Introducción a la Automatización y Robótica

Un automatismo es un mecanismo o máquina que realiza una tarea concreta, cuyo funcionamiento no se puede cambiar. Por otro lado, un robot es una máquina automática programable capaz de captar información, procesar el resultado y actuar en base a ello.

Control de Robots: Ordenador vs. Microcontrolador

Para controlar robots, se pueden emplear principalmente dos enfoques:

• Control con Ordenador

  El microprocesador de un ordenador es capaz de procesar cualquier tipo y volumen de información, y dispone de mucha memoria. Sin embargo, su coste es elevado, consume mucha energía, ocupa mucho espacio y, además, necesita una tarjeta de adaptación de señales para interactuar con los componentes del robot.

• Control con Microcontrolador

  Un microcontrolador es un circuito integrado programable que reúne en un chip todo lo básico de un ordenador. Tiene un coste menor, consume poca energía y permite la conexión directa de componentes. Este suele ir montado en una tarjeta controladora (como Arduino) para facilitar su implementación y programación.

Sistemas de Control

Los sistemas de control se clasifican principalmente en dos tipos:

• Lazo Abierto

  En un sistema de lazo abierto, la señal de salida no se tiene en cuenta en la acción de control. Por ejemplo, un ventilador funciona independientemente de la temperatura ambiente una vez encendido.

  Esquema: Señal de Entrada → Controlador → Actuador → Señal de Salida

• Lazo Cerrado

  En un sistema de lazo cerrado, la señal de salida se compara con la de entrada para ajustar la acción y corregir errores. Un ejemplo claro es un aire acondicionado configurado a 20 grados: si la temperatura sube, vuelve a enfriar hasta alcanzar los 20 grados y luego se detiene.

  Esquema: Señal de Entrada → Comparador (genera señal de error) → Controlador → Actuador → Señal de Salida ← Sensor

Componentes Clave de un Sistema de Control

• Sensor: Mide una magnitud física (ej. temperatura) y la convierte en una señal eléctrica.
• Comparador: Compara la señal del sensor con un valor de referencia (ej. temperatura programada).
• Controlador: En función de la señal que recibe del comparador, decide si se activa y envía una señal al actuador.
• Actuador: Al recibir la señal del controlador, realiza una acción física (ej. encender o apagar la calefacción).

Sensores: Captando el Entorno

Un sensor es un dispositivo que capta magnitudes físicas o químicas (como temperatura, humedad, luminosidad, distancia, inclinación) y las transforma en variables eléctricas.

Tipos de Sensores

• Sensores Analógicos

  Proporcionan una variación de voltaje dentro de un rango, dependiendo de cómo varíe la magnitud física medida. Para conectarlos, se utilizan las entradas analógicas de la placa controladora (generalmente de 0 a 5 V).

• Sensores Digitales

  Proporcionan valores de tensión que pueden ser interpretados como alto (5 V) o bajo (0 V), es decir, un estado de «todo o nada».

Sensores Comúnmente Utilizados

• Final de carrera: Detecta la posición límite de un objeto.
• LDR (Light Dependent Resistor): Resistencia que varía con la intensidad de la luz.
• NTC (Negative Temperature Coefficient) y PTC (Positive Temperature Coefficient): Termistores cuya resistencia varía con la temperatura.
• De humedad: Miden la humedad relativa del ambiente o del suelo.
• De temperatura: Miden la temperatura.
• De ultrasonido: Miden distancias mediante ondas sonoras.
• De infrarrojos: Detectan presencia o distancia mediante radiación infrarroja.
• De movimiento: Detectan cambios en el movimiento o presencia.

Actuadores: Ejecutando Acciones

Los actuadores son dispositivos que ejecutan acciones físicas (como encender luces, mover motores o emitir sonidos) a partir de las señales de un microcontrolador como Arduino. Al igual que los sensores, existen actuadores digitales que operan en estados de «todo o nada».

