robotica aplicada

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mgrillo@alfaomega.com.mx
Jefe de Ediciones
Francisco Javier Rodríguez Cruz
jrodriguez@alfaomega.com.mx
Datos catalográficos
Ponce Cruz, Pedro; De la Cueva Hernández, Víctor M.;
Ponce Espinosa, Hiram
Robótica aplicada con LabVIEW y LEGO
Primera Edición
Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México
ISBN 978-607-707-696-4
Formato: 17 × 23 cm Páginas: 264
Robótica aplicada con LabVIEW y LEGO
Pedro Ponce Cruz, Víctor M. De la Cueva Hernández, Hiram Ponce Espinosa
Derechos reservados c©Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.
Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, febrero de 2015
c©2015 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.
Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana
Registro No. 2317
Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx
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ISBN: 978-607-707-696-4
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E-mail: ventas@alfaomegaeditor.com.ar.
Acerca de los autores
Pedro Ponce estudió la carrera de Ingeniería en Control y Au-
tomatización, y es Maestro en Ciencias y Doctor en Ciencias
con especialidad en ingeniería eléctrica.
El Dr. Ponce ha publicado tres libros y cinco capítulos en
diferentes editoriales nacionales e internacionales, ha asesora-
do más de 25 tesis de licenciatura y posgrado en el área de con-
trol y automatización y ha sido miembro del Sistema Nacional
de Investigadores. Actualmente es Director de la Maestría y
Doctorado en Ciencias de la Ingeniería del Tecnológico de
Monterrey, Campus Ciudad de México.
El Dr. de la Cueva es Ingeniero en Sistemas Electróni-
cos, Maestro en Ciencias Computacionales con espe-
cialidad en Inteligencia Artificial y Doctor en Ciencias
Computacionales con Especialidad en Inteligencia Ar-
tificial.
Es investigador en las áreas de Inteligencia Artifi-
cial, Robótica y Educación, y Director de Investigación
y Posgrado del Tecnológico de Monterrey, Campus Ciu-
dad de México.
Hiram Ponce es Ingeniero en Mecatrónica, Maestro en Cien-
cias de la Ingeniería con especialidad en Control Inteligente,
y actualmente estudia el Doctorado en Ciencias Compu-
tificial denominada Artificial Organic Networks.
Ha trabajado como investigador en robótica, mecatrónica,
métodos de inteligencia artificial y control de sistemas, y es
Profesor del departamento de computación en el Tecnológico
de Monterrey, Campus Ciudad de México.
tacionales, desarrollando una nueva técnica de inteligencia ar-
.
A Norma, Jaime y Pedro con todo mi cariño.
A mi madre quien me enseña la parte
humana de la vida.
Pedro
A mi esposa Paty y a mis hijos Ana y Vı́ctor.
Vı́ctor
A Omar Saldivar, con especial afecto y gratitud.
A mis padres, por su apoyo incondicional.
A todos los que tienen alma de ingeniero
y corazón de niño.
Hiram
Mensaje del Editor
Una de las convicciones fundamentales de Alfaomega es que los conocimien-
tos son esenciales en el desempeño profesional, ya que sin ellos es imposible
adquirir las habilidades para competir laboralmente. El avance de la ciencia y
de la tecnologı́a hace necesario actualizar continuamente esos conocimientos,
y de acuerdo con esta circunstancia Alfaomega publica obras actualizadas,
con alto rigor cientı́fico y técnico, y escritas por los especialistas más destaca-
dos del área respectiva.
Consciente del alto nivel competitivo que debe de adquirir el estudiante du-
rante su formación profesional, Alfaomega aporta un fondo editorial que se
destaca por sus lineamientos pedagógicos que coadyuvan a desarrollar las
competencias requeridas en cada profesión especı́fica.
De acuerdo con esta misión, con el fin de facilitar la comprensi ´on y apropiación
del contenido de esta obra, cada capı́tulo inicia con el planteamiento de los
objetivos del mismo y con una introducción en la que se plantean los an-
tecedentes y una descripción de la estructura lógica de los temas expuestos,
asimismo a lo largo de la exposición se presentan ejemplos desarrollados con
todo detalle y cada capı́tulo concluye con un resumen y una serie de ejerci-
cios propuestos.
Además de la estructura pedagógica con que está diseñado el contenido de
nuestros libros, Alfaomega hace uso de los medios impresos tradicionales
en combinación con las Tecnologı́as de la Información y las Comunicaciones
(TIC) para facilitar el aprendizaje. Correspondiente a este concepto de edi-
ción, todas nuestras obras tienen su complemento en una página Web en
donde el alumno y el profesor encontrarán lecturas complementarias ası́ co-
mo programas desarrollados en relación con temas especı́ficos de la obra.
Los libros de Alfaomega están diseñados para ser utilizados en los procesos
de enseñanza aprendizaje, y pueden ser usados como textos en diversos cur-
sos o como apoyo para reforzar el desarrollo profesional, de esta forma Al-
faomega espera contribuir ası́ a la formación y al desarrollo de profesionales
exitosos para beneficio de la sociedad, y espera ser su compañera profesional
en este viaje de por vida por el mundo del conocimiento.
Contenido
Introducción XV
Capítulo 1. Introducción a la robótica 1
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. ¿Qué es un robot? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Componentes básicos de un robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3. Unidad de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4. Diseño mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4. Clasificación de robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5. Modelado de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.1. Modelado de robots fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.2. Modelado de robots móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6. Aplicaciones de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Capítulo 2. Robots LEGO NXT 29
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2. ¿Qué es un robot NXT? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
2.3. Componentes básicos de un robot NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1. Sensores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2. Motores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.3. Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.4. Bloque inteligente NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.5. Estructura de bloques LEGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4. Ejemplos de robots NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.1. Diseño de tracciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.2. Diseño de piernas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.3. Diseño de brazos robóticos y manipuladores . . . . . . . . . . . 58
ix
XIII
x Contenido
Capítulo 3. Entorno de programación NXT 61
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2. Conexión entre el robot NXT y LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3. Introducción a la programación básica en LabVIEW . . . . . . . . . . 63
3.4. Estructura de la caja de herramientas LEGO NXT . . . . . . . . . . . 73
3.5. Inicialización de la programación NXT en LabVIEW . . . . . . . . . 75
3.6. Manejo de sensores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.1. Sensor de contacto NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.2. Sensor de luz NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.3. Sensor ultrasónico NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.4. Sensor de sonido NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6.5. Brújula NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6.6. Sensor de color NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.7. Acelerómetro NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.8. Sensor de temperatura NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.7. Manejo de motores NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.8. Comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.8.1. Comunicación USB y comunicación Bluetooth . . . . . . . . . . 87
3.8.2. Programación de la comunicación en robots NXT . . . . . . . . 88
Capítulo 4. Sistemas de control empleando robots NXT 93
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2. Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.1. Señales que conforman un sistema de control . . . . . . . . . . 96
4.2.2. Componentes básicos de un sistema de control . . . . . . . . . 98
4.3. Sistema de control en lazo abierto y lazo cerrado . . . . . . . . . . . . 100
4.4. Tipos de controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.1. Controlador de dos posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.2. Controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5. Robot Segway. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.1. Transporte personal Segway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.2. Modelación de un Segway mediante robots NXT . . . . . . . . 116
4.5.3. Robot Segway NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.4. Implementación del robot Segway NXT . . . . . . . . . . . . . 120
Capítulo 5. Introducción al entorno de programación
de los LEGO Mindstorms 123
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
Contenido xi
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2. Funciones básicas en el NXT LEGO Mindstorms . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1. Funciones básicas con los comandos directos del NXT . . . . . 126
5.2.2. Sensor al tacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.3. Sensor ultrasónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.4. Sensor de luz y color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.5. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3. Funciones básicas con el Toolkit NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.1. Visualización de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.2. Sensor al tacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3.3. Sensor ultrasónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.4. Sensor de luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.5. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.6. Sensor de rotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.7. Comunicación vía Bluetooth entre el robot NXT LEGO
MindsMindstorms y LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4. Ingeniería de control par a las ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Capítulo 6. Planificación de ruta 149
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.2. Robots en la planificación de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.3. Técnicas básicas de planeación de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.3.1. Robots fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.4. Espacio de configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5. Robots móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.5.1. Hojas de ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Capítulo 7. Planificación de trayectorias con espacios
variantes en el tiempo 177
7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2. Introducción del tiempo en el espacio de trabajo . . . . . . . . . . . . 178
7.3. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.4. Planificación para dos objetos en movimiento en un plano . . . . . . . 181
7.4.1. Un solo espacio de configuraciones . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.4.2. Desacoplando los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.4.3. Manteniendo el tiempo de recorrido constante . . . . . . . . . . 187
7.4.4. Movimientos secuenciales de los robots . . . . . . . . . . . . . . 190
7.5. Otros problemas de planificación con objetos en movimiento . . . . . . 192
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
xii Contenido
Capítulo 8. Planificación de trayectorias en reversa
(o planificación invertida de trayectorias) 195
8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.2. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.3. Espacio discreto de planificación en reversa . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.4. Algoritmo de propagación de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.5. Algoritmo de búsqueda en árboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.6. Algoritmo de diagramas de Voronoi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.6.1. Conexión mediante búsqueda en árboles . . . . . . . . . . . . . 208
8.6.2. Recorrido mediante propagación de onda . . . . . . . . . . . . 209
8.7. Algoritmos de planificación en reversa en espacios continuos . . . . . . 210
Capítulo 9. Planificación de trayectorias con sensores 213
9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.1.1. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.2. Algoritmos de seguimiento de orillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.2.1. Algoritmo de seguimiento de orillas básico . . . . . . . . . . . . 216
9.2.2. Algoritmo de seguimiento de orillas modificado . . . . . . . . . 218
9.3. Algoritmos de navegación sin choque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.4. Algoritmos de seguimiento de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.5. Algoritmos para sensores de visión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Capítulo 10. Ejemplos de planificaciónLEGO 227
10.1. Ejemplos del capítulo 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2. Ejemplos del capitulo 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
10.3. Ejemplos del capitulo 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Bibliografía 243
Índice analítico 245
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
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Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
Robótica aplicada con LabVIEW 
y LEGO
Introducción
La robótica es, sin lugar a dudas, uno de los temas favoritos en los que un joven
estudiante piensa cuando decide dedicarse a la ingeniería, es una rama de la ciencia
sumamente atractiva. Desde luego que la ciencia ficción ayudó mucho a aumentar su
popularidad, sin embargo, en la actualidad su popularidad la ha ganado con creces al
mostrar todos los beneficios que tiene su aplicación en muchas áreas del conocimiento.
