Introducción a la Robótica y Sistemas Digitales

Sistemas Digitales

Señales

Señal analógica: Puede tomar cualquier valor a lo largo del tiempo.

Señal digital: Solo puede tomar una serie de valores concretos y se mueve a saltos entre estos valores.

Estados de un circuito

Reposo o inactivo: Cuando no existe conducción eléctrica entre sus terminales.

Activo: Cuando existe conducción y, por tanto, hay voltaje a su salida.

Tipos de circuitos digitales

Sistemas combinacionales: Su salida o salidas solo dependen del estado de sus entradas.

Sistemas secuenciales: Trabajan en secuencia, un paso tras otro.

Sistemas de Numeración

Sistema decimal o base 10: Consta de 10 dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).

Sistema binario o base 2: Consta de 2 dígitos (0, 1).

Sistema octal o base 8: Consta de 8 dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Sistema hexadecimal o base 16: Consta de 16 dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F).

Conversión de números:

• Decimal a binario: Dividir el número decimal entre 2 tantas veces como sea necesario hasta que ya no se pueda dividir más.
• Binario a decimal: Multiplicar cada bit del código binario por 2 elevado a la potencia de su posición. La suma de todas estas cifras dará el número decimal.

Grafcet

Lenguaje funcional gráfico que precisa el ciclo y las condiciones de funcionamiento de una máquina automática. Representa la sucesión de fases o estados de un ciclo.

Tipos de secuencias

Secuencial lineal: Evoluciona de forma consecutiva sin ningún tipo de selección.

Acciones exclusivas: Dependiendo de la receptividad, evoluciona hacia una secuencia u otra.

Salto de etapas: Según la receptividad o condición que se cumpla, evoluciona hacia una serie de saltos o bien hace un salto hacia adelante sin activar las etapas saltadas.

Acciones simultáneas: Las etapas se activan simultáneamente.

Repetición de secuencia: Según se cumpla una etapa u otra, evoluciona hacia una serie de saltos o bien hace un salto hacia atrás.

Buses de Campo y Redes

Ventajas del uso de buses de campo

Flexibilidad, seguridad, facilidad de mantenimiento, reducción de complejidad.

Topologías de red

Red punto a punto

Conexión directa de dos o más equipos.

Ventajas: Posibilidad de funcionar un equipo aunque el otro esté caído. No requiere incluir información de la dirección de destino dentro de la trama de datos del mensaje.

Desventajas: Limitación de equipos, distancias cortas, requieren tarjetas de comunicación.

Red tipo bus

Una única línea "general" compartida por todos los equipos. Solo un mensaje puede circular por el bus.

Ventajas: Bajo coste de instalación, la caída de un equipo generalmente no afecta al resto, el control del tráfico de mensajes es sencillo, añadir nuevos equipos es sencillo.

Inconvenientes: Limitado a distancias cortas, necesidad de repetidores, elevada posibilidad de colisión de mensajes.

Red tipo árbol

Varios buses conectados entre sí. Mayor alcance a coste de mayor atenuación. Red más usual en ofimática.

Red tipo anillo

Extremos de un bus conectados entre sí. Los mensajes fluyen en un único sentido. Pueden circular varios mensajes. Fácil inserción de equipos. La velocidad de transmisión queda marcada por el equipo más lento.

Ventajas: No necesitan marcar el equipo de destino, fácil inserción de nuevos equipos, no se producen colisiones, alto rendimiento.

Inconvenientes: El fallo de un equipo paraliza la red, solo válido en distancias cortas.

Red tipo estrella

Equipos conectados a un concentrador o hub. El hub controla la transferencia de datos. Aplicación típica en informática.

Ventajas: Buen rendimiento, fácil adición o eliminación de equipos, admite diferentes velocidades.

Inconvenientes: Dependencia total del hub, un hub insuficiente genera cuello de botella.

Interconexiones de red

Repetidor (Repeater): Regenera señales eléctricas.

Puente (Bridge): Realiza operaciones básicas de red, almacena y reenvía tramas.

Encaminador (Router): Encamina paquetes de datos entre puertos, une redes de diferente configuración.

Pasarela (Gateway): Une redes con diferentes topologías, tipos y/o protocolos.

