La robótica es un tema que atrae a muchas mentes jóvenes, lo cual se debe principalmente a la abundante representación de robots en muchas historias de ciencia ficción y en películas populares. A partir de los años sesenta, los robots se han usado sobre todo en aplicaciones industriales, particularmente en la industria automotriz para la soldadura de carrocerías. Incluso, hoy día, los usuarios más importantes de robots son los gigantes automovilísticos. Los robots también encuentran aplicaciones cada vez mayores en la cirugía médica, la industria minera y la exploración del espacio, y aun en instituciones que se preocupan del cuidado de personas de la tercera edad.
Introducción a la robótica tiene por objetivo la comprensión de los conceptos subyacentes en el diseño y construcción de un robot, y en su funcionamiento. En el mercado existe un número de libros que normalmente tienen en cuenta a investigadores que trabajan fundamentalmente en los aspectos de análisis de robots, por ejemplo, cinemática, dinámica, control, etc., o a ingenieros en activo interesados en el estudio de viabilidad del uso de robots para aplicaciones particulares, su adquisición, programación, economía, etc. En un plan de estudios de licenciatura, es importante que los estudiantes conozcan tanto los aspectos de análisis como las aplicaciones. Por lo tanto, se percibió la necesidad de un libro que cubriera ambos aspectos de manera lúcida.
La inspiración para escribir este tipo de libro, sin embargo, llegó hace casi una década (abril de 1999), cuando el profesor Gayatri Kansal, de la Indira Gandhi National Open Uni- versity (IGNOU), en Nueva Delhi, me pidió algunos materiales de instrucción sobre robótica para sus estudiantes. Al mismo tiempo, no encontré ningún libro de texto sobre robótica disponible en la India a un precio accesible. Por lo tanto, sentí el impulso de escribir uno que debía tener calidad internacional, pero con precio indio. Esto no sólo ayudaría a los estudiantes de la India a poseer un libro de robótica, sino también a los de otros de países de condiciones económicas parecidas.
A pesar de que el libro se dirige básicamente a estudiantes universitarios de las ingenierías mecánica y eléctrica y a alumnos de ciencias de la computación que se inscriben en un curso de robótica, también puede servir a las necesidades de un curso de robótica de nivel avanzado dirigido a estudiantes de maestría o doctorado que se enfoquen, por ejemplo, en cinemática, dinámica y control de robots. El material que ofrece este libro también pueden utilizarlo ingenieros activos con o sin previa experiencia en el tema de la robótica, con el propósito de adoptar, mantener o incluso diseñar un robot. De hecho, debido a los múltiples ejemplos y ejercicios que ofrece el libro, cualquiera podrá prepararse para un examen competitivo sobre robótica.
La intención de este libro es la de servir tanto a los estudiantes de licenciatura como a los de posgrado en sus cursos de robótica.
La siguiente es una guía para los maestros que atienden los siguientes niveles:
Para cursos de licenciatura
En el nivel introductorio (de preferencia estudiantes del 2o. y 3er. año)
Para la disciplina mecánica, utilice los capítulos 1 a 6.
Para los estudiantes de electricidad y ciencias computacionales, utilice los capítulos 1 a 5 y 12.
En el nivel superior (de preferencia estudiantes del 3er. y 4o. año)
Para la disciplina mecánica, utilice los capítulos 2, 6 a 8 y 11.
Para los estudiantes de electricidad y ciencias computacionales, utilice los capítulos 2, 5, 6, 8, 10 y 11.
Para cursos del nivel de posgrado (estudiantes de maestría y doctorado)
Sin antecedentes de un curso de robótica
Para la disciplina mecánica, utilice los capítulos 1 a 8.
Para la disciplina eléctrica, utilice los capítulos 1 a 5, 10 y 12.
Con antecedentes de cursos del nivel licenciatura sobre robótica Para la disciplina mecánica, utilice los capítulos 5 a 11.
Para los estudiantes de electricidad y ciencias computacionales, utilice los capítulos 5 a 8, 10 y 11.
Además, el libro es adecuado para cursos sobre mecatrónica y dinámica multicuerpo. Por ejemplo, los capítulos 3 a 6, 8 y 10 cubren aproximadamente de 75 a 80% de un curso sobre mecatrónica, mientras que los capítulos 5, 6, 8 y 9 pueden cubrir hasta 80% de un curso sobre dinámica de multicuerpos que sólo trate de los cuerpos rígidos, y aproximadamente 60% de un curso sobre dinámica de multicuerpos que trate de los cuerpos deformables.