Otra razón por la que ha ganado tanta popularidad tiene que ver con su naturaleza
multidisciplinaría. La robótica se puede tratar desde el punto de vista de la mecánica,
la computación, la inteligencia artificial, la ingeniería industrial, el control, entre otras.
Inclusive algunas áreas que no son de la ingeniería tienen que ver de alguna forma con
la robótica. Tal es el caso por ejemplo de la mercadotecnia que tuvo que diseñar nuevas
campañas de publicidad para productos derivados de la robótica, o la psicología que
ha tenido que entender ahora la interacción humano-máquina en una forma diferente
a como lo hacía con la computadora.
La robótica se incorporó rápidamente a los programas de estudios en muchas
universidades y, en la actualidad, las escuelas primarias, secundarias y preparatorias,
también la han agregado a sus estudios debido a que han desarrollado aplicaciones
educativas que ayudan a entender ciertos conceptos a los alumnos de una forma más
práctica e intuitiva. En este sentido la robótica es una excelente herramienta para
cursos de introducción a la ingeniería, computación, matemáticas, física y muchas
otras.
El punto fundamental que detonó la adopción de la robótica en los centros educa-
tivos fue la posibilidad de adquirir robots para las prácticas de los alumnos. Algunas
empresas se dedicaron a la fabricación de robots de bajo costo que los colocó al alcance
de los centros educativos. Estos robots parecen juguetes pero en realidad cuentan con
las características necesarias para poder practicar su control y luego extender lo apren-
dido a robots industriales. A este tipo de robótica se le conoce como minirobótica o
robótica educativa.
Una de las primeras compañías en fabricar este tipo de robots fue LEGO R©, la
cual es una compañía líder en robótica educativa.
Las nuevas tecnologías y el acelerado crecimiento de éstas han dado como resultado
la solución de muchos problemas sociales, la facilidad y comodidad de nuestras vidas
diarias, la automatización de procesos domésticos e industriales, etc. No obstante,
también han facilitado la oportunidad de acercamiento al conocimiento científico y
tecnológico de un mayor número de personas.
xv
x iv Introducción
Desde esta perspectiva, este libro tiene el objetivo de mostrar de forma teórica y
práctica distintas técnicas utilizadas en la academia e industria para el desarrollo de
sistemas robóticos, haciendo un recorrido desde los conceptos de robótica hasta los
algoritmos de control y técnicas de planificación de trayectorias.
En especial, se hace uso de los sistemas robóticos LEGO Mindstorms NXT junto
con la plataforma de desarrollo LabVIEW con la finalidad de mostrar y proveer una
plataforma de rápido desarrollo a estudiantes, profesionistas, científicos, investigadores
e interesados en las tecnologías mecatrónicas.
En términos más específicos en el capítulo 1 se define lo que es un robot, se
describen los componentes básicos del mismo y se presenta la clasificación, modelado
y aplicaciones generales de los robots; en el capítulo 2 se define el robot NXT, se
describen sus componentes básicos y se presentan ejemplos de éste; en el capítulo
3 se expone la relación entre el robot NXT y el programa LabVIEW, así como la
programación asociada con el manejo de los sensores y motores NXT; en el capítulo 4
se exponen los sistemas de control y el robot segway; en el capítulo 5 se describen las
funciones básicas en el NXT LEGO Mindstorms y con el Toolkit NXT; en los capítulos
6 y 7 se presenta la planificación de ruta de robots móviles; en el capítulo 8 se exponen
los algoritmos de propagación de onda, de búsqueda de árboles, de diagramas de
Voronoi, y de planificación en reversa en espacios continuos; en el capítulo 9 se presenta
el algoritmo de seguimiento de orillas, de navegación sin choque, y de seguimiento de
línea; finalmente en el capítulo 10 se exponen ejemplos desarrollados de lo expuesto
en los capítulos 7, 8 y 9.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
2 Capítulo 1. Introducción a la robótica
Al igual que los hijos biológicos de generaciones anteriores,
las máquinas representan la mejor esperanza de la humanidad
para un futuro a largo plazo.
Moravec
1.1 Introducción
Desde hace mucho tiempo se ha tenido la idea de crear máquinas con capacidades
similares a las del ser humano. Después de muchos esfuerzos y sobre todo a partir
del siglo XX, se comenzaron a desarrollar las máquinas automáticas, naciendo de esta
manera los sistemas robóticos.
Así los sistemas robóticos se encuentran dentro del desarrollo tecnológico enfocán-
dose esencialmente en el diseño, construcción, implementación, comercialización y
aplicación de robots. Con ello se busca obtener máquinas automáticas que permitan
tomar decisiones en los campos industrial, de la medicina, aeroespacial y biotecnológi-
co, entre muchos otros donde es posible que los trabajos sean peligrosos o rutinarios
para las personas. En otros casos, los sistemas robóticos también se aplican para
la solución de problemas sociales y el entretenimiento. El núcleo principal de todo
sistema robótico es la máquina automática conocida como robot.
Con la finalidad de entender los sistemas robóticos, se introduce en este capítulo el
concepto de robot y las partes que lo componen. También se describen las formas más
comunes de clasificarlos, y posteriormente algunos métodos de modelación de robots
que permiten diseñar y desarrollar tareas robóticas. Por último, en la parte final de
este capítulo se presentan algunas aplicaciones de robots en el mundo actual.
1.2 ¿Qué es un robot?
Robot
Un robot es un dispositivo electromecánico capaz de interactuar en un medio
sujeto a las leyes físicas, el cual incluye un sistema de sensores y un sistema
de actuadores, que en conjunto son regulados a través de una unidad de
control.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.2 ¿Qué es un robot? 3
El objetivo principal de un robot es la realización de tareas mediante ejecuciones de
movimiento dentro del medio. Para realizar las distintas tareas que se les asignan,
los robots deben contar con un diseño mecánico único y adaptado a las necesidades
o requerimientos, de tal manera que los robots pueden ser: vehículos con ruedas o
piernas (figura 1.1a), manipuladores en forma de brazo o manos (figura 1.1b), sistemas
aéreos con alas o hélices (figura 1.1c), o una combinación de los anteriores, entre otros.
Por lo tanto, un componente esencial de cualquier robot es su sistema mecánico, que
además de funcionar como soporte o esqueleto de éste, también está adaptado para
las funciones que realizará.
En la actualidad, los robotsno están limitados al mundo físico; también existen
robots virtuales.
(a)
(b)
(c)
Figura 1.1 Ejemplos de robots: (a) vehı́culo terrestre; (b) manipulador; (c) vehı́culo aéreo.
Robots virtuales
Los robots virtuales son implementaciones computacionales que actúan de
manera automática para llevar a cabo un fin, tomando en cuenta sistemas
de decisión que le aportan un nivel de “inteligencia”.
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
4 Capítulo 1. Introducción a la robótica
De acuerdo con estas definiciones, en términos generales un robot de cualquier tipo
se considera un agente automático basado en la toma de decisiones y que interactúa
en un medio específico.
