Robótica: estructura y movimientos

Explica con tus palabras qué es un robot y qué tres capacidades lo definen (moverse mecánicamente, ser programable y actuar sobre su entorno). Razona por qué un brazo robótico industrial es un robot pero una banda transportadora fija, aunque se mueva, no lo es.

Relaciona cada descripción con su tipo de robot: (1) brazo fijo al suelo que suelda carrocerías, (2) máquina con ruedas que transporta cajas por una bodega y (3) brazo liviano que trabaja junto a personas sin cerca de seguridad, con: (a) robot móvil, (b) robot colaborativo y (c) robot manipulador industrial.

Un robot colaborativo puede compartir mesa de trabajo con una persona. Explica qué dos medidas de seguridad lo hacen posible (limitar su fuerza y velocidad, y detenerse al detectar un contacto inesperado) y por qué un robot industrial convencional necesita, en cambio, una jaula o valla.

Una planta de fabricación de automóviles debe automatizar dos puestos de trabajo:

• Puesto 1: Soldadura por puntos en chasis de acero, manipulando una pinza de $45\ \text{kg}$ a velocidades de $2\ \text{m/s}$ en ciclos continuos.

• Puesto 2: Montaje de clips y cableado en el interior de las puertas, donde un operario posiciona manualmente el mazo de cables mientras el robot atornilla en el mismo espacio compartido.

(a) Asigna razonadamente a cada puesto una solución de seguridad: celda cerrada con cerramiento perimetral y barreras inmateriales con enclavamiento, o robot colaborativo (cobot) sin barreras físicas.

(b) Para el puesto colaborativo, explica en qué principios sensoriales y dinámicos se basa la seguridad según la normativa (limitación de potencia y fuerza frente a parada monitorizada de velocidad y separación).

(c) Rebate la siguiente afirmación de un responsable de compras: «Sustituir los robots tradicionales por cobots siempre es ventajoso porque ocupan menos espacio y aumentan la cadencia de producción». Analiza el compromiso entre velocidad de ciclo, inercia de la carga y distancia de parada segura en ambos enfoques.

Explica qué es un grado de libertad (GDL) de un robot: cada movimiento independiente que puede hacer una articulación. Pon dos ejemplos: una puerta con bisagras (un solo GDL) y tu propio brazo, que tiene muchos, y razona por qué más GDL significan más posturas posibles.

Las articulaciones de un robot pueden ser de rotación (giran, como un codo) o lineales, también llamadas prismáticas (se estiran, como un cajón). Explica la diferencia y pon un ejemplo cotidiano de cada tipo de movimiento.

Un brazo robot tiene una base que gira sobre sí misma, una articulación en el «hombro», otra en el «codo» y una muñeca que rota. (a) Cuenta sus grados de libertad. (b) Explica qué movimiento aporta cada articulación a la posición y orientación del efector final. (c) Razona por qué no podría orientar la pinza en cualquier dirección sin la muñeca rotatoria.

La figura muestra un brazo articulado con sus articulaciones rotuladas y una marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica la articulación marcada con la interrogación y explica qué movimiento aporta al brazo. (b) Cuenta los grados de libertad del brazo completo suponiendo que la base también gira. (c) Describe qué articulaciones deben moverse para que la pinza baje sin alejarse ni acercarse a la base.

La figura muestra, en vista de planta, el espacio de trabajo de un brazo robótico fijado en el centro, con una zona señalada con un signo de interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Explica qué representa la corona circular comprendida entre los dos círculos, señalada con el signo de interrogación. (b) Explica por qué existe una zona muerta interior que el efector no puede alcanzar (con el brazo plegado, el efector no llega a puntos pegados a la base). (c) Razona dónde conviene colocar las piezas que el robot debe tomar: muy cerca, en la zona media o en el borde exterior.

Entre el motor y la articulación de un robot casi siempre hay una reductora. Explica por qué: los motores eléctricos giran muy rápido con poco par, y las articulaciones necesitan justo lo contrario (poca velocidad y mucho par), y la reductora hace esa conversión.

