13

14

FUNDAMENTACION TEORICA

A. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Para sustentar la investigación, se han consultado proyectos que sirven

como soporte, para complementar la información. Estas investigaciones son

recientes, tratan temas como el diseño y desarrollo de sistemas roboticos con

el uso de sensores y microcontroladores y la utilización de rayos infrarrojos

en proyectos tecnológicos.

Caraballo, Verónica y Díaz, Maria(Urbe, 1999), desarrollaron un

prototipo de sistema robótico para simular el comportamiento de la

inteligencia evolutiva en la optimización de una trayectoria hacia un objetivo,

donde se utilizo teorías de inteligencia artificial aplicada a la robótica. El

desarrollo del prototipo está centrado en dos enfoques: el reconocimiento de

una figura geométrica, y la toma de decisión en la selección de una

trayectoria optima. Se hizo uso de microcontroladores PIC, para gobernar

todo el sistema, que en conjunción con otros elementos físicos y

lógicos(software), además de la aplicación de teorías de inteligencia artificial,

se concluyó que un robot puede ser autónomo adquiriendo aprendizaje para

adaptarse a su ambiente.

Por su parte, Gutiérrez, Edgar(Urbe, 2000), en su tesis “Sistema de

transferencia de información mediante el uso del infrarrojo para el

15

intercambio de datos a través de un computador”, concluyó que utilizando

rayos infrarrojos se puede tener una comunicación entre dos máquinas, a

bajo costo e inmune a ruidos electromagnéticos, demostrando la efectividad

del infrarrojo en la transmisión de datos.

Lubin, Arnias(Urbe,1999), realizó el proyecto “Desarrollo de un sistema

robótico capaz de hacer seguimiento de trayectorias definidas en una

superficie plana”. El propósito alcanzado en este estudio fue el desarrollo de

un sistema robótico capaz de hacer seguimiento de trayectorias definidas en

una superficie plana. El robot consta de dos microcontroladores PIC, los

cuales realizan y agilizan la mayoría de las actividades como los de

movimiento del servomotor y el encendido del motor de tracción. La

investigación fue de tipo aplicada según su propósito; descriptiva de acuerdo

al método de investigación utilizado y tecnológica porque se desarrolló en el

campo tecnológico, facilitando así la solución de problemas en un periodo

corto de tiempo. La metodología del ciclo de vida planteada por

Angulo(1997), fue la utilizada como base para el análisis, diseño, desarrollo y

pruebas. Los resultados fueron positivos, pues se pudo controlar los

movimientos del servomotor con el microcontrolador y dirigir la dirección del

robot por medio del sensor de ultrasonido, esquivando los posibles

obstáculos que se presentase en su camino.

Todas estas investigaciones contribuyeron en la realización del

presente proyecto, debido a que aportaron teorías de sistemas robóticos

autónomos dotados de microcontroladores, sensores y servomotores.

16

Además contribuyeron al entendimiento de la actividad sensor-motora

aplicadas a robots, y la utilización de rayos infrarrojos en la experimentación

científica.

B. BASES TEORICAS 1. BREVE HISTORIA DE LA ROBOTICA

Se dice que la historia ayuda a entender el presente. En ese sentido,

la historia de la tecnología está formada por tres periodos principales: era

agrícola, era industrial y era de la informática. Ahora bien, en el desarrollo de

los robots se puede ver como lógica e importante esta parte de la historia

humana.

En esta asociación con la historia, la tecnología de cada época ha sido

poderosamente influyente en la vida cotidiana de sus sociedades. Los

productos y la ocupación han sido dictados por la tecnología disponible. Por

ejemplo; en la era agrícola cuya tecnología era muy primitiva, estaba formada

por herramientas muy simples que; sin embargo, eran la novedad. Como

consecuencia de ello, la mayoría de la gente eran agricultores y todo el

trabajo se hacía mediante la fuerza de los hombres en primera instancia y en

el aprovechamiento de los animales, posteriormente.

Se señala y así hay evidencias de ello que, a mediados del siglo XVIII,

los molinos de agua, la máquina de vapor y otros transformadores de energía

reemplazaron la fuerza humana y animal como fuente principal de energía.

17

Las nuevas maquinas de fabricación impulsaron el crecimiento de la industria

y mucha gente pasó a estar empleada en las nuevas fábricas como

trabajadores. Los bienes se producían mas rápidamente, y mejor que antes

aumentado la calidad de vida. Los cambios sucedieron tan deprisa que a

este periodo se le conoce como “revolución industrial”.

En pleno avance de este periodo, en Europa se fueron construyendo

muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de

robots. Jacques de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño

humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataban de robots

mecánicos diseñados para un propósito especifico: la diversión.

En 1805, Henry Maillardert construyó una muñeca mecánica que era

capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como el programa

para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Estas creaciones

mecánicas de forma humana deben considerarse como invenciones aisladas

que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su época. Hubo otras

invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por mentes

de igual ingenio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la

producción textil. Entre ellas se pueden citar la hiladora giratoria de

Hargreaves(1770), la hiladora mecánica de Crompton(1779), el telar

mecánico de Cartwright(1785), el telar de Jacquard(1801), y otros.

A continuación, en la mitad del siglo XX, surgen las industrias basadas

en la ciencia, las mejoras tecnológicas en la electrónica hicieron posible el

ordenador. Este constituye el desarrollo más importante, debido a que

18

revolucionó el modo de procesar y comunicar la información. Como

resultado, la información se ha convertido en un bien mas del mercado. A

esta nueva era se le conoce como la era de la información o “post-industrial”.

La tecnología de la información tiene un gran impacto en la sociedad,

ordenadores, fibra óptica, radio, televisión y satélites de comunicación son

solo ejemplos de dispositivos que tienen un enorme efecto sobre la vida y

economía de la humanidad.

Un gran porcentaje de empleo requieren de trabajadores informáticos

y cada menos se necesitan trabajadores de producción. En este aspecto, la

tecnología de la información ha sido responsable del espectacular

crecimiento de la robótica. A medida que la era industrial declina se espera

que cada vez mas trabajo físico sea realizado por robots.

Mas hacia lo contemporáneo, el desarrollo en la tecnología, donde se

incluyen las poderosas computadoras electrónicas, los actuadores de control

retroalimentados, transmisión de potencia a través de engranaje, y la

tecnología en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos

autómatas para desempeñar tareas dentro de las industrias. Son varios

factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la

década de los cincuenta. La investigación en inteligencia artificial desarrolló

maneras de emular el procesamiento de información humana con

computadores electrónicos e inventó una variedad de mecanismos para

probar sus teorías.

19

No obstante las limitaciones de las máquinas robóticas actuales, se

basan precisamente en el concepto popular de robot, calificados como una

máquina con apariencia humana, que actúa como tal, tanto motora como

intelectualmente. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado

por varias narraciones de ciencia-ficción. Una obra checoslovaca publicada

en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossum Universal Robots, dio lugar al

término robot. La palabra checa Robota; significa servidumbre o trabajador

forzado, y cuando se tradujo al inglés se convirtió en el término robot. Dicha

narración se refiere a un brillante científico llamado Rossum y su hijo,

quienes desarrollan una sustancia química que es similar al protoplasma

para fabricar robots, y sus planes consisten en que estos sirvan a la clase

humana de forma obediente para realizar todos los trabajos físicos. Rossum

sigue realizando mejoras en el diseño de los robots, elimina órganos y otros

elementos innecesarios, y finalmente desarrolla un ser perfecto. El

argumento experimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos

comienzan a no cumplir con su papel de servidores y se rebelan contra sus

dueños, procediendo a destruir toda la vida humana.

La obra de Capek(1917), es en gran medida responsable de las

creencias mantenidas popularmente acerca de los robots en nuestro tiempo,

incluyendo la mencionada calificación de los mismos como máquinas

humanoides dotadas con inteligencia y personalidades individuales. Esta

imagen se reforzó en la película alemana de robots metrópolis, de 1926, con

el robot andador eléctrico y su perro “Sparko”.

20

Entre los escritores de ciencia-ficción, Isaac Asimov contribuyó con

varias narraciones relativas a robots, comenzando en 1939. A él se atribuye

el acuñamiento del término Robótica. La imagen de robot que aparece en su

obra es la de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada

que actúa de acuerdo con tres principios. Estos principios fueron

denominados por Asimov, las Tres Leyes de la Robótica, y son:

§ Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la

inacción, que un ser humano sufra daños.

§ Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres

humanos, salvo que estén en conflictos con la primera ley.

§ Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en

conflicto con las dos primeras leyes.

A estas obras le siguen grandes producciones cinematográficas como,

Las guerras de las galaxias(1977), película protagonizada por el robot C3PO,

Terminator(1984), donde el protagonista era un robot cubierto con tejido

humano, y con una gran inteligencia, enviado del futuro con la misión de

liquidar a una mujer que dará a luz a un niño que en el futuro impedirá que

las maquinas gobiernen al mundo, y luego regresa en Terminator II(1991),

como protector del chico ya convertido en adolescente. Ciertamente los

robots industriales modernos, parecen primitivos en comparación con las

expectativas generadas por estas obras.