Todo robot es considerado un agente inteligente, donde la inteligencia se entiende
como los distintos niveles que tiene el proceso de toma de decisiones. Por ejemplo, si un
robot únicamente reacciona a la presencia o ausencia de luz (sin importar la intensidad
de ésta), se habla de un robot poco inteligente; en cambio, un robot aerodinámico que
toma decisiones con respecto a la humedad relativa, temperatura, velocidad del viento,
etcétera, y hace un pronóstico sobre la mejor decisión posible, se considera como un
robot con un nivel de inteligencia mayor. En contraparte, un robot que es operado
por un ser humano o por otro robot se dice que no es inteligente porque la toma de
decisiones no está a su cargo.
Sin embargo, la noción de inteligencia robótica sigue siendo aún tema de debate
entre científicos y tecnólogos. Lo único claro es que el proceso de toma de decisiones se
encuentra implementado en otro componente importante de los robots que se conoce
como unidad o sistema de control.
Unidad de control
La unidad de control de un robot consta de hardware especializado, co-
mo microprocesadores, y de software que incluye la lógica de programación
(algoritmos) junto con las reglas de decisión.
Otro aspecto importante a tomar en cuenta en los robots es su sistema de sensores, el
cual actúa permite hacer mediciones al medio y con base en éstas tomar las decisiones
necesarias. Hay muchos sensores que, dependiendo de la aplicación, son elegidos e
incorporados a los robots. En especial, la distribución de los sensores en el robot
es un aspecto muy importante a tomar en cuenta, así como los posibles riesgos o
interferencias que puedan tener por el medio mismo.
Finalmente, el sistema de actuadores es el último componente importante de
cualquier robot. Estos actuadores están diseñados para llevar a cabo acciones sobre
el medio; en particular, los actuadores toman las señales eléctricas provenientes de la
unidad de control y las transforman en otro tipo de energía, casi siempre mecánica.
Un ejemplo clásico son los motores, transformando la energía eléctrica en movimien-
to circular que posteriormente puede acoplarse a otros sistemas mecánicos y llevar a
cabo distintos tipos de movimiento.
Por lo anterior, un robot es un sistema complejo que toma en cuenta sensores y
actuadores que son regulados a través del sistema de control; y que en conjunto, llevan
a cabo acciones del robot sobre el medio ambiente en donde se desenvuelve.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 5
1.3 Componentes básicos de un robot
Como se describió anteriormente, un robot cuenta con cuatro componentes básicos que
en conjunto le permiten alcanzar el objetivo de las tareas especificadas. Los cuatros
componentes básicos son: sistema de sensores, sistema de actuadores, sistema de con-
trol y estructura mecánica. La figura 1.2 muestra un diagrama sobre los componentes
de un robot. A continuación, se explica brevemente cada uno de los componentes
básicos de un robot.
Figura 1.2 Componentes de un robot.
1.3.1 Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de medir cantidades físicas y expresar esa informa-
ción en una señal que pueda ser leída o interpretada por otro dispositivo. La mayoría
de los sensores actuales y los utilizados en las aplicaciones robóticas, expresan las
mediciones mediante señales eléctricas. Algunas cantidades físicas, llamadas variables
de instrumentación, que pueden medirse con sensores son: temperatura, humedad re-
lativa, intensidad luminosa, fuerza mecánica, inclinación, desplazamiento, aceleración,
presión, intensidad sonora, etc. Algunos ejemplos de sensores, se presentan en la figura
1.3.
Cuando se está desarrollando una aplicación robótica es importante determinar
cuáles sensores van a ser utilizados en el robot y cómo funcionarán; además de escoger
con cuidado el lugar donde se colocarán en la estructura mecánica. Con el propósito
de tener una perspectiva clara sobre los sensores, en este apartado se tratarán las
características principales de los sensores y los tipos de sensores según su principio de
funcionamiento.
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
6 Capítulo 1. Introducción a la robótica
Caracterı́sticas de los sensores
Una de las prácticas principales en el momento de elegir los sensores que se requieren
en un robot, es la detección de las características más comunes. A continuación, se
presentan algunas características:
(a) (b)
(c)
Figura 1.3 Ejemplos de sensores: (a) de temperatura, (b) acelerómetro, (c) de distancia.
Rango. Es el intervalo de medición del sensor, determinado por el valor más
pequeño de la cantidad física a medir y el valor más grande que puede ser medi-
do. Por ejemplo, si un termómetro puede medir valores entre −6◦C y +120◦C;
entonces, éstos datos son el rango de medición del sensor.
Precisión. Es la magnitud del valor máximo de error que existe entre el valor
esperado y el valor medido por el sensor; es decir, después de una serie de
repetir un mismo experimento y medir la misma cantidad física con el mismo
instrumento, la precisión define qué tan cercano o alejado está el valor medido
con respecto al valor real esperado, típicamente calibrado a través de estándares.
Entre más pequeño sea este valor, significa que el sensor tiene mejor precisión.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 7
Linealidad. Determina la correlación existente entre el valor medido de la can-
tidad física y el valor de interpretación o codificación del sensor. Si la variación
en el valor medido es proporcional a la variación en el valor codificado; entonces,
el sensor presenta linealidad. En caso contrario, el sensor es no lineal.
Resolución. Valor mínimo de la magnitud de variación que puede ser medido.
Por ejemplo: si la temperatura de un ambiente oscila entre los valores reales
de +5.0◦C y +8.4◦C; pero un termómetro sólo entrega como valores medidos
+5◦C, +6◦C, +7◦C y +8◦C; entonces, se dice que la variación mínima que puede
medir el sensor es de 1◦C.
Rapidez. Determina qué tan rápido o qué tan lento puede medir los cambios
de valor en la cantidad física.
Señal de salida. Es el tipo de señal que se entrega una vez que se ha medido el
valor de la cantidad física. Existen las señales de salida analógicas y las digitales.
Las primeras son aquellas que varían dentro de un rango de valores posibles;
por ejemplo: medición de temperatura, medición de humedad relativa, etc. Por
el contrario, las señales de salida digitales son aquellas que están representadas
mediante valores finitos conocidos como valores lógicos (cero o uno).
Tipo de material. Dependiendo de las aplicaciones o del ambiente donde
se desarrolle el robot, los sensores tienen que cumplir con materiales que le
permitan la máxima duración y que no manipule o interfiera con las mediciones.
Los materiales pueden ser anticorrosivos, inoxidables, biocompatibles, etc.
Tipos de sensores
Además de las características de un sensor, también se debe considerar cuál es el prin-
cipio de funcionamiento ya que dependiendo de esto se pueden encontrar diferencias al
momento de hacer una medición sobre una cantidad física. Por lo tanto, cada principio
de funcionamiento tienesus ventajas y desventajas que han de tomarse en cuenta para
la selección de sensores en los sistemas robóticos. La mayoría de los sensores ocupa
alguno de los siguientes principios: resistivos, capacitivos, inductivos, piezoeléctricos,
ópticos, termoeléctricosy ultrasónicos.
A continuación, se presenta una breve descripción de cada principio de funcionamien-
to y algunos ejemplos de sensores que los ocupan.
Sensores resistivos. Basados en la resistividad eléctrica, los sensores de este
tipo miden cantidades físicas que de manera directa o indirecta afectan la re-
sistencia de algún componente resistivo. Algunos componentes resistivos más
utilizados para estos propósitos son los potenciómetros y las galgas exten-
siométricas.
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8 Capítulo 1. Introducción a la robótica
Los potenciómetros son componentes eléctricos que permiten variar de ma-
nera proporcional su resistencia a través de un cursor típicamente cilíndri-
co; otros potenciómetros tienen cursores de desplazamiento lineal que también
tienen el mismo funcionamiento. En cualquier caso, los sensores basados en
este tipo de potenciómetros tienen una salida analógica proporcional al valor
de medición de la cantidad física. La figura 1.4a muestra un ejemplo de poten-
ciómetro.
Por otra parte, las galgas extensiométricas son delgadas láminas que pueden
deformarse ligeramente y regresar a su estado normal después de aplicar una
fuerza externa. Este tipo de materiales varían ligeramente la resistencia eléctrica
del material, lo cual permite medir el valor de una cantidad física correlacionada.
La figura 1.4b muestra un ejemplo de galga extensiométrica.
Los sensores resistivos pueden utilizarse en la medición de fuerza, posición,
peso, presión, entre otros.
(a) (b)
Figura 1.4 Ejemplos de componentes resistivos: (a) potenciómetros, (b) galgas
extensiométricas.
