Para buena parte de nuestra sociedad un robot es mucho más que un conjunto de mecanismos y electrónica, capaz de trabajar de manera ininterrumpida fabricando bienes de consumo. Los robots sugieren modernidad y avance científico, reflejando en épocas pasadas, presentes, y seguramente futuras, muchas de las expectativas del progreso tecnológico. El término robot nació y creció de un mito: la creación por los humanos de un ser artificial que emulase en aspecto y capacidades cognitivas a su propio creador. Desde 1921, fecha de publicación por K. Capek de la obra de teatro «Robots Universales de Rossum», la literatura y el cine han alimentado este mito. Por otro lado, con una concepción más pragmática, la ingeniería ha materializado parcialmente el concepto, siendo en la actualidad los robots industriales un elemento imprescindible para mantener el estado de bienestar, sustentado en gran medida por la disposición de bienes de consumo de cuya fabricación masiva son piezas clave. Los robots industriales, surgidos a principios de la década de los sesenta, lograron superar importantes dificultades tanto tecnológicas como socioeconómicas y alcanzaron su mayoría de edad en la década de los noventa, estabilizándose entonces su demanda y consiguiendo una aceptación y reconocimiento pleno en la industria. Alcanzada la madurez del robot industrial, los ingenieros e investigadores dedicados a la robótica se plantearon dar un paso más hacia el mito, sacando a los robots de las líneas de producción y dotándoles de la capacidad de actuar en otros entornos, poco o nada estructurados, y de colaborar con personas no especializadas en su uso. A pesar de la enorme dificultad científico tecnológica de este objetivo, los esfuerzos realizados y el aprovechamiento de los avances conseguidos en las disciplinas que sirven de soporte a la robótica —como son la electrónica o la informática— ha dado lugar a que en la primera década del siglo XXI se viva un nuevo resurgimiento de la robótica, evolucionando desde el entorno industrial a dos nuevos sectores: la robótica de servicios profesionales y la robótica personal. En los servicios profesionales se han logrado desarrollos plenamente operativos, como se pone de manifiesto en los robots para cirugía, limpieza de fachadas de edificios, o vigilancia. Por su parte los robots personales van a ser, sin duda, la gran revolución de la robótica del primer cuarto del siglo XXI, contribuyendo notablemente al cambio del modo de vida de la sociedad industrializada. Esta apreciación no es el fruto de una visión endogámica de los expertos mundiales en robótica. Bill Gates, presidente y fundador de Microsoft, artífice de la revolución del ordenador personal que ha cambiado de manera definitiva nuestro modo de vida, afirma en su artículo «A Robot in Every Home»(publicado en la edición de enero del 2007 de la revista Scientific American), que la industria de la robótica está evolucionando de una manera similar a como lo hizo la industria de los ordenadores hace 30 años, que ha llevado a situar uno, o varios, ordenadores personales en cada hogar. Para buena parte de nuestra sociedad un robot es mucho más que un conjunto de mecanismos y electrónica, capaz de trabajar de manera ininterrumpida fabricando bienes de consumo. Los robots sugieren modernidad y avance científico, reflejando en épocas pasadas, presentes, y seguramente futuras, muchas de las expectativas del progreso tecnológico. El término robot nació y creció de un mito: la creación por los humanos de un ser artificial que emulase en aspecto y capacidades cognitivas a su propio creador. Desde 1921, fecha de publicación por K. Capek de la obra de teatro «Robots Universales de Rossum», la literatura y el cine han alimentado este mito. Por otro lado, con una concepción más pragmática, la ingeniería ha materializado parcialmente el concepto, siendo en la actualidad los robots industriales un elemento imprescindible para mantener el estado de bienestar, sustentado en gran medida por la disposición de bienes de consumo de cuya fabricación masiva son piezas clave. Los robots industriales, surgidos a principios de la década de los sesenta, lograron superar importantes dificultades tanto tecnológicas como socioeconómicas y alcanzaron su mayoría de edad en la década de los