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FUNDAMENTACION TEORICA
A. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Para sustentar la investigación, se han consultado proyectos que sirven
como soporte, para complementar la información. Estas investigaciones son
recientes, tratan temas como el diseño y desarrollo de sistemas roboticos con
el uso de sensores y microcontroladores y la utilización de rayos infrarrojos
en proyectos tecnológicos.
Caraballo, Verónica y Díaz, Maria(Urbe, 1999), desarrollaron un
prototipo de sistema robótico para simular el comportamiento de la
inteligencia evolutiva en la optimización de una trayectoria hacia un objetivo,
donde se utilizo teorías de inteligencia artificial aplicada a la robótica. El
desarrollo del prototipo está centrado en dos enfoques: el reconocimiento de
una figura geométrica, y la toma de decisión en la selección de una
trayectoria optima. Se hizo uso de microcontroladores PIC, para gobernar
todo el sistema, que en conjunción con otros elementos físicos y
lógicos(software), además de la aplicación de teorías de inteligencia artificial,
se concluyó que un robot puede ser autónomo adquiriendo aprendizaje para
adaptarse a su ambiente.
Por su parte, Gutiérrez, Edgar(Urbe, 2000), en su tesis “Sistema de
transferencia de información mediante el uso del infrarrojo para el
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intercambio de datos a través de un computador”, concluyó que utilizando
rayos infrarrojos se puede tener una comunicación entre dos máquinas, a
bajo costo e inmune a ruidos electromagnéticos, demostrando la efectividad
del infrarrojo en la transmisión de datos.
Lubin, Arnias(Urbe,1999), realizó el proyecto “Desarrollo de un sistema
robótico capaz de hacer seguimiento de trayectorias definidas en una
superficie plana”. El propósito alcanzado en este estudio fue el desarrollo de
un sistema robótico capaz de hacer seguimiento de trayectorias definidas en
una superficie plana. El robot consta de dos microcontroladores PIC, los
cuales realizan y agilizan la mayoría de las actividades como los de
movimiento del servomotor y el encendido del motor de tracción. La
investigación fue de tipo aplicada según su propósito; descriptiva de acuerdo
al método de investigación utilizado y tecnológica porque se desarrolló en el
campo tecnológico, facilitando así la solución de problemas en un periodo
corto de tiempo. La metodología del ciclo de vida planteada por
Angulo(1997), fue la utilizada como base para el análisis, diseño, desarrollo y
pruebas. Los resultados fueron positivos, pues se pudo controlar los
movimientos del servomotor con el microcontrolador y dirigir la dirección del
robot por medio del sensor de ultrasonido, esquivando los posibles
obstáculos que se presentase en su camino.
Todas estas investigaciones contribuyeron en la realización del
presente proyecto, debido a que aportaron teorías de sistemas robóticos
autónomos dotados de microcontroladores, sensores y servomotores.
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Además contribuyeron al entendimiento de la actividad sensor-motora
aplicadas a robots, y la utilización de rayos infrarrojos en la experimentación
científica.
B. BASES TEORICAS 1. BREVE HISTORIA DE LA ROBOTICA
Se dice que la historia ayuda a entender el presente. En ese sentido,
la historia de la tecnología está formada por tres periodos principales: era
agrícola, era industrial y era de la informática. Ahora bien, en el desarrollo de
los robots se puede ver como lógica e importante esta parte de la historia
humana.
En esta asociación con la historia, la tecnología de cada época ha sido
poderosamente influyente en la vida cotidiana de sus sociedades. Los
productos y la ocupación han sido dictados por la tecnología disponible. Por
ejemplo; en la era agrícola cuya tecnología era muy primitiva, estaba formada
por herramientas muy simples que; sin embargo, eran la novedad. Como
consecuencia de ello, la mayoría de la gente eran agricultores y todo el
trabajo se hacía mediante la fuerza de los hombres en primera instancia y en
el aprovechamiento de los animales, posteriormente.
Se señala y así hay evidencias de ello que, a mediados del siglo XVIII,
los molinos de agua, la máquina de vapor y otros transformadores de energía
reemplazaron la fuerza humana y animal como fuente principal de energía.
17
Las nuevas maquinas de fabricación impulsaron el crecimiento de la industria
y mucha gente pasó a estar empleada en las nuevas fábricas como
trabajadores. Los bienes se producían mas rápidamente, y mejor que antes
aumentado la calidad de vida. Los cambios sucedieron tan deprisa que a
este periodo se le conoce como “revolución industrial”.
En pleno avance de este periodo, en Europa se fueron construyendo
muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de
robots. Jacques de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño
humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataban de robots
mecánicos diseñados para un propósito especifico: la diversión.
En 1805, Henry Maillardert construyó una muñeca mecánica que era
capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como el programa
para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Estas creaciones
mecánicas de forma humana deben considerarse como invenciones aisladas
que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su época. Hubo otras
invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por mentes
de igual ingenio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la
producción textil. Entre ellas se pueden citar la hiladora giratoria de
Hargreaves(1770), la hiladora mecánica de Crompton(1779), el telar
mecánico de Cartwright(1785), el telar de Jacquard(1801), y otros.
A continuación, en la mitad del siglo XX, surgen las industrias basadas
en la ciencia, las mejoras tecnológicas en la electrónica hicieron posible el
ordenador. Este constituye el desarrollo más importante, debido a que
18
revolucionó el modo de procesar y comunicar la información. Como
resultado, la información se ha convertido en un bien mas del mercado. A
esta nueva era se le conoce como la era de la información o “post-industrial”.
La tecnología de la información tiene un gran impacto en la sociedad,
ordenadores, fibra óptica, radio, televisión y satélites de comunicación son
solo ejemplos de dispositivos que tienen un enorme efecto sobre la vida y
economía de la humanidad.
Un gran porcentaje de empleo requieren de trabajadores informáticos
y cada menos se necesitan trabajadores de producción. En este aspecto, la
tecnología de la información ha sido responsable del espectacular
crecimiento de la robótica. A medida que la era industrial declina se espera
que cada vez mas trabajo físico sea realizado por robots.
Mas hacia lo contemporáneo, el desarrollo en la tecnología, donde se
incluyen las poderosas computadoras electrónicas, los actuadores de control
retroalimentados, transmisión de potencia a través de engranaje, y la
tecnología en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos
autómatas para desempeñar tareas dentro de las industrias. Son varios
factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la
década de los cincuenta. La investigación en inteligencia artificial desarrolló
maneras de emular el procesamiento de información humana con
computadores electrónicos e inventó una variedad de mecanismos para
probar sus teorías.
19
No obstante las limitaciones de las máquinas robóticas actuales, se
basan precisamente en el concepto popular de robot, calificados como una
máquina con apariencia humana, que actúa como tal, tanto motora como
intelectualmente. 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 Universal Robots, dio lugar al
término robot. La palabra checa Robota; significa servidumbre o trabajador
forzado, y cuando se tradujo al inglés se convirtió en el término robot. Dicha
narración se refiere a un brillante científico llamado Rossum y su hijo,
quienes desarrollan una sustancia química que es similar al protoplasma
para fabricar robots, y sus planes consisten en que estos sirvan a la clase
humana de forma obediente para realizar todos los trabajos físicos. Rossum
sigue realizando mejoras en el diseño de los robots, elimina órganos y otros
elementos innecesarios, y finalmente desarrolla un ser perfecto. El
argumento experimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos
comienzan a no cumplir con su papel de servidores y se rebelan contra sus
dueños, procediendo a destruir toda la vida humana.
La obra de Capek(1917), es en gran medida responsable de las
creencias mantenidas popularmente acerca de los robots en nuestro tiempo,
incluyendo la mencionada calificación de los mismos como máquinas
humanoides dotadas con inteligencia y personalidades individuales. Esta
imagen se reforzó en la película alemana de robots metrópolis, de 1926, con
el robot andador eléctrico y su perro “Sparko”.
20
Entre los escritores de ciencia-ficción, Isaac Asimov contribuyó con
varias narraciones relativas a robots, comenzando en 1939. A él se atribuye
el acuñamiento del término Robótica. La imagen de robot que aparece en su
obra es la 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:
§ Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la
inacción, que un ser humano sufra daños.
§ Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres
humanos, salvo que estén en conflictos con la primera ley.
§ Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en
conflicto con las dos primeras leyes.