Tipos de Actuadores

• Motores de Corriente Continua (CC)

  Transforman energía eléctrica en movimiento giratorio. Pueden conectarse directamente a una placa de control o a través de un transistor para evitar sobrecargas.

• Servomotores (o Servos)

  Son motores de precisión que giran un ángulo determinado, ideales para movimientos controlados.

• LEDs (Diodos Emisores de Luz)

  Tienen polaridad y requieren una resistencia limitadora de corriente. Se conectan con el cátodo a masa y el ánodo a una salida digital del microcontrolador.

• Display de 7 Segmentos

  Permiten representar números y algunos caracteres mediante combinaciones de segmentos luminosos.

• Pantalla LCD (Cristal Líquido)

  Muestran caracteres o imágenes más complejas. El número de pines y la conexión dependen del tipo específico de pantalla.

• Zumbador

  Produce sonido continuo o intermitente. Se conecta a salidas digitales y tiene polaridad.

Tarjetas Controladoras y Arduino

Una tarjeta o placa controladora es un circuito electrónico que sirve de interfaz entre el ordenador y los dispositivos que se deben controlar, adaptando las señales de entrada y salida. Estas tarjetas disponen de un microcontrolador, memoria y puertos de entrada y salida.

Arduino es una popular tarjeta controladora que, junto con su entorno de desarrollo de software, facilita enormemente la programación de microcontroladores, haciendo la electrónica y la robótica accesibles a un público más amplio.

Funcionamiento de una Tarjeta Controladora

1. Sensores: Las señales analógicas y digitales de los sensores son captadas y convertidas.
2. Microcontrolador: Contiene un programa almacenado en su memoria. Lee los valores de las entradas, los compara con los valores preestablecidos y emite órdenes a las salidas.
3. Actuadores: Las órdenes del microcontrolador se convierten en señales digitales o analógicas y se transmiten a los actuadores, que ejecutan la acción correspondiente.

Robótica: Tipos y Componentes

La robótica es el campo de la ingeniería que se ocupa del diseño, construcción, operación y aplicación de robots.

Clasificación de Robots por Morfología

• Androides

  Intentan reproducir el aspecto humano y están diseñados para asistencia personal o interacción social.

• Zoomórficos

  Imitan a los animales, adaptándose a terrenos irregulares o entornos específicos.

• Poliarticulados

  Robots sedentarios con varias articulaciones y grados de libertad limitados, como los brazos robóticos utilizados ampliamente en la industria.

• Móviles

  Pueden ser aéreos, marinos o terrestres, y se desplazan por diversos terrenos según su aplicación.

Clasificación de Robots por Ámbito de Uso

• Industrial

  Aplicaciones en soldadura, corte, montaje, ensamblado, paletizado, etc.

• Medicina

  Asistencia en técnicas médicas, cirugías de precisión, rehabilitación y diagnóstico.

• Marítima y Aérea

  Desarrollo de vehículos autónomos y no tripulados para exploración, vigilancia o transporte.

• Seguridad y Defensa

  Tareas como desactivación de explosivos, vigilancia, reconocimiento y operaciones peligrosas.

Grados de Libertad en Robótica

Los grados de libertad son el número de movimientos independientes que un robot es capaz de realizar. Cuantos más grados de libertad tenga un robot, más compleja será su programación.

Elementos de un Robot Industrial

• Estructura: Proporciona soporte, posibilita el movimiento del robot y soporta su peso y esfuerzos.
• Dispositivos Sensores: Miden magnitudes físicas del estado interno del robot y de su entorno exterior.
• Dispositivos Actuadores: Reciben y ejecutan las órdenes del controlador, realizando las acciones que el robot es capaz de llevar a cabo.
• Garra o Herramienta: Es el elemento terminal encargado de realizar la tarea encomendada al robot.
• Controlador: Dirige el trabajo de los actuadores, teniendo en cuenta la información de los sensores y las órdenes programadas.
• Fuente de Energía: Suministra la energía necesaria. Si es un robot móvil, suele necesitar baterías; si es estacionario, puede alimentarse directamente de la red eléctrica.