Androides que posean una funcionalidad completa de un ser humano

se encuentran muy alejados de la realidad actual, debido a la multitud de

21

problemas que aún deben ser resueltos. Sin embargo, algunos robots reales,

sofisticados que trabajan hoy en día, están revolucionando los lugares de

trabajo. Estos robots no tienen la romántica apariencia humana de los

androides, de hecho son manipuladores (brazos y manos) industriales

controlados por ordenador. Son tan diferentes a la imagen popular que sería

muy fácil no reconocerlos.

En el año de 1956, George Devil y Joseph Engelberger formaron

unimation, la primera empresa de robots, denominados Unimates. Devil

predijo que el robot industrial "ayudaría al trabajador de las fábricas del

mismo modo en que las máquinas de ofimática habían ayudado al oficinista".

Unos años más tarde, en 1961, el primer robot industrial se empleó en la

factoría de General Motors en Nueva Jersey. Entonces hubo un ‘boom’ de la

idea de la fábrica del futuro, en un primer intento el resultado y la viabilidad

económica fueron desastrosa.

Desde 1980, los robots se han expandido por todo tipo de industrias.

El principal factor responsable de este crecimiento ha sido las mejoras

técnicas y los avances en Microelectrónica e Informática. Los Estados Unidos

vendieron sus empresas de robots a Europa, Japón y a sus filiales en otros

países. En la actualidad sólo una empresa, ADETP, permanece en el

mercado de producción industrial de robots en EE.UU.

Aunque los robots ocasionan cierto desempleo, también crean puestos

de trabajo; técnicos, ingenieros y programadores, son algunos profesionales

que se contratan para el personal de desarrollo. Los países que usen

22

eficazmente los robots en sus industrias tendrán una ventaja económica en

el mercado mundial.

En el campo de la investigación, el primer autómata lo construye Grey

Walter(1940). Era una tortuga que buscaba la luz o iba a enchufarse para

recargar baterías. Al final de los sesenta, Shakey construido por SRI,

navegaba en entornos de interior de edificios muy estructurados. A partir de

ese momento ha habido una gran proliferación de trabajo en vehículos

autónomos que ya circulan a la velocidad de un coche por la carretera y

navegan por todo terreno en aplicaciones comerciales.

1.1. GENERACIONES

La introducción de los microprocesadores desde los años setenta ha

hecho posible que la tecnología de los robots haya sufrido grandes avances,

los modernos ordenadores han ofrecido un "cerebro" a los músculos de los

robots mecánicos. Ha sido esta fusión de electrónica y mecánica la que ha

hecho posible al moderno robot. Los japoneses han acuñado el término

Mecatrónica, para describir esta fusión.

El año 1980 fue llamado "primer año de la era robótica" porque la

producción de robots industriales aumentó ese año un ochenta por

ciento(80%), respecto del año anterior.

23

1.1.1. PRIMERA Y SEGUNDA GENERACION

Los cambios en robótica sucedieron tan deprisa que ya se ha pasado

de unos robots relativamente primitivos a principios de los setenta, a una

segunda generación. La primera generación de robots era reprogramable,

básicamente se encontraban brazos u otros dispositivos manipuladores que

sólo podían memorizar movimientos repetitivos, asistidos por sensores

internos que les ayudaban a realizar sus movimientos con precisión. La

segunda generación entra en escena a finales de los setenta. Ya los robots

están dotados de sensores externos (tacto y visión por lo general) que le dan

información (realimentación) del mundo exterior. Estos robots pueden hacer

elecciones limitadas o tomar decisiones y reaccionar ante el entorno de

trabajo. A esta clase de autómatas, se les conoce como robots adaptativos.

1.1.2. TERCERA GENERACIÓN

La tercera generación está surgiendo en estos años, emplean la

inteligencia artificial y hacen uso de los ordenadores tan avanzados de los

que se puede disponer en la actualidad. Estos ordenadores no sólo trabajan

con números, sino que también trabajan con los propios programas, hacen

razonamientos lógicos y aprenden. La Inteligencia Artificial le permite a los

ordenadores resolver problemas inteligentemente e interpretar información

compleja procedente de avanzados sensores.

24

1.2. TENDENCIAS FUTURAS

Durante años los robots han sido considerados útiles, sólo si se

empleaban como manipuladores industriales. Recientemente han irrumpido

varios roles nuevos para los robots. A diferencia de los tradicionales robots

fijos de manipulación y fabricación, estos nuevos autómatas móviles pueden

realizar tareas en un gran número de entornos distintos. A estos robots no

industriales se les conoce como robots de servicios.

Los robots de servicios proporcionan muchas funciones de utilidad, se

emplean para la educación, fines de bienestar personal y social. Por ejemplo,

hay prototipos que recorren los pasillos de los hospitales y cárceles para

servir alimentos, otros navegan en oficinas para repartir el correo a los

empleados. Los robots de servicios son idealmente adecuados al trabajo en

áreas demasiado peligrosas para la vida humana y a explorar lugares

anteriormente prohibidos a los seres humanos. Han probado ser valiosos en

situaciones de alto riesgo como en la desactivación de bombas y en entornos

contaminados, radioactiva y químicamente. Las investigaciones espaciales

han aprovechado esta situación, enviando autómatas a diferentes planetas

del sistema solar, con fines de exploración. En 1997, la NASA envió para

Marte, un robot móvil denominado Path finder. El robot estaba provisto de

cámaras y sensores, que permitieron obtener imágenes del planeta e

información acerca de la temperatura y de objetos presentes en Marte. El

Pathefinder, aterrizó exitosamente en la superficie de Marte a las 10:07:25

25

a.m, marcando el histórico regreso de NASA al Planeta Rojo luego de más

de 20 años. El suceso ocurrió el cuatro de julio. La figura No 1, muestra al

Pathfinder explorando en Marte.

FIGURA 1. Pathfinder. Fuente: Internet (2001). Disponible en

http://www.arval.org.ve/missionsrsp.htm.

Este crecimiento revolucionario en el empleo de robots como

dispositivos prácticos es un indicador de que los robots desempeñarán un

importante papel en el futuro. Los robots del futuro podrán relevar al hombre

en múltiples tipos de trabajo físico. Joseph Engelberg, padre de la robótica

industrial, está investigando en una especie de robot mayordomo o sirviente

doméstico. Se piensa que los robots están en el momento crítico antes de la

explosión del mercado, como lo estuvieron las computadoras personales en

1975. El campo de la robótica se desbordará cuando los robots sean de

dominio público, esta revolución exigirá que la gente de la era de la

información no sea "analfabeta robótica".

26

Debido al interés, y a las incesantes investigaciones, la robótica se ha

convertido en una ciencia. Groover(1989,p.21), la define como una ciencia

aplicada, considerada como una combinación de tecnología de las maquinas-

herramientas y de la informática. Comprende campos tan diferentes como

diseño de maquinas, teoría de control, microelectrónica, programación de

computadoras, inteligencia artificial, factores humanos y teoría de producción.

A continuación se presenta una tabla que muestra la cronología del

desarrollo y creación de robots, desde el siglo XVIII, hasta la actualidad.

CUADRO 1

CRONOLOGÍA DEL DESARROLLO DE LA ROBOTICA

Año Evento

1801 J. Jacquard inventó su telar, que era una máquina

programable para la urdimbre.

1805 Maillardet construyó una muñeca mecánica capaz

de hacer dibujos.

1946 El inventor americano G.C.Devol, desarrolló un

dispositivo controlador que podía registrar señales

eléctricas por medios magnéticos.

27

CUADRO 1(CONT)

1951 Trabajo de desarrollo de Teleoperadores

(manipuladores de control remoto), para manejar

materiales radioactivos. Patente de Estados

Unidos emitidas para Goertz(1954) y

Bergsland(1958).

1954 -El británico C. W.Kenward patenta el diseño de

un robot.

-Devol, desarrolla diseños de transferencia de

artículos programada. Patente emitida por Estados

Unidos para el diseño en 1961.

1959 Planet Corporation introduce el primer robot

comercial controlado por interruptores de fin de

carrera y levas.

1961 Un robot Unimate, Se instaló en la Ford Motor

Company para atender una maquina de fundición

de troquel.

1966 Trallfa. Una firma noruega, construyó e instaló un

robot de pintura por pulverización.

28

CUADRO 1(CONT)

1968 Un robot móvil llamado Shakey, se desarrollo en

SRI (Standford Research Intitute), estaba provisto

de una diversidad de sensores.

1970 Unimation produce el PUMA (Máquina Universal

Programable para Montajes).

1971 El Stanford Arm, un pequeño brazo de robot de

accionamiento eléctrico, se desarrollo en la

Stanford University.

1973 SRI desarrolla el primer lenguaje de programación

de robots del tipo de computadora para la

investigación con la denominación WAVE. Fue

seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos

lenguajes se desarrollaron posteriormente en el

lenguaje VAL comercial para Unimation por Víctor

Scheiderman y Bruce Simano.

