Sistemas robóticos

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Unidad Profesional Interdisciplinaria
en Ingenierı́a y Tecnologı́as Avanzadas
Actividad I.2
Definición del sistema
Individual
10 de septiembre de 2021
Alumno: Palma Martı́n Andrés
Profesor: Dr. Diego A. Flores Hernández
Resumen
Los robots son un concepto que se vienen definiendo a lo largo de los siglos gracias a que la tecnologı́a
a evolucionado y más en el último siglo. Por lo tanto es importante repasar el origen de la robótica y como
grandes mentes han ido evolucionando esta disciplina, al igual que es importante conocer las variantes
de dichos robots y su clasificación para tener una idea del uso que se les ha dado y se les sigue dando.
El conocer toda esa información es de gran utilidad ya que de esta manera podemos desarrollar sistemas
robóticos adecuados de acuerdo a las necesidades del usuario y las condiciones.
§ 1. Propósito. Identificar los elementos que conforman un sistema robótico, las configuraciones, la
clasificación y la historia de la robótica.
§ 2. Lı́nea del tiempo.
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§ 3. Sistema robótico.
¿Qué es? Como tal un robot es un sistema ya que es capaz de cumplir con una o varias tareas con ayuda
de todos sus componentes o subsistemas los cuales tienen una tarea especı́fica cada uno y por lo tanto
son esenciales para que el robot cumpla con su objetivo. En general, los robots están compuestos de
los siguientes sistemas.
Sistema sensorial (Sensores) En un sistema robótico, el sistema sensorial es de suma importancia, ya que
de cierta forma es como el robot analiza su estado interno y su entorno para poder llevar a cabo la tarea.
Existen una gran infinidad de sensores, pero para poder elegir el indicado, se requiere saber el entorno
en el que estará operando el robot y las funciones que va a realizar. Es por eso que existen bastantes
tipos de sensores ası́ que empecemos a repasarlos. Sensores de posición: Como su nombre lo indica,
ayudan al robot a conocer la posición la cual puede ser angular o lineal. Sensores de velocidad: Los
sensores de velocidad ayudan al control de los actuadores del robot. Lo anterior porque dependiendo
de la velocidad que requiera un movimiento, el sensor mandará una señal que pasara por la etapa de
control y ordenará al actuador a actuar de acuerdo a las circunstancias. Otro uso de los sensores de
velocidad es conocer la posición que algún elemento posea. Sensores de presencia: Como su nombre
lo dice, se encargan de detectar la presencia de algún objeto mediante diferentes principios fı́sicos de
los que se derivan diferentes sensores que pueden ser inductivos, capacitivos u ópticos.
Sistema de accionamiento (Actuadores) Los actuadores son los elementos encargados de generar el mo-
vimiento del robot y estos pueden ser neumáticos, hidráulicos o eléctricos. El usar uno u otro va a
depender del tipo de función que se quiere cumplir. Los actuadores neumáticos funcionan a base de
aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen los cilindros neumáticos los cuales consisten en que un émbolo
que se encuentra dentro de un cilindro se desplaza gracias a la diferencia de presión en ambos lados.
También existen los motores neumáticos (de aletas rotativas o de pistones axiales) el cual consiste en
que se logra un movimiento de rotación a causa de aire a presión.
Los actuadores hidráulicos son bastante parecidos a los neumáticos, solo que estos en lugar de traba-
jar con aire, trabajan con fluidos a presión como aceites minerales. Dicha presión va de los 50 a 100
bar. La caracterı́stica principal que la diferencia de los neumáticos es que, al trabajar con mucha más
presión, son ideales para los robots que manejen cargas pesadas y además este tipo de sistemas se au-
to lubrican. Lo malo de este tipo de sistemas, es que son mas complicados de instalar, ya que, debido
a las grandes presiones, se debe de evitar que existan fugas de aceite que mermarı́an el funcionamiento.
Los actuadores eléctricos son de los más usados ya que son sencillos, y tienen bastante precisión.
Dentro de los actuadores eléctricos tenemos motores de corriente continua (CC), motores de corriente
alterna (AC) y motores a pasos.