A estas obras le siguen grandes producciones cinematográficas como,
Las guerras de las galaxias(1977), película protagonizada por el robot C3PO,
Terminator(1984), donde el protagonista era un robot cubierto con tejido
humano, y con una gran inteligencia, enviado del futuro con la misión de
liquidar a una mujer que dará a luz a un niño que en el futuro impedirá que
las maquinas gobiernen al mundo, y luego regresa en Terminator II(1991),
como protector del chico ya convertido en adolescente. Ciertamente los
robots industriales modernos, parecen primitivos en comparación con las
expectativas generadas por estas obras.
Androides que posean una funcionalidad completa de un ser humano
se encuentran muy alejados de la realidad actual, debido a la multitud de
21
problemas que aún deben ser resueltos. Sin embargo, algunos robots reales,
sofisticados que trabajan hoy en día, están revolucionando los lugares de
trabajo. Estos robots no tienen la romántica apariencia humana de los
androides, de hecho son manipuladores (brazos y manos) industriales
controlados por ordenador. Son tan diferentes a la imagen popular que sería
muy fácil no reconocerlos.
En el año de 1956, George Devil y Joseph Engelberger formaron
unimation, la primera empresa de robots, denominados Unimates. Devil
predijo que el robot industrial "ayudaría al trabajador de las fábricas del
mismo modo en que las máquinas de ofimática habían ayudado al oficinista".
Unos años más tarde, en 1961, el primer robot industrial se empleó en la
factoría de General Motors en Nueva Jersey. Entonces hubo un ‘boom’ de la
idea de la fábrica del futuro, en un primer intento el resultado y la viabilidad
económica fueron desastrosa.
Desde 1980, los robots se han expandido por todo tipo de industrias.
El principal factor responsable de este crecimiento ha sido las mejoras
técnicas y los avances en Microelectrónica e Informática. Los Estados Unidos
vendieron sus empresas de robots a Europa, Japón y a sus filiales en otros
países. En la actualidad sólo una empresa, ADETP, permanece en el
mercado de producción industrial de robots en EE.UU.
Aunque los robots ocasionan cierto desempleo, también crean puestos
de trabajo; técnicos, ingenieros y programadores, son algunos profesionales
que se contratan para el personal de desarrollo. Los países que usen
22
eficazmente los robots en sus industrias tendrán una ventaja económica en
el mercado mundial.
En el campo de la investigación, el primer autómata lo construye Grey
Walter(1940). Era una tortuga que buscaba la luz o iba a enchufarse para
recargar baterías. Al final de los sesenta, Shakey construido por SRI,
navegaba en entornos de interior de edificios muy estructurados. A partir de
ese momento ha habido una gran proliferación de trabajo en vehículos
autónomos que ya circulan a la velocidad de un coche por la carretera y
navegan por todo terreno en aplicaciones comerciales.
1.1. GENERACIONES
La introducción de los microprocesadores desde los años setenta ha
hecho posible que la tecnología de los robots haya sufrido grandes avances,
los modernos ordenadores han ofrecido un "cerebro" a los músculos de los
robots mecánicos. Ha sido esta fusión de electrónica y mecánica la que ha
hecho posible al moderno robot. Los japoneses han acuñado el término
Mecatrónica, para describir esta fusión.
El año 1980 fue llamado "primer año de la era robótica" porque la
producción de robots industriales aumentó ese año un ochenta por
ciento(80%), respecto del año anterior.
23
1.1.1. PRIMERA Y SEGUNDA GENERACION
Los cambios en robótica sucedieron tan deprisa que ya se ha pasado
de unos robots relativamente primitivos a principios de los setenta, a una
segunda generación. La primera generación de robots era reprogramable,
básicamente se encontraban brazos u otros dispositivos manipuladores que
sólo podían memorizar movimientos repetitivos, asistidos por sensores
internos que les ayudaban a realizar sus movimientos con precisión. La
segunda generación entra en escena a finales de los setenta. Ya los robots
están dotados de sensores externos (tacto y visión por lo general) que le dan
información (realimentación) del mundo exterior. Estos robots pueden hacer
elecciones limitadas o tomar decisiones y reaccionar ante el entorno de
trabajo. A esta clase de autómatas, se les conoce como robots adaptativos.
1.1.2. TERCERA GENERACIÓN
La tercera generación está surgiendo en estos años, emplean la
inteligencia artificial y hacen uso de los ordenadores tan avanzados de los
que se puede disponer en la actualidad. Estos ordenadores no sólo trabajan
con números, sino que también trabajan con los propios programas, hacen
razonamientos lógicos y aprenden. La Inteligencia Artificial le permite a los
ordenadores resolver problemas inteligentemente e interpretar información
compleja procedente de avanzados sensores.
24
1.2. TENDENCIAS FUTURAS
Durante años los robots han sido considerados útiles, sólo si se
empleaban como manipuladores industriales. Recientemente han irrumpido
varios roles nuevos para los robots. A diferencia de los tradicionales robots
fijos de manipulación y fabricación, estos nuevos autómatas móviles pueden
realizar tareas en un gran número de entornos distintos. A estos robots no
industriales se les conoce como robots de servicios.
Los robots de servicios proporcionan muchas funciones de utilidad, se
emplean para la educación, fines de bienestar personal y social. Por ejemplo,
hay prototipos que recorren los pasillos de los hospitales y cárceles para
servir alimentos, otros navegan en oficinas para repartir el correo a los
empleados. Los robots de servicios son idealmente adecuados al trabajo en
áreas demasiado peligrosas para la vida humana y a explorar lugares
anteriormente prohibidos a los seres humanos. Han probado ser valiosos en
situaciones de alto riesgo como en la desactivación de bombas y en entornos
contaminados, radioactiva y químicamente. Las investigaciones espaciales
han aprovechado esta situación, enviando autómatas a diferentes planetas
del sistema solar, con fines de exploración. En 1997, la NASA envió para
Marte, un robot móvil denominado Path finder. El robot estaba provisto de
cámaras y sensores, que permitieron obtener imágenes del planeta e
información acerca de la temperatura y de objetos presentes en Marte. El
Pathefinder, aterrizó exitosamente en la superficie de Marte a las 10:07:25
25
a.m, marcando el histórico regreso de NASA al Planeta Rojo luego de más
de 20 años. El suceso ocurrió el cuatro de julio. La figura No 1, muestra al
Pathfinder explorando en Marte.
FIGURA 1. Pathfinder. Fuente: Internet (2001). Disponible en
http://www.arval.org.ve/missionsrsp.htm.
Este crecimiento revolucionario en el empleo de robots como
dispositivos prácticos es un indicador de que los robots desempeñarán un
importante papel en el futuro. Los robots del futuro podrán relevar al hombre
en múltiples tipos de trabajo físico. Joseph Engelberg, padre de la robótica
industrial, está investigando en una especie de robot mayordomo o sirviente
doméstico. Se piensa que los robots están en el momento crítico antes de la
explosión del mercado, como lo estuvieron las computadoras personales en
1975. El campo de la robótica se desbordará cuando los robots sean de
dominio público, esta revolución exigirá que la gente de la era de la
información no sea "analfabeta robótica".
26
Debido al interés, y a las incesantes investigaciones, la robótica se ha
convertido en una ciencia. Groover(1989,p.21), la define como una ciencia
aplicada, considerada como una combinación de tecnología de las maquinas-
herramientas y de la informática. Comprende campos tan diferentes como
diseño de maquinas, teoría de control, microelectrónica, programación de
computadoras, inteligencia artificial, factores humanos y teoría de producción.
A continuación se presenta una tabla que muestra la cronología del
desarrollo y creación de robots, desde el siglo XVIII, hasta la actualidad.
CUADRO 1
CRONOLOGÍA DEL DESARROLLO DE LA ROBOTICA
Año Evento
1801 J. Jacquard inventó su telar, que era una máquina
programable para la urdimbre.
1805 Maillardet construyó una muñeca mecánica capaz
de hacer dibujos.
1946 El inventor americano G.C.Devol, desarrolló un
dispositivo controlador que podía registrar señales
eléctricas por medios magnéticos.
27
CUADRO 1(CONT)
1951 Trabajo de desarrollo de Teleoperadores
(manipuladores de control remoto), para manejar
materiales radioactivos. Patente de Estados
Unidos emitidas para Goertz(1954) y
Bergsland(1958).
1954 -El británico C. W.Kenward patenta el diseño de
un robot.
-Devol, desarrolla diseños de transferencia de
artículos programada. Patente emitida por Estados
Unidos para el diseño en 1961.
1959 Planet Corporation introduce el primer robot
comercial controlado por interruptores de fin de
carrera y levas.
1961 Un robot Unimate, Se instaló en la Ford Motor
Company para atender una maquina de fundición
de troquel.