(a) (b)
Figura 1.5 (a) Capacitor variable, (b) sensor capacitivo de proximidad.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 9
Sensores capacitivos. Basados en la medida del cambio de la capacitancia
sufrida por un capacitor cuando un objeto está expuesto de manera cercana a
éste, los sensores capacitivos permiten medir presencia, posición, aceleración,
presión, nivel de líquidos, entre otros.
Por lo tanto, el capacitor o condensador es el componente eléctrico funda-
mental en este tipo de sensores. La idea que hay en el funcionamiento de estos
sensores es la variación de la capacitancia del condensador; por lo que existen
tres formas de variarlo según los parámetros de capacitancia, los cuales son la
permisividad relativa del material, el área efectiva entre las placas del conden-
sador y la distancia entre las placas. En la figura 1.5 se muestra unejemplo de
capacitor variable (figura 1.5a) y un sensor capacitivo de proximidad (figura
1.5b).
Sensores inductivos. Este tipo de sensores están basados en la variación de
la reluctancia en materiales inductivos; por lo que son buenos sensores para
aplicaciones como detección de presencia, determinación de posición, contadores
de piezas, finales de carrera, entre otros.
Estos sensores contienen una bobina con núcleo ferromagnético el cual está
alimentado por un circuito oscilador que permite mantener una señal sinusoidal
de amplitud constante a una frecuencia determinada. Cuando un objeto se en-
cuentra cerca del sensor, la amplitud de la señal sinusoidal se ve disminuida por
el aumento de la reluctancia del material, lo cual permite distinguir entre la
presencia y ausencia de objetos; además la variación de esta amplitud también
permite determinar la cercanía de los objetos. En la figura 1.6 se muestra un
ejemplo de sensor inductivo.
Figura 1.6 Ejemplo de sensor inductivo de proximidad.
Sensores piezoeléctricos. Este tipo de sensores están basados en el efecto
piezoeléctrico de algunos materiales; lo cual permite relacionar algunas canti-
dades físicas como la fuerza con respecto al material piezoeléctrico del sensor y
así producir una medición.
Un material piezoeléctrico (por ejemplo el cuarzo) es aquel tiene la propiedad
tal que al momento de deformarse puede producir una pequeña variación de
voltaje durante unos instantes después de la deformación. Debido a que úni-
camente por unos instantes se produce la variación de voltaje, las mediciones
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
10 Capítulo 1. Introducción a la robótica
únicamente son válidas unos instantes después de la deformación, mientras que
en tiempo infinito esto no es válido. En la figura 1.7 se muestra un sensor
piezoeléctrico.
Estos sensores son muy utilizados para medición de impactos, vibraciones,
tracción y comprensión; es decir, hacen mediciones de fuerzas con dinámicas
muy altas.
Figura 1.7 Ejemplo de sensor piezoeléctrico para vibraciones.
Sensores ópticos. Este tipo de sensores está basado en la transmisión de
rayos de luz y su posterior recepción, lo cual permite determinar rápidamente la
presencia de objetos, el conteo de piezas, la frecuencia de rotación, entre otros.
Existen distintas configuraciones de sensores ópticos. Por ejemplo, se puede
tener el transmisor del haz de luz en un lugar y el receptor en otro, lo que
permite la detección de interrupciones de este rayo. Otra configuración es tener
el transmisor y receptor en un mismo lugar; en este caso es necesario un espejo
que permita el rebote de la señal de luz para que regrese al receptor. De manera
similar al anterior, están los sensores difusos que en lugar de utilizar un espejo,
utilizan al propio objeto a detectar, asumiendo que este tiene una superficie
laminar que permita el retorno del haz de luz al receptor. En cualquier caso,
este tipo de sensor utiliza luz infrarroja que no es perceptible por el ojo humano,
o bien, rayos láser. En la figura 1.8 se muestra un sensor óptico.
Figura 1.8 Ejemplo de sensor óptico.
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1.3 Componentes básicos de un robot 11
Sensores termoeléctricos. Basados en el cambio de una cantidad física eléc-
trica en el componente principal por efecto del cambio de temperatura, estos
sensores pueden medir la temperatura del ambiente, de un fluido o de un mate-
rial en contacto.
Los principales sensores termoeléctricos se basan en dos componentes: las
termoresistencias y los termopares. En un primer caso, las termoresistencias
(figura 1.9a) son resistencias eléctricas que varían notablemente su resistivi-
dad por efecto del cambio de temperatura; lo cual permite medir un cambio
de voltaje cuando estas resistencias se encuentran en un circuito eléctrico de
alimentación. Por otro lado, los termopares (figura 1.9b) son dispositivos que
están diseñados con la unión de dos metales distintos que producen un cambio
de voltaje cuando se calientan; efecto conocido como de Seebeck.
Figura 1.9 Ejemplo de sensor termoeléctrico.
Sensores ultrasónicos. Basados en la emisión de una onda sonora y su pos-
terior recepción, estos sensores acústicos pueden medir posición, distancia, pre-
sencia, entre otros.
Este tipo de sensores emiten una señal acústica, típicamente no audible para
el oído humano en el rango de los ultrasónicos, que terminan rebotando en el
objeto que se busca detectar. La señal sonora regresa al sensor el cual registra el
tiempo que le toma a la señal en viajar desde que se emitió hasta que se recibió.
Basado en el movimiento rectilíneo uniforme, se puede detectar la distancia a
la que se encuentra el objeto, asumiendo que la velocidad del sonido en el aire
es constante. En otros casos, para la detección de objetos basta con medir si la
onda sonora regresa o no al sensor. En la figura 1.10 se muestra un ejemplo de
sensor ultrasónico.
Figura 1.10 Ejemplo de sensor ultrasónico.
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12 Capítulo 1. Introducción a la robótica
1.3.2 Actuadores
Un actuadores un dispositivo capaz de intervenir en el sistema robótico con la fina-
lidad de llevar a cabo la tarea planificada. En particular, los actuadores auxilian
al robot para que pueda interactuar con el medio ambiente en donde se desarrolla.
Adicionalmente, todo actuador responde a señales eléctricas de entrada y dependiendo
del tipo de energía empleado para su salida, los actuadores más comunes se pueden
clasificar como: actuadores eléctricos, actuadores neumáticos, actuadores hidráulicos
y actuadores térmicos.
Actuadores eléctricos
Los actuadores eléctricos más comunes en el ámbito de la robótica son los relevadores,
los optoacopladores y los motores eléctricos.
En el primer caso, un relevador o relé es un dispositivo eléctrico que puede conectar
o desconectar una o varias líneas eléctricas en respuesta a una señal eléctrica de mando.
Cuando una señal eléctrica de mando es enviada al relevador, esta señal pasa a través
de una bobina que actúa como electroimán y permite mover un contacto eléctrico.
Dependiendo del estado normal de los relevadores, éstos se pueden clasificar como
normalmente abiertos o normalmente cerrados; lo cual indica, si en estado de no
conducción de señal de mando, las líneas eléctricas a controlar están abiertas (no hay
paso de corriente eléctrica) o cerradas (sí hay paso de corriente eléctrica).
Por lo regular, los relevadores se utilizan cuando las señales que se quieren controlar
son de una potencia mayor y distinta a la señal de mando; o bien, cuando las señales
eléctricas que se desean controlar están desacopladas del sistema de control. En la
figura 1.11 se muestra un ejemplo de relevador eléctrico.
Figura 1.11 Ejemplo de relevador eléctrico. Figura 1.12 Ejemplo de optoacoplador.
Otro accionamiento eléctrico es el transistor optoacoplado (figura 1.12). Estos dispo-
sitivos son de estado sólido y están basados en el modo de conducción o no-conducción
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 13
de los mismos, lo que permiten que funcionen como interruptores eléctricos, dejando
o no dejando pasar la corriente eléctrica entre un circuito eléctrico acoplado. Al igual
que los relevadores, estos son utilizados para desacoplar circuitos eléctricos y para el
manejo de circuitos de potencia. Por su funcionamiento y diseño, estos accionamientos
eléctricos pueden ser puramente transistores, o bien, basados en tiristores o triacs.
Para su acoplamiento entre la señal de control y la señal de potencia, se lleva a
cabo a través de optotransistores; donde, del lado de la señal de control se emite un
haz de luz y del lado de la señal de potencia se recibe el haz de luz que permite cerrar
o abrir el circuito de potencia.
Finalmente, los motores eléctricos son dispositivos que permiten transformar la
energía eléctrica en energía mecánica, con lo cual se pueden llevar a cabo movimientos
circulares. Dependiendo de la configuración de los sistemas acoplados a los motores
eléctricos, también se pueden generar movimientos lineales.
Los motores eléctricos están clasificados en dos tipos: los de corriente continua
y los de corriente alterna. Los motores de corriente continua son fáciles de utilizar
ya que la señal de control es proporcional a la velocidad de rotación; sin embargo,
este tipo de motores tienen mucho desgaste y el mantenimiento suele ser costoso. Por
otro lado están los motores de corriente alterna que son difíciles de utilizar sin un
controlador; pero que normalmente no requieren de mantenimiento.
