Automatismos y Robots: Definiciones Fundamentales

¿Qué es un Automatismo?

Un automatismo es un mecanismo o máquina que realiza una tarea concreta, pero cuyo funcionamiento no se puede modificar.

Por ejemplo, el limpiaparabrisas de un coche, una cisterna del váter y una máquina expendedora son automatismos.

¿Qué es un Robot?

Un robot es una máquina automática programable capaz de captar información de su entorno, procesar el resultado y actuar en consecuencia.

En la actualidad, los robots se utilizan en la industria (en cadenas de montaje, para trasladar mercancías, etc.), para apagar incendios, para detectar explosivos, en agricultura para la recolección, etc.

Control de Procesos Robóticos: Opciones Tecnológicas

Para poder controlar los procesos que realizan los robots, tenemos varias opciones:

Control con un Ordenador

El microprocesador del ordenador es capaz de procesar cualquier tipo y volumen de información. Sus características son:

• Dispone de mucha memoria.
• Tiene un elevado coste.
• Consume mucha energía y ocupa mucho espacio.

Para realizar un sistema de control de un determinado proceso por ordenador es necesario añadir al hardware habitual del equipo una tarjeta de adaptación de las señales que pueda adaptar dichas señales del ordenador al sistema controlado y viceversa, haciendo las conversiones necesarias.

Control con un Microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado programable que reúne en un solo chip todas las funcionalidades básicas de un ordenador: unidad de proceso, memoria y periféricos de entrada y salida. Es decir, podemos tener en un solo chip un ordenador con funciones limitadas. Sus características son:

• Tiene un coste menor que el de un ordenador.
• Consume poca energía.
• Podemos conectar directamente todos los sensores y actuadores.

Muchas de las cosas que tenemos en nuestro entorno son controladas por un microcontrolador, como por ejemplo las lavadoras, los frigoríficos, los despertadores, los mandos a distancia de los televisores, el sistema ABS de los coches, etc.

Aunque el microcontrolador es un chip, suele ir montado sobre una tarjeta controladora para poder realizar las conexiones de todas las entradas y salidas.

Un ejemplo son las tarjetas controladoras que utilizamos en nuestros proyectos, como las tarjetas Arduino, que integran un microcontrolador y diversos puertos de comunicación.

Sistemas de Control: Lazo Abierto y Lazo Cerrado

Un sistema de control regula y controla el funcionamiento de un automatismo o de un proceso para que funcione de la manera prevista.

Existen dos tipos de sistemas de control: los de lazo abierto y los de lazo cerrado.

Sistemas de Lazo Abierto

En ellos no se tiene en cuenta la señal de salida en la acción de control. Por ejemplo, cuando encendemos un ventilador, este funcionará siempre independientemente de la temperatura que tengamos en la habitación.

Las partes de un sistema de control de lazo abierto son:

Cuando establecemos el tiempo de funcionamiento de una tostadora, fijamos la señal de entrada, que nos dará como resultado una tostada más o menos hecha, pero el sistema no variará si la tostada se nos está quemando.

Sistemas de Lazo Cerrado

En ellos, la señal de salida se compara con la de entrada para corregir los posibles errores y ajustar la acción de control al valor deseado. Por ejemplo, cuando regulamos el termostato de la calefacción a 21 °C, este mide periódicamente la temperatura ambiente y, si detecta que ha bajado, pone en marcha la calefacción.

Los elementos que intervienen en un proceso de lazo cerrado con el que se regula la temperatura de la calefacción son:

• Sensor: mide la temperatura ambiente.
• Comparador: compara la temperatura ambiente con la temperatura programada.
• Controlador: en función de la señal que le llega del comparador, decide si hay que activar o no la calefacción y, en caso afirmativo, envía una señal al actuador.
• Actuador: al recibir la señal del controlador, conmuta un circuito para encender o apagar la calefacción.

Cuando en el taller programamos una tarjeta controladora o un robot, lo hacemos siguiendo el modelo de lazo cerrado, para poder tener más precisión y rapidez.

Componentes Clave en Robótica y Automatización

Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas (temperatura, humedad, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación, presión, fuerza, etc.) y transformarlas en variables eléctricas.