1966 Trallfa. Una firma noruega, construyó e instaló un
robot de pintura por pulverización.
28
CUADRO 1(CONT)
1968 Un robot móvil llamado Shakey, se desarrollo en
SRI (Standford Research Intitute), estaba provisto
de una diversidad de sensores.
1970 Unimation produce el PUMA (Máquina Universal
Programable para Montajes).
1971 El Stanford Arm, un pequeño brazo de robot de
accionamiento eléctrico, se desarrollo en la
Stanford University.
1973 SRI desarrolla el primer lenguaje de programación
de robots del tipo de computadora para la
investigación con la denominación WAVE. Fue
seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos
lenguajes se desarrollaron posteriormente en el
lenguaje VAL comercial para Unimation por Víctor
Scheiderman y Bruce Simano.
1974 -Kawasaki, bajo licencia de Unimation, instaló un
robot para soldadura por arco para estructuras de
motocicletas.
-Cincinnati Milacron, introdujo el robot T3 con
control por computadora.
29
CUADRO 1(CONT)
1976 Estados unidos aterrizaron en Marte el Viking,
llevaba abordo un brazo robotizado, el cual
recogía muestras de piedra, tierra y otros
elementos los cuales eran analizados en el
laboratorio que fue acondicionado en el interior del
robot.
1978 El robot T3 de Cincinati Milacron se adaptó y
programó para realizar operaciones de taladro y
circulación de materiales en componentes de
aviones, bajo el patrocinio de Air Force ICAM
(Integrated Computer-Aided Manufacturing).
1979 La Universidad de Yamanashi desarrolla el robot
tipo SCARA, para montaje. Varios robots SCARA
se introdujeron al mercado en 1981.
1980 Un sistema robótico de captación de recipientes
fue objeto de demostración en la universidad de
Rhode Insland. Con el empleo de visión de
maquina, el sistema era capaz de captar piezas en
orientaciones aleatorias y posiciones fuera de un
recipiente.
30
CUADRO 1(CONT)
1982 IBM, introdujo el robot RS-1 para montaje, basado
en varios años de desarrollo interno. Se trata de
un robot de estructura de caja que utiliza un brazo
constituido por tres dispositivos de deslizamiento
ortogonales. El lenguaje del robot AML,
desarrollado por IBM, se introdujo también para
programar el RS-1.
1997 La NASA envió para Marte, un robot móvil
denominado Pathfinder. El robot estaba
compuesto por cámara y sensores, a fin de
proporcionar una imagen e información acerca de
la temperatura del ambiente en ese planeta.
1999 La SONY lanzó al mercado un robot con forma de
perro llamado Aibo, mueve la cola, juega, duerme
y, sobre todo, no hace falta sacarlo a pasear, será,
previsiblemente, el mejor amigo del hombre en el
siglo XXI.
Fuente: Groover (1989,p.12).
31
2. SISTEMA ROBÓTICO
Según Senn(1992, p.19), Sistema es un conjunto de elementos que
interaccionan entre sí para lograr un objetivo común. Robótica, por su parte,
se define como el arte y la ciencia en la creación y empleo de robots.
(Freedman, 1993, p.679). Entonces se puede inferir sobre definir al Sistema
Robótico, para los fines del estudio, como aquel conjunto de elementos
interrelacionados, cuyo objetivo común es la creación y empleo de robots.
De esta manera, un sistema robótico con percepción infrarroja, para la
detección de objetos, está compuesto por elementos físicos, denominados
unidades funcionales o subsistemas. Por lo tanto cada unidad funcional
realiza una función específica y tiene su propia entrada y salida. Se
determina asimismo y tomando en cuenta los criterios de los autores de esta
investigación que los robots tienen cuatro unidades funcionales principales:
Controlador (microcontrolador), motores y transmisión (ruedas), fuente de
alimentación y sensores. La parte lógica del sistema robótico, es un software
incluido en el microcontrolador, el cual gobierna todo el sistema. La
interrelación de las unidades funcionales y la parte lógica está fundamentada
en las teorías de sistemas de control.
Rincón (1998, p.85), indica que control es la actividad cuya finalidad,
es vigilar y dirigir el funcionamiento correcto de un proceso, sistema o
trabajo.
32
Ahora bien, tomando en cons ideración el concepto de sistema
anteriormente descrito, se afirma que, un sistema de control, es un conjunto
de elementos que interaccionan entre sí, para vigilar y dirigir el
funcionamiento correcto de un proceso. Dicho proceso puede ser, mantener
una variable en estudio, dentro de ciertos parámetros establecidos, o bien
controlar la acción a tomar por un robot.
Un sistema de control puede ser de lazo abierto o de lazo cerrado. Es
de lazo abierto, cuando la salida no tiene efecto sobre la acción del control
(Ogata, 1993, p. 5). En este tipo de sistema la salida no se compara con la
entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia
corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema
depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de
control de lazo abierto no cumple con sus funciones asignadas. En la
práctica, el control de lazo abierto sólo se puede utilizar si la relación entre
entrada y la salida del sistema es conocida, y si no se presenta
perturbaciones tanto externas como internas.
En lo concerniente a un sistema de control de lazo cerrado, también
llamado retroalimentado, utiliza la señal de salida, como señal de
retroalimentación. Esta señal es comparada con la de entrada. La diferencia
entre la señal de retroalimentación y la de entrada, da como resultado, otra
señal denominada, error actuante, que es la que entra en el controlador, para
reducir el error, y llevar la señal de salida a los niveles deseados.(Ogata,
1993, p.4).
33
El diagrama de bloques del sistema de control de un robot con
percepción infrarroja, se ilustra en la figura 2. A través de él puede percibirse
como dicho sistema corresponde a uno de lazo abierto, en donde la entrada,
es proporcionada por el entorno, a través de un sensor.
FIGURA 2 . Sistema de control del robot. Fuente: Gedler y Maldonado
(2001).
El sistema funciona, de la siguiente manera: El sensor infrarrojo,
recoge la información del entorno, acerca de la presencia o no de un objeto
próximo al robot. Le transmite la información, en forma de señal de entrada
al controlador, en este caso es un microcontrolador Basic Stamp, con un
software que tiene la función de gobernar el trabajo de los actuadores.
Inmediatamente el controlador, pasa una señal en forma de pulsos a los
actuadores, indicando la acción a tomar, estos, a su vez son alimentados por
la fuente, que proporciona la energía necesaria, para realizar su trabajo, el
cual es, darle a las ruedas la fuerza motriz, para efectuar el desplazamiento y
orientación del sistema robótico, que se traduce en la salida.
sensor Señal de entrada microcontrolador
aviso de presencia de algún objeto fuente de energía
activa A
limentacion
AA
limentacion
Actuadores o servomotores fuerza motriz Ruedas de desplazamiento acción a tomar
34
2.1. UNIDADES FUNCIONALES
El sistema robótico con percepción infrarroja, está compuesto,
principalmente por tres tipos de elementos físicos o unidades funcionales:
actuadores o servomotores, un sensor y un microcontrolador.
Este sistema robotico esta enmarcado en el área de la robótica y
dentro de esta a la microbótica, en el se utiliza un sensor infrarrojo de bajo
costo y corto rango, es un compacto y portable sistema de detección de
objetos IR incorporando un transmisor IR, receptor (ópticos), filtros, detector y
un amplificador de circuiteria. La unidad es altamente resistente a la luz solar
y a las variaciones imprevistas en la superficie reflectora del objeto
detectado.
A diferencias de otros sistemas IR, posee (fairly narow) campo de
vista, haciendolo ideal por su sensibilidad, desde pequeños objetos hasta
(candlesticks). Este campo de vista cambia con la distancia ajustada por la
calibración del sensor.
2.1.1. ACTUADORES
Los actuadores, son los dispositivos que proporcionan la fuerza motriz
real para las articulaciones del robot. Los actuadores suelen obtener su
energía a partir de una de tres fuentes: Aire comprimido, fluido por presión o
electricidad. Estos actuadores reciben el nombre de actuadores neumáticos,
hidráulicos, o eléctricos, respectivamente.
35
2.1.1.1. MOTORES ELÉCTRICOS
Conforme mejoran sus capacidades, los motores eléctricos han
llegado a ser cada vez más los actuadores de selección en el diseño de
robot, de hecho el sistema robótico del presente proyecto, está provisto de
dos motores eléctricos(servomotores), situados en sus dos ruedas
delanteras. Los motores proporcionan una excelente controlabilidad,
requiriendo un mínimo de mantenimiento. Existe una gran variedad de tipos
de motor utilizados en la microrobótica. Los más comunes son los
servomotores de corriente continua ( también llamado servomotor c.c).