noventa, estabilizándose entonces su demanda y consiguiendo una aceptación y reconocimiento pleno en la industria. Alcanzada la madurez del robot industrial, los ingenieros e investigadores dedicados a la robótica se plantearon dar un paso más hacia el mito, sacando a los robots de las líneas de producción y dotándoles de la capacidad de actuar en otros entornos, poco o nada estructurados, y de colaborar con personas no especializadas en su uso. A pesar de la enorme dificultad científico tecnológica de este objetivo, los esfuerzos realizados y el aprovechamiento de los avances conseguidos en las disciplinas que sirven de soporte a la robótica —como son la electrónica o la informática— ha dado lugar a que en la primera década del siglo XXI se viva un nuevo resurgimiento de la robótica, evolucionando desde el entorno industrial a dos nuevos sectores: la robótica de servicios profesionales y la robótica personal. En los servicios profesionales se han logrado desarrollos plenamente operativos, como se pone de manifiesto en los robots para cirugía, limpieza de fachadas de edificios, o vigilancia. Por su parte los robots personales van a ser, sin duda, la gran revolución de la robótica del primer cuarto del siglo XXI, contribuyendo notablemente al cambio del modo de vida de la sociedad industrializada. Esta apreciación no es el fruto de una visión endogámica de los expertos mundiales en robótica. Bill Gates, presidente y fundador de Microsoft, artífice de la revolución del ordenador personal que ha cambiado de manera definitiva nuestro modo de vida, afirma en su artículo «A Robot in Every Home»(publicado en la edición de enero del 2007 de la revista Scientific American), que la industria de la robótica está evolucionando de una manera similar a como lo hizo la industria de los ordenadores hace 30 años, que ha llevado a situar uno, o varios, ordenadores personales en cada hogar.La robótica es, por tanto, una disciplina en auge, y la formación del profesional de la ingeniería, tanto en sus ramas de automatización, mecánica, informática o incluso generalista, no es indiferente a esta situación, incluyendo desde finales de los años ochenta a la robótica como parte de sus enseñanzas. La robótica posee un reconocido carácter interdisciplinar, participando en ella diferentes ciencias básicas y tecnologías tales como la teoría de control, la mecánica, la electrónica, el álgebra y la informática, entre otras. Numerosas obras, la mayor parte en inglés, han surgido en el mercado bibliográfico desde 1980. En algunas de ellas se aprecia la tendencia de presentar la robótica como un repaso de tecnologías básicas (electrónica, informática, mecánica, etc.). Otras, la mayoría, enfocan los estudios de la robótica hacia un complicado conjunto de problemas físico-matemáticos, orientados a conocer con detalle el funcionamiento del sistema de control. Alternativamente, algunos textos abordan la robótica únicamente desde el punto de vista del usuario, con contenidos relativos al modo y oportunidad de su aplicación, sin dar una adecuada información sobre las tecnologías que la conforman. Ninguno de los planteamientos anteriores es, a nuestro juicio, acertado. Una formación en robótica focalizada exclusivamente en el control de robots no es la más útil para la mayoría de los estudiantes, que, de trabajar con robots, lo harán como usuarios y no como fabricantes. Sin embargo, no hay que perder de vista que se está formando a profesionales, que, posiblemente, se deberán enfrentar a nuevos problemas cuya resolución únicamente les será posible abordar conociendo con detalle el funcionamiento de los sistemas y procedimientos utilizados en la resolución de los problemas ya conocidos. Consecuentemente, en este texto se ha procurado llegar a un adecuado equilibrio entre los temas relacionados con el conocimiento profundo del funcionamiento de un robot (en sus aspectos mecánico, informático y de control) y aquéllos en los que se proporcionan los criterios para evaluar la conveniencia de utilizar un robot y el modo más adecuado de hacerlo. El libro está fundamentalmente dirigido al estudiante de ingeniería en sus especialidades de automatización, electrónica o similar. Con su estudio el alumno adquirirá los conocimientos necesarios para poder iniciarse en el proyecto de una