Podemos montar los sensores sobre una placa protoboard o bien encontrarlos ya montados en un soporte de adaptación. Los sensores más utilizados en robótica son:

Actuadores

Los principales elementos sobre los que actúa un microcontrolador son luces (LEDs, en la mayoría de los casos) y motores. Arduino puede llegar a dar una corriente máxima de salida por sus pines digitales de 40 mA. Esta corriente es suficiente para encender un LED y actuar sobre un servomotor, pero no para mover un motor de corriente continua (CC).

Motores de Corriente Continua (CC)

Los motores de corriente continua convierten la energía eléctrica en mecánica y provocan el giro de un eje. Según la polaridad, este girará en un sentido u otro. Como Arduino solo llega a dar 40 mA y esta corriente no puede mover un motor de corriente continua, es necesario hacer alguna de estas adaptaciones:

• Conectar un Shield (otra placa como extensión) para motores de corriente continua que permita conectar directamente el motor a los pines.
• Conectar a la salida de Arduino un circuito con un transistor que amplifique la señal que llega al motor y un diodo de protección.
• Conectar un relé y que este accione el motor.
• Conectar los motores a un circuito integrado del tipo LM293 o LM298 que permite controlarlos.

Otras placas, como ZUM de BQ, sí que permiten conectar directamente los motores de corriente continua, ya que son capaces de dar más corriente.

Servomotores

Los servomotores (o servos) son motores CC de precisión que tienen en su interior un motor con reductora de velocidad y un pequeño circuito de control que solamente permite el giro desde los 0 hasta los 180°. Tiene tres cables, que debemos conectar así: uno a +5 V, otro a GND y otro a un pin digital. Para poder usar el servo, incorporaremos al principio del programa la instrucción #include <Servo.h>.

LEDs y Displays

• Los LEDs (o diodos LED) tienen polaridad, por lo cual han de conectarse correctamente el ánodo y cátodo. Necesitan una resistencia en serie de un valor aproximado de 220 Ω para poder soportar la corriente. Suelen conectarse uno a masa y el otro a una salida analógica o digital a través de la resistencia de protección.
• Un display de 7 segmentos es un componente electrónico que se utiliza para representar números. Cada segmento se conecta a un pin digital, de forma que para representar un número hay que encender la combinación de segmentos correspondiente.
• Una pantalla de cristal líquido o LCD (Liquid Crystal Display) es un dispositivo que sirve para presentar imágenes o caracteres. El número de pines y la conexión varían según el tipo de pantalla y lo que se quiera representar.

Zumbador

Un zumbador es un transductor electroacústico que produce un sonido (zumbido) continuo o intermitente de un mismo tono. Se suele conectar a las salidas digitales y tiene polaridad.

Tarjetas Controladoras: El Cerebro de la Automatización

Como hemos visto antes, una tarjeta controladora (o placa controladora) es un circuito electrónico que nos sirve de interfaz entre el ordenador y los dispositivos que se deben controlar, adaptando las señales de entrada y salida (sensores de temperatura, de humedad, control de motores…). Básicamente, las tarjetas controladoras disponen de un microcontrolador, una pequeña memoria y puertos de entrada y salida.

Arduino: Un Ecosistema de Hardware Libre

La salida al mercado de la tarjeta Arduino, bajo el modelo de hardware libre (hardware cuyas especificaciones y diagramas esquemáticos son de acceso público), ha supuesto toda una revolución en el mundo de las controladoras y está permitiendo que surjan infinidad de desarrollos basados en Arduino.

Pero la verdadera revolución de Arduino no ha sido el hardware, sino el software que nos permite programar el microcontrolador. Arduino ha simplificado la complejidad de programar microcontroladores y ha creado un paquete fácil de usar. Esto, junto con la licencia open hardware, ha dado lugar a muchos derivados y la creación de una enorme comunidad de desarrollo.

Para las prácticas de esta unidad utilizaremos Arduino Uno, aunque existe una gran variedad de tarjetas: diferentes tarjetas Arduino (cada una adecuada para una serie de proyectos); Mega, para proyectos con más conexiones; Nano, más compacta; etc.

Otras tarjetas muy utilizadas en los proyectos IoT son las basadas en los chips ESP32 y ESP8266, como por ejemplo la NodeMCU. Estas tarjetas nos permiten conectarnos a un dispositivo por Wi-Fi, Bluetooth o radio con un bajo consumo y a muy bajo coste.

