparan el
campo de la Robótica, por su gran precisión en el control de su movimiento y las

48
ventajas inherentes a la energ´ıa eléctrica que consumen.
2.6.12 Programabilidad
La inclusión del controlador de tipo microelectrónico en los robots industriales, per-
mite la programación del robot de muy diversas formas. En general, los moder-
nos sistemas de robots admiten la programación manual, mediante un modulo de
programación. La programación gestual y textual, controlan diversos aspectos del
funcionamiento del manipulador:
• Control de la velocidad y la aceleración
• Saltos de programa condicionales
• Temporizaciones y pausas
• Edición, modificación, depuración y ampliación de programas
• Funciones de seguridad
• Funciones de sincronización con otras maquinas.
• Uso de lenguajes espec´ıficos de Robótica
2.6.13 Estructura mecánica de un robot
Un robot esta formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmi-
siones, sistema de accionamiento, sistema sensorial, sistema de control y elementos
terminales. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de
estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnolog´ıas seme-
jantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos
se empleen elementos con caracter´ısticas especificas. Mecánicamente, un robot está
formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones (jun-
turas) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos.
La constitución f´ısica de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta
similitud con la anatom´ıa del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer

49
referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como
cuerpo, brazo, codo y muñeca (véase Figura 2–17).
Figure 2–17: Analogia entre un brazo humano y uno robótico.
El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a
diferentes configuraciones, con caracter´ısticas a tener en cuenta tanto en el diseño
y construcción del robot como en su aplicación. Las combinaciones más frecuentes
son con tres articulaciones y que son las más importantes a la hora de posicionar su
extremo en un punto en el espacio.
Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio
son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación,
si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o
herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos
seis grados de libertad. En la práctica, a pesar de ser necesarios los seis grados
de libertad comentados para tener total libertad en el posicionado y orientación
del extremo del robot, muchos robots industriales cuentan con solo cuatro o cinco
grados de libertad, por ser estos suficientes para llevar a cabo las tareas que se
encomiendan.
Existen también casos opuestos, en los que se precisan más de seis grados de libertad
para que el robot pueda tener acceso a todos los puntos de su entorno. As´ı, si
se trabaja en un entorno con obstáculos, el dotar al robot de grados de libertad

50
adicionales le permitirá acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las
que, como consecuencia de los obstáculos, no hubieran llegado con seis grados de
libertad. Otra situación frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional
que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando as´ı el volumen de su
espacio de trabajo.
Cuando el numero de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para
realizar una determinada tarea se dicen que el robot es redundante.
Los eslabones y Junturas - los Eslabones son los miembros estructurales sólidos de
un robot, y las junturas son los acoplamientos movibles entre ellos.
TCP
El Punto de Centro de herramienta (TCP) como en la Figura 2–18, localiza en el
robot la herramienta. T´ıpicamente el TCP se usa al referirse a la posición de los
robots, as´ı como el punto focal de la herramienta. (Por ejemplo el TCP podr´ıa
estar en la punta de una antorcha de la soldadura) El TCP puede especificarse en
el cartesiano, cil´ındrico, esférico, etc., coordenadas que dependen del robot.
Figure 2–18: Punto de centro de la herramienta.
El espacio de trabajo
El robot tiende a tener una geometr´ıa fija, y limitada. El espacio de trabajo es el
l´ımite de posiciones en espacio que el robot puede alcanzar. Para un robot cartesiano
como una grúa mostrada en la Figura 2–19 los espacios de trabajo podr´ıan ser un

51
cuadrado, para los robots más sofisticados los espacios podr´ıan ser de una forma
esferica.
Figure 2–19: Espacio de trabajo.
La velocidad
se refiere a la velocidad máxima que es lograble por el TCP, o por las junturas indi-
viduales. Este número no es exacto en la mayor´ıa de los robots, y variará encima del
espacio de trabajo como la geometr´ıa del robot cambia (y de los efectos dinámicos).
La carga útil
La carga útil indica la masa máxima que el robot puede alcanzar antes de cualquier
fracaso de los robots, o pérdida dramática de exactitud. Es posible exceder la carga
útil máxima, y todav´ıa tiene el robot, que operar, pero esto no se aconseja. Cuando
el robot está acelerando rápidamente, la carga útil debe estar menos de la masa
máxima. Esto es afectado por la habilidad de agarrar la parte firmemente, as´ı como
la estructura del robot, y el actuador. El extremo de brazo al laborar con her-
ramienta debe ser considerado parte de la carga útil.
Tiempo de establecimiento
Durante un movimiento, el robot se mueve rápidamente, pero como los acercamien-
tos del robot la posición final se reduce la velocidad, y los acercamientos. El tiempo