instalación robotizada, junto con una detallada comprensión del funcionamiento del robot. Asimismo, su lectura es aconsejable para los estudiantes de ingeniería informática y mecánica. El enfoque eminentemente práctico y aplicado de buena parte del texto, lo hace también útil para todo aquel profesional que desee adquirir los conocimientos necesarios para entender y utilizar adecuadamente un robot, seleccionando en este caso los capítulos de contenido menos matemático. Su contenido cubre completamente un primer curso de robótica, adecuado para todo aquel que quiera iniciarse en la misma sin dejar de lado sus múltiples vertientes. Además, algunos de los temas cubiertos pueden ser utilizados en cursos de postgrado en el área de la robótica. Para su correcta comprensión es aconsejable tener una formación básica en ingeniería. En concreto, es deseable tener una adecuada base en álgebra, electrónica, control e informática. No obstante, cualquier otro lector sin esta formación específica, podrá leer sin dificultad varios de los capítulos del libro, y captar, en los capítulos más complejos, cuáles son los objetivos sin tener que ahondar en los medios usados para lograrlos. El libro se ha organizado de acuerdo a la experiencia docente de los autores, que suman más de 60 años impartiendo cursos de robótica dentro del marco académico, así como en cursos de especialización para la industria. Se ha procurado el adecuado equilibrio entre los capítulos dedicados al control de robot (Capítulos 3, 4, 5, 6, 7, 11) con los dedicados a su implantación y uso (Capítulos 2, 8, 9, 10, 11), incluyéndose en todos un adecuado número de ejemplos que faciliten el estudio y comprensión. Esta segunda edición de «Fundamentos de Robótica» representa con respecto de la primera, publicada en el año 1997, un incremento notable, tanto en la extensión como en el detalle de los contenidos. Junto con la obligada actualización de datos y cifras marcada por el transcurso de los años, se ha abordado la inclusión de ejercicios resueltos en la mayor parte de los capítulos. En conjunto, esta nueva edición incorpora más de 50 ejercicios que deben de contribuir positivamente tanto al estudio por parte de los alumnos, como a facilitar la labor pedagógica de los profesores. En muchos de éstos se hace uso de herramientas informáticas con las que se facilita en gran medida el desarrollo de cálculos o la comprensión de determinados conceptos. Asimismo, se ha ampliado o modificado sustancialmente el contenido de determinados capítulos. En el caso de aquellos relativos al control del robot, se ha profundizado más en los temas que conciernen al modelo diferencial y se ha dado al capítulo dedicado al control dinámico un enfoque más sistemático y seguramente más cercano a los conocimientos de la ingeniería de control. En el capítulo dedicado a las aplicaciones del robot se ha tenido en cuenta la situación actual de la robótica, actualizando las aplicaciones industriales de los robots y, sobre todo, ampliando los contenidos relativos a la robótica de servicio, de cuyas principales aplicaciones se realiza una descripción detallada. Se pretende de esta manera que el lector tenga una visión real de las posibilidades de la robótica industrial actual y de la robótica de servicios que, estando a fecha de hoy en fase de crecimiento, llegará a su apogeo en los próximos años. En el deseo de dar una formación integral en robótica, se ha considerado de interés el incorporar información relativa a la normativa existente. En este sentido se ha incluido un anexo en el que se revisa y comenta la normativa ISO, relativa a la robótica vigente en diciembre del 2006. Por último, y de manera especial, cabe comentar la inclusión de un nuevo y extenso capítulo dedicado a la teleoperación y en particular a la telerrobótica, en el que se revisan los diversos aspectos implicados en ella: tecnologías, control y aplicaciones. En el Capítulo 1 se presenta la robótica como tecnología interdisciplinar, definiendo al robot industrial y comentando su desarrollo histórico y estado actual. El Capítulo 2 está dedicado al estudio de los elementos que componen un robot: estructura mecánica, transmisiones y reductores, actuadores, elementos terminales y sensores. No se pretende en el mismo hacer un estudio exhaustivo de