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Diseño y prototipado para las nuevas tendencias en Robótica

De manera convencional, la Robótica está orientada a proporcionar un apoyo a la productividad de los sistemas industriales.

Fabricada por motivos económicos para ahorrar tiempo y esfuerzos en tareas repetitivas y para obtener una mayor seguridad y autonomía, la Robótica es ampliamente utilizada en áreas como la agricultura, la minería, la acuicultura, la medicina, etc. Debido a esta gran expansión y la facilidad de acceso a la tecnología, el prototipado ha cambiado y ha permitido diseñar de manera mucho más sencilla y rápida variados conceptos en los sistemas robóticos. El prototipado en la etapa de diseño, puede dividirse en: Conceptual, Simulación, Implementación y Validación.

En primera instancia, para la parte conceptual, es necesario definir la finalidad de nuestro sistema, respondiendo a dos grandes preguntas que representan las bases para el prototipado: ¿Qué tareas realizará mi robot? y ¿cómo será capaz de realizar dichas tareas?

Luego, es necesario establecer los componentes para nuestro sistema, partiendo por la estructura mecánica, transmisiones, actuadores, sensores, entre otros. Esto permite obtener parámetros que utilizará nuestro sistema para establecer un modelo matemático que nos permita realizar pruebas conceptuales, antes de comenzar con el prototipado y las pruebas prácticas.

Después de llevar a cabo las pruebas para la validación de nuestro modelo, es necesario definir nuestra metodología para control de posicionamiento– movimiento, ya sea cinemático (es decir, solo utilizando los parámetro geométricos asociados a la estructura de nuestro robot), o un control basado en la dinámica del sistema (el que, además, toma en cuenta los parámetros físicos bajo los cuales trabajará nuestro sistema, tales como masa de los eslabones, fuerza de gravedad, etc.).

Por lo general, en los desarrollos actuales se utiliza una mezcla de ambas metodologías, ya que se busca que el sistema sea preciso en cuanto a su posicionamiento y rápido. Esta combinación de conceptos permite optimizar además del movimiento, los recursos energéticos que utilizaremos para que nuestro sistema aumente su autonomía de trabajo.


La etapa de simulación

Luego de terminar con la parte conceptual y la definición de los parámetros, se agrega la etapa de simulación (que no se realizaba tradicionalmente). Mediante pruebas lógicas y de análisis, permite validar el modelo dinámico que nos permitirá -entre otras cosas- establecer y mejorar nuestra estrategia de control. Posteriormente, en la simulación del sistema completo (lo cual incluye el modelo más su etapa de control), se agregan parámetros mecánicos, como la saturación de los actuadores, la señal de control, además de la posibilidad de agregar ruido a la lectura de los sensores y perturbaciones en diferentes etapas del sistema, para realizar finalmente el ajuste de parámetros de los controladores y el ajuste de las ganancias calculadas teóricamente. Cabe mencionar que, para realizar la simulación, existen variados software, como Matlab, Webots y Proteus, en el ámbito educativo, o SolidWorks o RoboStudio, para la industria. Cada uno permite realizar un aporte para simular la mayoría de los componentes que forman parte del sistema robótico. De todas maneras, y aunque estos software son de diferentes entidades y enfocados a diferentes etapas del desarrollo, es posible realizar transferencia de datos para que dos o más programas puedan realizar la simulación de cada una de las etapas en forma conjunta, por ejemplo, utilizando puertos de comunicación virtuales que permitan transferir datos mediante comunicación serial.

En la etapa de simulación, es importante recalcar que mientras más parámetros se incluyan, mejor serán nuestros resultados en la implementación. En pocas palabras, mientras nuestra simulación se acerque más a la realidad, menos ajustes tendremos que realizar a nuestro prototipo para que funcione de manera más eficiente según el diseño teórico que se realizó en la etapa previa.

Después de la etapa conceptual y las pruebas mediante simulación y validación de los modelos y sistema de control, podemos realizar la implementación de nuestros prototipos, la que mediante el uso de nuevas tecnologías se efectúa de manera mucho más rápida y precisa.


Las nuevas tendencias en el campo

Conceptualmente, las nuevas tendencias en robótica buscan encontrar y aplicar nuevas ideas y conceptos tales como mejores técnicas de control, obtener mayor autonomía -tanto en la parte energética como en la parte de retroalimentación de datos-, mayor robustez y tolerancia a fallos, y aumentar la interacción colaborativa con otros sistemas robóticos para optimizar el uso de los recursos.

Lo anterior junto al uso de nuevas tecnologías (como las impresoras 3D, sistemas de visión artificial, GPS, drones, entre otros), ha llevado a la Robótica a mirar hacia otras áreas de interés que permitan mejorar la interacción con las personas, una mayor fluidez en los movimientos, una integración hacia otros sistemas, entre muchas otras que aún quedan por probar y aplicar por parte de los diferentes institutos y universidades en conjunto con la colaboración privada de las empresas para mejorar los procesos industrializados y la vida de las personas. Mi experiencia como docente de Inacap, me ha permitido estudiar e implementar en diversos prototipos estas nuevas tendencias, donde los futuros profesionales son capaces, utilizando estas nuevas tendencias y tecnologías, de desarrollar y aplicar sistemas a la industria donde se desenvolverán en un futuro cercano. De todos modos, no está de más agregar que aún falta potenciar el trabajo colaborativo con las empresas para poder realizar el prototipado con equipamiento industrial y de manera más rápida, lo cual además sería un apoyo a sus propios requerimientos para mejorar y optimizar sus procesos.


Artículo gentileza INACAP. Extracto de la charla que dio Patricio Galarce, Docente de INACAP Santiago Sur, en "Automatización 2015". www.inacap.cl
Diciembre 2015
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