2.- LOS ROBOTS Y SUS SISTEMAS

              Como cualquier otra máquina los robots tienen dos sistemas fundamentales

1.- ESTRUCTURAL: Que les da forma física
2.- FUNCIONAL: Que permite realizar la tarea para la cual han sido fabricados.

Un robot se puede definir como:

"Máquina mulifuncional y reprogramables"

La gran ventaja de los robots es que pueden ser reutilizados con la misma estructura y que la misma estructura puede efectuar diferentes funciones dependiendo del programa que incorporen. 

        Pero comencemos por lo más elemental, la estructura. Desde el punto de vista estructural existen dos tipos de robots

1.- ROBOTS MÓVILES: Un robot móvil es todo lo que se mueva. Para ello, utiliza patas o ruedas. Tradicionalmente se dice que la estructura básica tiene 3 ruedas y no 4. Aunque eso no es algo realmente importante. Lo que sí es importante es que los robots móviles deben salvar obstáculos. Y en esa tarea las patas son superiores a las ruedas. Sin embargo, ruedas más grandes mejoran la estabilidad y ayudan a salvar obstáculos.

2.- ROBOTS INDUSTRIALES: Los robots industriales se utilizan en los almacenes y tienen una estructura básica de eslabones que semeja al brazo humano. De hecho los eslabones se nombran de la misma forma. Dependiendo del tipo de movimiento pueden ser cartesianos, cilíndricos y esféricos.

           Si diferenciamos entre robot (capaz de responder a estímulos de su entorno) y automatismo (cuya tarea no se puede modificar), está claro que el sistema funcional del robot es muy complejo. Además de sistemas mecánicos con multitud de correas y engranajes, los robots deben tener un sistema sensorial.  Dicho sistema sensorial deberá constar de sensores (entradas) y de actuadores (salidas).  La respuesta al entorno se podrá realizar mediante un programa. Por ello, en todos debe existir una tarjeta  controladora que servirá de interface entre el sistema físico y el ordenador en el cual se compila un determinado programa. En dicha tarjeta controladora no pueden faltar 2 elementos imporntantes

1.- El microcontrolador: Circuito electrónico que reúne todas las funcionalidades

2.- La memoria: En la que se deben almacenar las ordenes. Será ROM y RAM.

Dependiendo de estos elementos las tarjetas controladoras son más o menos pontentes. Existen muchas en el mercado. Sin embargo, vamos a centrarnos el la ARDUINO UNO. Entre otras razones porque tiene SOFTWARE LIBRE y una plataforma colaborativa. Además de ser muy versátil y económica. 

1.- ROBOTICA: CONCEPTOS BÁSICOS

            La economía de nuestra sociedad se basa en las leyes de oferta y demanda del mercado y en el sistema productivo. Abaratar costes de producción supone reducir precios y hacer los productos accesibles a más público. Aumentar la demanda. El coste más elevado en los sistemas de producción siempre es la mano de obra. Por dicho motivo, la tercera revolución industrial está transformando nuestras fábricas y automatizando los procesos. Esto supone reducir la mano de obra al mínimo. Pero también tiene un coste social y humano. Los trabajadores del futuro no desarrollaran trabajos manuales todas las tareas rutinarias serán sustituidas por robots. Los nuevos trabajadores deberán ser capaces de hacerse cargo de ellos. Pero qué es un robot. Fuera de lo que las pelis de ciencia ficción nos cuenta como SUPERHUMANOS, los robots son simples máquinas y como cualquier otras presentan circuitos y sistemas.

          Antes de comenzar a estudiar las cuestiones básicas de la robótica educativa de 2017, dejadme que os deje una presentación con algunos conceptos importantes

PRESENTACIÓN ORIGINAL DE ROBOTICA

1.- SISTEMAS DE CONTROL

El control y los automatismos han ayudado al desarrollo de los procesos industriales automaticos. Sin embargo, los sistemas de control tienen un elevado componente conceptual que será objeto de esta unidad didáctica.
 Comencemos por definir algunos de los componentes principales de dichos sistemas