En este libro se introducen varias características especiales que lo distinguen de cualquier otro texto contemporáneo sobre robótica:
Flujo natural del contenido, es decir, los temas están organizados de tal modo que el estudiante pueda comprender el tema de manera lógica. Por ejemplo, cada vez que escuchamos sobre alguna cosa nueva, tenemos curiosidad acerca de cómo se ve o cómo funciona. Por ende, los aspectos de los diferentes robots y su clasificación se cubren en los capítulos 1 y 2. Entonces despertará el interés de conocer los componentes de un robot. Por lo tanto, se explican los actuadores y sensores en los capítulos 3 y 4. Después de conocer la estructura del robot y sus componentes, es natural sentir curiosidad sobre cómo se mueve un robot y cuáles son las fuerzas causantes. Aquí se presenta la necesidad de transformación, cinemática, estática y dinámica. Esto se cubre en los capítulos 5 a 9, respectivamente. A esto le siguen las leyes de control en el capítulo 10. Entonces el robot está listo para el uso práctico, y el usuario tiene que decidir cómo moverlo para una tarea particular. La planeación de movimiento del capítulo 11 es la que explica los movimientos del robot. Finalmente, se estudia el hardware y software que accionan al robot, lo que se explica en el capítulo 12.
Se ofrecen cuadros de texto para resaltar información histórica, contemporánea y de otros intereses que podrán ayudarle al lector a complementar sus conocimientos teóricos obtenidos en los contenidos de los capítulos.
Ejercicios basados en la web y en MATLAB aparecen al final de cada capítulo y ayudan al estudiante a mantenerse al tanto de lo que está pasando en la robótica alrededor del mundo y a saber cómo implementar los conceptos matemáticos para las aplicaciones reales.
CONTENIDO:
Capítulo 1: Introducción Se introducen los diferentes tipos de robots con sus campos de aplicación, población, etcétera.
Capítulo 2: Robots seriales Se presentan diferentes metodologías que se usan para la clasificación de robots.
Capítulo 3: Actuadores Se explican varios tipos de actuadores, a saber: neumáticos, hidráulicos y eléctricos, y se recomienda cómo proceder a su selección.
Capítulo 4: Sensores Se explican los sensores, los componentes importantes de un sistema robótico.
Capítulo 5: Transformaciones Se definen las arquitecturas de un robot, además, se presenta la descripción matemática de la postura del robot, es decir, la posición y orientación de su efector final, junto con la definición de los parámetros de Denavit y Hartenberg (DH).
Capítulo 6: Cinemática Forma la base fundamental para el diseño y control de un robot. Se calculan ecuaciones, relacionando las coordenadas de articulaciones con las coordenadas cartesianas del efector final.
Capítulo 7: Estática Cuando los robots se mueven lentamente, es suficiente considerar las fuerzas que actúan sobre los robots, independientemente de los movimientos que las causan. Esto se llama estática.
Capítulo 8: Dinámica La dinámica es útil para el control y la representación virtual de un sistema robótico. Aquí se infieren diferentes metodologías, como las ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange y Newton-Euler.
Capítulo 9: Dinámica recursiva de robots* Se presenta la dinámica recursiva de robots, un conjunto de algoritmos modernos y avanzados. El asterisco (*) que hay junto al título indica que este capítulo puede saltarse en un curso de licenciatura o posgrado preliminar. Sólo deberá abordarse en el curso de posgrado avanzado dirigido a estudiantes de maestría y doctorado o por los que desean aceptar un proyecto de maestría o una investigación de doctorado en el área de la dinámica de robots.
Capítulo 10: Se cubren las leyes de control lineal, P, PD, PID, estabilidad, etcétera.
Capítulo 11: Planeación de movimientos Se analizan varios aspectos de la planeación de movimientos. Se calculan ecuaciones de planeación de trayectorias basadas en la articulación y en el espacio cartesiano.
Capítulo 12: Computadoras para robots Una vez que los algoritmos se hayan desarrollado, es importante implementarlos en el hardware electrónico. Por ende, se describen diferentes programas de robots, tales como ACL, etcétera.
Referencias Contiene la lista de libros, artículos y otras fuentes de las que se toman diferentes materiales para su uso en este libro.
Apéndice A: Principios básicos de matemáticas Se introducen muchos conceptos básicos de álgebra lineal, teoría del control y otros que le ayudarán al lector en la comprensión de las expresiones que se usan en diferentes capítulos, en particular en los capítulos 5 a 10.
Apéndice B: Uso de software de MATLAB y RIDIM Se explica cómo usar las dos aplicaciones de software, a saber: MATLAB y el software de desarrollo propio, RIDIM.
Apéndice C: Estudios de caso, proyectos de estudiantes Se explican varios estudios de caso, es decir, robots desarrollados por estudiantes para competencias de robótica, así como para proyectos de licenciatura y posgrado.
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