En el mercado existe una gran diversidad de servomotores, los mas
utilizados son los servomotores futaba ilustrados en la figura 3.
36
FIGURA 3. Servomotor Futaba. Fuente: Internet (2001). Disponible en:
http://www.creaturoides.com.//index.html
Este servomotor es un motor eléctrico que solo se puede mover en un
ángulo de aproximadamente 180° (no dan vueltas completas como los
servomotores normales). Como se aprecia en la figura, los servomotores
futaba constan de 3 cables; El rojo es de alimentación de voltaje (+5V), el
negro es de tierra (GND). El cable blanco se utiliza para conectar el servo
con un microcontro lador, que es el que le envía los pulsos para realizar los
desplazamientos.
Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le dice a un pequeño
motor de corriente directa cuántas vueltas girar para acomodar la flecha (el
palito de plástico que sale al exterior) en la posición que se le ha pedido.
En la siguiente figura se observa cómo están acomodadas estas piezas
dentro del servomotor:
37
FIGURA 4. Partes del Servomotor Futaba. Fuente: Internet (2001).
Disponible en: http://www.creaturoides.com.//index.html
La resistencia variable o potenciómetro está sujeto a la flecha, y mide
hacia dónde está rotada en todo momento. Es así como la tarjeta
controladora sabe hacia dónde mover al motorcito. La posición deseada se le
da al servomotor por medio de pulsos.
2.1.1.2. MOTORES PASO A PASO
Los motores paso a paso (también denominados motores de velocidad
gradual) son un tipo de actuador único en su género y se utilizan sobre todo
en los periféricos de computadoras. Un motor paso a paso proporciona una
salida en la forma de incrementos discretos de movimiento angular. Son
objeto de actuación por una serie de impulsos eléctricos discretos. Para cada
impulso eléctrico hay una rotación de paso único en el eje del motor.
2.1.1.3. SERVOMOTORES CONTROLADOS DIGITALMENTE
Estos servomotores se caracterizan por su alta eficiencia y pequeño
tamaño, lo cual ha sido tomado como unas de las herramientas mas
aplicadas a la robótica. Estos compactos, resistentes y duraderos motores
son perfectos para robots pequeños, ya que su sistema electrónico y de
38
control mecánico están constituidos en su interior. Una línea de salida
proveniente de un microcontrolador puede manejar a los servos en cualquier
dirección.
2.1.2. SENSORES, PERCEPCIÓN Y DETECCIÓN
Los humanos no dan a menudo, importancia al funcionamiento de los
sistemas preceptúales. Observan una taza sobre una mesa, y la toman
automáticamente sin pensar en ello, al menos no son conscientes de pensar
mucho en ello. De hecho, el conseguir beber de una taza requiere una
compleja interacción de sentidos, interpretación, conocimiento y
coordinación, que en la actualidad se entiende mínimamente.
Por lo tanto, infundir a un robot prestaciones de tipo humano, como la
interpretación y conocimiento, resulta tremendamente difícil. A pesar de que
seria espléndido que entendiera y fuera consciente de su entorno, en
realidad, un robot está limitado por los sensores que se le da y el programa
que le escribe. Un sensor, es meramente un transductor, que transforma
fenómenos físicos, en señales eléctricas (Groover, 1989, p.159). Entre los
fenómenos físicos, se encuentran entre otros; alcance, proximidad y
contacto.
Como consecuencia de lo anteriormente dicho, se puede afirmar que
la percepción en un robot por medio de sensores, se limita solo a la
sensación, efectuada a través de la conversión de variables físicas en
39
señales eléctricas, de la presencia de algún objeto, sin estar consciente de la
natura leza o significado del mismo.
Sin embargo, Fu(1988, p. 275), indica que el uso de los sensores
como mecanismos de detección, permiten que el robot interactúe con el
ambiente, proporcionándoles un mayor grado de inteligencia. Afirma que un
robot con capacidad de sentir, es más fácil de entrenar para la ejecución de
tareas complejas, mientras que al mismo tiempo, exige mecanismos de
control menos estrictos que las maquinas preprogramadas para realizar
actividades repetitivas. La importancia de un sistema sensible susceptible de
entrenamiento, radica en que tiene mayor campo de acción para la
automatización de procesos en aplicaciones industriales.
Los sensores, según su función se dividen en dos categorías
principales; estado interno y estado externo. Los sensores de estado interno
operan con la detección de variables, tales como la posición de la
articulación del brazo, para el control del robot. Por el contrario, los sensores
de estado externo operan con la detección de variables tales como, el
alcance, la proximidad y el contacto. La detección externa, se utiliza para el
guiado del robot, así como la manipulación e identificación de objetos.
Los sensores de estado externo pueden clasificarse también como
sensores de contacto, y de no contacto. Como su nombre indica, la primera
clase de sensores responden al contacto físico, tal como el tacto,
deslizamiento y torsión. Los sensores de no contacto se basan en las
40
respuestas de un detector de variaciones en la radiación electromagnética o
acústica.(Fu, 1988,p.275).
2.1.2.1. DETECCIÓN Y SENSORES DE CONTACTO
Estos sensores se utilizan en robótica para obtener información
asociada con el contacto entre una mano manipuladora y algún objeto
existente en el campo de trabajo del robot. Cualquier información puede
utilizarse, por ejemplo, para la localización y el reconocimiento del objeto, y
para controlar la fuerza ejercida por un manipulador sobre el mismo. Los
sensores de contacto se dividen, según la señal emitida, en dos categorías
principales: binarios y analógicos. Los sensores binarios son esencialmente
conmutadores que responden a la presencia o ausencia de un elemento. Por
su parte, los sensores analógicos proporcionan a la salida una señal
proporcional a una fuerza local.
2.1.2.2. DETECCIÓN Y SENSORES DE FUERZA Y TORSIÓN
La capacidad para medir fuerzas permite al robot ejecutar varias
tareas. En estas tareas se incluyen la capacidad para agarrar objetos de
diferentes tamaños en la manipulación de materiales, cargado de
maquinarias y trabajos de ensamble, aplicando el nivel apropiado de fuerza
para la pieza dada. En las aplicaciones de ensamble, la detección de
fuerzas se podrá utilizar para saber si los tornillos han llegado a ser
enroscados transversalmente o si los objetos han quedado atascados.
41
2.1.2.3. DETECCIÓN Y SENSORES DE PROXIMIDAD Y ALCANCE
Según Groover(1989,p. 170), los sensores de proximidad son
dispositivos que indican cuando un objeto esta próximo a otro. Cuán próximo
debe estar el objeto para poder activar el sensor, dependerá del dispositivo
en particular. Las distancias pueden ser cualquiera entre varios milímetros y
varios pies. Algunos de estos sensores pueden utilizarse también para medir
la distancia entre el objeto y el sensor, y estos dispositivos de denominan
sensores de alcance. Estos sensores son de gran utilidad para determinar la
localización de un objeto en relación con el robot. Los sensores de
proximidad y alcance se localizarían en el efector final, o en las partes
móviles del robot. Un empleo práctico de un sensor de proximidad en
robótica sería detectar la presencia o ausencia un objeto. Otra aplicación
importante es la detectar personas en el área de trabajo del robot.
Una diversidad de tecnologías está disponible para realizar este tipo
de sensores. Estas tecnologías incluyen elementos acústicos, técnicas de
campos eléctricos, dispositivos ópticos y algunas otras.
Los sensores ultrasónicos, pertenecen a la clasificación de sensores
de proximidad. Están compuestos principalmente por un transductor
electroacústicos, frecuentemente del tipo piezoeléctrico, que transmite y
recibe señales de energía acústica para detectar objetos. Estos sensores,
tienen una capa de resina que protege al transductor contra la humedad,
polvo y otros factores ambientales, y también actúa como un adaptador de
42
impedancia acústica. Puesto que el mismo trasductor se suele utilizar para la
transmisión y la recepción, un amortiguamiento rápido de la energía acústica
es necesario para detectar objetos a distancias.
Los sensores de proximidad ópticos pueden diseñarse utilizando
fuentes de luz visibles o invisibles(infrarrojos). Los sensores infrarrojos
pueden ser activos o pasivos. Los pasivos son simplemente dispositivos que
detectan la presencia de la radiación infrarroja en el entorno. Se suelen
utilizar en sistemas de seguridad para detectar la presencia de cuerpos que
emiten calor dentro del alcance del sensor. Estos sistemas sensores son
efectivos en la cobertura de grandes zonas en interiores de edificios.