Motores de CC: Estos se constituyen de 2 partes principales llamados inductor e inducido. El inductor
está situado en el estator (Parte fija) y es un devanado encargado de proporcionar un campo magnéti-
co al inducido el cual va a girar por estar ubicado en el rotor (parte móvil) a causa de una corriente
eléctrica que llega por el colector de delgas y hace contacto con las escobillas.
Motores paso a paso: Este tipo de motores se compone de un estator, el cual está compuesto de electro-
imanes los cuales son activados por pulsos, lo cual hará que el rotor el cual es un imán permanente se
alinee con el campo magnético en ese momento generado. Este tipo de motores son bastante precisos,
aunque también va a depender del tipo de motor los grados por pulso que avanzará.
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Dentro de los motores a pasos tenemos los de imanes permanentes, de reluctancia variable y los hı́bri-
dos. En el primero, el rotor es un imán permanente que se alineará con el campo magnético, los de
reluctancia variable, el rotor es de un material ferromagnético que tiende a orientarse, lo que ayuda al
camino de las lı́neas de fuerza del campo magnético generado por el estator. Y los hı́bridos son solo
una combinación de ambas configuraciones.
Motores de corriente alterna: Este tipo de motores son los menos usados en la mecatrónica ya que son
más difı́ciles de controlar su velocidad ya que se requiere de variar la frecuencia. Consiste en que el
rotor está constituido de imanes permanentes que proporcionan campo magnético al inducido que está
en el estator. El inducido son 3 devanados iguales separados a 120° eléctricos y se alimenta con un
sistema trifásico de tensiones.
Unidad de control (Controladores) y dispositivos de entrada y salida Esta es una parte bastante impor-
tante del robot ya que es como si fuera el cerebro de todo el sistema, ya que aquı́ es donde van a llegar
las señales de entrada que proporcionen los sensores para ser procesadas y pueda enviar una señal a
los dispositivos de salida que son los actuadores para que realicen la tarea.
Estos controladores pueden legar a ser PLC’s, microcontroladores, entre otros. Aunque también exis-
ten los grados de control los cuales pueden ser de posición, ósea que solo se encargan de controlar
la posición del elemento terminal, cinemático que quiere decir que controla la posición y la veloci-
dad, dinámico que controla la velocidad, posición y las propiedades dinámicas del manipulador, y el
adaptativo que abarca todos los anteriores y también controla la variación de las caracterı́sticas del
manipulador al variar la posición.
En cuanto a los dispositivos de entrada y salida, estos ayudan al control del sistema ya que son disposi-
tivos con los que el usuario puede interactuar para poder darle indicaciones al robot. Estos dispositivos
pueden ser un teclado, monitor o una caja de comandos.
Estructura mecánica La estructura mecánica es todo a lo que se le conoce como cuerpo del robot donde
podemos encontrar los elementos que hacen posible el movimiento mecánico del robot para que este
cumpla con su tarea. Estos elementos, al tener bastante similitud con las partes del cuerpo humano, se
les suela llamar codo, hombro, muñeca, articulación, brazo, etc. . .
Principalmente lo que ayuda al robot a poder moverse son las articulaciones, que son la unión de los
eslabones del robot. Las articulaciones permiten realizar movimientos independientes cada una a lo
cual se le conoce como “grado de libertad” (GDL) que por lo general el número se va a determinar
por la cantidad de articulaciones que tenga el robot. Para definir la posición de un objeto se requieren
de 3 GDL y otros 3 para definir la orientación, y de esta manera, el robot tendrá la máxima libertad
posible, aunque en la práctica no siempre se usaran los 6 ya queva a influir el tipo de tarea que se
quiera cumplir. Dentro de las articulaciones existen varios tipos que permiten realizar diferentes tipos
de movimientos. Dentro de las articulaciones tenemos:
Esfera o rótula (3 GDL)
Planar (2 GDL)
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Tornillo (1GDL)
Prismática (1 GDL)
Rotación (1GDL)
Cilı́ndrica (2GDL)
Como mencionamos anteriormente, los robots requieren de varias articulaciones para cumplir con un
movimiento o trayectoria, y por eso se crearon 5 configuraciones morfológicas:
Cartesiana o rectilı́nea
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Cilı́ndrica
Esférica o polar
Robot SCARA
Robot angular o antropomórfico
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Elementos de transmisión y conversión de movimiento y reductores Para que un robot pueda efectuar
correctamente su tarea, debe de tener una buena construcción para que sus movimientos no se vean
afectados, por lo cual se sugiere que los actuadores se encuentren lo más cerca posible de la base del
robot, pero para que dichos actuadores puedan mover las articulaciones, es necesario transmitir ese
movimiento a la articulación, el cual se puede lograr al convertir un movimiento en otro. Lo que quie-
re decir que es posible convertir un movimiento circular a uno lineal o viceversa si es necesario.