52
de establecimiento es el tiempo requerido para el robot, para estar dentro de una
distancia dada de la última posición.
2.6.14 Transmisiones y reductores
Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde
los actuadores hasta las articulaciones. Se incluirán junto con las transmisiones a
los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador
a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot.
Transmisiones
Las transmisiones (véase Figura 2–20 y 2–21)son los elementos encargados de trans-
mitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Se incluirán junto
con las transmisiones a los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad
de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos
del robot. Transmisiones. Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones
elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su momento de inercia. Del
mismo modo, los pares estáticos que deben vencer los actuadores dependendirecta-
mente de la distancia de las masas al actuador. Por estos motivos se procura que
los actuadores, por lo general pesados, estén lo mas cerca posible de la base del
robot. Esta circunstancia obliga a utilizar sistemas de transmisión que trasladen el
movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del
robot.
As´ı mismo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circu-
lar en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puede ser necesario. Existen actualmente
en el mercado robots industriales con acoplamiento directo entre accionamiento y ar-
ticulación. Se trata, sin embargo, de casos particulares dentro de la generalidad que
en los robots industriales actuales supone la existencia de sistemas de transmisión

53
junto con reductores para el acoplamiento entre actuadores y articulaciones Es de
esperar que un buen sistema de transmisión cumpla con una serie de caracter´ısticas
básicas: debe tener un tamaño y peso reducido, se ha de evitar que presente juegos
u holguras considerables y se deben buscar transmisiones con gran rendimiento.
Figure 2–20: Tipos de transmisiones.
Figure 2–21: Engranajes Circular-Circular.
Las transmisiones más habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular
tanto a la entrada como a la salida. Incluidas en éstas se encuentran los engranajes
(véase Figura 2–21), las correas dentadas y las cadenas.
Reductores
En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, s´ı existen determi-
nados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe

54
a que a los reductores utilizados en robótica se les exigen unas condiciones de fun-
cionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas caracter´ısticas viene motivada
por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisión y velocidad
de posicionamiento. La Figura 2–22 muestra valores t´ıpicos de los reductores para
robótica actualmente empleados.
Figure 2–22: Caracteristicas de los reductores.
Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamaño, bajo rozamiento y que al
mismo tiempo sean capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un
único paso. Se tiende también a minimizar su momento de inercia, de negativa influ-
encia en el funcionamiento del motor, especialmente cr´ıtico en el caso de motores de
baja inercia. Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima
admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del
motor. También existe una limitación en cuanto al par de entrada nominal permisi-
ble (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relación de transmisión a través
de la relación:
T2 = ηT1
ω2
ω1
(2.2)
Donde el rendimiento, η, puede llegar a ser cerca del 100%, y la relación de reducción
de velocidades (ω1 = velocidad de entrada; ω2 = velocidad de salida) var´ıa entre 50

55
y 300.
Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos, que implican continuos arranques y
paradas, es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares eleva-
dos puntuales. También se busca que el juego angular sea lo menor posible. Éste se
define como el ángulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro
sin que llegue a girar al eje de entrada. Por ultimo, es importante que los reductores
para robótica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar
sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquél gire un
ángulo unidad.
2.6.15 Actuadores
Los actuadores tienen como misión generar el movimiento de los elementos del robot
según las ordenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes
grupos, según la energ´ıa que utilizan:
• Hidraulicos
• Neumaticos
• Eléctricos
Los actuadores neumáticos utilizan el aire comprimido como fuente de energ´ıa y
son muy indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada.
Los motores hidráulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una
gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad. Los motores
eléctricos son los más utilizados, por su fácil y preciso control, as´ı como por otras
propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del em-
pleo de la energ´ıa eléctrica.