1974 -Kawasaki, bajo licencia de Unimation, instaló un

robot para soldadura por arco para estructuras de

motocicletas.

-Cincinnati Milacron, introdujo el robot T3 con

control por computadora.

29

CUADRO 1(CONT)

1976 Estados unidos aterrizaron en Marte el Viking,

llevaba abordo un brazo robotizado, el cual

recogía muestras de piedra, tierra y otros

elementos los cuales eran analizados en el

laboratorio que fue acondicionado en el interior del

robot.

1978 El robot T3 de Cincinati Milacron se adaptó y

programó para realizar operaciones de taladro y

circulación de materiales en componentes de

aviones, bajo el patrocinio de Air Force ICAM

(Integrated Computer-Aided Manufacturing).

1979 La Universidad de Yamanashi desarrolla el robot

tipo SCARA, para montaje. Varios robots SCARA

se introdujeron al mercado en 1981.

1980 Un sistema robótico de captación de recipientes

fue objeto de demostración en la universidad de

Rhode Insland. Con el empleo de visión de

maquina, el sistema era capaz de captar piezas en

orientaciones aleatorias y posiciones fuera de un

recipiente.

30

CUADRO 1(CONT)

1982 IBM, introdujo el robot RS-1 para montaje, basado

en varios años de desarrollo interno. Se trata de

un robot de estructura de caja que utiliza un brazo

constituido por tres dispositivos de deslizamiento

ortogonales. El lenguaje del robot AML,

desarrollado por IBM, se introdujo también para

programar el RS-1.

1997 La NASA envió para Marte, un robot móvil

denominado Pathfinder. El robot estaba

compuesto por cámara y sensores, a fin de

proporcionar una imagen e información acerca de

la temperatura del ambiente en ese planeta.

1999 La SONY lanzó al mercado un robot con forma de

perro llamado Aibo, mueve la cola, juega, duerme

y, sobre todo, no hace falta sacarlo a pasear, será,

previsiblemente, el mejor amigo del hombre en el

siglo XXI.

Fuente: Groover (1989,p.12).

31

2. SISTEMA ROBÓTICO

Según Senn(1992, p.19), Sistema es un conjunto de elementos que

interaccionan entre sí para lograr un objetivo común. Robótica, por su parte,

se define como el arte y la ciencia en la creación y empleo de robots.

(Freedman, 1993, p.679). Entonces se puede inferir sobre definir al Sistema

Robótico, para los fines del estudio, como aquel conjunto de elementos

interrelacionados, cuyo objetivo común es la creación y empleo de robots.

De esta manera, un sistema robótico con percepción infrarroja, para la

detección de objetos, está compuesto por elementos físicos, denominados

unidades funcionales o subsistemas. Por lo tanto cada unidad funcional

realiza una función específica y tiene su propia entrada y salida. Se

determina asimismo y tomando en cuenta los criterios de los autores de esta

investigación que los robots tienen cuatro unidades funcionales principales:

Controlador (microcontrolador), motores y transmisión (ruedas), fuente de

alimentación y sensores. La parte lógica del sistema robótico, es un software

incluido en el microcontrolador, el cual gobierna todo el sistema. La

interrelación de las unidades funcionales y la parte lógica está fundamentada

en las teorías de sistemas de control.

Rincón (1998, p.85), indica que control es la actividad cuya finalidad,

es vigilar y dirigir el funcionamiento correcto de un proceso, sistema o

trabajo.

32

Ahora bien, tomando en cons ideración el concepto de sistema

anteriormente descrito, se afirma que, un sistema de control, es un conjunto

de elementos que interaccionan entre sí, para vigilar y dirigir el

funcionamiento correcto de un proceso. Dicho proceso puede ser, mantener

una variable en estudio, dentro de ciertos parámetros establecidos, o bien

controlar la acción a tomar por un robot.

Un sistema de control puede ser de lazo abierto o de lazo cerrado. Es

de lazo abierto, cuando la salida no tiene efecto sobre la acción del control

(Ogata, 1993, p. 5). En este tipo de sistema la salida no se compara con la

entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia

corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema

depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de

control de lazo abierto no cumple con sus funciones asignadas. En la

práctica, el control de lazo abierto sólo se puede utilizar si la relación entre

entrada y la salida del sistema es conocida, y si no se presenta

perturbaciones tanto externas como internas.

En lo concerniente a un sistema de control de lazo cerrado, también

llamado retroalimentado, utiliza la señal de salida, como señal de

retroalimentación. Esta señal es comparada con la de entrada. La diferencia

entre la señal de retroalimentación y la de entrada, da como resultado, otra

señal denominada, error actuante, que es la que entra en el controlador, para

reducir el error, y llevar la señal de salida a los niveles deseados.(Ogata,

1993, p.4).

33

El diagrama de bloques del sistema de control de un robot con

percepción infrarroja, se ilustra en la figura 2. A través de él puede percibirse

como dicho sistema corresponde a uno de lazo abierto, en donde la entrada,

es proporcionada por el entorno, a través de un sensor.

FIGURA 2 . Sistema de control del robot. Fuente: Gedler y Maldonado

(2001).

El sistema funciona, de la siguiente manera: El sensor infrarrojo,

recoge la información del entorno, acerca de la presencia o no de un objeto

próximo al robot. Le transmite la información, en forma de señal de entrada

al controlador, en este caso es un microcontrolador Basic Stamp, con un

software que tiene la función de gobernar el trabajo de los actuadores.

Inmediatamente el controlador, pasa una señal en forma de pulsos a los

actuadores, indicando la acción a tomar, estos, a su vez son alimentados por

la fuente, que proporciona la energía necesaria, para realizar su trabajo, el

cual es, darle a las ruedas la fuerza motriz, para efectuar el desplazamiento y

orientación del sistema robótico, que se traduce en la salida.

sensor Señal de entrada microcontrolador

aviso de presencia de algún objeto fuente de energía

activa A

limentacion

AA

limentacion

Actuadores o servomotores fuerza motriz Ruedas de desplazamiento acción a tomar

34

2.1. UNIDADES FUNCIONALES

El sistema robótico con percepción infrarroja, está compuesto,

principalmente por tres tipos de elementos físicos o unidades funcionales:

actuadores o servomotores, un sensor y un microcontrolador.

Este sistema robotico esta enmarcado en el área de la robótica y

dentro de esta a la microbótica, en el se utiliza un sensor infrarrojo de bajo

costo y corto rango, es un compacto y portable sistema de detección de

objetos IR incorporando un transmisor IR, receptor (ópticos), filtros, detector y

un amplificador de circuiteria. La unidad es altamente resistente a la luz solar

y a las variaciones imprevistas en la superficie reflectora del objeto

detectado.

A diferencias de otros sistemas IR, posee (fairly narow) campo de

vista, haciendolo ideal por su sensibilidad, desde pequeños objetos hasta

(candlesticks). Este campo de vista cambia con la distancia ajustada por la

calibración del sensor.

2.1.1. ACTUADORES

Los actuadores, son los dispositivos que proporcionan la fuerza motriz

real para las articulaciones del robot. Los actuadores suelen obtener su

energía a partir de una de tres fuentes: Aire comprimido, fluido por presión o

electricidad. Estos actuadores reciben el nombre de actuadores neumáticos,

hidráulicos, o eléctricos, respectivamente.

35

2.1.1.1. MOTORES ELÉCTRICOS

Conforme mejoran sus capacidades, los motores eléctricos han

llegado a ser cada vez más los actuadores de selección en el diseño de

robot, de hecho el sistema robótico del presente proyecto, está provisto de

dos motores eléctricos(servomotores), situados en sus dos ruedas

delanteras. Los motores proporcionan una excelente controlabilidad,

requiriendo un mínimo de mantenimiento. Existe una gran variedad de tipos

de motor utilizados en la microrobótica. Los más comunes son los

servomotores de corriente continua ( también llamado servomotor c.c).

En el mercado existe una gran diversidad de servomotores, los mas

utilizados son los servomotores futaba ilustrados en la figura 3.

36

FIGURA 3. Servomotor Futaba. Fuente: Internet (2001). Disponible en:

http://www.creaturoides.com.//index.html

Este servomotor es un motor eléctrico que solo se puede mover en un

ángulo de aproximadamente 180° (no dan vueltas completas como los

servomotores normales). Como se aprecia en la figura, los servomotores

futaba constan de 3 cables; El rojo es de alimentación de voltaje (+5V), el

negro es de tierra (GND). El cable blanco se utiliza para conectar el servo

con un microcontro lador, que es el que le envía los pulsos para realizar los

desplazamientos.

Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le dice a un pequeño

motor de corriente directa cuántas vueltas girar para acomodar la flecha (el

palito de plástico que sale al exterior) en la posición que se le ha pedido.

En la siguiente figura se observa cómo están acomodadas estas piezas

dentro del servomotor:

37

FIGURA 4. Partes del Servomotor Futaba. Fuente: Internet (2001).