Explica qué es el efector final de un robot (la «herramienta» que lleva en la muñeca y que realiza la tarea) y nombra tres efectores distintos con la tarea que realiza cada uno: pinza, ventosa y antorcha de soldar.

Elige el efector final más adecuado para cada tarea y justifícalo: (a) mover láminas de acero planas y limpias (ventosa o electroimán); (b) unir piezas con cordones de soldadura (antorcha); (c) agarrar cajas de tamaños variados (pinza de dedos ajustables); (d) pintar carrocerías (pistola de pintura).

Los sensores de un robot pueden ser propioceptivos (informan del propio robot) o exteroceptivos (informan del entorno). Clasifica estos sensores: (a) el encoder que mide el ángulo de una articulación, (b) una cámara, (c) un sensor de contacto en la pinza y (d) el giroscopio que mide la inclinación del chasis.

El encoder de una articulación da $360$ pulsos por cada vuelta completa. (a) Calcula cuántos grados corresponden a cada pulso. (b) Calcula el ángulo girado si se han contado $180$ pulsos desde la referencia. (c) Explica por qué el robot necesita una «referencia» o posición cero conocida para que los pulsos signifiquen un ángulo absoluto.

Para cada tarea de un robot móvil, elige el sensor adecuado y justifícalo: (a) seguir una línea pintada en el piso (sensores ópticos de reflexión); (b) no chocar con personas ni estanterías (ultrasonidos o láser de distancia); (c) agarrar un objeto sin aplastarlo (sensor de presión en la pinza). Indica en cada caso si es propioceptivo o exteroceptivo.

Los robots móviles se desplazan con ruedas, orugas o patas. Elige y justifica la solución más adecuada para: (a) una bodega con piso liso (ruedas); (b) un terreno accidentado con barro tras un desastre (orugas); (c) subir escaleras o terrenos muy irregulares (patas). Razona qué se pierde en cada caso (velocidad, estabilidad, complejidad de control).

Un centro logístico automatizado implanta una flota de vehículos de guiado automático (AGV / AMR) para desplazar estanterías hasta las mesas de preparación de pedidos en un entorno donde coexisten con trabajadores.

(a) Compara el guiado físico (inductivo o magnético mediante bandas en el piso) frente a la navegación autónoma SLAM (mediante LiDAR y odometría). Justifica cuál de las dos tecnologías resulta más eficiente si la bodega requiere reconfigurar periódicamente las rutas y ubicaciones sin parar la actividad industrial.

(b) Diseña el sistema sensorial de seguridad y maniobra del AGV: indica qué dispositivos y zonas de detección (campo de preaviso y campo de parada de emergencia) garantizan que el vehículo frene sin colisionar ante la aparición repentina de un peatón, y qué sensor específico permite verificar la alineación milimétrica antes de elevar la estantería.

(c) Durante un turno de alta actividad se produce una situación de bloqueo mutuo (deadlock) donde tres robots quedan enfrentados en un cruce en T sin que ninguno avance, coincidiendo con una microcaída de la red Wi-Fi de la bodega. Propón qué estrategias de control descentralizado y priorización deben incorporar los robots para resolver esta contingencia sin intervención humana.

Una celda robotizada debe paletizar cajas de cartón corrugado (con masas de entre $3\ \text{kg}$ y $18\ \text{kg}$ y dimensiones variables) desde una banda transportadora a $0{,}8\ \text{m}$ de altura hasta una estiba (pallet) en el suelo, formando capas con mosaicos entrelazados para garantizar la estabilidad de la carga.

(a) Un técnico novato propone utilizar un robot cartesiano de 3 grados de libertad ($XYZ$). Demuestra por qué esa configuración es insuficiente para realizar este paletizado y deduce la cinemática mínima estricta (número de grados de libertad y tipo de articulaciones) necesaria para completar la tarea.