56
Cada uno de estos sistemas presenta caracter´ısticas diferentes, siendo preciso evalu-
arlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente. Las caracter´ısticas
a considerar son, entre otras:
• Potencia
• Controlabilidad
• Peso
• Volumen
• Precisión
• Velocidad
• Mantenimiento
• Costo
2.6.16 Neumáticos
En ellos la fuente de energ´ıa es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de
actuadores neumáticos:
Cilindros El movimiento se consigue con el desplazamiento de un émbolo encerrado
en un cilindro como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados de aquél.
Los cilindros neumáticos pueden ser de simple o de doble efecto. En los primeros,
el émbolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a
presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de
un muelle (que recupera al émbolo a su posición en reposo) véase Figura 2–23. En
los cilindros de doble efecto el aire a presión es el encargado de empujar al émbolo
en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera
de las dos cámaras. Normalmente, con los cilindros neumáticos sólo se persigue
un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo.
Esto último se puede conseguir con una válvula de distribución (generalmente de
accionamiento directo) que canaliza el aire a presión hacia una de las dos caras
del embolo alternativamente. Existen, no obstante, sistemas de posicionamiento

57
continuo de accionamiento neumático, aunque debido a su coste y calidad todav´ıa
no resultan competitivos.
Motores (véase Figura 2–24). El movimiento de rotación de un eje se consigue
mediante aire a presión. Los dos tipos más utilizados son los motores de aletas
rotativas y los motores de pistones axiales. Los motores de pistones axiales tienen
un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar ente las fuerzas
que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado. Otro método
común más sencillo de obtener movimientos de rotación a partir de actuadores
neumáticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo émbolo se encuentra acoplado
a un sistema de piñón-cremallera.
En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumáticos no con-
siguen una buena precisión de posicionamiento. Sin embargo, su sencillez y robustez
hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sea suficiente un posicionamiento
en dos situaciones diferentes (todo o nada). Por ejemplo, son utilizados en manipu-
ladores sencillos, en apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de
algún robot. Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algún
tipo de accionamiento neumático deberá disponer de una instalación de aire com-
primido, incluyendo: compresor, sistema de distribución (tuber´ıas, electro válvulas),
filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumáticas son frecuentes y
existen en muchas de las fábricas donde se da cierto grado de automatización.
Figure 2–23: Cilindro neumático.

58
Figure 2–24: Motor neumático de paleta.
2.6.17 Hidráulicos
Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neumáticos. En ellos, en vez
de aire se utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre
los 50 y 100 bar, llegándose en ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el
caso de los neumáticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y
pistones.
Sin embargo, las caracter´ısticas del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos
marcan ciertas diferencias con los neumáticos. En primer lugar, el grado de com-
presibilidad de los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que
la precisión obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es más fácil en
ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un intervalo
de valores (haciendo uso del servocontrol) con notable precisión. Además, las ele-
vadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neumáticos,
permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.
Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estáticas.
Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presión
ejercida sobre una superficie, sin aporte de energ´ıa (para mover el embolo de un
cilindro ser´ıa preciso vaciar este de aceite). También es destacable su eleva capacidad
de carga y relación potencia-peso, as´ı como sus caracter´ısticas de auto lubricación y
robustez.

59
Frente a estas ventajas existen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las elevadas
presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo
de la instalación. Asimismo, esta instalación es mas complicada que la necesaria
para los actuadores neumáticos y mucho más que para los eléctricos, necesitando
de equipos de filtrado de part´ıculas, eliminación de aire, sistemas de refrigeración y
unidades de control de distribución.
Los accionamientos hidráulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben
manejar grandes cargas (de 70 a 205kg).
2.6.18 Eléctricos
Las caracter´ısticas de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos
han hecho que sean los mas usados en los robots industriales actuales.
Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:
• Motores de corriente continua (DC). Servomotores
• Motores paso a paso
• Motores de corriente alterna (AC)
Motores de corriente continua
Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este
caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posición (Encoder) para poder
realizar su control. Los motores de DC (véase Figura 2–25) están constituidos
por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente
continua: El inductor, también denominado devanado de excitación, esta situado en
el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación. El
inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que
aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético
de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas , en el
que se apoyan unas escobillas de grafito.

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