Funcionamiento Básico de una Tarjeta Controladora

• Sensores: Se convierten las señales analógicas y digitales de los sensores para que puedan ser interpretadas por el microprocesador.
• Microprocesador (memoria): El microprocesador, que tiene almacenado en una pequeña memoria un programa que previamente se ha volcado desde un ordenador, lee los valores de las entradas, los compara con los que tiene almacenados en el programa y emite las órdenes a las salidas.
• Actuadores: Las órdenes se convierten en señales digitales o analógicas y, a través de los conectores, se trasladan a los actuadores: motores, luces, etc.

Clasificación y Elementos de los Robots

Clasificación por Morfología

Otra clasificación de los robots se puede hacer en función de su morfología, es decir, de su forma física y de moverse:

• Androides: Intentan reproducir el aspecto y los movimientos de los seres humanos. Se les buscan usos sociales de ayuda personal.
• Zoomórficos: Su sistema de locomoción imita el de los animales. Aunque su movilidad es de muy baja eficiencia, son capaces de adaptarse a la perfección en terrenos irregulares.
• Poliarticulados: Son robots sedentarios, que constan de varias articulaciones y tienen un número limitado de grados de libertad. El más conocido es el brazo robótico, utilizado principalmente en la industria para tareas pesadas y repetitivas.
• Móviles: Pueden ser aéreos, marinos o terrestres, y moverse por medio de ruedas, orugas o cadenas, dependiendo de su uso (exploración, transporte de personas o de mercancías, etc.).

Clasificación por Ámbito de Uso

Podemos clasificar los robots en función de su ámbito de uso:

• Industrial: soldadura, corte, aplicación de pinturas, plantas nucleares, movimiento de piezas, montaje y ensamblado, etc.
• Medicina: técnicas médicas para tratar enfermedades y lesiones, prótesis, etc.
• Robótica marítima y aérea: desarrollo de vehículos autónomos y no tripulados submarinos, drones aéreos, etc.
• Seguridad y defensa: detección y desactivación de explosivos, vigilancia, etc.

Los grados de libertad de un robot son el número de movimientos independientes que puede realizar. Cuantos más grados de libertad tenga un robot, más difícil resultará programar sus movimientos, pero también más fácil será reproducir una trayectoria o llegar a una determinada posición. Las aplicaciones industriales normalmente requieren de seis grados de libertad como mínimo.

Elementos de un Robot Industrial

Podemos distinguir los siguientes elementos en un robot industrial:

• Estructura: Posibilita el movimiento del robot y permite soportar su propio peso y los esfuerzos que desarrollará.
• Dispositivos sensores: Miden magnitudes físicas, tanto del estado interno del robot (posición, velocidad, temperatura de funcionamiento…) como de su entorno exterior (luz, temperatura ambiente, distancia de un obstáculo…).
• Dispositivos actuadores: Reciben y ejecutan las órdenes del controlador y realizan los movimientos o acciones que el robot es capaz de llevar a cabo. Son elementos actuadores los motores eléctricos, los relés y los accionadores neumáticos o hidráulicos.
• Garra o herramienta: Es el elemento encargado de realizar la tarea encomendada al robot (agarrar, soldar, pintar, colocar o recoger piezas, etc.).
• Controlador: Dirige el trabajo de los actuadores, teniendo en cuenta la información suministrada por los sensores y las órdenes grabadas en el programa.
• Fuente de energía: Su necesidad es más evidente en el caso de que el robot sea móvil y no pueda obtener la energía mediante un cable eléctrico.

Sistemas SCADA y Protocolos de Comunicación

¿Qué son los Sistemas SCADA?

Los sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition, “control supervisor y adquisición de datos”) son fundamentales en los proyectos de automatización industrial.

Podemos decir que se trata de un tipo de software capaz de recopilar, registrar, monitorizar y obtener datos a distancia de los equipos y sus operaciones, con lo cual permite controlar en tiempo real los procesos industriales, tanto de forma local como interactuando de forma remota sobre motores, válvulas, bombas, sensores, etc., desde un panel centralizado.

La principal ventaja de estas aplicaciones es que facilitan la recopilación y visualización de datos y, en consecuencia, la toma de decisiones.

A veces, estos sistemas pueden controlar los equipos automáticamente basándose en los datos que recopilan. Otras veces ofrecen al usuario una interfaz hombre-máquina (HMI), una especie de panel de instrumentos del operario en línea que traduce las variables de los procesos en información útil que permite el control de los procesos.