Para el uso en robots, todos los motores eléctricos son regulados a través de cir-
cuitos eléctricos de control o controladores. Dependiendo de su naturaleza, pueden
ser accionados a través de un control conocido como PWM (modulación de ancho de
pulso, por sus siglas en inglés), por variadores de frecuencia o mediante señales de
corriente continua.
Unos motores especiales, conocidos como servomotores, son regulados de la misma
manera, excepto que contienen un sensor conocido como encoder que permite deter-
minar en todo momento la posición angular del rotor; lo que implica un control más
preciso de estos motores. En la figura 1.13 se observan algunos ejemplos de motores.
(a) (b) (c)
Figura 1.13 Motores eléctricos: (a) corriente directa, (b) corriente alterna, (c) servomotor.
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14 Capítulo 1. Introducción a la robótica
Actuadores neumáticos
Los accionamientos neumáticos son aquellos dispositivos que utilizan aire compri-
mido para llevar a cabo algún tipo de movimiento lineal o rotatorio. Este tipo de
accionamientos únicamente son utilizados cuando los desplazamientos que se requieren
son cortos.
La señal de entrada proviene de una señal eléctrica que activa o desactiva unas
electroválvulas, que son válvulas que pueden abrirse o cerrarse dependiendo de la
señal de control. Al momento de abrir la válvula, cierta cantidad de aire comprimido,
conectado al tubo del accionamiento neumático, se libera para empujar un vástago,
mismo que realiza la acción de movimiento lineal (o giratorio, si el vástago tiene una
ranura de tornillo).
Los accionamiento neumáticos se clasifican por el movimiento de su vástago. Si
únicamente puede moverse hacia un sentido con ayuda del aire y regresa a su posición
original mediante un muelle o resorte, entonces se conoce como accionamiento de
simple efecto. Si el vástago se puede mover en dos sentidos con ayuda únicamente del
aire; entonces, se conoce como accionamiento de doble efecto.
Dependiendo del tipo de acción que se requiera hacer con los accionamientos
neumáticos, sus válvulas pueden ser de dos, tres y cuatro posiciones que se refieren al
estado de la posición de la válvula; y con dos o tres vías que se refiere al número de
conductos por los cuales puede salir el aire comprimido.
En la figura 1.14 se muestra un accionamiento neumático y una electroválvula
utilizada en estos sistemas.
(a) (b)
Figura 1.14 Actuadores neumáticos: (a) accionamiento, (b) electroválvula.
Si la aplicación robótica requiere el uso de algún tipo de gas, como adición o extracción
de gases en tanques, es posible utilizar únicamente las electroválvulas neumáticas para
tales propósitos.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 15
Actuadores hidráulicos
Los accionamiento hidráulicos tienen una operación similar a los neumáticos. En este
caso, el material que se ocupa para producir la fuerza de empuje en los vástagos es el
agua o algún fluido con propiedades similares.
Este tipo de actuadores son caros en su instalación inicial; sin embargo, son de
fácil mantenimiento una vez que se tiene la infraestructura. No obstante, el sistema
robótico que contenga este tipo de sistemas, deberá ser capaz de proveer el agua
suficiente (en el caso de los neumáticos, el aire comprimido) y todos los mecanismos
necesarios para su operación propia.
Al igual que en los accionamientos neumáticos, existen las electroválvulas que
permiten el flujo de agua a través de los cilindros hidráulicos. En la figura 1.15 se
muestra un accionamiento hidráulico y una electroválvula hidráulica.
(a) (b)
Figura 1.15 Actuadores hidráulicos: (a) accionamiento, (b) electroválvula.
Si la aplicación robótica requiere el uso de algún tipo de fluido, como la adición o
extracción de fluidos, es posible utilizar únicamente las electroválvulas hidráulicas
para tales propósitos. En otros casos, también existen versiones de válvulas eléctricas
con otros diámetros para el acoplamiento de los tubos por donde se desea llevar a
cabo el flujo del líquido.
Actuadores térmicos
Este tipo de actuadores térmicos utilizan la propiedad de expansión térmica de los
materiales para el movimiento y aplicación de fuerza en otros. Con esto, es posible
que un material de metal al cual se le pasa una corriente eléctrica para su aumento
de calor, se desplace debido a la expansión de material que sufre en consecuenciade
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
16 Capítulo 1. Introducción a la robótica
este fenómeno físico. En la figura 1.16a se muestra un actuador térmico de este tipo.
Otro de tipo de actuadores térmicos permiten el aumento de temperatura en flui-
dos; por ejemplo, las resistencias eléctricas con propósitos de calentamiento que se
presenta en la figura 1.16b.
(a) (b)
Figura 1.16 Actuadores térmicos: (a) accionamiento, (b) resistencia eléctrica.
(a) (b)
Figura 1.17 Unidad de control: (a) microcontrolador, (b) microprocesador.
1.3.3 Unidad de control
La unidad de control en un sistema robótico es la encargada de llevar la regulación de
todo el robot, de tomar las decisiones necesarias y de evaluar el desempeño del robot;
todo con la finalidad de cumplir con el objetivo de las tareas planificadas.
En particular, la unidad de control se encuentra físicamente en el procesador del
robot; que puede ser un microcontrolador o un microprocesador. Robots avanzados y
de mucha demanda de recursos computacionales, llegan a utilizar dos o más micro-
controladores y/o microprocesadores. En algunos casos, el uso de computadoras es
requerido para el procesamiento. En la figura 1.17 se muestra un microcontrolador y
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 17
un microprocesador.
Un microcontrolador es un dispositivo electrónico con capacidad de procesamiento
y almacenamiento de datos que está basado en una programación dedicada; es decir,
la programación interna se restringe a llevar a cabo acciones únicamente para lo que
fue diseñado. Por otra parte, un microprocesador es un dispositivo electrónico con
mayor capacidad de procesamiento y almacenamiento de datos que se basa en una
programación genérica; por lo que, se puede acoplar para distintos procesos, de manera
general.
Para el uso de los microcontroladores o de los microprocesadores, es necesario de
un circuito mínimo; el cual consta de la fuente de alimentación del circuito integrado,
el reloj externo que requieren para poder funcionar y el sistema de memorias externas
que permiten el almacenamiento temporal (RAM) o permanente (ROM).
Por otra parte, para un robot la unidad de control debe permitir el acceso de
todos los sensores y todos los actuadores. Es posible su conexión mediante el sistema
mínimo; o bien, a través del acoplamiento de sistemas de adquisición de datos y de
sistemas de interfaz de potencia.
El sistema de adquisición de datos permite conectar los sensores en sus diver-
sas modalidades: señales analógicas y señales digitales. Estas señales son convertidas
en su totalidad a señales digitales que pueden ser interpretadas por el sistema de
procesamiento. Sin embargo, los sistemas de adquisición de datos deben ser elegidos
conforme a la resolución permitida, la velocidad de procesamiento, el rango de valores
que puede leer por parte de los sensores, el material y el tipo de conversores que tiene
en su interior. En la figura 1.18 se muestra una tarjeta de adquisición de datos.
Figura 1.18 Ejemplo de tarjeta de
adquisición de datos.
Figura 1.19 Ejemplo de interfaz de potencia.
En contraparte, un circuito de potencia o interfaz de potencia permitir obtener las
señales de salida provenientes por parte de la unidad de control y alimentarlas en los
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
18 Capítulo 1. Introducción a la robótica
distintos actuadores; sin embargo, esta interfaz auxilia a los actuadores en la parte de
alimentación y el desacople con la unidad de control.
De manera regular, la unidad de control maneja voltajes de 5 V y 9 V; mientras
que los actuadores llegan a requerir 5 V, 9 V, 12 V, 24 V, 36 V, 120 V, 0 V, 240
V, en corriente directa o alterna. Por lo anterior, la conexión directa entre unidad de
control y actuadores es peligrosa, prefiriéndose el desacoplamiento. En la figura 1.19
se presenta un ejemplo de interfaz de potencia.
Con el propósito de que el robot lleve a cabo un conjunto de acciones para alcanzar
el objetivo de una tarea, se requiere programar las rutinas que debe desempeñar,
haciendo énfasis en la toma de decisiones. Para la programación, se requiere de algún
lenguaje de programación que pueda entender el procesador.