Profibus

Bus de campo abierto, basado en comunicación serie. Velocidad entre 9,6kbit/s - 12Mbit/s.

Perfiles

Profibus Fieldbus: Transferencia de gran volumen de datos.

Profibus DP (Periferia Descentralizada): Intercambio a gran velocidad de un volumen medio de información. Permite diagnóstico de errores.

Profibus PA: Para zonas "Ex" de seguridad intrínseca.

Control de acceso a red M-S

Maestro (Master): Equipo inteligente que controla la red e interroga a los esclavos.

Esclavo (Slave): Estaciones pasivas que esperan ser interrogadas.

Profinet

Evolución de Profibus DP con características de Industrial Ethernet. Estándar abierto basado en Ethernet. Uso de estándares TCP/IP.

Sistema de comunicación M/S

Solución total de automatización. Permite conectar equipos desde el nivel de campo hasta el nivel de gestión.

Ventajas: Flexibilidad, ahorro en ingeniería, protección de la inversión, comunicación rápida, variedad de productos, conexionado por cable/FO/radio.

Ethernet

Estándar de transmisión de datos para redes de área local. Cableado: par trenzado apantallado. Conector RJ-45.

Control de acceso al medio

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

Ethernet Industrial

Mismo protocolo que Ethernet con características industriales. Alta fiabilidad. Soportan condiciones ambientales duras e interrupciones.

Redes Wireless

Usos habituales

Transmisión de señales de audio/vídeo, voz/datos, aplicaciones de bajo radio de acción, transmisión de datos.

Versiones de Bluetooth

1.0-1999, 1.1-2002, 1.2-2003, 2.0-2004, 2.1-2007, 3.0-2009, 4.0-2010, 4.1-2013, 4.2-2014, 5.0-2016, 5.1-2019.

Estándares de WiFi

802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ax.

Componentes de red

Modo infraestructura: Access Point, Cliente.

Modo Ad-Hoc: Comunicación P2P sin punto de acceso.

Manipuladores

Máquina con brazo manipulador de acero rígido.

Usos

Mover productos pesados o a lugares inaccesibles, evitar lesiones, mover gran volumen de producto.

Robots

Manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente.

Características

Grados de libertad, volumen de trabajo, capacidad de carga, resolución, precisión, repetibilidad, velocidad, aceleración.

Tipos de robots

Articulados: Emulan brazo humano.

Cartesianos: 3 ejes lineales.

Cilíndricos: 2 ejes lineales + 1 rotativo.

Esféricos o polares: 2 ejes rotativos + 1 lineal.

SCARA: 2/3 ejes de rotación paralelos + 1 lineal.

Antropomórficos: Máxima relación volumen de trabajo/volumen del robot.

Aplicaciones

Soldadura, manipulación de materiales, plegado, pintura, etc.

Robots móviles autónomos (AMR)

Se mueven y toman decisiones en tiempo real.

Vehículos de guiado automático (AGV)

Se basan en pistas predefinidas.

Robots humanoides

Realizan funciones centradas en personas.

Cobots

Diseñados para trabajar junto a humanos.

Clasificación según ubicación

Móviles: AMR, AGV, humanoides, híbridos.

Fijos: Robots articulados, cobots.

Campos de aplicación

Industria, agricultura, asistencia sanitaria, logística, comercio, ciudades inteligentes.

Programación

Online: Directamente sobre el robot.

Offline: En software simulador.

Mantenimiento

Inspección, cableado, fuelles, ventilación, fuentes de alimentación, baterías, paro de emergencia, consola, frenos, ruidos, vibraciones, engrase, registro.

Control de Movimiento

Motores

Síncronos de AC: Velocidad de rotación igual a la velocidad sincrónica del campo magnético.

Asíncronos: Rotor gira a velocidad diferente a la del campo magnético.

Sensores

Sensores de posición

Encoders: Incrementales y absolutos.

Resolvers: Sistema analógico.

Sensores de velocidad

Taco generatriz.

Sensores de presencia

Inductivos, capacitivos, efecto Hall, Reed.

Sensores externos

Contacto y no contacto.

Detección de alcance

Telémetro láser: Mide tiempo de vuelo de rayo láser.