Disponible en: http://www.creaturoides.com.//index.html

La resistencia variable o potenciómetro está sujeto a la flecha, y mide

hacia dónde está rotada en todo momento. Es así como la tarjeta

controladora sabe hacia dónde mover al motorcito. La posición deseada se le

da al servomotor por medio de pulsos.

2.1.1.2. MOTORES PASO A PASO

Los motores paso a paso (también denominados motores de velocidad

gradual) son un tipo de actuador único en su género y se utilizan sobre todo

en los periféricos de computadoras. Un motor paso a paso proporciona una

salida en la forma de incrementos discretos de movimiento angular. Son

objeto de actuación por una serie de impulsos eléctricos discretos. Para cada

impulso eléctrico hay una rotación de paso único en el eje del motor.

2.1.1.3. SERVOMOTORES CONTROLADOS DIGITALMENTE

Estos servomotores se caracterizan por su alta eficiencia y pequeño

tamaño, lo cual ha sido tomado como unas de las herramientas mas

aplicadas a la robótica. Estos compactos, resistentes y duraderos motores

son perfectos para robots pequeños, ya que su sistema electrónico y de

38

control mecánico están constituidos en su interior. Una línea de salida

proveniente de un microcontrolador puede manejar a los servos en cualquier

dirección.

2.1.2. SENSORES, PERCEPCIÓN Y DETECCIÓN

Los humanos no dan a menudo, importancia al funcionamiento de los

sistemas preceptúales. Observan una taza sobre una mesa, y la toman

automáticamente sin pensar en ello, al menos no son conscientes de pensar

mucho en ello. De hecho, el conseguir beber de una taza requiere una

compleja interacción de sentidos, interpretación, conocimiento y

coordinación, que en la actualidad se entiende mínimamente.

Por lo tanto, infundir a un robot prestaciones de tipo humano, como la

interpretación y conocimiento, resulta tremendamente difícil. A pesar de que

seria espléndido que entendiera y fuera consciente de su entorno, en

realidad, un robot está limitado por los sensores que se le da y el programa

que le escribe. Un sensor, es meramente un transductor, que transforma

fenómenos físicos, en señales eléctricas (Groover, 1989, p.159). Entre los

fenómenos físicos, se encuentran entre otros; alcance, proximidad y

contacto.

Como consecuencia de lo anteriormente dicho, se puede afirmar que

la percepción en un robot por medio de sensores, se limita solo a la

sensación, efectuada a través de la conversión de variables físicas en

39

señales eléctricas, de la presencia de algún objeto, sin estar consciente de la

natura leza o significado del mismo.

Sin embargo, Fu(1988, p. 275), indica que el uso de los sensores

como mecanismos de detección, permiten que el robot interactúe con el

ambiente, proporcionándoles un mayor grado de inteligencia. Afirma que un

robot con capacidad de sentir, es más fácil de entrenar para la ejecución de

tareas complejas, mientras que al mismo tiempo, exige mecanismos de

control menos estrictos que las maquinas preprogramadas para realizar

actividades repetitivas. La importancia de un sistema sensible susceptible de

entrenamiento, radica en que tiene mayor campo de acción para la

automatización de procesos en aplicaciones industriales.

Los sensores, según su función se dividen en dos categorías

principales; estado interno y estado externo. Los sensores de estado interno

operan con la detección de variables, tales como la posición de la

articulación del brazo, para el control del robot. Por el contrario, los sensores

de estado externo operan con la detección de variables tales como, el

alcance, la proximidad y el contacto. La detección externa, se utiliza para el

guiado del robot, así como la manipulación e identificación de objetos.

Los sensores de estado externo pueden clasificarse también como

sensores de contacto, y de no contacto. Como su nombre indica, la primera

clase de sensores responden al contacto físico, tal como el tacto,

deslizamiento y torsión. Los sensores de no contacto se basan en las

40

respuestas de un detector de variaciones en la radiación electromagnética o

acústica.(Fu, 1988,p.275).

2.1.2.1. DETECCIÓN Y SENSORES DE CONTACTO

Estos sensores se utilizan en robótica para obtener información

asociada con el contacto entre una mano manipuladora y algún objeto

existente en el campo de trabajo del robot. Cualquier información puede

utilizarse, por ejemplo, para la localización y el reconocimiento del objeto, y

para controlar la fuerza ejercida por un manipulador sobre el mismo. Los

sensores de contacto se dividen, según la señal emitida, en dos categorías

principales: binarios y analógicos. Los sensores binarios son esencialmente

conmutadores que responden a la presencia o ausencia de un elemento. Por

su parte, los sensores analógicos proporcionan a la salida una señal

proporcional a una fuerza local.

2.1.2.2. DETECCIÓN Y SENSORES DE FUERZA Y TORSIÓN

La capacidad para medir fuerzas permite al robot ejecutar varias

tareas. En estas tareas se incluyen la capacidad para agarrar objetos de

diferentes tamaños en la manipulación de materiales, cargado de

maquinarias y trabajos de ensamble, aplicando el nivel apropiado de fuerza

para la pieza dada. En las aplicaciones de ensamble, la detección de

fuerzas se podrá utilizar para saber si los tornillos han llegado a ser

enroscados transversalmente o si los objetos han quedado atascados.

41

2.1.2.3. DETECCIÓN Y SENSORES DE PROXIMIDAD Y ALCANCE

Según Groover(1989,p. 170), los sensores de proximidad son

dispositivos que indican cuando un objeto esta próximo a otro. Cuán próximo

debe estar el objeto para poder activar el sensor, dependerá del dispositivo

en particular. Las distancias pueden ser cualquiera entre varios milímetros y

varios pies. Algunos de estos sensores pueden utilizarse también para medir

la distancia entre el objeto y el sensor, y estos dispositivos de denominan

sensores de alcance. Estos sensores son de gran utilidad para determinar la

localización de un objeto en relación con el robot. Los sensores de

proximidad y alcance se localizarían en el efector final, o en las partes

móviles del robot. Un empleo práctico de un sensor de proximidad en

robótica sería detectar la presencia o ausencia un objeto. Otra aplicación

importante es la detectar personas en el área de trabajo del robot.

Una diversidad de tecnologías está disponible para realizar este tipo

de sensores. Estas tecnologías incluyen elementos acústicos, técnicas de

campos eléctricos, dispositivos ópticos y algunas otras.

Los sensores ultrasónicos, pertenecen a la clasificación de sensores

de proximidad. Están compuestos principalmente por un transductor

electroacústicos, frecuentemente del tipo piezoeléctrico, que transmite y

recibe señales de energía acústica para detectar objetos. Estos sensores,

tienen una capa de resina que protege al transductor contra la humedad,

polvo y otros factores ambientales, y también actúa como un adaptador de

42

impedancia acústica. Puesto que el mismo trasductor se suele utilizar para la

transmisión y la recepción, un amortiguamiento rápido de la energía acústica

es necesario para detectar objetos a distancias.

Los sensores de proximidad ópticos pueden diseñarse utilizando

fuentes de luz visibles o invisibles(infrarrojos). Los sensores infrarrojos

pueden ser activos o pasivos. Los pasivos son simplemente dispositivos que

detectan la presencia de la radiación infrarroja en el entorno. Se suelen

utilizar en sistemas de seguridad para detectar la presencia de cuerpos que

emiten calor dentro del alcance del sensor. Estos sistemas sensores son

efectivos en la cobertura de grandes zonas en interiores de edificios.

Los activos envían un haz de rayos infrarrojos y responden a la

reflexión del haz contra un blanco. Estos tipos de sensores, poseen dos

diodos (led), uno funciona como emisor de luz y el otro como receptor del haz

de luz rebotado contra el blanco (ver figura 5). El sensor de infrarrojos activo

puede emplearse para indicar no solamente si está presente o no una pieza

u objeto en el campo de acción del robot, sino también para señalar la

posición de la misma. Temporizando el intervalo a partir de cuando se envía

la señal y se recibe el eco puede realizarse una medida de la distancia entre

el objeto y el sensor. Esta características es de gran utilidad sobre todo para

los sistemas de locomoción y guiado.

43

FIGURA 5. Sensor Infrarrojo. Fuente: Gedler y Maldonado (2001).

El sensor utilizado en la presente investigación es un sensor de

infrarrojos marca Sharp modelo GP2D05, este sensor tiene dos led, un led

para emitir una señal y otro para recibir esta señal cuando choque con el

objeto y así saber si hay un objeto o no. El rango de detección que puede

utilizar es de 10 cm a 80 cm aproximadamente 4´´ a 31.5´´ esta distancia de

detección se ajusta o se calibra por medio de un potenciometro interno del

sensor, este sensor utilizado en la investigación se calibro a 10 cm de

distancia de detección.

2.1.3. MICROCONTROLADORES

Angulo(1998, p.1), los define como circuitos integrados programables

que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para

controlar el funcionamiento de una tarea determinada, y debido a su reducido

tamaño, suele ir incorporado dentro del mismo dispositivo al que gobierna.