estos componentes, pues no es este objetivo propio de la robótica, sino que se destacan las características que los hacen adecuados para su empleo en los robots. Las herramientas utilizadas clásicamente para localizar (posicionar y orientar) el extremo del robot y los elementos que intervienen en su entorno, se examinan en el Capítulo 3, en especial las concernientes con el uso de las matrices de transformación homogénea y de los cuaternios. Su correcta comprensión es imprescindible para abordar los capítulos siguientes dedicados al modelado y control del robot. Este capítulo cuenta con un número destacable de ejemplos y de ejercicios resueltos. Se introduce en ellos el uso de ayudas informáticas que allanarán el desarrollo de los farragosos cálculos implicados en el modelado de los robots. El Capítulo 4 presenta la formulación basada en matrices de transformación homogénea (en particular de acuerdo al procedimiento definido por Denavit y Hartenberg) para la obtención del modelo cinemático directo e inverso de un robot. Se define y analiza con detalle la matriz Jacobiana que establece la relación entre las velocidades del extremo del robot y las de sus actuadores. En todo el capítulo se procura un enfoque aplicado, presentando en lo posible los métodos y algoritmos que permiten la implementación de los desarrollos teóricos involucrados. De nuevo un conjunto extenso de ejemplos y ejercicios resueltos facilitan la comprensión de los conceptos desarrollados. El Capítulo 5 aborda el modelado dinámico de un robot. Como sistema dinámico, el robot es uno de los sistemas más sugerentes para el control, por incorporar muchas de aquellas dificultades que clásicamente se obvian en el estudio del control de sistemas. Por este motivo, el Capítulo 5 junto con el 7, además de su indudable interés para el estudio de la robótica, constituyen un excelente colofón para los estudios de control avanzado, propios de un ingeniero de automatización. Tras establecer los modelos cinemático y dinámico de un robot en los Capítulos 4 y 5 respectivamente, se está en disposición de abordar el control del mismo. En el Capítulo 6 se trata el control cinemático, cuyo objetivo es definir con precisión las trayectorias temporales que deberán desarrollar cada uno de los actuadores del robot para conseguir los objetivos de velocidad y precisión de la mejor manera posible. El resultado de esta definición de trayectorias debe ser llevado a la práctica por el control dinámico, objeto del Capítulo 7. En éste, y tras justificar las condiciones bajo las cuales son válidas determinadas simplificaciones que permiten abordar el control del robot con un enfoque monovariable, se hace uso de la teoría clásica de control —que se presupone conocida para la mayor parte de los estudiantes del curso de robótica— para plantear cuáles son las estrategias de control más adecuadas. Tras la correcta comprensión del caso monovariable, la evolución al control multivariable se realiza de forma sencilla. Una vez concluido el modelado y control del robot, se abordan los aspectos más prácticos de la robótica, comenzando en el Capítulo 8 por la programación. Ésta es tratada en primer lugar desde un punto de vista general, analizando las características de los diferentes procedimientos de programación de robots existentes. En segundo lugar, se presentan dos de los lenguajes de programación de robots más extendidos: el V+ (Adept ) y el RAPID (ABB). A la hora de llevar a la práctica la implantación de un sistema robotizado el ingeniero debe de tener criterio para seleccionar cuál es el robot más adecuado para su aplicación, así como poder evaluar su beneficio económico. Además, existen una serie de aspectos prácticos, como el diseño de la célula o la seguridad de la misma, sobre los que si bien es difícil establecer una metodología, sí es posible dar unas premisas básicas que sirvan de guía y orientación a quien se enfrenta por primera vez con este tipo de problemas. En el Capítulo 9 se tratan de cubrir estos aspectos prácticos, incorporando, además, un breve repaso al mercado actual de la robótica industrial. El Capítulo 10 está dedicado a la utilización del robot en diferentes tipos de aplicaciones, tanto las más habituales, como la soldadura, pintura o mecanizado, como las más novedosas en