1.- PLANTA Conjunto de componentes y piezas que tienen un determinado objetivo
2.- PROCESO Conjunto de operaciones que tendrán un fin determinado.
3.- SISTEMA Combinación de componentes que actúan juntos para realizar el control
4.- PERTURBACIONES Todas las señales no deseadas que intervienen de forma adversa.
5.- ENTRADA DE MANDO Señal excitadora del sistema
6.- SELECTOR DE REFERENCIA Elemento que se coloca para tener una referencia.
7.- ENTRADA DE REFERENCIA. Señal producida por el selector de referencia
8.- UNIDAD DE CONTROL. Unidad que reacciona con una señal activa para producir la salida deseada.
9.-SALIDA Cantidad que debe mantenerse
10.- SISTEMA DE CONTROL EN BUCLE ABIERTO. Sistema en el que la salida no tiene influencia sobre la entrada.
11.- ELEMENTO DE REALIMENTACIÓN. Unidad que facilita medios para aumentar o disminuir la señal de salida.
12.- SEÑAL ACTIVA. Diferencia entre la de entrada y la de referencia.
13.- SISTEMA DE CONTROL BUCLE CERRADO. Sistema en el la salida afecta a la entrada.

                 Los sistema de control regulan y controlan el funcionamiento de un automatismo o de un proceso para que funcione de la manera prevista.
                  Podemos representar un sistema de control en lazo abierto con el siguiente esquema:

           En contraposición un sistema de control en lazo cerrado puede representarse por el siguiente esquema:

         En ambos sistema diferenciamos una serie de elementos característicos:

1.- SENSOR O TRANSDUCTOR: Transforma la señal física en una señal eléctrica
2.- COMPARADOR Compara la señal de entrada con la de referencia
3.- CONTROLADOR Según la señal que le llega decide si hay que activar el accionador
4.- ACTUADOR: Cambia la salida para que no exista error a la entrada.

              El control es una de las bases de la ingeniería moderna. Sus fundamentos teóricos implican conocimientos de electrónica y matemáticas a alto nivel, ya que para simplificar dichos sistemas se utilizan las transformadas de Laplace. Os dejo un enlace con unos apuntes, aunque supongo que os sonará a CHINO

6.- EJERCICOS DE SIMULACIÓN

Ya con anterioridad hemos utilizado simuladores de circuitos eléctricos. También se pueden utilizar para simular circuitos electrónicos. Os propongo una serie de ejercicios con el Cocodrile Clip, que también se pueden hacer con YENKA o con otros programas de simulación.

CARPETA

1.- Utilizando pictogramas, hacer el siguiente circuito

Se puede entender como un circuito digital. Los interruptores tienen posiciones 0/1. La bombilla sería la salida 1 encendida y 0 apagada. Complete la siguiente tabla según lo anteriormente dicho.

Interruptor 1	Interruptor 2	Salida
0	0
0	1
1	0
1	1

¿Podría realizar el mismo circuito utilizando puertas lógicas? ¿Cómo sería?.

2.- Simulemos el siguiente circuito mixto, y comprobemos que los resultados obtenidos con el programa de simulación son los mismos que mediante cálculos convencionales.

	R (Ohmios)	V	I
R1	680
R2	500
R3	800
Rt

4.- Simule el siguiente circuito y explique su funcionamiento.

6.- Utilicemos la hoja de cálculo para comprobar el recibo de la luz.

4.- MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Ya hemos hablado del efecto Joule, consistente en la degradación de la energía en forma de calor. Pero existe otro efecto debido a la existencia  de las cargas en  movimiento que es mucho más interesante desde el punto de vista tecnológico. Cuando una carga se mueve, se crea un campo magnético asociado al movimiento de dicha carga. 

Este efecto descubierto por Oersted ha dado origen al electromagnetismo. La primera aplicación del mismo son los electroimanes. Cuando tenemos un arrollamiento de hilo de cobre, también denominado bobina, y le hacemos pasar una corriente eléctrica, Se crea en los bordes un campo magnético. Dicho campo magnético se puede emplear para subir materiales pesados como es el caso de las grúas. Pero también se puede utilizar para, mediante un mecanismo de palanca, hacer hacer de comutador. Es el caso de los Relés. Los relés están formados por un primario que es una bobina y que al ser alimentada mediante un mecanismo de palanca hace que se modifiquen las conexiones del secundario. 