En general, la estructura de programación básica para un robot se mantiene dentro
de un ciclo; en el cual, se leen todos los datos de los sensores (las mediciones), después
se hace un proceso de decisión y finalmente se toma el conjunto de decisiones a realizar
en términos de los actuadores involucrados en el proceso; se escriben estos datos a los
actuadores y se vuelve a repetir el ciclo. La condición de paro es que la meta del robot
sea alcanzada o haya pasado cierto tiempo definido por el programador. En términos
de pseudocódigo, la figura 1.20 muestra esta estructura de programación básica.
continuar = 1
Mientras continuar:
// Obtener condición de paro
Si meta se cumplió o tiempo se terminó:
continuar = 0
// Leer sensores
sensores = leer sensores ( )
// Ejecutar proceso de decisión
actuadores = proceso decision (sensores)
// Escribir decisión en actuadores
escribir actuadores (actuadores)
Figura 1.20 Programa básico de un robot.
Una de las partes más importantes dentro de la unidad de control es el proceso de la
toma de decisiones, ya que de éste depende el buen funcionamiento del robot. Existen
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.3 Componentes básicos de un robot 19
diversas estrategias de control de robots que dependen del proceso que se requiera.
Por ejemplo, existen estrategias de control dedicadas a: navegación, búsqueda, loca-
lización, mapeo, manipulación, interpretación, clasificación, modelación, procesamien-
to de imágenes, control y automatización, evasión de obstáculos, planificación, entre
muchos otros.
1.3.4 Diseño mecánico
El diseño mecánico de los robots le permiten el soporte, la forma y la funcionalidad.
Dichas estructuras se basan en vigas y columnas de muy diversos materiales; desde
estructuras metálicas hasta plásticas. Es importante determinar los niveles de anclaje
de cada una de las piezas de las que constará el robot, así como de los soportes
necesarios; además, si algunas de las piezas tienen que ser móviles, es muy importante
definir cómo se colocarán los pivotes.
Debido a que el diseño mecánico de los robot está sujeto a los fenómenos físicos, la
ingeniería mecánica y mecatrónica es la que se encarga de producir los diseños de los
sistemas robóticos. Sin embargo, estos diseños se encuentran basados en los siguientes
aspectos:
Funcionalidad del robot.
Requerimientos del sistema robótico.
Restricciones o acotaciones físicas.
Disponibilidad de materiales.
Creatividad del diseñador.
Uno de los aspectos principales en el diseño mecánico de los robots es la funcionalidad;
es decir, el diseño tiene que estar basado en el objetivo principal del robot y sus
diferentes tareas que tiene que llevar a cabo para alcanzar su meta. Por ejemplo, un
robot requiere soldar el chasis de un automóvil de manera automática; en este caso,
el robot necesariamente debe contar con un sistema que le permita soldar, además
tiene que ser capaz de soldar líneas no necesariamente planas, sino sobre superficies
curvilíneas, por lo que el robot debe ser flexible a esto de manera que posiblemente
un brazo robótico con un soldador en la punta sea la mejor opción. Por lo tanto, es
necesario conocer la función del robot; en otro caso, no tiene sentido diseñarlo.
Otro aspecto importante que se debe considerar en el diseño de los robots son
los requerimientos del sistema. En ocasiones, los robots deben seguir una serie de es-
pecificaciones que se imponen al diseño; por ejemplo: dimensiones específicas, número
máximo de piezas, tamaño mínimo de ejes, fuerza mínima de carga, etc. Otras oca-
siones, los robots pueden formar parte de concursos o son requeridos para proyectos
Robótica • PedroPonce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
20 Capítulo 1. Introducción a la robótica
muy específicos en los cuales necesitan seguir una serie de lineamientos bien estable-
cidos; sin importar la naturaleza de su función.
No obstante, como el diseño está sujeto a los fenómenos físicos, también se tienen
que tomar en cuenta las restricciones o acotaciones físicas del diseño. En general, las
restricciones son condiciones que no necesariamente han sido estipuladas al momento
del diseño del robots; pero que están impuestas por las leyes físicas. Como ejemplo se
puede tener el peso del sistema robótico, donde dependiendo de la masa utilizada es
posible que se tengan que elegir de manera minuciosa los motores que se utilizarán para
su desplazamiento o el soporte que detendrá a todo el robot. Otro ejemplo es el tipo de
anclaje que se tiene que utilizar en brazos robóticos; ya que las vibraciones inherentes
a este tipo de robots, hace que el empotramiento al suelo se desgaste fácilmente,
produciendo un posible accidente. Por lo tanto, si este tipo de restricciones no se
toman en cuenta, los robots podrían fallar severamente.
Otro problema que se añade al diseño mecánico de los robots es el tipo de material
que se utilizará para su estructura. No es lo mismo utilizar un robot como parte de
un sistema educativo o un robot en la industria de aceros; tampoco es lo mismo
utilizar un robot que se utilizará en exploraciones lunares que un robot de inspección
en interiores de tuberías. Cada robot tiene que estar diseñado al medio ambiente al
que se enfrenta y el deterioro de los materiales debe ser el mínimo; además, se tiene
que tomar en cuenta el tipo de sensores y actuadores que se ocuparán así como las
posibles interferencias que éstos puedan tener. Por lo que se recomienda que en el
análisis de materiales, se haga una inspección sobre posibles interferencias y cómo
se pueden controlar o disminuir, con la finalidad de tener al sistema robótico lo más
aislado posible del medio en donde se desenvuelve. Por otra parte, la selección de
materiales también está ligado con el análisis y la disponibilidad de materiales en la
región y el costo de la manufactura de piezas especiales. A veces, es posible sustituir
piezas especiales por piezas estándares a mucho menor costo; o bien, disponer de un
material similar al pensado de manera original puede ahorrar en el coste final del
robot.
Finalmente, todo diseño de robots también depende de la creatividad del desarro-
llador. No obstante, se recomienda tomar en cuenta algunas estructuras básicas como
carros, brazos robóticos, diseño de piernas, manipuladores o garras, hélices, vehículos
marítimos, entre muchos otros.
1.4 Clasificación de robots
Los robots pueden clasificarse de distintas maneras. Por ejemplo, éstos pueden ca-
talogarse por su estructura, su libertad de movimiento y su número de grados de
libertad.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.4 Clasificación de robots 21
Los robots por su estructura pueden clasificarse como fijos y móviles. Un robot fijo
es aquel que se encuentra empotrado sobre alguna superficie y donde el movimiento del
robot se basa en cambiar la posición de su órgano terminal, lugar donde comúnmente
se encuentra una herramienta de manipulación de objetos. Un ejemplo de robot fijo
es un brazo robótico (figura 1.21a).
(a) (b)
Figura 1.21 Clasificac ón de robots: (a) fij , (b) móvil.
(a) (b)
Figura 1.22 Clasificac ón de robots: (a) holonómico, (b) no holonómico.
Por otra parte, un robot móvil es aquel que no se encuentra fijo a una superficie, por
lo que puede desplazarse a través de cierto espacio. En este caso, el movimiento del
robot se basa en cambiar de posición a todo el robot. Un ejemplo de robot móvil es
un vehículo autónomo (figura 1.21b).
Por otra parte, los robots por su libertad de movimiento pueden clasificarse como
holonómicos y no holonómicos (figura 1.22). Los robots holonómicos u omnidirec-
cionales son aquellos pueden moverse en cualquier dirección (excepto en los espacios
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
22 Capítulo 1. Introducción a la robótica
donde se encuentren obstáculos); es decir, pueden cambiar de dirección y sentido de
manera indistinta; mientras que los robots no holonómicos son aquellos que no pueden
moverse libremente en algunas direcciones por restricción de su propia estructura. Por
ejemplo, un brazo robótico no puede moverse libremente por la restricción de sus mo-
tores y barras; o bien, una camioneta autónoma no puede moverse deliberadamente en
una dirección u otra por el mecanismo de tracción con el que cuenta. En ambos casos,
los robots son no holonómicos. Un caso contrario es un helicóptero de cuatro hélices
que puede moverse libremente hacia cualquier dirección, por lo que se considera un
robot holonómico.
Finalmente, los robots también pueden clasificarse por el número de grados de
libertad que tienen con respecto al número de dimensiones del espacio en donde se
mueven. Se dice que un robot es no redundante si el número de grados de libertad
que tiene es igual al número de dimensiones del espacio en donde se mueven; por
ejemplo, un brazo robótico de tres articulaciones que se mueve en un espacio de tres
dimensiones es un robot no redundante. Por otra parte, si el número de grados de
libertad de un robot es mayor que el número de dimensiones del espacio en donde
se mueve; entonces se conoce como redundante. Por ejemplo, un brazo robótico de
seis articulaciones que se mueve sobre un espacio de tres dimensiones será un robot
redundante. Además, si el número de grados de libertad de un robot es mucho mayor
que el número de dimensiones que el espacio donde se mueve; entonces se le conoce
como hiper-redundante. Entre mayor sea el número de grados de libertad, mayor
flexibilidad tendrá el robot para que pueda moverse a través del espacio. La figura
1.23 muestra esta clasificación de robots.