Los activos envían un haz de rayos infrarrojos y responden a la
reflexión del haz contra un blanco. Estos tipos de sensores, poseen dos
diodos (led), uno funciona como emisor de luz y el otro como receptor del haz
de luz rebotado contra el blanco (ver figura 5). El sensor de infrarrojos activo
puede emplearse para indicar no solamente si está presente o no una pieza
u objeto en el campo de acción del robot, sino también para señalar la
posición de la misma. Temporizando el intervalo a partir de cuando se envía
la señal y se recibe el eco puede realizarse una medida de la distancia entre
el objeto y el sensor. Esta características es de gran utilidad sobre todo para
los sistemas de locomoción y guiado.
43
FIGURA 5. Sensor Infrarrojo. Fuente: Gedler y Maldonado (2001).
El sensor utilizado en la presente investigación es un sensor de
infrarrojos marca Sharp modelo GP2D05, este sensor tiene dos led, un led
para emitir una señal y otro para recibir esta señal cuando choque con el
objeto y así saber si hay un objeto o no. El rango de detección que puede
utilizar es de 10 cm a 80 cm aproximadamente 4´´ a 31.5´´ esta distancia de
detección se ajusta o se calibra por medio de un potenciometro interno del
sensor, este sensor utilizado en la investigación se calibro a 10 cm de
distancia de detección.
2.1.3. MICROCONTROLADORES
Angulo(1998, p.1), los define como circuitos integrados programables
que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para
controlar el funcionamiento de una tarea determinada, y debido a su reducido
tamaño, suele ir incorporado dentro del mismo dispositivo al que gobierna.
Un microcontrolador está constituido en un chip de circuitos integrados, que
Blanco
Señal
Señal Rebotada o Eco
Sensor
Led Emisor
Led Receptor
44
internamente contiene todos los elementos de un computador, es decir
procesador, memorias, puertos o líneas de entrada y salida y otros recursos
que utiliza para su funcionamiento. Aunque se limita solo a gobernar un
procedimiento determinado, es de gran utilidad, debido a su versatilidad y
bajo coste.
Hoy en día existe una gran cantidad de artefactos gobernados o
controlados por microcontroladores; en el hogar, se puede conseguir en
neveras, cocinas, lavadoras, televisores, radios reproductores, por mencionar
algunos. En el sector de telecomunicaciones, también se encuentran los
microcontroladores en teléfonos celulares, en conmutadores y centrales
telefónicas. Los automóviles tampoco se escapan de esta tendencia
innovadora, en un vehículo moderno se puede encontrar hasta 50
microcontroladores, los cuales desempeñan labores como el control de
encendido, de los frenos ABS, la posición de los asientos, el radio, la
temperatura individual de cada pasajero, etc.
El uso de microcontroladores para controlar las acciones de un robot,
en determinadas situaciones es una idea innovadora, de hecho es el
dispositivo ideal para tal fin y se han realizado una gran cantidad de
proyectos al respecto. Sin embargo, todavía existen muchas ramas a las que
esta innovación tecnológica no ha sido aplicada, de ahí la importancia de
conocer y aprender a manejar estos dispositivos. Un correcto uso y
aplicación de los microcontroladores son herramientas de vital importancia
45
para enfrentar el reto que impone la creciente necesidad de modernización
tecnológica y para satisfacer un mercado que requiere personal idóneo en el
área de diseño y desarrollo .
2.1.3.1. ARQUITECTURA INTERNA
Un microcontrolador está constituido por el procesador, memoria de
programa y de datos, líneas de entrada/salida y recursos auxiliares.
2.1.3.1.1. EL PROCESADOR
En donde se ejecutan todas las instrucciones del programa. Es el
centro de atención de todo el funcionamiento del microcontrolador. El
procesador está compuesto internamente de una unidad aritmetico/lógica, y
registros de propósito especial y general.
2.1.3.1.2. MEMORIA DE PROGRAMA
Dado que los microcontroladores están destinados a cumplir con una
sola tarea, en su memoria debe alojar el conjunto de instrucciones que
componen el programa a ejecutar, y como es el mismo debe ser grabado de
forma permanente. No existe posibilidad de usar memorias externas para el
programa. Los tipos de memorias adecuados para realizar tal función son:
46
2.1.3.1.2.1. READ ONLY MEMORY (memoria de solo lectura)
Mas comúnmente llamada por su abreviatura ROM, es una unidad de
memoria que sólo ejecuta la operación de lectura, al escribirla por vez
primera, no es posible rescribirla. Esto implica que la información binaria
almacenada en una ROM se hace permanente durante la producción del
hardware de la unidad y no puede alterarse escribiendo diferentes palabras
en ella. Una ROM tiene un campo amplio de aplicaciones en el diseño de
sistemas digitales. De manera básica, una ROM genera una relación entrada
/ salida especificada por una tabla de verdad. Así pues una ROM con
mascaras, de refiere a un tipo de memoria en donde el procedimiento para
fabricarla, requiere una tabla de verdad llenada por el cliente, en donde se
especifica lo que se desea que haga la ROM. La tabla de verdad puede
sujetarse a un formato especial proporcionada por el fabricante o a un
formato especificado en un medio de salida de computadora. El fabricante
hace la mascarilla correspondiente, con el fin de producir un grupo de unos y
ceros, de acuerdo con la tabla de verdad del cliente. Este tipo de ROM es
costosa porque el vendedor o fabricante le cobra al cliente una tarifa
especial, para cubrir con los gastos que origina la producción de una ROM
particular. Por esta razón, la fabricación de este tipo de memoria es rentable
si se hace un pedido de un gran volumen.
47
2.1.3.1.2.2. ERASABLE PROGRAMABLE READ ONLY MEMORY
(memoria de solo lectura, borrable)
Llamada por sus siglas EPROM, es un tipo de ROM pero borrable y
reprogramable, cuya grabación se efectúa eléctricamente mediante un
dispositivo denominado grabador, que consta de un zócalo de grabación,
controlado por una PC. El encapsulado del microcontrolador que incorpora
este tipo de memoria, como el PIC 16C84, posee una ventanilla de cristal en
la superficie, que al ser sometida a rayos ultravioleta, produce el borrado de
la memoria, dando la posibilidad de reutilizar el chip para otro fin. La EPROM
actualmente no es muy utilizada, por que es poco practica para borrar; Se
tiene que sacar del zócalo para exponerla a rayos ultravioletas emanados por
el Sol, además tiene un costo unitario muy elevado.
2.1.3.1.2.3. ONLY TIME PROGRAMABLE (programable una sola vez)
Este tipo de memoria, llamada también por sus siglas OTP, solo puede
grabarse una vez, no admite el borrado. Se utiliza el mismo procedimiento de
grabado de la EPROM. Su bajo costo y sencillez de grabación aconsejan,
este tipo de memoria para prototipos finales y series de producción cortas.
48
2.1.3.1.2.4. ELECTRICALLY ERASABLE PROGRAMABLE READ ONLY
MEMORY(memoria de solo lectura, borrable eléctricamente)
Conocida como EEPROM, es un tipo de memoria en donde su
grabación es similar a las dos anteriores, igual que su borrado, es decir
eléctricamente. Se puede borrar sin necesidad de sacarla del zócalo de
grabado, lo que aventaja a la EPROM en uso práctico, además es ideal en la
enseñanza y en la creación de nuevos proyectos. Unas de las desventajas
inherentes en el uso de este tipo de memoria es que aunque garantice
1.000.000 ciclos de escritura / borrado, todavía su tecnología de fabricación
tiene obstáculos para alcanzar capacidades importantes, y el tiempo de
escritura de las mismas es relativamente grande y con elevado consumo de
energía. El microcontrolador Basic Stamp II, posee una memoria EEPROM
de 2048 bytes, que soporta 600 líneas de código.
2.1.3.1.2.5. FLASH
Se puede escribir y borrar, igual que la EEPROM, pero con bajo
consumo de energía y mayor capacidad. El borrado en la FLASH se realiza
totalmente y no de manera parcial, es decir todo el programa, no un
fragmento de él. Es muy recomendable el uso de este tipo de memoria para
aplicaciones en las que sea necesario modificar el programa en varias
oportunidades a lo largo de la vida del producto.
49
2.1.3.1.3. MEMORIA DE DATOS
Los microcontroladores utilizan una memoria RAM (acrónimo en inglés
de Random Access Memory), que significa Memoria de Acceso Aleatorio.