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Pero aunque esta aplicación es muy interesante, las aplicaciones de mayor importancia del electromagnetismo, en el mundo de la técnica, son las denominadas máquinas eléctricas. Una máquina es un objeto capaz de transformar energía (en este caso eléctrica) en trabajo generalmente mecánico. Las máquinas eléctricas pueden ser estáticas, como el transformador o rotatorias. Estas últimas son las comenzaremos a explicar. Las máquinas eléctricas rotatorias o rotativas,  constan de dos partes principales una estática denominada estator y otra que gira denominada rotor. El estator suele ser un imán o un electroimán. En definitiva crea un campo magnético. El rotor es un conjunto de bobinados que gira. LLegados a este punto, esencialmente se pueden dar dos tipos diferentes de funcionamiento

a) Alimentamos al rotor con una corriente eléctrica. En dicho caso en el rotor se genera un campo magnético que interactúa con el campo magnético del estator. Esto crea un par que hace que el rotor gire. Por lo que funciona como motor. Pero cuando el rotor ha girado 180º, hay un cambio de polaridad y por lo tanto también cambia el sentido del par. Por ello, para que el giro se complete, es preciso colocar unas escobillas que, en cada semiperiodo, cambien la polaridad del rotor. Pero, además, al producirse una variación con el  tiempo de la cantidad de líneas de campo que atraviesan el rotor, se produce una corriente eléctrica (por efecto de Farady- Lenz)  que se opone a la alimentación del rotor, y recibe el nombre de fuerza contraelectromotriz. El par que el motor es capaz de mover dependerá de todos estos efectos.

b) Si lo que hacemos es mover el rotor mecánicamente, existe una variación del flujo magnético,que da lugar a una corriente alterna en los bornes del rotor. Si colocamos un anillo rozante conseguimos que dicha corriente alterna se convierta en continua, y la máquina se denomina dinamo. 

Claramente los efectos electromagnéticos simpre van unidos a movimeintos de cargas o campos magnéticos.

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICA.

La última máquina eléctrica que vamos a describir es el transformador. Un transformador es una máquina eléctrica estática. Sólo funciona en corriente alterna. Se utiliza con la finalidad de elevar o reducir la tensión. De esta manera su transporte supone menores pérdidas energéticas. Un transformador consiste en dos arrollamientos sobre un mismo núcleo de hierro. Uno de los arrollamientos se denomina primario, el otro se denomina secundario. La relación de voltajes en los arrollamientos es directamente proporcional al número de espiras de los mismos. Para que el transformador funcione es preciso que el flujo magnético varíe con el tiempo y por ello sólo puede funcionar con corriente alterna. La relación del número de espiras se denomina relación de transformación. Por consideraciones electromágneticas, se cumple los siguiente:

N1/N2 = V1/V2= I2/I1

En cuanto a su configuración existen transformadores de muy diversos tipos. En todos ellos el núcleo de hierro está laminado para disminuir las pérdidas energéticas debidas a la generación de corriente de Focoault en el núcleo de hierro. Por la misma causa, los núcleos de hierro y los arrollamientos se barnizan.

EJERCICIO

Diseñe un circuito que sea capaz de invertir el sentido de giro de un motor. Después de haberlo diseñado construyalo. Finalmente aplique dicho circuito a algún proyecto sencillo. Para lo cual deberá escribir un documento en grupo del cual tiene plantillas en su grupo Facebook. En la etiqueta de este blog "Proyectos" podrá encontrar algunos ejemplos de utilidad. En el siguiente enlace, puede consultar el proyecto que se realizó durante el curso pasado.

1.- LOS DIPOLOS Y LA ELECTRÓNICA

    LA ELECTRÓNICA ES UNA CIENCIA QUE ESTUDIA LOS EFECTOS DE LAS CARGAS ELÉCTIRCAS. LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS PUEDEN SER ANALOGICOS, SI LAS SEÑALES SON CONTINUAS, O DIGITALES CUANDO LAS SEÑALES SON DISCRETA Y ESTÁN DIGITALIZADAS A PARTIR DE UN MUESTREO, QUE DESPUÉS DE DISCERNIR SOBRE LOS PROPIOS VALORES SE CONVIERTEN EN SEÑALES DIGITALES.

 LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS PUEDEN TENER DIFERENTES TIPOS DE COMPONENTES, AUNQUE DESTACAN PRINCIPALMENTE DOS DIPOLOS (CON DOS TERMINALES) Y LOS COMPONENTES DE ESTADO SÓLIDO BASADOS EN SEMICONDUCTORES.