(a) (b)
Figura 1.23 Clasificac ón de robots (ambos están en un espacio 3D): (a) no redundante: dos uniones
entre articulaciones y al fina consta de un vástago de translación, los que le permite tener tres grados
de libertad, (b) redundante: motor de la base, articulación de la base, unión entre articulaciones y
manipulador, lo que le permite tener hasta cuatro grados de libertad.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.5 Modelado de los robots 23
1.5 Modelado de los robots
La clasificación de robots por su estructura es la más empleada para el modelado de
robots. A continuación se describen de manera más detallada los robots fijos y los
móviles, así como la abstracción del modelo básico.
1.5.1 Modelado de robots fijos
Los robots fijos son aquellos que se encuentran empotrados a una superficie y donde
el objetivo principal es mover su órgano terminal; es decir, la herramienta que se
encuentra al final del robot y que sirve como manipulador de objetos. En general,
todo robot fijo tiene articulaciones que le permiten mover sus partes o barras para
generar el movimiento en el órgano terminal. Las diversas articulaciones pueden tener
uno, dos o tres grados de libertad; dependiendo de su estructura mecánica.
Para estudiar a los robots, se suelen modelar con la finalidad de entender cuáles
son los grados de libertad que tienen, cómo pueden manipularse y cómo se pueden
representar. Por lo tanto, un robot fijo se puede modelar como un conjunto de ligas
(barras) relacionadas mediante articulaciones. Dichas articulaciones están asociadas a
los valores articulares que son las variables o grados de libertad del robot fijo. Tanto las
articulaciones como el órgano terminal son representados mediante puntos; mientras
que las ligas están representadas mediante líneas. La representación de un robot fijo
se puede observar en la figura 1.24.
(a) (b)
Figura 1.24 Modelo de un robot fij . (a) Robot real. (b) Modelo del robot.
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega24 Capítulo 1. Introducción a la robótica
Con base en la simplificación del robot fijo, es posible llevar a cabo su análisis ci-
nemático. Para esto, se han propuesto diferentes metodologías que contemplan la
determinación de la posición y la dirección del órgano terminal; entre ellas, el método
de representación Denavit-Hartenberg.
La representación Denavit-Hartenberg (D-H) cae dentro del problema de movimien-
to de robots conocido como cinemática directa, la cual tiene como objetivo determinar
la posición y dirección del órgano terminal con base en parámetros geométricos del
robot fijo. En particular, los parámetros necesarios son las longitudes (ai) de las ar-
ticulaciones, los ángulos de dirección (θi) en un instante de tiempo determinado por
parte de cada articulación relativos al eje horizontal, la distancia de desfasamiento
(di) entre el eje de la articulación y el motor y el ángulo de desfasamiento (αi) de este
mismo. Dichos valores se conocen como los parámetros D-H.
Con base en las matrices de transformaciones homogéneas, la representación D-H
define que cada unión entre dos articulaciones i y j están dados por la transforma-
ción homogénea de (1.1). Asimismo, la posición y la dirección del órgano terminal
está definida tras la post-multiplicación de las transformaciones homogéneas de (1.1),
descritas en (1.2).
Al finalizar, (1.2) es la representación final de la posición y la dirección del órgano
terminal con respecto a las direcciones de cada articulación; por lo tanto, dadas las
direcciones o posiciones de las articulaciones en distintos instantes de tiempo t es
posible determinar la cinemática del robot fijo.
A1j
T i = (((cosθ1i&− cos(α1i)sen(θ1i)@sen(θ1i)&cos(α1i)cos(θ1i))&(sen(α1i) (1.1)
T 0k = A
0
1 ·A
1
2
· · · ·Akk−1 =
k
∏
i=1
Aii−1 (1.2)
1.5.2 Modelado de robots móviles
Los robots móviles son aquellos que pueden moverse a través de un espacio en donde
no tienen puntos fijos. Por lo tanto, su objetivo principal es llevar a cabo el movimiento
de todo el robot a través del espacio. Al igual que en los robots fijos, su estudio se
puede llevar a cabo mediante su modelación.
La representación básica de estos robots es un punto, el cual no considera ninguna
cuestión mecánica ni dinámica en contacto. Por lo tanto, el punto es libre de moverse
a través del espacio y las coordenadas de éste serán los grados de libertad del robot
(únicamente es válido para robots no redundantes; en otro caso, las variables que
parametrizan al modelo del robot se conocerán como los grados de libertad). La
figura 1.25 muestra el modelo de un robot móvil no redundante.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.5 Modelado de los robots 25
(a) (b)
Figura 1.25 Modelo de un robot móvil no redundante. (a) Robot real, (b) Simplificac ón del robot.
En el caso específico de robots móviles, éstos tienden a modelarse con respecto a la
posición y la orientación que tengan respecto a un marco de referencia. De igual ma-
nera que en los robots fijos, en los robots móviles se puede analizar su comportamiento
cinemático. Para dicho análisis, existen diversos métodos; sin embargo, los tres más
utilizados son las matrices de transformaciones homogéneas, los ángulos de Euler y el
par de rotación.
Las matrices de transformaciones homogéneas derivan del análisis geométrico entre
marcos de referencia distintos. Para esto, se considera un marco de referencia original y
un marco de referencia ubicado en otra posición. A partir de lo anterior, las distintas
formas de encontrar estos pares de marcos de referencias son: traslaciones puras,
rotaciones puras y composición de rotación más traslación.
Una traslación pura consiste en que dos marcos de referencia A y B con la misma
orientación están desfasados. Dicho desfasamiento o traslación se modela a través de
un vector de desplazamiento (Dx,Dy,Dz) y se puede obtener la relación de (1.3) en
tres dimensiones y el cambio de coordenadas dado en (1.4).
Td =




1 0 0 Dx
0 1 0 Dy
0 0 1 Dz
0 0 0 1




(1.3)




x′
y′
z′
1




= T




x
y
z
1




(1.4)
Una rotación pura consiste en que dos marcos de referencia A y B no se encuentran
trasladados; pero sí rotados con respecto a uno de los ejes coordenados. Dicha rotación
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
26 Capítulo 1. Introducción a la robótica
puede ser expresada por los ángulos α, φ, θ con respecto al eje x, el eje y o al eje z,
respectivamente. La relación de rotación para cada eje están dados por (1.5), (1.6)
y (1.7), respectivamente. De nueva cuenta, el cambio de coordenadas está dado por
(1.4).




1 0 0 0
0 cosα −senα 0
0 senα cosα 0
0 0 0 1




(1.5)




cos⊘ 0 sen⊘ 0
0 1 0 0
−sen⊘ 0 cos⊘ 0
0 0 0 1




(1.6)




cosθ −senθ 0 0
senθ cosθ 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1




(1.7)
Finalmente, si un sistema tuvo rotaciones y traslaciones, se pueden combinar las
traslaciones puras y las rotaciones puras para obtener la posición final. Para ello, se
requiere multiplicar de manera sucesiva por la izquierda cada acción nueva que se
realice. La única condición, es que las multiplicaciones se lleven a cabo en el mismo
orden. Por ejemplo, si primer sucedió una rotación en el eje y, luego se trasladó y
luego se volvió a rotar pero en el eje z; entonces, la matriz de transformación final
estará dada por (1.8). El cambio de coordenadas, una vez obtenida la matriz de
transformación final, sigue siendo (1.4).
T = Tz · Td · Ty (1.8)
Por otra parte, tanto los ángulos de Euler como el par de rotación únicamente sirven
para determinar la orientación del marco de referencia. Los ángulos de Euler son
los ángulos que aparecen cuando se gira sobre un mismo eje y una representación
particular es la conocida como RPY (figura 1.26).
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
1.5 Modelado de los robots 27
Representación RPY.
Esta representación nombra a cada ángulo de Euler con un nombre específico: roll
para la rotación en el eje z, pitch para la rotación en el eje y, yaw para la rotación en
el eje x. La figura 1.26 muestra la representación RPY de los ángulos de Euler.
Finalmente, el par de rotación es una transformación de coordenadas en marcos de
referencia donde uno de ellos permanece fijo y el otro está rotado con un ángulo sobre
un vector k definido en el primer marco de referencia. En la figura 1.27 se observa el
esquema del par de rotación. El cambio de coordenadas en un par de rotación está
dado por (1.9); donde, p representa al punto en el primer marco de referencia que se
requiere expresar en el nuevo marco.
Par de rotación.
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
Figura 1.26
Figura 1.27
28 Capítulo 1. Introducción a la robótica
Entonces, el análisis cinemático de un robot móvil está dado por la secuencia de trasla-
ciones y rotaciones derivado de la multiplicación de las matrices de transformación
homogéneas y del par de rotación.
1.6 Aplicaciones de los robots
Dentro de las aplicaciones robóticas, se encuentran una gran diversidad. Algunas de
ellas están basadas en la planificación del movimiento como la navegación, localización,
búsqueda y mapeo. Otras está basadas en clasificación, manipulación de objetos,
armado y distribución. Algunos otros robots se ocupan del control de procesos o de la
automatización de líneas de ensamblaje. Robots más actuales han hecho apariciones
en asistencia médica, biotecnología y nanotecnología.
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30 Capítulo 2. Robots LEGO NXT
...es insensato usar máquinas para imitar a los seres hu-
manos, en tanto que las máquinas son realmente buenas sien-
do máquinas, y esto es algo en lo que los seres humanos so-
mos malos. Cualquier proyecto de inteligencia artif cial exitoso
castra a la máquina por su propia naturaleza.
Edsger Dijkstra
2.1 Introducción
Los sistemas robóticosse utilizan ampliamente en la actualidad, sobre todo en la
academia e industria; por ello que se han diseñado distintos sistemas que permiten
el aprendizaje de conocimientos asociados a la ingeniería, el control de sistemas, la
robótica, la inteligencia artificial y los sistemas computacionales.
La compañía LEGO desarrolló un sistema robótico que se conoce como LEGO
Mindstorms NXT 2.0, el cual se usa con fines de entretenimiento, académicos y de
investigación. Con el propósito de entender y utilizar estos sistemas, en este capítulo
se da una introducción de dicho robot NXT así como sus componentes esenciales.
2.2 ¿Qué es un robot NXT?
Los sistemas LEGO Mindstorms NXT son robots programables que aparecieron en
el año 2006, tras remplazar a los primeros robots LEGO Mindstorms, denominados
RoboticsInventionSystem, los cuales fueron ofrecidos por la compañía LEGO. La se-
gunda versión de estos sistemas se lanzó en el año 2009, y se les conoce como robots
LEGO Mindstorms NXT 2.0.
El objetivo de estos juguetes es permitir el desarrollo de sistemas robóticos con
facilidad, mediante el uso de los bloques LEGO y de un componente conocido como
bloque inteligente NXT. Este componente se puede programar con distintos lenguajes
de programación. El software incluido se conoce como NXT-G el cual es un ambiente
de programación gráfica que encapsula la complejidad de los distintos componentes
con la finalidad de que cualquier persona con conocimientos básicos sobre computación
y robótica pueda programar el robot NXT. Dicho software fue desarrollado por la com-
pañía National Instruments, razón por la cual, uno de los lenguajes de programación
que se emplea de manera cotidiana para los robots NXT es el entorno de programación
gráfico LabVIEW. Por otra parte, los robots NXT contienen sensores y motores que
permiten al robot interactuar con el medio ambiente. En la figura 2.1 se muestran
algunos ejemplos de robots NXT.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
2.3 Componentes básicos de un robot NXT 31
Figura 2.1 Ejemplos de robots NXT.
2.3 Componentes básicos de un robot NXT
Los robots NXT tienen un conjunto de componentes integrados que permiten su
funcionalidad. El primer componente es el sistema de sensores el cual ayuda al robot
a obtener información relevante sobre el escenario o ambiente donde se desarrolla.
Adicionalmente, algunos sensores pueden ser colocados con la finalidad de obtener
información del mismo robot NXT. Ejemplos de sensores básicos son los sensores
de contacto NXT, los sensores de luz NXT y los sensores ultrasónicos NXT. Sin
embargo, existen otros como: sensores de sonido NXT, brújulas NXT, sensores de color
NXT, acelerómetros NXT y sensores de identificación por radiofrecuencia (RFID)
NXT. En la actualidad, compañías externas a LEGO han desarrollado otros sensores
que también pueden acoplarse a los robots NXT; ejemplos de ellos son: barómetros,
receptores para radio-control, giroscopios, sensores de ángulo, pirómetros, sensores
magnéticos, entre muchos otros.
El siguiente componente de un robot NXT es el sistema de actuadores, los cuales
permiten al robot interactuar en el medio en que se desenvuelve. Ejemplos de ellos
son, los servomotores NXT que permiten el desplazamiento del robot o la generación
de movimiento para articulaciones robóticas. Otros actuadores diseñados por otras
empresas son los actuadores lineales que ayudan a empujar y presionar objetos o
partes del robot, asi como los sistemas neumáticos que pueden aplicar fuerzas mayores
a las producidas a través del par o torque de los servomotores NXT.
Otro componente igualmente importante es el bloque inteligente NXT. Este com-
ponente funciona como la unidad de control central que se encarga de llevar a cabo
una serie de instrucciones para poder manipular tanto los sensores como los actua-
dores. Como se describe más adelante, el bloque inteligente NXT se puede programar
fácilmente con ayuda del sistema incluido, o bien, haciendo uso del entorno de pro-
gramación gráfico LabVIEW. La interacción entre el sistema de sensores y actuadores
Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce Alfaomega
32 Capítulo 2. Robots LEGO NXT
conecta de manera alámbrica al bloque inteligente NXT mediante conectores o cables
diseñados para este propósito.
El último componente de un robot es la parte mecánica. Para el caso específico
del robot NXT, la parte mecánica está implementada a través de los bloques LEGO.
El armado de los bloques forma una estructura que sostiene el bloque inteligente
NXT y los diversos sensores y actuadores. Adicionalmente, éstos pueden utilizarse
para diseñar articulaciones y otros accesorios que ocupará el sistema robótico. El
sitio oficial de Internet de los robots LEGO Mindstorms NXT reporta un conjunto
de diseños de robots implementados con bloques LEGO. Otros recursos en línea y
artículos académicos muestran gran diversidad de estructuras robóticas.
La figura 2.2 muestra los componentes de un sistema robótico NXT, exceptuando
la estructura de bloques LEGO. A continuación, se detallan cada uno de los compo-
nentes del robot NXT.
Figura 2.2 Componentes de un robot NXT, exceptuando los bloques LEGO.
2.3.1 Sensores NXT
El primer componente importante de un robot NXT es el sistema de sensores. Dichos
dispositivos permiten conocer el ambiente en donde se desarrolla el robot NXT. En
especial, la tecnología de sensores NXT básicos que incluyen los robots NXT son: los
sensores de contacto NXT, los sensores de luz NXT y los sensores ultrasónicos NXT.
Otros sensores NXT que se pueden conectar al robot son: los sensores de sonido NXT,
la brújula NXT, los sensores de colores NXT, el acelerómetro NXT y los sensores de
radiofrecuencia NXT. A continuación, se presenta una breve descripción de cada uno
de ellos.
Alfaomega Robótica • Pedro Ponce • Vı́ctor de la Cueva • Hiram Ponce
2.3 Componentes básicos de un robot NXT 33
Sensor de contacto NXT. Permite determinar si el robot NXT tocó un objeto
o no, a partir de un interruptor que puede oprimirse. Se Utiliza comúnmente para
aplicaciones que deben tomar decisiones ante golpes con obstáculos y detección
de presencia de objetos.
Sensor de luz NXT. Permite detectar la intensidad luminosa del ambiente.
Se emplean en aplicaciones donde se requiere detectar presencia de negros y
blancos, seguimiento de líneas, seguidores de luz.
Sensor ultrasónico NXT. Permite medir la distancia entre el robot y los
objetos delante de éste. Sus aplicaciones principales son la medición de distancias
y la detección de objetos sin contacto.
Sensor de sonido NXT. Mide la intensidad de sonido que existe en el am-
biente. Sus aplicaciones principales en robótica son la detección de patrones de
sonido.
Brújula NXT. Puede medir el campo magnético terrestre con la finalidad de
determina la orientación. Su aplicación principal es determina la dirección de
un sistema robótico para ubicarse en su ambiente.
Sensor de color NXT. Permite determinar un rango de colores que se encuen-
tren delante del sensor. Su principal aplicación es la identificación de colores para
la clasificación de objetos o el seguimiento de líneas de colores.
Acelerómetro NXT. Mide el ángulo de inclinación en los tres ejes coordena-
dos. Sus aplicaciones principales son la determinación de inclinación de superfi-
cies y para medir la aceleración del sistema robótico.
Sensor de temperatura NXT. Permite medir la temperatura de un cuerpo
mediante el contacto. Con este sensor se pueden desarrollar aplicaciones que
impliquen toma de decisiones con respecto a la temperatura.
Dado que los sensores NXT se utilizan mucho y en algunos casos son imprescindibles
en las aplicaciones robóticas, enseguida se presenta una descripción detallada sobre
ellos, con la finalidad de entender su funcionamiento y ampliar sus usos potenciales.
Posteriormente, se describirá la forma de conectarlos y usarlos en robots NXT.
Sensor de contacto NXT
Algunas aplicaciones robóticas requieren determinar si