Esta memoria se encarga de almacenar la información de las variables en
uso mientras se le esté suministrando alimentación al microcontrolador. En
esta memoria se almacena todos los cambios que van teniendo las variables
mientras se está procesando el programa del microcontrolador, estos valores
se pierden al cortarle el suministro de energía al sistema.
2.1.3.1.4. PUERTOS DE ENTRADA / SALIDA
Los puertos son el puente entre el microcontrolador y el mundo
exterior. Son líneas digitales que trabajan entre cero y cinco voltios, y se
pueden configurar para entrada o salida de información. Los puertos sirven
para conectar al microcontrolador con dispositivos externos como led,
displays, sensores u otros recursos que requieran de control. En el Sistema
Robótico con percepción Infrarrojo, las líneas de entrada se configurará para
la adquisición de datos proporcionados por el sensor infrarrojo, y las de
salida, tendrán la función de informarle a los servomotores del robot la
acción a tomar.
50
3. BASIC STAMP II
El sistema robótico con percepción infrarroja, está compuesto por un
microcontrolador, denominado Basic Stamp II, este microcontrolador es un
circuito desarrollado por la empresa Parallax, para proyectos en instituciones
educativas. También está destinado para usarlo en la fabricación de
elementos electrónicos en industrias, u otras instituciones. El Basic Stamp II
es un conjunto sofisticado de circuitos, todos ensamblados en una pequeña
plaqueta de circuito impreso (PCB). En realidad, el PCB tiene el mismo
tamaño de muchos de otros circuitos integrados.
A continuación, la figura 6, muestra la imagen del Basic Stamp II.
FIGURA 6. Microcontrolador Basic Stamp II. Fuente: Internet (2001),
disponible en: http://www.rambal.com/index.html
Los Basic Stamp II, son pequeños computadores o microcontroladores
cuyo lenguaje de programación es Parallax Basic, una variante del Basic,
también llamado STAMPW. Estos son totalmente programables. Los pines de
51
entrada y salida (Imput-Ouput, IO) pueden ser conectados directamente con
leds, parlantes, potenciómetros, entre otros. Además con la ayuda de unos
pocos componentes más, estos pines I/O se pueden conectar con
componentes como solenoides, relays, RS-232 networks, u otros periféricos
que administran mayores corrientes y voltajes.
Los microcontroladores Basic Stamp están disponibles en diversos
modelos y velocidades, todas las versiones poseen el mismo diseño lógico,
que consiste en un regulador de voltaje, osciladores, EEPROM, y STAMPW
interprete. El programa en STAMPW es almacenado en la memoria
EEPROM, el cual es leído por el interprete chip. Este interprete chip "saca"
las instrucciones una a la vez y realiza la operación adecuada en los pines
I/O o en las estructuras internas dentro del chip interprete. Como el programa
STAMPW es almacenado en la EEPROM, éste puede ser programado y
reprogramado millones de veces, sin necesidad de borrar la memoria, como
la mayoría de los PICs. Para programar un Basic Stamp, sólo se debe
conectar el microcontrolador a un IBM PC o compatible y hacer correr el
software editor, para editar y descargar los programas. El microcontrolador
tiene un tiempo de reloj de 20 Mhz.
Para que el Basic Stamp II pueda interactuar con el mundo exterior, se
necesita armar algo de hardware, en este caso se puede utilizar una plaqueta
de circuito impreso llamada Plaqueta de Educación. Esta plaqueta fue creada
para simplificar las conexiones del Basic Stamp II con elementos electrónicos
52
u otros objetos. Se utiliza conectores para la alimentación (fuente externa o
batería de 9 voltios), el cable de programación, y los pines de Entrada / salida
del Basic Stamp II. Hay también un área de prototipo o protoboard; Una placa
blanca con muchos agujeros, que realiza la comunicación electrónica entre
los dispositivos conectados.
La tarjeta de educación posee un zócalo donde se aloja el
microcontrolador. También tiene varios componentes útiles para la
experimentación, los cuales se resumen en :
• Puerto serial de conexión DB9.
• Led.
• Botón de reseteo.
• Área de prototipo.
• Regulador de voltaje de un (1) amperio.
• Zócalo para microcontroladores de la serie BS-2.
• Múltiples modos de alimentación.
A continuación la figura 7, muestra la imagen de la tarjeta de
educación o board of education, diseñada por la empresa estadounidense
Parallax.
53
FIGURA 7 . Plaqueta de educación. Fuente: Internet (2001),disponible
en: : http://www.rambal.com/index.html.
El Basic Stamp tiene un total de 24 patas o pines, de los cuales 16 son
los de entrada y salida, tres son para la programación, uno para el reset, y
tres más para el suministro de energía. La figura 8 muestra la disposición de
los pines del Basic Stamp II.
PIN NOMBRE
1 SOUT
2 SIN
3 ATN 4 VSS
5-20 P0-P15 21 VDD
22 RES VSS
24 VIN
23
54
FIGURA 8 . Esquema del Basic Stamp II. Fuente: Gedler y Maldonado
Cada pin tiene una función especifica. El cuadro 2, muestra una
descripción de la función de cada uno de los pines.
En cuanto a la plaqueta de educación, es importante entender como
trabaja la protoboard. La misma tiene muchas tiras metálicas que pasan por
debajo en fila. Estas tiras conectan los huecos unos a otros; esto hace fácil
conectar componentes juntos para construir un circuito eléctrico.
CUADRO 2
PINES Y FUNCIONES
Pin Descripción
1:SOUT Serial Out(salida serial): conecta el puerto serial de la PC, al pin RX(DB9 pin 2/DB25 pin 3), para programar.
2:SIN Serial In: conecta el puerto serial de la PC, al pin TX(BD9 pin 3/DB25 pin 2), para programar.
3:ATN Attention: conecta el Puerto serial de la PC, al pin DTR (DB9 pin 4/ DB25 pin 20), para programar.
4:VSS System ground: igual que el pin 23, conecta el Puerto serial de la PC, al pin GND(DB9 pin 5/ DB25 pin 7), para programar.
5-20:P0-P15 Pines de entrada / salida de propósito general: en 24 mA(mili amperio), y los siguientes en 20 mA.
21:VDD 5 voltios DC, es aplicado a este pin, entonces en el pin de salida se regulan 5v siempre como salida
22:RES Si el Basic Stamp recibe un voltaje menor a 4.2v, se vera forzado a recetearse.
23:VSS Sistema de tierra(igual que el pin 4), suministra al terminal de tierra la corriente.
24:VIN Voltaje irregular, acepta 5.5v 15vdc
55
Fuente: Manual del Basic Stamp(2001.p.11).
3.1. SET DE INSTRUCCIONES
El Basic Stamp II soporta un total de 36 instrucciones divididas según
su función en; sentencias de bifurcación, repetición, funciones numéricas,
entrada y salida digital, sonido, acceso a la memoria EEPROM, tiempo,
control de energía y sentencias de programa.
CUADRO 3
SET DE INTRUCCIONES
BIFURCACIÓN
IF – THEN IF (condición) THEN dirección Etiqueta. Evalua la condición, y si es verdadera, se dirige al punto del programa marcado por dirección etiqueta.
BRANCH Similar al If – Then pero para varias condiciones. GOTO Ir a una dirección.
GOSUB Ir a una dirección que consiste en una subrutina. RETURN Ir al comienzo de la subrutina.
56
FOR- NEXT Crea un bucle repetitivo que ejecuta las líneas de programa FOR y NEXT, incrementando o disminuyendo el valor de la variable de acuerdo al incremento o "step", hasta que el valor de la variable iguala al valor final.
REPETICIÓN
SET Comando para asignar variables, tales como A=5, B=A+2, etc. Las posibles operaciones son suma, resta, multiplicación, división, max. limit, min. limit, y operaciones lógicas AND, OR, XOR, AND NOT, OR NOT, y XOR NOT. FIUNCIONES NUMÉRICAS
LOOKUP Busca el valor especificado por el índice y lo guarda en la variable Si el índice excede el máximo valor de índice de la lista, la variable no es afectada.
LOOKDOWN Compara un valor con los de la lista en función del comparador y guarda la ubicación (índice), en la variable.
RANDOM Genera un número aleatorio . ENTRADA Y SALIDA DIGITAL
INPUT Hacer de un pin una entrada
OUTPUT Hacer de un pin una salida REVERSE Si el pin es una salida, dejarlo como entrada. Si el
pin es una entrada, dejarlo como una salida. LOW Hacer de un pin una salida de baja. HIGH Hacer de un pin una salida de alta.
TOGGLE Hacer de un pin una salida. PULSIN Medir un pulso de entrada.
PULSOUT Salida en pulso. BUTTON Previene alteraciones por causa de apertura o
cierre de circuitos. SHIFTIN Cambio de bits de paralelo a serial.
SHIFTOUT Cambio de bits de serial a paralelo. COUNT Cuenta ciclos de un pin por un tiempo determinado. XOUT Genera códigos de control X-10 .
ENTRADA Y SALIDA SERIAL
57
SERIN Recibe datos en forma serial. Para la Stamp D y BS1-IC, la cantidad de baudios posibles son de 300, 600, 1200, y 2400. Para la BS2-IC, cualquier número de baudios (hasta 50k baud) es posible.
SEROUT Envía datos en forma serial. Para la Stamp D y la BS1-IC, los datos son enviados a 300, 600, 1200, o 2400 baudios. Para la BS2-IC, los datos se envían a velocidades de hasta 50k baudios.
ENTRADA Y SALIDA ANÁLOGA PWM Salida PWM, luego retorna el pin a entrada. Esto
puede ser usado para obtener voltajes análogos (0 a 5 V) usando un condensador y una resistencia.
RCTIME Mide el tiempo de carga / descarga del RC. Puede ser usado para medir potenciómetros (Es más rápido que el comando POT de la Stamp D y la BS1-IC).
SONIDO FREQOUT Genera uno o dos ondas sinusoidales de las
frecuencias especificadas (cada una desde 0 a 32767 hz.).
DTMFOUT Genera DTMF (pulsos telefónicos). ACCESO A LA MEMORIA EEPRON
DATA Almacena datos en EEPROM antes de descargar el programa BASIC (BS2-IC).
TIEMPO
PAUSE Ejecuta una pausa de 0 a 65536 milisegundos.
CONTROL DE ENERGIA NAP Ejecutando Nap por períodos cortos. El consumo de
energía es reducido. SEP Duerme desde 1 a 65535 segundos. El consumo de
energía es reducido a 20 µA (Stamp D and BS1-IC) o 50 µA (BS2-IC).
END Modo Sleep hasta que los ciclos de energía o el PC se conecten. El consumo de energía es el mismo que en el modo sleep. PROGRAMA (DEBUGGING)
58
DEBUG Envía variables al PC para mostrar por pantalla.
Fuente: Internet(2001), disponible en:
http://www.rambal.com/index.html.
4. TIPOS DE ROBOTS
4.1. ANDROIDES
Una visión ampliamente compartida es que todos los robots son
"androides". Los androides son artilugios que se parecen y actúan como
seres humanos. Los robots de hoy en día vienen en todas las formas y
tamaños, pero a excepción de los robots que aparecen en las ferias y
espectáculos, no se parecen a las personas y por tanto no son androides.
Actualmente, los androides reales sólo existen en la imaginación y en las
películas de ficción.
4.2 MÓVILES
Los robots móviles están provistos de patas, ruedas u orugas que los
capacitan para desplazarse de acuerdo su programación. Elaboran la
información que reciben a través de sus propios sistemas de sensores y se
emplean en determinado tipo de instalaciones industriales, sobre todo para el
59
transporte de mercancías en cadenas de producción y almacenes. También
se utilizan robots de este tipo para la investigación en lugares de difícil
acceso o muy distantes, como es el caso de la exploración espacial y las
investigaciones o rescates submarinos.
FIGURA 9. Robot Móvil. Fuente: Internet (2001),disponible en:
http://www.cybernomo.com/scm/robotica.htm..
4.3. INDUSTRIAL
Un robot industrial es una máquina programable de uso general que
tiene algunas características antropomórficas o ¨humanoides¨. Las
características humanoides más típicas de los robots actuales 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.
(Groover, 1989, p. 4 ).
60
La definición oficial de un robot industrial se proporciona 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 tecnología en robótica se desplace en una dirección que sea
capaz de proporcionar a éstas máquinas capacidades más similares a las
humanas.
4.4. MÉDICOS
Los robots médicos son, fundamentalmente, prótesis para disminuidos
físicos que se adaptan al cuerpo y están dotados de potentes sistemas de
mando. Con ellos se logra igualar con precisión los movimientos y funciones
de los órganos o extremidades que suplen. La figura 10, muestra un ejemplo
de un robot utilizado en la medicina, para personas discapacitadas.
61
FIGURA 10. Robot Medico. Fuente: Internet (2001),disponible en:
http://www.cybe rnomo.com/scm/robotica.htm.
5. 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 trasbordador espacial. Cada
robot lleva consigo su problemática propia y sus soluciones afines. No
obstante, mucha gente considera que la automatización de procesos a través
de robots está en sus inicios, es un hecho innegable que la introducción de la
tecnología robótica en la industria, ya ha causado un gran impacto. En este
sentido la industria Automotriz desempeña un papel preponderante. Es
necesario hacer mención de los problemas de tipo social, económicos e
incluso políticos, 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.
Por el contrario 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
62
forma de fabricación de los mismos. Esto originara una gran cantidad de
empresas familiares (Micro y pequeñas empresas) lo que provoca la
descentralización de la industria.
5.1. 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.
5.2. LABORATORIOS
Los robots están encontrando un gran número de aplicaciones en los
laboratorios. Llevan acabo con efectividad tareas repetitivas como la
colocación de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medición. En
ésta etapa de su desarrollo los robots son utilizados para realizar
procedimientos manuales automatizados. Un típico 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,
entre otros elementos. Las muestras son movidas desde la estación de
laboratorios 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 el control de
63
calidad y reducen la exposición del ser humano a sustancias químicas
nocivas.
Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medición del PH,
viscosidad, y el porcentaje de sólidos en polímeros, preparación de plasma
humano para muestras para ser examinadas, calor, flujo, peso y disolución
de muestras para presentaciones espectromáticas.
5.3. MANIPULADORES CINEMATICOS
La tecnología robótica encontró su primer aplicación en la industria
nuclear con el desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo.
Los robots más recientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la
inspección de tuberías 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 número 2 (TMI-2)
perdió su enfriamiento, y provoco su destrucción, en casi un cien por cien,
dejando grandes áreas en su interior contaminadas de tal magnitud, que son
inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles de radiación las
tareas de limpieza sólo eran posibles por medios remotos. Varios robots y
vehículos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin en los
lugares donde ha ocurrido una catástrofe de este tipo. Ésta clase de robots
son equipados en su mayoría con sofisticados equipos para detectar niveles
de radiación, cámaras, e incluso llegan a traer a bordo un mini laboratorio
para hacer pruebas.
64
5.4. AGRICULTURA
Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia-ficción,
pero la realidad es muy diferente; o al menos así parece ser para el Instituto
de Investigación Australiano, 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 a las ovejas. 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 necesarias 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 vídeo
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 robots en la siembra, y poda de los viñedos,
como en la pizca de la manzana.
65
5.5. ESPACIO
La exploración espacial posee problemas especiales para el uso de
robots. 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 científicos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de
Robots para continuar con los avances en la exploración espacial; pero como
todavía 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 trasbordador Columbia fue el primero en utilizar
este tipo de robots, aunque el ser humano participa en la realización del
control de lazo cerrado.
Algunas investigaciones están encaminadas al diseño, construcción y
control de vehículos 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 poseía cámaras de televisión, sensores y un pequeño
laboratorio, era controlado remotamente desde la tierra.
En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en Marte el Viking,
llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recogía muestras de piedra, tierra
y otros elementos los cuales eran analizados en el laboratorio que fue
66
acondicionado en el interior del robot. Por supuesto también contaba con un
equipo muy sofisticado de cámaras de vídeo. Veintiún años después, el
Pathefinder, un pequeño robot móvil, aterrizó en Marte, dotado con sensores
infrarrojos para determinar la temperatura de la atmósfera, y de cámaras
para visualizar la superficie marciana.
5.6. VEHÍCULOS SUBMARINOS
Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por
el interés de los vehículos submarinos. En el primero - Un avión de la Air
Indian se estrelló en el Océano Atlántico cerca de las costas de Irlanda - un
vehículo 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 había permanecido después del choque con un iceberg en 1912,
cuatro kilómetros abajo de la superficie. Un vehículo submarino fue utilizado
para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.
En la actualidad muchos de estos vehículos submarinos se utilizan en
la inspección y mantenimiento de tuberías que conducen petróleo, gas o
aceite en las plataformas oceánicas; en el tendido e inspección del cableado
para comunicaciones, para investigaciones geológicas y geofísicas en el
suelo marino.
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
67
de los robots, sobra mencionar los beneficios que se obtendrían si se
consigue una tecnología segura para la exploración del suelo marino y la
explotación del mismo.
5.7. 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 aprendizaje de las matemáticas.
En tercer lugar está el uso de los robots en los salones de clases. Una
serie de manipuladores de bajo costo, robots móviles, y sistemas completos
han sido desarrollados para su utilización en los laboratorios educacionales.
Debido a su bajo costo muchos de estos sistemas no poseen una fiabilidad
en su sistema mecánico, tienen poca exactitud, no existen los sensores y en
su mayoría carecen de software.
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6. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Según la enciclopedia Microsoft Encarta(2000), son ondas
producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las
ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La
radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se
extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda
pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas). La luz
visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden
decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro
electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y
blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y
ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen una longitud
de onda de entre 0,005 y 0,5 nanómetros (un nanómetro, o nm, es una
millonésima de milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación
ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. La región
ultravioleta, a su vez, da paso a la luz visible, que va aproximadamente
desde 400 hasta 800 nm. Los rayos infrarrojos o ‘radiación de calor’, se
solapan con las frecuencias de radio de microondas, entre los 100.000 y
400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 m, el espectro
está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá de la zona de
radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda
llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros.
69
Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para
propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e
interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas.
Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas
electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad
de 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético
presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la
difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas
de metro hasta muchos kilómetros.
6.1. RAYOS INFRARROJOS
Son emisiones de energía en forma de ondas electromagnéticas en la
zona del espectro situada inmediatamente después de la zona roja de la
radiación visible. La longitud de onda de los rayos infrarrojos es menor que la
de las ondas de radio y mayor que la de la luz visible. Oscila entre
aproximadamente 10-6 y 10-3 metros. La radiación infrarroja puede
detectarse como calor, para lo que se emplean instrumentos como el
bolómetro.
Los rayos infrarrojos se utilizan para obtener imágenes de objetos
lejanos ocultos por la bruma atmosférica, que dispersa la luz visible pero no
la radiación infrarroja. En astronomía se utilizan para estudiar determinadas
estrellas y nebulosas.
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Para las fotografías infrarrojas de alta precisión se emplea un filtro
opaco que sólo deja pasar radiación infrarroja, pero generalmente basta un
filtro corriente anaranjado o rojo claro, que absorbe la luz azul y violeta. La
fotografía infrarroja, desarrollada hacia 1880, se ha convertido en la
actualidad en una importante herramienta de diagnóstico en la medicina, la
agricultura y la industria. El uso de técnicas infrarrojas permite observar
situaciones patológicas que no pueden verse a simple vista ni en una
radiografía. La teledetección mediante fotografía infrarroja aérea y orbital se
ha empleado para observar las condiciones de las cosechas y el daño por
insectos y enfermedades en grandes zonas agrícolas, así como para
localizar depósitos minerales. En la industria, la espectroscopia de infrarrojos
es una parte cada vez más importante de la investigación de metales y
aleaciones, y la fotografía infrarroja se emplea para regular la calidad de los
productos. Dispositivos infrarrojos empleados durante la II Guerra Mundial
permitieron ver objetos en la oscuridad. Estos instrumentos consisten
básicamente en una lámpara que emite un haz de rayos infrarrojos, a veces
denominados luz negra, y un telescopio que recibe la radiación reflejada por
el objeto y la convierte en una imagen visible.
C. SISTEMA DE VARIABLES
La presente investigación se propone a considerar sus variables,
objeto de estudio, desde un doble punto de vista, conceptual y
operacionalmente . Las mismas son:
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A. SISTEMA ROBOTICO
Sistema, conceptualmente se define como; “un conjunto de elementos
relacionados e interactuantes, considerados en su totalidad, cuyo fin es el
cumplimiento de una serie de funciones, metas y objetivos” (Rincón y
Plágaro, 1998, p.338). Operacionalmente, sistema es un compendio de
elementos electrónicos, que interaccionan bajo el control de un programa de
computadora o software, que le permite realizar una tarea específica.
Por su parte, Robótica conceptualmente se define como “el arte y
ciencia de la creación y empleo de robots”(Freedman,1993,p.679).
Operacionalmente es, la ciencia encargada del estudio y creación de robots,
y su utilidad en los diferentes campos del quehacer humano.
B. PERCEPCIÓN INFRARROJA
Conceptualmente, percepción es “una sensación interior que resulta
de una impresión material hecha en los sentidos” (Diccionario Enciclopédico
Salvat, 1960,p.683). Operacionalmente es sentir los elementos que
componen al medio ambiente, a través de mecanismos sensores.
Del mismo modo, infrarrojo se define conceptualmente como “la región
del espectro electromagnético no visible, de frecuencias inferiores a la luz a
la luz visible, por debajo del color rojo” (Rincón y Otros, 1998,p.186).
Operacionalmente es un tipo de radiación de luz, que presentan
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determinados objetos a altas temperaturas, y que es invisible a la óptica
humana.
C. DETECCIÓN DE OBJETOS
Conceptualmente, detección se define como; “la acción y efecto de
detectar”, mientras que detectar es descubrir o localizar algún elemento.
(Diccionario Enciclopédico, El pequeño Larousse, 1998, p.341).
Operacionalmente es localizar la presencia de un objeto en particular, por
medio de señales electromagnéticas .
Por su parte, Objeto conceptualmente se define como “cosa material y
determinada, generalmente de dimensiones reducidas” (Diccionario
Enciclopédico, El pequeño Larousse, 1998, p.723). Operacionalmente, es
cualquier elemento que posea un volumen suficiente como para ser
localizado mediante señales electromagnéticas.
DEFINICION DE TERMINOS BÁSICOS
ALGORITMO
Es una serie de operaciones detalladas y no ambiguas, a ejecutar
paso a paso, y que conducen a la resolución de un problema. En otras
palabras, un algoritmo es un conjunto de reglas para resolver una cierta clase
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de problema o una forma de describir la solución de un problema. (Joyanes,
1987, p.4).
AUTÓMATA
Maquina o dispositivo de control que responde automáticamente a
determinadas operaciones o instrucciones. (Rincón y otros, 1998, p. 30).
CIRCUITO
Conjunto de componentes eléctricos electrónicos y de otros tipos
encargados de ejecutar una función determinada. (Rincón y otros, 1998, p.
64 ).
DISPOSITIVO
Elemento físico de naturaleza electrónica, mecánica, óptica u otra que
realiza una cierta función en el seno de un sistema. (Rincón y otros, 1998,
p.116 ).
ELECTROMAGNETISMO
Parte de la física que estudia las interacciones entre corrientes
eléctricas y campos magnéticos. (Diccionario enciclopédico el pequeño
Larousse, 1996, p. 372).
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IMPEDANCIA
Magnitud que representa la opresión total de un medio o circuito al
paso por él de una corriente eléctrica. Se calcula como la suma de la
resistencia, la capacitancia y la inductancia del sistema. (Rincón y otros,
1998, p.180 ).
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Producción de corriente eléctrica en un circuito por efecto de la
variación del flujo de inducción magnética que la atraviesa. (Diccionario
enciclopédico el pequeño Larousse, 1996, p.553).
LENGUAJE DE PROGRAMACION
No es mas que una notación, que describe las estructuras de datos y
los algoritmos. Los datos con los cuales trabaja un programa, se sitúan en
las variables. (Joyanes, 1987, p.4).
ORDENADOR
Sistema programable compuesto por elementos de hardware y
software, gobernado por una o más unidades de procesamiento y capaz de
realizar tareas de calculo como operaciones aritméticas, lógicas y de control
del flujo de entrada y salida de datos. También se conoce como computador
y calcular. (Rincón y otros, 1998, p.260).
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RETROALIMENTACION
Proceso por el cual parte la totalidad del resultado de una operación
cíclica se utiliza como datos de entrada de la siguiente iteración de la misma.
(Rincón y otros, 1998, p.319 ).
SERVOMOTOR
Dispositivo que produce una acción mecánica como consecuencia de
la recepción de una señal eléctrica. (Rincón y otros, 1998, p.334).
TENSION
Magnitud física que expresa la diferencia potencial entre dos puntos.
Su unidad de medida en el sistema Internacional es el voltio (símbolo V).
(Rincón y otros, 1998, p.363).
TRANSDUCTOR
Convertidor de señal analógicas, como la temperatura, el sonido o la
presión, en forma digital, y viceversa. (Rincón y otros, 1998, p.371).
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