Sistemas SCADA: Supervisión y Control Industrial

Los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition o Control, Supervisión y Adquisición de Datos) son un tipo de software utilizado por las organizaciones para:

• Controlar procesos local o remotamente.
• Interactuar con los aparatos mediante software HMI (Human-Machine Interface o Interfaz Hombre-Máquina), que es un panel de instrumentos que traduce las variables de los procesos en información útil para el operario.
• Recopilar, monitorizar y procesar datos.
• Registrar eventos y datos históricos.

El objetivo principal de los sistemas SCADA es permitir, a través de la telemetría, la monitorización y el control remoto de todos los procesos industriales, optimizando la eficiencia y la seguridad.

Protocolos de Comunicación en Arduino

Para la transmisión de datos en serie, Arduino soporta varios protocolos:

• UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

  Es un protocolo asíncrono que utiliza una línea de datos para transmitir y otra para recibir. Su velocidad está limitada a 2 Mbps.

• SPI (Serial Peripheral Interface)

  Es un protocolo síncrono donde un dispositivo maestro (como Arduino) genera la señal de reloj. Tras cada pulso de reloj, el maestro envía un bit al esclavo (sensores y actuadores) y recibe un bit de este. Permite conectar hasta 4 esclavos.

• I2C (Inter-Integrated Circuit)

  También es un protocolo síncrono que utiliza solo dos cables: uno para el reloj (SCL) y otro para los datos (SDA). Tanto el maestro como los esclavos pueden enviar y recibir datos por el mismo cable. Permite conectar hasta 128 dispositivos.

El Internet de las Cosas (IoT)

El Internet de las Cosas (IoT) hace referencia a la interconexión de dispositivos físicos a través de una red, de modo que todos ellos pueden ser visibles e interactuar entre sí y con sistemas externos.

Campos de Aplicación del IoT

• Hogar Inteligente

  Control de iluminación, electrodomésticos y seguridad, con funciones avanzadas como detectar alimentos caducados o realizar compras automáticamente.

• Industria (Industria 4.0)

  Automatización y control inalámbrico de procesos mediante sensores, mantenimiento predictivo y optimización de la cadena de producción.

• Ganadería

  Localización y monitoreo de animales, control de su salud y comportamiento.

• Agricultura

  Medición en tiempo real de condiciones del suelo y clima para optimizar el riego, la fertilización y la gestión de cultivos.

• Transporte

  Seguimiento del tránsito, gestión de flotas y optimización de la cadena de suministro.

• Wearables

  Dispositivos como gafas virtuales, pulseras o relojes inteligentes para monitorizar la salud (frecuencia cardíaca, oxígeno, ubicación) y la actividad física.

• Salud y Medioambiente

  Control remoto de pacientes, monitoreo de la calidad del agua, la contaminación del aire y otros factores críticos ambientales.

Avances que Impulsan la Tecnología IoT

• Sensores de bajo costo y potencia: Permiten la implementación masiva de dispositivos.
• Conectividad extendida: Amplia disponibilidad de Internet y redes privadas para la comunicación de dispositivos.
• Plataformas informáticas en la nube: Mayormente gratuitas, permiten alojar el software necesario para conectar y monitorizar dispositivos (a menudo a través de API – Application Programming Interface).
• Inteligencia Artificial (IA): Fundamental para organizar, clasificar y procesar los grandes volúmenes de datos que el IoT genera continuamente, extrayendo información valiosa.

Conceptos Clave Adicionales

• Arduino

  Es una tarjeta controladora que actúa como interfaz entre el ordenador y los dispositivos, adaptando las señales de entrada y salida. Cuenta con un microcontrolador, memoria y puertos para conectarse.

• Microcontrolador

  Es un chip programable que integra en un solo circuito la unidad de proceso (CPU), la memoria (RAM y ROM) y los periféricos de entrada y salida de un ordenador, diseñado para tareas específicas de control.