(b) Se duda entre una pinza mecánica de apriete lateral y un cabezal de ventosas por vacío. Evalúa los riesgos técnicos de emplear mordazas mecánicas sobre cartón con carga pesada y justifica qué configuración de efector por vacío (número de ventosas, compensación de nivel y tipo de eyector) resolvería los problemas de porosidad y variación de tamaño.

(c) Diseña la sensórica de la estación: indica qué sensor específico debe detectar la llegada de la caja sin contacto físico en la banda y qué sistema sensorial debe incorporar el robot para depositar cada caja a la cota exacta sin aplastar las capas precedentes ni depender únicamente del conteo teórico.

El siguiente diagrama representa la arquitectura de control de una articulación robótica industrial:

(a) Deduce qué componente representa el bloque «?» y qué dos magnitudes específicas compara internamente en cada ciclo de muestreo para calcular la señal de control enviada a los actuadores.

(b) Durante un fresado, la herramienta del robot impacta con una zona de material imprevista de dureza excesiva que frena momentáneamente la articulación. Describe la secuencia con la que viaja la perturbación a través de la cadena y cómo reacciona el sistema para corregir la posición angular.

(c) Si por vibraciones se secciona el cable de señal del encoder de posición (bloque de sensores), predice el comportamiento físico inmediato del motor si el sistema carece de rutinas de diagnóstico por rotura de lazo (condición de embalamiento o runaway) frente a cómo debería actuar una parada de seguridad configurada correctamente.

Para una estación de inserción de componentes en placas de circuito impreso (PCB) con una tolerancia de posicionamiento máxima admisible de $\pm 0{,}15\ \text{mm}$, se evalúan dos robots industriales de distintos fabricantes:

• Robot A: Precisión absoluta de $\pm 0{,}25\ \text{mm}$ y repetibilidad de $\pm 0{,}03\ \text{mm}$.

• Robot B: Precisión absoluta de $\pm 0{,}10\ \text{mm}$ y repetibilidad de $\pm 0{,}20\ \text{mm}$.

(a) Explica la diferencia física entre error sistemático y error aleatorio en la cinemática de un robot y relaciona cada uno de ellos con la precisión y la repetibilidad.

(b) Justifica cuál de los dos robots es el único viable para la tarea si el controlador permite aplicar una compensación por software mediante una calibración previa con cámara de visión (offset fijo), y cuál produciría piezas defectuosas de manera inevitable.

(c) Un técnico sugiere: «Para mejorar la repetibilidad del robot defectuoso basta con reprogramar las coordenadas teóricas en el código». Rebate técnicamente esta afirmación explicando de qué factores constructivos y mecánicos depende la repetibilidad.

Reto del tema. Vas a diseñar el sistema de supervisión y la cinemática de una estación robótica industrial que adapta su ritmo de trabajo a la red eléctrica nacional.

1. Monitorización real: Consulta en la web de XM (portal de información de demanda de energía, operador del sistema eléctrico colombiano) la demanda horaria nacional de ayer. En LibreOffice Calc, elabora un panel HMI con la gráfica temporal e indicadores condicionales que alerten si el consumo supera los $32,5$ GW.

2. Morfología y cinemática: Diseña un brazo robótico de $3$ grados de libertad (GDL) para transferir piezas pesadas. Define el tipo de articulaciones (rotativas o prismáticas), los actuadores requeridos y representa en un croquis acotado su espacio de trabajo, indicando las variables articulares $\theta_1$ y $\theta_2$.

3. Lógica de supervisión: En Tinkercad Circuits o MakeCode, simula una rutina donde la velocidad de los servomotores se reduzca automáticamente en horas pico para ahorrar energía, integrando una alarma SCADA de parada inmediata si el sensor de temperatura supera un valor crítico.

Presenta un informe breve (máximo $2$ páginas) con el panel HMI, el esquema cinemático y la lógica de supervisión implementada.

Se valorará:

• Rigor en la obtención de datos de XM y claridad visual del panel de monitoreo HMI.

• Adecuación técnica de la estructura robótica ($3$ GDL), sus articulaciones y el rango de movimiento.

• Coherencia en la integración entre las variables supervisadas y la respuesta cinemática del robot.