Para que el sistema de transmisión sea adecuado, debe de tener las siguientes caracterı́sticas:
-Tener un tamaño y peso reducido (Esto por lo mencionado de que no debe de modificar o alterar el
movimiento del robot).
-Debe de evitarse que tenga juegos u holguras considerables.
-El sistema debe tener gran rendimiento (lo que significa que al convertir el movimiento no debe de
ser de menor intensidad, velocidad o fuerza).
A continuación, se presenta una tabla con algunos sistemas de transmisión:
En cuanto a los reductores, el propósito de fabricar un robot es el de que sea lo más preciso posible
al realizar alguna tarea, ası́ que para esto se usan los reductores, los cuales requieren ser de bajo peso,
tamaño reducido, bajo rozamiento y que obviamente puedan reducir una velocidad elevada en un solo
paso.
También lo que se busca que el reductor soporte arranques y paros continuos y repentinos, ya que los
robots trabajan en ciclos cortos, y lo anterior para que el juego angular sea lo menor posible al realizar
giros.
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Elementos terminales (Según la aplicación del robot (pinzas, inyectores o cosas que cumplan con la tarea))
Conocidos también por el nombre de efectores finales. Con estos elementos es con los que el robot
interactúa con el entorno para llevar a cabo su tarea, y por lo tanto van a variar mucho. Estos elementos
pueden ser pinzas, ventosas, alguna herramienta como un taladro, ganchos, etc. . .
Por lo general, un robot puede ser flexible y modificable en cuanto a la función que realizará, pero en
particular los elementos terminales solo tienen una única función, por lo que es recomendable fabricar
esta parte de manera que se puedan intercambiar dependiendo de la tarea que se va a realizar.
§ 4. Clasificación de los Robots.
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§ 5. Componentes de un Robot Manipulador.
Las articulaciones de un robot son a lo que normalmente se le conoce 
como grados de libertad (GDL), osea, lo que permite el movimiento del 
robot, y por lo tanto entre mas articulaciones tenga, mas movilidad tendrá 
el robot aunque también, la parte de control se dificulta más.
El brazo del robot lleva a cabo ciertos movimientos con ayuda de las 
articulaciones, lo que a su ves ayudan a cumplir el propósito de que el 
efector final pueda interactuar con su entorno y se lleve a cabo la tarea. 
A diferencia de los hidráulicos, estos trabajan con fluidos a presión, 
lo que provoca que puedan levantar o empujar cargasmas pesadas 
pero el sistema es un poco más complejo.
Estos son los más usados ya que tienen una gran presición y son 
bastante sencillos. Dentro de este tipo de actuadores encotramos 
motores de CC, de CA y motores a pasos 
Los sistemas de control, son una parte importante del robot ya que 
como su nombre lo dice, es por donde se controlará todo el sistema 
y se mandarán las ordenes a los actuadores para que funcione todo.
Los sensores son la parte que detectan las condiciones físicas 
interiores o exteriores del robot para que así puedan llevar a cabo su 
tarea correctamente.
Componentes 
de un robot 
maniulador
Sensores y 
sistemas de 
control
Actuadores
Sistema 
Mecánico
Articulaciones
Brazo y efector 
final
Neumáticos
Sistemas de 
control
Sensores
Hidráulicos
Eléctricos
Trabajan a base de aire a presión, lo culal generá un movimiento 
gracias al movimiento de un émbolo en el interior de un cilíndro. 
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Referencias.
[1] Baturone, A.O. Robótica: manipuladores y robots móviles. Marcombo. (2005).
[2] Barrientos A., Peñı́n L. F., Balaguer, C., Santoja, R. Fundamentos de robótica. McGraw-Hill. (2007).
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