Las organizaciones pueden utilizar los sistemas SCADA, por ejemplo, para:

• Controlar los procesos local o remotamente.
• Interactuar con los aparatos mediante software HMI.
• Recopilar, monitorizar y procesar datos.
• Registrar eventos y datos.

El objetivo principal de los sistemas SCADA es permitir, a través de la telemetría, la monitorización de todos los procesos para poder controlar y supervisar los procedimientos industriales a distancia.

Protocolos de Comunicación en Arduino

Podemos implantar un modelo SCADA en nuestros proyectos de Arduino y monitorizar los sensores y controlar equipos, pero los pines digitales y analógicos se nos quedarán cortos, por lo que tendremos que utilizar los puertos de transmisión de datos en serie, para así poder ampliar el número de dispositivos conectados y que la información llegue correctamente. Los puertos que tiene Arduino son:

• UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Usa una línea de datos simple para transmitir datos y otra para recibirlos. Su velocidad está limitada a 2 Mbps. Utiliza los pines 0 (RX) y 1 (TX).
• SPI (Serial Peripheral Interface, protocolo síncrono): Un maestro (Arduino) envía la señal de reloj. Tras cada pulso de reloj, envía un bit al esclavo (sensores y actuadores) y recibe un bit de este. Se permite un máximo de cuatro esclavos. Se usa en dispositivos muy rápidos.
• I2C (Inter-Integrated Circuit, protocolo síncrono): Usa solamente dos cables: uno para el reloj y otro para el dato. El maestro (Arduino) y el esclavo (sensores y actuadores) envían datos por el mismo cable. El maestro no utiliza la selección de esclavo, sino direccionamiento para indicar con quién se comunica. Permite conectar hasta 128 dispositivos.

El Internet de las Cosas (IoT)

El Internet de las Cosas (o Internet of Things, IoT) hace referencia a la interconexión de dispositivos físicos a través de una red (privada o Internet) de modo que todos ellos pueden ser visibles e interactuar.

Tiene el potencial de provocar otra revolución digital, al contar con aplicaciones en todos los campos:

• En el ámbito doméstico aparece el “hogar inteligente“, que incluye el control y monitorización de dispositivos de iluminación, termostatos, cámaras de seguridad, electrodomésticos, etc. Por ejemplo, podemos conectar nuestro frigorífico y nos avisará de cuándo caducarán los alimentos o incluso hará la compra según nuestros gustos cuando vayan faltando productos de la nevera.
• En la industria podemos tener conectado todo un proceso productivo mediante sensores y hacer posible la automatización y el control inalámbrico de dicho proceso, así como el mantenimiento predictivo.
• En la ganadería podemos tener localizados y monitorizados a los animales de forma que estén siempre controlados.
• En la agricultura, podemos medir en tiempo real las condiciones de los cultivos, la calidad del suelo, la humedad, la bioquímica, los nutrientes, las condiciones atmosféricas, etc., para actuar en consecuencia mediante el riego o el uso de fertilizantes.
• En el transporte, nos permite conocer en tiempo real el tránsito y la situación de la cadena de suministro de una empresa.
• Tenemos también los llamados wearables, como las gafas virtuales, los cinturones de rastreo GPS para personas con Alzheimer, o los relojes o bandas que nos permiten medir las pulsaciones cardíacas y la saturación de oxígeno en sangre o incluso realizar electrocardiogramas.
• Otros logros que permite son el control remoto de pacientes, el control del tráfico, la monitorización del suministro y contaminación del agua, etc.

La tecnología IoT está despegando en los últimos tiempos gracias a una serie de avances que lo hacen posible:

• Sensores de bajo coste y potencia que los hacen asequibles y fiables para todo el mundo.
• Conectividad muy extendida, ya sea a través de Internet, de redes privadas o de señales de radio (como la tecnología LoRa).
• Plataformas informáticas en la nube, muchas de ellas gratuitas, que nos permiten, de forma sencilla, alojar en un servidor el software necesario para conectar y monitorizar nuestros dispositivos, así como comunicarnos con ellos. Estas plataformas reciben el nombre de API (Application Programming Interface). Algunas de las más utilizadas son Arduino Cloud, ThingSpeak, Thinger.io, Cayenne myDevices, AREST Framework y Samsung Artik Cloud.
• Inteligencia Artificial (IA): al estar recibiendo continuamente datos, tendremos que saber organizarlos, clasificarlos y procesarlos.