Un microcontrolador está constituido en un chip de circuitos integrados, que

Blanco

Señal

Señal Rebotada o Eco

Sensor

Led Emisor

Led Receptor

44

internamente contiene todos los elementos de un computador, es decir

procesador, memorias, puertos o líneas de entrada y salida y otros recursos

que utiliza para su funcionamiento. Aunque se limita solo a gobernar un

procedimiento determinado, es de gran utilidad, debido a su versatilidad y

bajo coste.

Hoy en día existe una gran cantidad de artefactos gobernados o

controlados por microcontroladores; en el hogar, se puede conseguir en

neveras, cocinas, lavadoras, televisores, radios reproductores, por mencionar

algunos. En el sector de telecomunicaciones, también se encuentran los

microcontroladores en teléfonos celulares, en conmutadores y centrales

telefónicas. Los automóviles tampoco se escapan de esta tendencia

innovadora, en un vehículo moderno se puede encontrar hasta 50

microcontroladores, los cuales desempeñan labores como el control de

encendido, de los frenos ABS, la posición de los asientos, el radio, la

temperatura individual de cada pasajero, etc.

El uso de microcontroladores para controlar las acciones de un robot,

en determinadas situaciones es una idea innovadora, de hecho es el

dispositivo ideal para tal fin y se han realizado una gran cantidad de

proyectos al respecto. Sin embargo, todavía existen muchas ramas a las que

esta innovación tecnológica no ha sido aplicada, de ahí la importancia de

conocer y aprender a manejar estos dispositivos. Un correcto uso y

aplicación de los microcontroladores son herramientas de vital importancia

45

para enfrentar el reto que impone la creciente necesidad de modernización

tecnológica y para satisfacer un mercado que requiere personal idóneo en el

área de diseño y desarrollo .

2.1.3.1. ARQUITECTURA INTERNA

Un microcontrolador está constituido por el procesador, memoria de

programa y de datos, líneas de entrada/salida y recursos auxiliares.

2.1.3.1.1. EL PROCESADOR

En donde se ejecutan todas las instrucciones del programa. Es el

centro de atención de todo el funcionamiento del microcontrolador. El

procesador está compuesto internamente de una unidad aritmetico/lógica, y

registros de propósito especial y general.

2.1.3.1.2. MEMORIA DE PROGRAMA

Dado que los microcontroladores están destinados a cumplir con una

sola tarea, en su memoria debe alojar el conjunto de instrucciones que

componen el programa a ejecutar, y como es el mismo debe ser grabado de

forma permanente. No existe posibilidad de usar memorias externas para el

programa. Los tipos de memorias adecuados para realizar tal función son:

46

2.1.3.1.2.1. READ ONLY MEMORY (memoria de solo lectura)

Mas comúnmente llamada por su abreviatura ROM, es una unidad de

memoria que sólo ejecuta la operación de lectura, al escribirla por vez

primera, no es posible rescribirla. Esto implica que la información binaria

almacenada en una ROM se hace permanente durante la producción del

hardware de la unidad y no puede alterarse escribiendo diferentes palabras

en ella. Una ROM tiene un campo amplio de aplicaciones en el diseño de

sistemas digitales. De manera básica, una ROM genera una relación entrada

/ salida especificada por una tabla de verdad. Así pues una ROM con

mascaras, de refiere a un tipo de memoria en donde el procedimiento para

fabricarla, requiere una tabla de verdad llenada por el cliente, en donde se

especifica lo que se desea que haga la ROM. La tabla de verdad puede

sujetarse a un formato especial proporcionada por el fabricante o a un

formato especificado en un medio de salida de computadora. El fabricante

hace la mascarilla correspondiente, con el fin de producir un grupo de unos y

ceros, de acuerdo con la tabla de verdad del cliente. Este tipo de ROM es

costosa porque el vendedor o fabricante le cobra al cliente una tarifa

especial, para cubrir con los gastos que origina la producción de una ROM

particular. Por esta razón, la fabricación de este tipo de memoria es rentable

si se hace un pedido de un gran volumen.

47

2.1.3.1.2.2. ERASABLE PROGRAMABLE READ ONLY MEMORY

(memoria de solo lectura, borrable)

Llamada por sus siglas EPROM, es un tipo de ROM pero borrable y

reprogramable, cuya grabación se efectúa eléctricamente mediante un

dispositivo denominado grabador, que consta de un zócalo de grabación,

controlado por una PC. El encapsulado del microcontrolador que incorpora

este tipo de memoria, como el PIC 16C84, posee una ventanilla de cristal en

la superficie, que al ser sometida a rayos ultravioleta, produce el borrado de

la memoria, dando la posibilidad de reutilizar el chip para otro fin. La EPROM

actualmente no es muy utilizada, por que es poco practica para borrar; Se

tiene que sacar del zócalo para exponerla a rayos ultravioletas emanados por

el Sol, además tiene un costo unitario muy elevado.

2.1.3.1.2.3. ONLY TIME PROGRAMABLE (programable una sola vez)

Este tipo de memoria, llamada también por sus siglas OTP, solo puede

grabarse una vez, no admite el borrado. Se utiliza el mismo procedimiento de

grabado de la EPROM. Su bajo costo y sencillez de grabación aconsejan,

este tipo de memoria para prototipos finales y series de producción cortas.

48

2.1.3.1.2.4. ELECTRICALLY ERASABLE PROGRAMABLE READ ONLY

MEMORY(memoria de solo lectura, borrable eléctricamente)

Conocida como EEPROM, es un tipo de memoria en donde su

grabación es similar a las dos anteriores, igual que su borrado, es decir

eléctricamente. Se puede borrar sin necesidad de sacarla del zócalo de

grabado, lo que aventaja a la EPROM en uso práctico, además es ideal en la

enseñanza y en la creación de nuevos proyectos. Unas de las desventajas

inherentes en el uso de este tipo de memoria es que aunque garantice

1.000.000 ciclos de escritura / borrado, todavía su tecnología de fabricación

tiene obstáculos para alcanzar capacidades importantes, y el tiempo de

escritura de las mismas es relativamente grande y con elevado consumo de

energía. El microcontrolador Basic Stamp II, posee una memoria EEPROM

de 2048 bytes, que soporta 600 líneas de código.

2.1.3.1.2.5. FLASH

Se puede escribir y borrar, igual que la EEPROM, pero con bajo

consumo de energía y mayor capacidad. El borrado en la FLASH se realiza

totalmente y no de manera parcial, es decir todo el programa, no un

fragmento de él. Es muy recomendable el uso de este tipo de memoria para

aplicaciones en las que sea necesario modificar el programa en varias

oportunidades a lo largo de la vida del producto.

49

2.1.3.1.3. MEMORIA DE DATOS

Los microcontroladores utilizan una memoria RAM (acrónimo en inglés

de Random Access Memory), que significa Memoria de Acceso Aleatorio.

Esta memoria se encarga de almacenar la información de las variables en

uso mientras se le esté suministrando alimentación al microcontrolador. En

esta memoria se almacena todos los cambios que van teniendo las variables

mientras se está procesando el programa del microcontrolador, estos valores

se pierden al cortarle el suministro de energía al sistema.

2.1.3.1.4. PUERTOS DE ENTRADA / SALIDA

Los puertos son el puente entre el microcontrolador y el mundo

exterior. Son líneas digitales que trabajan entre cero y cinco voltios, y se

pueden configurar para entrada o salida de información. Los puertos sirven

para conectar al microcontrolador con dispositivos externos como led,

displays, sensores u otros recursos que requieran de control. En el Sistema

Robótico con percepción Infrarrojo, las líneas de entrada se configurará para

la adquisición de datos proporcionados por el sensor infrarrojo, y las de

salida, tendrán la función de informarle a los servomotores del robot la

acción a tomar.

50

3. BASIC STAMP II

El sistema robótico con percepción infrarroja, está compuesto por un

microcontrolador, denominado Basic Stamp II, este microcontrolador es un

circuito desarrollado por la empresa Parallax, para proyectos en instituciones

educativas. También está destinado para usarlo en la fabricación de

elementos electrónicos en industrias, u otras instituciones. El Basic Stamp II

es un conjunto sofisticado de circuitos, todos ensamblados en una pequeña

plaqueta de circuito impreso (PCB). En realidad, el PCB tiene el mismo

tamaño de muchos de otros circuitos integrados.

A continuación, la figura 6, muestra la imagen del Basic Stamp II.

FIGURA 6. Microcontrolador Basic Stamp II. Fuente: Internet (2001),

disponible en: http://www.rambal.com/index.html

Los Basic Stamp II, son pequeños computadores o microcontroladores

cuyo lenguaje de programación es Parallax Basic, una variante del Basic,

también llamado STAMPW. Estos son totalmente programables. Los pines de

51

entrada y salida (Imput-Ouput, IO) pueden ser conectados directamente con

leds, parlantes, potenciómetros, entre otros. Además con la ayuda de unos

pocos componentes más, estos pines I/O se pueden conectar con

componentes como solenoides, relays, RS-232 networks, u otros periféricos

que administran mayores corrientes y voltajes.

Los microcontroladores Basic Stamp están disponibles en diversos

modelos y velocidades, todas las versiones poseen el mismo diseño lógico,

que consiste en un regulador de voltaje, osciladores, EEPROM, y STAMPW

interprete. El programa en STAMPW es almacenado en la memoria

EEPROM, el cual es leído por el interprete chip. Este interprete chip "saca"

las instrucciones una a la vez y realiza la operación adecuada en los pines

I/O o en las estructuras internas dentro del chip interprete. Como el programa

STAMPW es almacenado en la EEPROM, éste puede ser programado y

reprogramado millones de veces, sin necesidad de borrar la memoria, como

la mayoría de los PICs. Para programar un Basic Stamp, sólo se debe

conectar el microcontrolador a un IBM PC o compatible y hacer correr el

software editor, para editar y descargar los programas. El microcontrolador

tiene un tiempo de reloj de 20 Mhz.

Para que el Basic Stamp II pueda interactuar con el mundo exterior, se

necesita armar algo de hardware, en este caso se puede utilizar una plaqueta

de circuito impreso llamada Plaqueta de Educación. Esta plaqueta fue creada

para simplificar las conexiones del Basic Stamp II con elementos electrónicos

52

u otros objetos. Se utiliza conectores para la alimentación (fuente externa o

batería de 9 voltios), el cable de programación, y los pines de Entrada / salida

del Basic Stamp II. Hay también un área de prototipo o protoboard; Una placa

blanca con muchos agujeros, que realiza la comunicación electrónica entre

los dispositivos conectados.

La tarjeta de educación posee un zócalo donde se aloja el

microcontrolador. También tiene varios componentes útiles para la

experimentación, los cuales se resumen en :

• Puerto serial de conexión DB9.

• Led.

• Botón de reseteo.

• Área de prototipo.

• Regulador de voltaje de un (1) amperio.

• Zócalo para microcontroladores de la serie BS-2.

• Múltiples modos de alimentación.

A continuación la figura 7, muestra la imagen de la tarjeta de

educación o board of education, diseñada por la empresa estadounidense

Parallax.

53

FIGURA 7 . Plaqueta de educación. Fuente: Internet (2001),disponible

en: : http://www.rambal.com/index.html.

El Basic Stamp tiene un total de 24 patas o pines, de los cuales 16 son

los de entrada y salida, tres son para la programación, uno para el reset, y

tres más para el suministro de energía. La figura 8 muestra la disposición de

los pines del Basic Stamp II.

PIN NOMBRE

1 SOUT

2 SIN

3 ATN 4 VSS

5-20 P0-P15 21 VDD

22 RES VSS

24 VIN

23

54

FIGURA 8 . Esquema del Basic Stamp II. Fuente: Gedler y Maldonado

Cada pin tiene una función especifica. El cuadro 2, muestra una

descripción de la función de cada uno de los pines.

En cuanto a la plaqueta de educación, es importante entender como

trabaja la protoboard. La misma tiene muchas tiras metálicas que pasan por

debajo en fila. Estas tiras conectan los huecos unos a otros; esto hace fácil

conectar componentes juntos para construir un circuito eléctrico.

CUADRO 2

PINES Y FUNCIONES

Pin Descripción

1:SOUT Serial Out(salida serial): conecta el puerto serial de la PC, al pin RX(DB9 pin 2/DB25 pin 3), para programar.

2:SIN Serial In: conecta el puerto serial de la PC, al pin TX(BD9 pin 3/DB25 pin 2), para programar.

3:ATN Attention: conecta el Puerto serial de la PC, al pin DTR (DB9 pin 4/ DB25 pin 20), para programar.

4:VSS System ground: igual que el pin 23, conecta el Puerto serial de la PC, al pin GND(DB9 pin 5/ DB25 pin 7), para programar.

5-20:P0-P15 Pines de entrada / salida de propósito general: en 24 mA(mili amperio), y los siguientes en 20 mA.

21:VDD 5 voltios DC, es aplicado a este pin, entonces en el pin de salida se regulan 5v siempre como salida

22:RES Si el Basic Stamp recibe un voltaje menor a 4.2v, se vera forzado a recetearse.

23:VSS Sistema de tierra(igual que el pin 4), suministra al terminal de tierra la corriente.

24:VIN Voltaje irregular, acepta 5.5v 15vdc

55

Fuente: Manual del Basic Stamp(2001.p.11).

3.1. SET DE INSTRUCCIONES

El Basic Stamp II soporta un total de 36 instrucciones divididas según

su función en; sentencias de bifurcación, repetición, funciones numéricas,

entrada y salida digital, sonido, acceso a la memoria EEPROM, tiempo,

control de energía y sentencias de programa.

CUADRO 3

SET DE INTRUCCIONES

BIFURCACIÓN

IF – THEN IF (condición) THEN dirección Etiqueta. Evalua la condición, y si es verdadera, se dirige al punto del programa marcado por dirección etiqueta.

BRANCH Similar al If – Then pero para varias condiciones. GOTO Ir a una dirección.

GOSUB Ir a una dirección que consiste en una subrutina. RETURN Ir al comienzo de la subrutina.

56

FOR- NEXT Crea un bucle repetitivo que ejecuta las líneas de programa FOR y NEXT, incrementando o disminuyendo el valor de la variable de acuerdo al incremento o "step", hasta que el valor de la variable iguala al valor final.

REPETICIÓN

SET Comando para asignar variables, tales como A=5, B=A+2, etc. Las posibles operaciones son suma, resta, multiplicación, división, max. limit, min. limit, y operaciones lógicas AND, OR, XOR, AND NOT, OR NOT, y XOR NOT. FIUNCIONES NUMÉRICAS

LOOKUP Busca el valor especificado por el índice y lo guarda en la variable Si el índice excede el máximo valor de índice de la lista, la variable no es afectada.

LOOKDOWN Compara un valor con los de la lista en función del comparador y guarda la ubicación (índice), en la variable.

RANDOM Genera un número aleatorio . ENTRADA Y SALIDA DIGITAL

INPUT Hacer de un pin una entrada

OUTPUT Hacer de un pin una salida REVERSE Si el pin es una salida, dejarlo como entrada. Si el

pin es una entrada, dejarlo como una salida. LOW Hacer de un pin una salida de baja. HIGH Hacer de un pin una salida de alta.

TOGGLE Hacer de un pin una salida. PULSIN Medir un pulso de entrada.

PULSOUT Salida en pulso. BUTTON Previene alteraciones por causa de apertura o

cierre de circuitos. SHIFTIN Cambio de bits de paralelo a serial.

SHIFTOUT Cambio de bits de serial a paralelo. COUNT Cuenta ciclos de un pin por un tiempo determinado. XOUT Genera códigos de control X-10 .

ENTRADA Y SALIDA SERIAL

57

SERIN Recibe datos en forma serial. Para la Stamp D y BS1-IC, la cantidad de baudios posibles son de 300, 600, 1200, y 2400. Para la BS2-IC, cualquier número de baudios (hasta 50k baud) es posible.

SEROUT Envía datos en forma serial. Para la Stamp D y la BS1-IC, los datos son enviados a 300, 600, 1200, o 2400 baudios. Para la BS2-IC, los datos se envían a velocidades de hasta 50k baudios.

ENTRADA Y SALIDA ANÁLOGA PWM Salida PWM, luego retorna el pin a entrada. Esto

puede ser usado para obtener voltajes análogos (0 a 5 V) usando un condensador y una resistencia.

RCTIME Mide el tiempo de carga / descarga del RC. Puede ser usado para medir potenciómetros (Es más rápido que el comando POT de la Stamp D y la BS1-IC).

SONIDO FREQOUT Genera uno o dos ondas sinusoidales de las

frecuencias especificadas (cada una desde 0 a 32767 hz.).

DTMFOUT Genera DTMF (pulsos telefónicos). ACCESO A LA MEMORIA EEPRON

DATA Almacena datos en EEPROM antes de descargar el programa BASIC (BS2-IC).

TIEMPO

PAUSE Ejecuta una pausa de 0 a 65536 milisegundos.

CONTROL DE ENERGIA NAP Ejecutando Nap por períodos cortos. El consumo de

energía es reducido. SEP Duerme desde 1 a 65535 segundos. El consumo de

energía es reducido a 20 µA (Stamp D and BS1-IC) o 50 µA (BS2-IC).

END Modo Sleep hasta que los ciclos de energía o el PC se conecten. El consumo de energía es el mismo que en el modo sleep. PROGRAMA (DEBUGGING)

58

DEBUG Envía variables al PC para mostrar por pantalla.

Fuente: Internet(2001), disponible en:

http://www.rambal.com/index.html.

4. TIPOS DE ROBOTS

4.1. ANDROIDES

Una visión ampliamente compartida es que todos los robots son

"androides". Los androides son artilugios que se parecen y actúan como

seres humanos. Los robots de hoy en día vienen en todas las formas y

tamaños, pero a excepción de los robots que aparecen en las ferias y

espectáculos, no se parecen a las personas y por tanto no son androides.

Actualmente, los androides reales sólo existen en la imaginación y en las

películas de ficción.

4.2 MÓVILES

Los robots móviles están provistos de patas, ruedas u orugas que los

capacitan para desplazarse de acuerdo su programación. Elaboran la

información que reciben a través de sus propios sistemas de sensores y se

emplean en determinado tipo de instalaciones industriales, sobre todo para el

59

transporte de mercancías en cadenas de producción y almacenes. También

se utilizan robots de este tipo para la investigación en lugares de difícil

acceso o muy distantes, como es el caso de la exploración espacial y las

investigaciones o rescates submarinos.

FIGURA 9. Robot Móvil. Fuente: Internet (2001),disponible en:

http://www.cybernomo.com/scm/robotica.htm..

4.3. INDUSTRIAL

Un robot industrial es una máquina programable de uso general que

tiene algunas características antropomórficas o ¨humanoides¨. Las

características humanoides más típicas de los robots actuales es la de sus

brazos móviles, los que se desplazarán por medio de secuencias de

movimientos que son programados para la ejecución de tareas de utilidad.

(Groover, 1989, p. 4 ).

60

La definición oficial de un robot industrial se proporciona por la

Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of

América; " Un robot industrial es un manipulador multifuncional

reprogramable diseñado para desplazar materiales, piezas, herramientas o

dispositivos especiales, mediante movimientos variables programados para

la ejecución de una diversidad de tareas ". Se espera en un futuro no muy

lejano que la tecnología en robótica se desplace en una dirección que sea

capaz de proporcionar a éstas máquinas capacidades más similares a las

humanas.

4.4. MÉDICOS

Los robots médicos son, fundamentalmente, prótesis para disminuidos

físicos que se adaptan al cuerpo y están dotados de potentes sistemas de

mando. Con ellos se logra igualar con precisión los movimientos y funciones

de los órganos o extremidades que suplen. La figura 10, muestra un ejemplo

de un robot utilizado en la medicina, para personas discapacitadas.

61

FIGURA 10. Robot Medico. Fuente: Internet (2001),disponible en:

http://www.cybe rnomo.com/scm/robotica.htm.

5. APLICACIONES

Los robots son utilizados en una diversidad de aplicaciones, desde

robots tortugas en los salones de clases, robots soldadores en la industria

automotriz, hasta brazos teleoperados en el trasbordador espacial. Cada

robot lleva consigo su problemática propia y sus soluciones afines. No

obstante, mucha gente considera que la automatización de procesos a través

de robots está en sus inicios, es un hecho innegable que la introducción de la

tecnología robótica en la industria, ya ha causado un gran impacto. En este

sentido la industria Automotriz desempeña un papel preponderante. Es

necesario hacer mención de los problemas de tipo social, económicos e

incluso políticos, que puede generar una mala orientación de robotización de

la industria. Se hace indispensable que la planificación de los recursos

humanos, tecnológicos y financieros se realice de una manera inteligente.

Por el contrario la Robótica contribuirá en gran medida al incremento del

empleo. ¿Pero, como se puede hacer esto?, al automatizar los procesos en

máquinas más flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce una

variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la

62

forma de fabricación de los mismos. Esto originara una gran cantidad de

empresas familiares (Micro y pequeñas empresas) lo que provoca la

descentralización de la industria.

5.1. INDUSTRIA

Los robots son utilizados por una diversidad de procesos industriales

como lo son: la soldadura de punto y soldadura de arco, pinturas de spray,

transportación de materiales, molienda de materiales, moldeado en la

industria plástica, máquinas-herramientas, y otras más.

5.2. LABORATORIOS

Los robots están encontrando un gran número de aplicaciones en los

laboratorios. Llevan acabo con efectividad tareas repetitivas como la

colocación de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medición. En

ésta etapa de su desarrollo los robots son utilizados para realizar

procedimientos manuales automatizados. Un típico sistema de preparación

de muestras consiste de un robot y una estación de laboratorio, la cual

contiene balanzas, dispensarios, centrifugados, racks de tubos de pruebas,

entre otros elementos. Las muestras son movidas desde la estación de

laboratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa.

Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la

operación manual: incrementan la productividad, mejoran el control de

63

calidad y reducen la exposición del ser humano a sustancias químicas

nocivas.

Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medición del PH,

viscosidad, y el porcentaje de sólidos en polímeros, preparación de plasma

humano para muestras para ser examinadas, calor, flujo, peso y disolución

de muestras para presentaciones espectromáticas.

5.3. MANIPULADORES CINEMATICOS

La tecnología robótica encontró su primer aplicación en la industria

nuclear con el desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo.

Los robots más recientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la

inspección de tuberías en áreas de alta radiación. El accidente en la planta

nuclear de Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimuló el desarrollo

y aplicación de los robots en la industria nuclear. El reactor número 2 (TMI-2)

perdió su enfriamiento, y provoco su destrucción, en casi un cien por cien,

dejando grandes áreas en su interior contaminadas de tal magnitud, que son

inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles de radiación las

tareas de limpieza sólo eran posibles por medios remotos. Varios robots y

vehículos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin en los

lugares donde ha ocurrido una catástrofe de este tipo. Ésta clase de robots

son equipados en su mayoría con sofisticados equipos para detectar niveles

de radiación, cámaras, e incluso llegan a traer a bordo un mini laboratorio

para hacer pruebas.

64

5.4. AGRICULTURA

Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia-ficción,

pero la realidad es muy diferente; o al menos así parece ser para el Instituto

de Investigación Australiano, el cual ha invertido una gran cantidad de dinero

y tiempo en el desarrollo de este tipo de robots. Entre sus proyectos se

encuentra una máquina que esquila a las ovejas. La trayectoria del cortador

sobre el cuerpo de las ovejas se planea con un modelo geométrico de la

oveja. Para compensar el tamaño entre la oveja real y el modelo, se tiene un

conjunto de sensores que registran la información de la respiración del

animal como de su mismo tamaño, ésta es mandada a una computadora que

realiza las compensaciones necesarias y modifica la trayectoria del cortador

en tiempo real.

Debido a la escasez de trabajadores en los obradores, se desarrolla

otro proyecto, que consiste en hacer un sistema automatizado de un obrador,

el prototipo requiere un alto nivel de coordinación entre una cámara de vídeo

y el efector final que realiza en menos de 30 segundos ocho cortes al cuerpo

del cerdo. Por su parte en Francia se hacen aplicaciones de tipo

experimental para incluir a los robots en la siembra, y poda de los viñedos,

como en la pizca de la manzana.

65

5.5. ESPACIO

La exploración espacial posee problemas especiales para el uso de

robots. El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un

equipo de protección muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio.

Muchos científicos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de

Robots para continuar con los avances en la exploración espacial; pero como

todavía no se llega a un grado de automatización tan precisa para ésta

aplicación, el ser humano aún no ha podido ser reemplazado por estos. Por

su parte, son los teleoperadores los que han encontrado aplicación en los

transbordadores espaciales.

En Marzo de 1982 el trasbordador Columbia fue el primero en utilizar

este tipo de robots, aunque el ser humano participa en la realización del

control de lazo cerrado.

Algunas investigaciones están encaminadas al diseño, construcción y

control de vehículos autónomos, los cuales llevarán a bordo complejos

laboratorios y cámaras muy sofisticadas para la exploración de otros

planetas. En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del

Lunokhod 1, el cual poseía cámaras de televisión, sensores y un pequeño

laboratorio, era controlado remotamente desde la tierra.

En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en Marte el Viking,

llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recogía muestras de piedra, tierra

y otros elementos los cuales eran analizados en el laboratorio que fue

66

acondicionado en el interior del robot. Por supuesto también contaba con un

equipo muy sofisticado de cámaras de vídeo. Veintiún años después, el

Pathefinder, un pequeño robot móvil, aterrizó en Marte, dotado con sensores

infrarrojos para determinar la temperatura de la atmósfera, y de cámaras

para visualizar la superficie marciana.

5.6. VEHÍCULOS SUBMARINOS

Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por

el interés de los vehículos submarinos. En el primero - Un avión de la Air

Indian se estrelló en el Océano Atlántico cerca de las costas de Irlanda - un

vehículo submarino guiado remotamente, normalmente utilizado para el

tendido de cable, fue utilizado para encontrar y recobrar la caja negra del

avión. El segundo fue el descubrimiento del Titanic en el fondo de un cañón,

donde había permanecido después del choque con un iceberg en 1912,

cuatro kilómetros abajo de la superficie. Un vehículo submarino fue utilizado

para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.

En la actualidad muchos de estos vehículos submarinos se utilizan en

la inspección y mantenimiento de tuberías que conducen petróleo, gas o

aceite en las plataformas oceánicas; en el tendido e inspección del cableado

para comunicaciones, para investigaciones geológicas y geofísicas en el

suelo marino.

La tendencia hacia el estudio e investigación de este tipo de robots se

incrementará a medida que la industria se interese aún más en la utilización

67

de los robots, sobra mencionar los beneficios que se obtendrían si se

consigue una tecnología segura para la exploración del suelo marino y la

explotación del mismo.

5.7. EDUCACIÓN

Los robots están apareciendo en los salones de clases de tres

distintas formas. Primero, los programas educacionales utilizan la simulación

de control de robots como un medio de enseñanza. Un ejemplo palpable es

la utilización del lenguaje de programación del robot Karel, el cual es un

subconjunto de Pascal; este es utilizado por la introducción a la enseñanza

de la programación. El segundo y de uso más común es el uso del robot

tortuga en conjunción con el lenguaje LOGO para enseñar ciencias

computacionales. LOGO fue creado con la intención de proporcionar al

estudiante un medio natural y divertido en el aprendizaje de las matemáticas.

En tercer lugar está el uso de los robots en los salones de clases. Una

serie de manipuladores de bajo costo, robots móviles, y sistemas completos

han sido desarrollados para su utilización en los laboratorios educacionales.

Debido a su bajo costo muchos de estos sistemas no poseen una fiabilidad

en su sistema mecánico, tienen poca exactitud, no existen los sensores y en

su mayoría carecen de software.

68

6. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Según la enciclopedia Microsoft Encarta(2000), son ondas

producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las

ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La

radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se

extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda

pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas). La luz

visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden

decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro

electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y

blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y

ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen una longitud

de onda de entre 0,005 y 0,5 nanómetros (un nanómetro, o nm, es una

millonésima de milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación

ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. La región

ultravioleta, a su vez, da paso a la luz visible, que va aproximadamente

desde 400 hasta 800 nm. Los rayos infrarrojos o ‘radiación de calor’, se

solapan con las frecuencias de radio de microondas, entre los 100.000 y

400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 m, el espectro

está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá de la zona de

radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda

llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros.

69

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para

propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e

interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas.

Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas

electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad

de 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético

presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la

difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas

de metro hasta muchos kilómetros.

6.1. RAYOS INFRARROJOS

Son emisiones de energía en forma de ondas electromagnéticas en la

zona del espectro situada inmediatamente después de la zona roja de la

radiación visible. La longitud de onda de los rayos infrarrojos es menor que la

de las ondas de radio y mayor que la de la luz visible. Oscila entre

aproximadamente 10-6 y 10-3 metros. La radiación infrarroja puede

detectarse como calor, para lo que se emplean instrumentos como el

bolómetro.

Los rayos infrarrojos se utilizan para obtener imágenes de objetos

lejanos ocultos por la bruma atmosférica, que dispersa la luz visible pero no

la radiación infrarroja. En astronomía se utilizan para estudiar determinadas

estrellas y nebulosas.

70

Para las fotografías infrarrojas de alta precisión se emplea un filtro

opaco que sólo deja pasar radiación infrarroja, pero generalmente basta un

filtro corriente anaranjado o rojo claro, que absorbe la luz azul y violeta. La

fotografía infrarroja, desarrollada hacia 1880, se ha convertido en la

actualidad en una importante herramienta de diagnóstico en la medicina, la

agricultura y la industria. El uso de técnicas infrarrojas permite observar

situaciones patológicas que no pueden verse a simple vista ni en una

radiografía. La teledetección mediante fotografía infrarroja aérea y orbital se

ha empleado para observar las condiciones de las cosechas y el daño por

insectos y enfermedades en grandes zonas agrícolas, así como para

localizar depósitos minerales. En la industria, la espectroscopia de infrarrojos

es una parte cada vez más importante de la investigación de metales y

aleaciones, y la fotografía infrarroja se emplea para regular la calidad de los

productos. Dispositivos infrarrojos empleados durante la II Guerra Mundial

permitieron ver objetos en la oscuridad. Estos instrumentos consisten

básicamente en una lámpara que emite un haz de rayos infrarrojos, a veces

denominados luz negra, y un telescopio que recibe la radiación reflejada por

el objeto y la convierte en una imagen visible.

C. SISTEMA DE VARIABLES

La presente investigación se propone a considerar sus variables,

objeto de estudio, desde un doble punto de vista, conceptual y

operacionalmente . Las mismas son:

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A. SISTEMA ROBOTICO

Sistema, conceptualmente se define como; “un conjunto de elementos

relacionados e interactuantes, considerados en su totalidad, cuyo fin es el

cumplimiento de una serie de funciones, metas y objetivos” (Rincón y

Plágaro, 1998, p.338). Operacionalmente, sistema es un compendio de

elementos electrónicos, que interaccionan bajo el control de un programa de

computadora o software, que le permite realizar una tarea específica.

Por su parte, Robótica conceptualmente se define como “el arte y

ciencia de la creación y empleo de robots”(Freedman,1993,p.679).

Operacionalmente es, la ciencia encargada del estudio y creación de robots,

y su utilidad en los diferentes campos del quehacer humano.

B. PERCEPCIÓN INFRARROJA

Conceptualmente, percepción es “una sensación interior que resulta

de una impresión material hecha en los sentidos” (Diccionario Enciclopédico

Salvat, 1960,p.683). Operacionalmente es sentir los elementos que

componen al medio ambiente, a través de mecanismos sensores.

Del mismo modo, infrarrojo se define conceptualmente como “la región

del espectro electromagnético no visible, de frecuencias inferiores a la luz a

la luz visible, por debajo del color rojo” (Rincón y Otros, 1998,p.186).

Operacionalmente es un tipo de radiación de luz, que presentan

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determinados objetos a altas temperaturas, y que es invisible a la óptica

humana.

C. DETECCIÓN DE OBJETOS

Conceptualmente, detección se define como; “la acción y efecto de

detectar”, mientras que detectar es descubrir o localizar algún elemento.

(Diccionario Enciclopédico, El pequeño Larousse, 1998, p.341).

Operacionalmente es localizar la presencia de un objeto en particular, por

medio de señales electromagnéticas .

Por su parte, Objeto conceptualmente se define como “cosa material y

determinada, generalmente de dimensiones reducidas” (Diccionario

Enciclopédico, El pequeño Larousse, 1998, p.723). Operacionalmente, es

cualquier elemento que posea un volumen suficiente como para ser

localizado mediante señales electromagnéticas.

DEFINICION DE TERMINOS BÁSICOS

ALGORITMO

Es una serie de operaciones detalladas y no ambiguas, a ejecutar

paso a paso, y que conducen a la resolución de un problema. En otras

palabras, un algoritmo es un conjunto de reglas para resolver una cierta clase

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de problema o una forma de describir la solución de un problema. (Joyanes,

1987, p.4).

AUTÓMATA

Maquina o dispositivo de control que responde automáticamente a

determinadas operaciones o instrucciones. (Rincón y otros, 1998, p. 30).

CIRCUITO

Conjunto de componentes eléctricos electrónicos y de otros tipos

encargados de ejecutar una función determinada. (Rincón y otros, 1998, p.

64 ).

DISPOSITIVO

Elemento físico de naturaleza electrónica, mecánica, óptica u otra que

realiza una cierta función en el seno de un sistema. (Rincón y otros, 1998,

p.116 ).

ELECTROMAGNETISMO

Parte de la física que estudia las interacciones entre corrientes

eléctricas y campos magnéticos. (Diccionario enciclopédico el pequeño

Larousse, 1996, p. 372).

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IMPEDANCIA

Magnitud que representa la opresión total de un medio o circuito al

paso por él de una corriente eléctrica. Se calcula como la suma de la

resistencia, la capacitancia y la inductancia del sistema. (Rincón y otros,

1998, p.180 ).

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Producción de corriente eléctrica en un circuito por efecto de la

variación del flujo de inducción magnética que la atraviesa. (Diccionario

enciclopédico el pequeño Larousse, 1996, p.553).

LENGUAJE DE PROGRAMACION

No es mas que una notación, que describe las estructuras de datos y

los algoritmos. Los datos con los cuales trabaja un programa, se sitúan en

las variables. (Joyanes, 1987, p.4).

ORDENADOR

Sistema programable compuesto por elementos de hardware y

software, gobernado por una o más unidades de procesamiento y capaz de

realizar tareas de calculo como operaciones aritméticas, lógicas y de control

del flujo de entrada y salida de datos. También se conoce como computador

y calcular. (Rincón y otros, 1998, p.260).

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RETROALIMENTACION

Proceso por el cual parte la totalidad del resultado de una operación

cíclica se utiliza como datos de entrada de la siguiente iteración de la misma.

(Rincón y otros, 1998, p.319 ).

SERVOMOTOR

Dispositivo que produce una acción mecánica como consecuencia de

la recepción de una señal eléctrica. (Rincón y otros, 1998, p.334).

TENSION

Magnitud física que expresa la diferencia potencial entre dos puntos.

Su unidad de medida en el sistema Internacional es el voltio (símbolo V).

(Rincón y otros, 1998, p.363).

TRANSDUCTOR

Convertidor de señal analógicas, como la temperatura, el sonido o la

presión, en forma digital, y viceversa. (Rincón y otros, 1998, p.371).