los sectores de la construcción o cirugía. Las diferentes aplicaciones se estructuran de acuerdo a la clasificación establecida por la Federación Internacional de Robots (IFR). Es evidente, que la robótica está siendo aplicada a un gran número de sectores dispares, siendo imposible pretender que el estudiante de la robótica conozca las características de todos ellos. No obstante, tras el estudio del Capítulo 10 el alumno tendrá una idea formada sobre dónde se están aplicando los robots, los motivos por los que su empleo es rentable y, lo que puede ser más importante, una adecuada capacidad para proyectar las soluciones robotizadas presentadas a cualquier otra aplicación o sector. Por último el Capítulo 11 recoge de una manera completa los fundamentos de la teleoperación y telerrobótica. La complejidad de muchas de las aplicaciones no industriales de los robots, como son las frecuentemente asociadas a sectores como el espacial, la construcción o la medicina, entre otros, obliga a hacer un uso frecuente de la telerrobótica, combinando las ventajas del uso del robot (precisión, fuerza, inmunidad en entornos hostiles) con la capacidad de resolución de problemas del ser humano. Los contenidos del Capítulo 11 cubren por sí solos un curso completo de telerrobótica, pudiéndose utilizar como curso complementario al de introducción a la robótica cubierto por los capítulos anteriores. El libro se complementa con dos anexos, el primero de los cuales se dedica a presentar y comentar la mayor parte de las normas ISO relativas a robots. Se pretende con este anexo que el lector tenga en primer lugar conocimiento de la existencia de la normativa, estimulándole a la consulta de las normas originales en el caso de que lo precise su actividad laboral. Por otra parte, algunos de sus contenidos, como definiciones, evaluación de prestaciones o seguridad, guardan paralelismo directo con algunos de los contenidos del libro, por lo que su conocimiento puede contribuir a asimilar las ideas presentadas en el texto. Los contenidos del libro superan en algunos casos el alcance que puede ser impartido en un curso cuatrimestral. Dependiendo de la titulación concreta, se deberá seleccionar qué capítulos se imparten plenamente o por el contrario con un contenido reducido. La materia cubierta por el libro puede incluso servir para la impartición parcial de cursos de postgrado en robótica. Junto a los agradecimientos formulados en la primera edición, sobre la que se ha construido esta segunda, se deben incorporar los dedicados a las personas que han contribuido de una u otra manera en la elaboración de esta nueva edición. En concreto a Adrián Mora que ha colaborado en la edición de textos y figuras de parte de los capítulos de esta nueva edición. También los trabajos en telerrobótica desarrollados por Adrián Mora y por Miguel Hernando han sido una valiosa fuente de conocimientos, que han contribuido al desarrollo del Capítulo 11. Todos los profesores e investigadores de la División de Ingeniería de Sistemas y Automática (DISAM) de la Universidad Politécnica de Madrid y del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid, contribuyen a diario en la mejora de nuestro conocimiento de la robótica. Por tanto, merecen nuestro sincero agradecimiento. Carmelo Sanchez, ha sido un editor implacable, como debe ser. Su trabajo y estímulo ha sido decisivo para que esta segunda edición fuese una realidad. Nuestras familias han aguantado muchos días de vacaciones, fines de semana y amaneceres, rodeados de papeles con Jacobianas, esquemas de control bilateral o fotos de robots. Por ahora nos siguen comprendiendo, lo que es muy de agradecer. En la primera edición enfatizábamos que el libro se había desarrollado pensando en nuestros alumnos. No cabe imaginar que sea de otra manera. Ése es el origen y el fin de escribir un libro de texto. Nuestra satisfacción estará condicionada por la medida en que el libro sea valorado por los estudiantes. En este sentido quisiéramos agradecer todos aquellos comentarios que, relativos a la primera edición, nos han podido llegar por parte de los estudiantes, especialmente de los que viven en Latinoamérica, mostrándonos que el libro era de alguna utilidad.

Madrid, enero 2007 Los autores.

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