 LOS DIPOLOS PUEDEN SER RESISTIVOS, CAPACITIVOS E INDUCTIVOS, A CONTINUACIÓN VAMOS A DESCRIBIR SUS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS Y SUS PRINCIPALES APLICACIONES. SIN EMBARGO, PARA CONOCER LAS CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DE CADA COMPONENTE SERÁ PRECISO CONSULTAR SU DATASHEET (QUE SE PUEDE BUSCAR EN INTERNET). LAS DATASHEET SON LAS CARACTERÍSTICAS DE CADA COMPONENTE DADAS POR EL FABRICANTE.

 1.- RESITORES: SU FUNCIÓN ES IGUAL QUE UNA RESISTENCIA ELÉCTRICA. MODIFICAN LOS VALORES DE TENSIÓN E INTENSIDAD QUE PASEN POR UN DETERMINADO COMPONENTE ELECTRÓNICO. LOS RESISTORES PUEDEN SER FIJOS (SIMBOLO ) Y VARIABLES (CUYO SÍMBOLO ES ). EN GENERAL EL VALOR DE LAS RESISTENCIAS FIJAS SE ESTABLECE MEDIANTE UN CÓDIGO DE COLORES. LA 4ª FRANJA CORRESPONDE AL VALOR DE TOLERANCIA 5% (DORADO), 10% (PLATEADO) Y 20% (BLANCO). LAS OTRAS EXPRESAN EL VALOR NOMINAL DE LA RESISTENCIA EN CONCORDANCIA CON UN CÓDIGO DE COLORES (0 NEGRO, 1 MARRÓN, 2 ROJO, 3 NARANJA, 4 AMARILLO, 5 VERDE, 6 AZUL, 7 MORADO, 8 GRIS, 9 BLANCO). LAS 2 PRIMERAS CORRESPONDEN A DÍGITOS Y LA TERCERA SON CEROS QUE SE DEBEN AÑADIR. TAMBIÉN EXISTEN RESISTORES VARIABLES CON ESTÍMULOS FÍSICOS COMO LAS LDR (DIMINUYEN CON LA LUZ), LOS POTENCIOMENTROS (CON LA POSICIÓN) Y LAS RESISTENCIAS PTC (AUMENTAN CON LA TEMPERATURA) Y NTC (DISMINUYEN CON LA TEMPERATURA).

 2.- CONDENSADORES. LOS CONDENSADORES ESTÁN FORMADOS POR PLACAS METÁLICAS ENTRE LAS CUALES EXISTE UN DIELECTRICO. CUANDO UN CONDENSADOR ACUMULA CORRIENTE EXISTE UN TIEMPO DE CEBADO DEL MISMO. TAMBIÉN DENOMINADO TIEMPO DE RELAJACIÓN TANTO PARA LA CARGA COMO PARA LA DESCARGA. ES UN TIEMPO ASOCIADO CON LA DIPOLARIZACIÓN DEL DIELECTRICO. EL VALOR DE DICHO TIEMPO ES 5 R*C. DONDE C ES LA CAPACIDAD DEL CONDENSADOR QUE SE DEFIENE COMO LA RELACIÓN ENTRE LA CARGA Y LA TENSIÓN. SU UNIDAD ES EL FARADIO Y SUELEN UTILIZARSE SUBMULTIPOS COMO EL MICRO Y EL NANO FARADIO.LOS CONDENSADORES PUEDEN SER FIJOS, VARABLES O ELECTROLITICOS.

 TAMBIÉN SE HA RECOGIDO UNA SIMULACIÓN DEL PROCESO DE CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR. ES CONVENIENTE QUE LA REALICEIS VOSOTROS.

 3.- LAS BOBINAS O INDUCTANCIAS. TODA CARGA ELÉCTRICA EN MOVIMIENTO DA LUGAR A UN CAMPO MAGNÉTICO. POR ELLO SI ASOCIAMOS N ESPIRAS O ARROLLAMIENTOS DAMOS LUGAR A UNA BOBINA. Y DICHA BOBINA ACTÚA COMO UN ELECTROIMÁN. SI INCLUIMOS UN NUCLEO DE MATERIAL FERROMAGNETICO COMO EL HIERRO LA INTENSIDAD DE DICHO IMAN AUMENTA MUCHO. LAS BOBINAS EN CIRCUITOS ELÉCTRICOS TAMBIÉN EXPERIMENTAN UN PROCESO DE CARGA Y DESCARGA SIMILAR AL DE LOS CONDENSADORES. SIN EMBARGO NO SON UTILIZADAS COMO TEMPORIZADORES PORQUE LOS VALORES DE AUTOINDUCCIÓN QUE SE DEBERÍAN UTILIZAR PARA CONSEGUIR LOS MISMOS EFECTOS SON MUCHO MAYORES Y MÁS DIFICILES DE CONTROLAR. EN UNA BOBINA CUANDO SE MODIFICA EL FLUJO MAGNÉTICO CON EL TIEMPO APARECE UNA CORRIENTE QUE SE OPONE A LA DE ALIMENTACIÓN. ES EL FENÓMENO CONOCIDO COMO LEY DE FARADAY LENZ.
 V= -dO/dt, PERO TAMBIÉN UTILIZANDO LAS MATEMÁTICAS LO PODREMOS EXPRESAR COMO V= - dO/dI dI/dt. AL PRIMER TÉRMINO SE LE DENOMINA AUTOINDUCCIÓN L Y SUS UNIDADES SON LOS HERRIOS. ESTE PARAMETRO CARACTERIZA A LAS BOBINAS.

LOS PRINCIPALES SÍMBOLOS DE LOS DIPOLOS SE MUESTRAN A CONTINUACIÓN

5.- LOS TRANSISTORES BIPOLARES

Para resolver el sistema de ecuaciones anterior, hay que considerar que ic= Bib. En dicho caso, podriamos obtener una recta (que es la recta de trabajo), en la cual se representaría ic en función de Vce. Considerando ib, se obtiene sobre la curva característica el denominado punto de trabajo del transistor, si la terna de valores resultantes no da un absurdo matemático. Puede suceder que los valores obtenidos sean absurdos porque el transistor esté trabajando en la zona de corte o en la zona de saturación.

Para explicar mejor esta idea pongamos ejemplos.

1.- Explique el funcionamiento del siguiente circuito en el que existe una resistencia LDR

Este circuito funciona de forma sencilla. Hay que plantear una ecuación para el circuito de la base que según la ley de Ohm es:

Vcc = ib*LDR + Vbe

Y otra ecuación para el circuito del transistor

Vcc = icRc+ VDiodo+ Vce

Vbe es aproximadamente 0,7 V al igual que VDiodo. Y Vce depende del estado del transistor.

Si LDR es muy alta (poca luz), la intensidad de la base es muy baja y el transistor está en corte. En dicho caso el LED no luce. Si LDR es muy baja (poca luz) el transistor está en saturación y el diodo luce. Para casos intermedios, es necesario calcular el valor de la intensidad de la base y con él la intensidad del colector, ya que el transistor estaría en activa. La intensidad del colector será Bib. El balor B suele ser 100. 

2.- Diseñe un circuito que sea sensible a luminosidad externa.

Comenzamos seleccionando los elementos que formaran parte de nuestro circuito y su función:

1.- LDR es el sensor de luz y el elemento de entrada.

2.- El diodo que es el elemento de salida.

3.- El transistor que permitirá la salida dependiendo del valor de la entrada:

            El diodo luce si el transistor está en activa o saturación. Lo que significa que la intensidad de               la base sea alta o media.

           El diodo no luce cuando el transistor está en corte. Lo que significa que la intensidad de la                   base sea pequeña.

4.- Elemento de protección para el diodo una resistencia de 220.

5.- Elemento regulador un potenciometro en paralelo con la LDR.

El circuito propuesto es:

Para entender este circuito hay que plantear ecuaciones similares a las anteriores. De hecho la ecuación del transistor es la misma:

Vcc = icRc+ VDiodo+ Vce

Sin embargo la ecuación de la base es diferente. Para plantearla se precisa utilizar el denominado Teorema de Thévenin. Dicho circuito se sustituye por otro cuya resistencia es 

Rb= (LDR*Potenciomentro) / (LDR+Potenciomentro)

Y la tensión en la base, viene dada por

Vbb= LDR * Vcc((LDR +Potenciometro)/(LDR*Potenciometro))

Si hay poca luz LDR es muy alta y por lo tanto también Vbb y como consecuencia la ib. El transistor está en saturación y el diodo luce. Si LDR es baja (mucha luz) Vbb también es baja. La ib es baja, el transistor está en corte y la ic es cero y el diodo no luce.

Finalmente el resultado se aprecia en el siguiente video: