INTRODUCCIN A LA ROBTICA

1.1 BREVE HISTORIA DE LA ROBTICA. Por siglos el ser humano ha construido mquinas que imiten las partes del cuerpo humano. Los antiguos egipcios unieron brazos mecnicos a las estatuas de sus dioses. Estos brazos fueron operados por sacerdotes, quienes clamaban que el movimiento de estos era inspiracin de sus dioses. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidrulicas, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos.

Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muecos mecnicos muy ingeniosos que tenan algunas caractersticas de robots.

Jacques de Vauncansos construy varios msicos de tamao humano a mediados del siglo XVIII. Esencialmente se trataba de robots mecnicos diseados para un propsito especfico: la diversin.

En 1805, Henri Maillardert construy una mueca mecnica 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. stas creaciones mecnicas de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su poca. Hubo otras invenciones mecnicas durante la revolucin industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la produccin textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecnica de Crompton (1779), el telar mecnico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard (1801), y otros.

El desarrollo en la tecnologa, donde se incluyen las poderosas computadoras electrnicas, los actuadores de control retroalimentados, transmisin de potencia a travs de engranes, y la tecnologa en sensores han contribuido a flexibilizar los mecanismos autmatas para desempear tareas dentro de la industria. Son varios los factores que intervienen para que se desarrollaran los primeros robots en la dcada de los 50s. La investigacin en inteligencia artificial desarroll maneras de emular el procesamiento de informacin humana con computadoras electrnicas e invent una variedad de mecanismos para probar sus teoras.

No obstante las limitaciones de las mquinas robticas actuales, el concepto popular de un robot es que tiene una apariencia humana y que acta como tal. Este concepto humanoide ha sido inspirado y estimulado por varias narraciones de ciencia ficcin.

Una obra checoslovaca publicada en 1917 por Karel Kapek, denominada Rossums Universal Robots, dio lugar al trmino robot. La palabra checa Robota significa servidumbre o trabajador forzado, y cuando se tradujo al ingles se convirti en el trmino robot. Dicha narracin se refiere a un brillante cientfico llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia qumica que es similar al protoplasma. Utilizan sta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos fsicos. Rossum sigue realizando mejoras en el diseo de los robots, elimina rganos 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 dueos, destruyendo toda la vida humana.

Entre los escritores de ciencia ficcin, Isaac Asimov contribuy con varias narraciones relativas a robots, comenz en 1939, a l se atribuye el acuamiento del trmino Robtica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una mquina bien diseada y con una seguridad garantizada que acta de acuerdo con tres principios.

Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robtica, y son:

1.- Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inaccin, que un ser humano sufra daos. 2.- Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que estn en conflictos con la primera ley. 3.- Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que est en conflicto con las dos primeras leyes.

Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano, de sta forma su actitud contraviene a la de Kapek.

A continuacin se presenta un cronograma de los avances de la robtica desde sus inicios.

FECHADESARROLLO

SigloXVIII.A mediados del J. de Vaucanson construy varias muecas mecnicas de tamao humano que ejecutaban piezas de msica

1801J. Jaquard invento su telar, que era una mquina programable para la urdimbre

1805H. Maillardet construy una mueca mecnica capaz de hacer dibujos.

1946El inventor americano G.C Devol desarroll un dispositivo controlador que

poda registrar seales elctricas por medio magnticos y reproducirlas para

accionar un mquina mecnica. La patente estadounidense se emiti en 1952.

1951Trabajo de desarrollo con teleoperadores (manipuladores de control remoto)

para manejar materiales radiactivos. Patente de Estados Unidos emitidas para Goertz (1954) y Bergsland (1958).

1952Una mquina prototipo de control numrico fue objetivo de demostracin en el Instituto Tecnolgico de Massachusetts despus de varios aos de desarrollo.

Un lenguaje de programacin de piezas denominado APT (Automatically

Programmed Tooling) se desarroll posteriormente y se public en 1961.

1954El inventor britnico C. W. Kenward solicit su patente para diseo de robot.

Patente britnica emitida en 1957.

1954G.C. Devol desarrolla diseos para Transferencia de artculos programada.

Patente emitida en Estados Unidos para el diseo en 1961.

FECHADESARROLLO

1959Se introdujo el primer robot comercial por Planet Corporation. estaba controlado por interruptores de fin de carrera.

1960Se introdujo el primer robot Unimate, basada en la transferencia de artic.

programada de Devol. Utilizan los principios de control numrico para el

control de manipulador y era un robot de transmisin hidrulica.

1961Un robot Unimate se instal en la Ford Motors Company para atender una

mquina de fundicin de troquel.

1966Trallfa, una firma noruega, construy e instal un robot de pintura por pulverizacin.

1968Un robot mvil llamado Shakey se desarrollo en SRI (standford Research

Institute), estaba provisto de una diversidad de sensores as como una cmara de visin y sensores tctiles y poda desplazarse por el suelo.

1971El Standford Arm, un pequeo brazo de robot de accionamiento elctrico, se desarroll en la Standford University.

1973Se desarroll en SRI el primer lenguaje de programacin de robots del tipo de computadora para la investigacin con la denominacin WAVE. Fue

seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos lenguajes se desarrollaron

posteriormente en el lenguaje VAL comercial para Unimation por Vctor Scheinman y Bruce Simano.

1974ASEA introdujo el robot Irb6 de accionamiento completamente elctrico.

1974Kawasaki, bajo licencia de Unimation, instal un robot para soldadura por arco para estructuras de motocicletas.

1974Cincinnati Milacron introdujo el robot T3 con control por computadora.

1975El robot Sigma de Olivetti se utiliz en operaciones de montaje, una de las

primitivas aplicaciones de la robtica al montaje.

1976Un dispositivo de Remopte Center Compliance (RCC) para la insercin de

piezas en la lnea de montaje se desarroll en los laboratorios Charles Stark

Draper Labs en estados Unidos.

1978El robot T3 de Cincinnati Milacron se adapt y program para realizar operaciones de taladro y circulacin de materiales en componentes de aviones, bajo el patrocinio de Air Force ICAM (Integrated Computer- Aided Manufacturing).

1978Se introdujo el robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assambly) para tareas de montaje por Unimation, basndose en diseos obtenidos en un estudio de la General Motors.

1979Desarrollo del robot tipo SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic

Assambly) en la Universidad de Yamanashi en Japn para montaje. Varios robots SCARA comerciales se introdujeron hacia 1981.

1980Un sistema robtico de captacin de recipientes fue objeto de demostracin en la Universidad de Rhode Island. Con el empleo de visin de mquina

el sistema era capaz de captar piezas en orientaciones aleatorias y posiciones

fuera de un recipiente.

FECHADESARROLLO

1981Se desarroll en la Universidad de Carnegie- Mellon un robot de impulsin

directa. Utilizaba motores elctricos situados en las articulaciones del manipula dor sin las transmisiones mecnicas habituales empleadas en la mayora de los robots.

1982IBM introdujo el robot RS-1 para montaje, basado en varios aos de desarro

llo 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 tambin para programar

el robot SR-1.

1983Informe emitido por la investigacin en Westinghouse Corp. bajo el patrocinio de National Science Foundation sobre un sistema de montaje

programable adaptable (APAS), un proyecto piloto para una lnea de montaje automatizada flexible con el empleo de robots.

1984Robots 8. La operacin tpica de estos sistemas permita que se desarrollaran

programas de robots utilizando grficos interactivos en una computadora

personal y luego se cargaban en el robot.

1.2 AUTOMATIZACIN Y ROBTICA La historia de la automatizacin industrial est caracterizada por perodos de constantes innovaciones tecnolgicas. Esto se debe a que las tcnicas de automatizacin estn muy ligadas a los sucesos econmicos mundiales.

El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseo asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricacin asistidos por computadora (CAM), son la ltima tend nal y luego se cargaban en el robot.encia en automatizacin de los procesos de fabricacin. stas tecnologas conducen a la automatizacin industrial a otra transicin, de alcances an desconocidos.

Aunque el crecimiento del mercado de la industria Robtica ha sido lento en comparacin con los primeros aos de la dcada de los 80s, de acuerdo a algunas predicciones, la industria de la robtica est en su infancia. Ya sea que stas predicciones se realicen completamente, o no, es claro que la industria robtica, en una forma o en otra, permanecer.

En la actualidad el uso de los robots industriales est concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisin. La Fig. 3.1 refleja el hecho de que en los 80s las tareas relativamente simples como las mquinas de inspeccin, transferencia de materiales, pintado automotriz, y soldadura son econmicamente viables para ser robotizadas. Los anlisis de mercado en cuanto a fabricacin predicen que en sta dcada y en las posteriores los robots industriales incrementaran su campo de aplicacin, esto debido a los avances tecnolgicos en sensorica, los cuales permitirn tareas mas sofisticadas como el ensamble de materiales.

Como se ha observado la automatizacin y la robtica son dos tecnologas estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir la automatizacin como una tecnologa que est relacionada con el empleo de sistemas mecnicos-elctricos basados en computadoras para la operacin y control de la produccin. En consecuencia la robtica es una forma de automatizacin industrial.

Hay tres clases muy amplias de automatizacin industrial : automatizacin fija, automatizacin programable, y automatizacin flexible.

La automatizacin fija se utiliza cuando el volumen de produccin es muy alto, y por tanto se puede justificar econmicamente el alto costo del diseo de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de produccin elevadas. Adems de esto, otro inconveniente de la automatizacin fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado.

La automatizacin programable se emplea cuando el volumen de produccin es relativamente bajo y hay una diversidad de produccin a obtener. En este caso el equipo de produccin es diseado para adaptarse a la variaciones de configuracin del producto; sta adaptacin se realiza por medio de un programa (Software).

Por su parte la automatizacin flexible es ms adecuada para un rango de produccin medio. Estos sistemas flexibles poseen caractersticas de la automatizacin fija y de la automatizacin programada.

Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y manipulacin de materiales, controlados en su conjunto por una computadora.

De los tres tipos de automatizacin, la robtica coincide mas estrechamente con la automatizacin programable.

En tiempos ms recientes, el control numrico y la telequerica son dos tecnologas importantes en el desarrollo de la robtica. El control numrico (NC) se desarroll para mquinas herramienta a finales de los aos 40 y principios de los 50s. Como su nombre lo indica, el control numrico implica el control de acciones de un mquina-herramienta por medio de nmeros. Est basado en el trabajo original de Jhon Parsons, que concibi el empleo de tarjetas perforadas, que contienen datos de posiciones, para controlar los ejes de una mquina-herramienta.

El campo de la telequerica abarca la utilizacin de un manipulador remoto controlado por un ser humano.

A veces denominado teleoperador, el operador remoto es un dispositivo mecnico que traduce los movimientos del operador humano en movimientos correspondientes en una posicin remota. A Goertz se le acredita el desarrollo de la telequerica. En 1948 construy un mecanismo manipulador bilateral maestro-esclavo en el Argonne National Laboratory. El empleo ms frecuente de los teleoperadores se encuentra en la manipulacin de sustancias radiactivas, o peligrosas para el ser humano.

La combinacin del control numrico y la telequerica es la base que constituye al robot modelo. Hay dos individuos que merecen el reconocimiento de la confluencia de stas dos tecnologas y el personal que poda ofrecer en las aplicaciones industriales. El primero fue un inventor britnico llamado Cyril Walter Kenward, que solicit una patente britnica para un dispositivo robtico en marzo de 1954. (El esquema se muestra abajo).

La segunda persona citada es George C. Devol, inventor americano, al que debe atribuirse dos invenciones que llevaron al desarrollo de los robots hasta nuestros das. La primera invencin consista en un dispositivo para grabar magnticamente seales elctricas y reproducirlas para controlar un mquina. La segunda invencin se denominaba Transferencia de Artculos Programada.

Un robot industrial es un mquina programable de uso general que tiene algunas caractersticas antropomrficas o humanoides. Las caractersticas humanoides ms tpicas de los robots actuales es la de sus brazos mviles, los que se desplazarn por medio de secuencias de movimientos que son programados para la ejecucin de tareas de utilidad.

La definicin oficial de un robot industrial se proporciona por la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of Amrica.

" Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable diseado para desplazar materiales , piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variables programados para la ejecucin de una diversidad de tareas ".

Se espera en un futuro no muy lejano que la tecnologa en robtica se desplace en una direccin que sea capaz de proporcionar a stas mquinas capacidades ms similares a las humanas.

1.3 CLASIFICACIN DE LOS ROBOTS La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del robot dentro de las limitantes del diseo mecnico y la capacidad de los sensores. Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generacin, a su nivel de inteligencia, a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programacin. stas clasificaciones reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada interaccin de los sensores. La generacin de un robot se determina por el orden histrico de desarrollos en la robtica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales. La tercera generacin es utilizada en la industria, la cuarta se desarrolla en los laboratorios de investigacin, y la quinta generacin es un gran sueo.

1.- Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas, como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos robots comnmente tienen un control de lazo abierto.

2.- Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimientos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores.

3.- Robots controlados por visin, donde los robots pueden manipular un objeto al utilizar informacin desde un sistema de visin.

4.- Robots controlados adaptablemente, donde los robots pueden automticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos obtenidos por los sensores.

5.- Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las tcnicas de inteligencia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.

La Asociacin de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis clases sobre la base de su nivel de inteligencia:

1.- Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.

2.- Robots de secuencia arreglada.

3.- Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia fcilmente.

4.- Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a travs de la tarea.

5.- Robots de control numrico, donde el operador alimenta la programacin del movimiento, hasta que se ensee manualmente la tarea.

6.- Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el medio ambiente.

Los programas en el controlador del robot pueden ser agrupados de acuerdo al nivel de control que realizan.

1.- Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptar un comando como "levantar el producto" y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo nivel basados en un modelo estratgico de las tareas.

2.- Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo que se incluye la interaccin dinmica entre los diferentes mecanismos, trayectorias planeadas, y los puntos de asignacin seleccionados.

3.- Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parmetros de los mecanismos con el uso de una retroalimentacin interna de los datos obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de sensores externos. Todas las detecciones de fallas y mecanismos de correccin son implementadas en este nivel.

En la clasificacin final se considerara el nivel del lenguaje de programacin. La clave para una aplicacin efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programacin de robots, aunque la mayora del software ms avanzado se encuentra en los laboratorios de investigacin. Los sistemas de programacin de robots caen dentro de tres clases :

1.- Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a travs de los movimientos a ser realizados.

2.- Sistemas de programacin de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un programa de computadora al especificar el movimiento y el sensado.

3.- Sistemas de programacin de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la operacin por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula.

1.4 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 transbordador espacial.

Cada robot lleva consigo su problemtica propia y sus soluciones afines; no obstante que mucha gente considera que la automatizacin de procesos a travs de robots est en sus inicios, es un hecho innegable que la introduccin de la tecnologa robtica en la industria, ya ha causado un gran impacto. En este sentido la industria Automotriz desempea un papel preponderante.

Es necesario hacer mencin de los problemas de tipo social, econmicos e incluso poltico, que puede generar una mala orientacin de robotizacin de la industria. Se hace indispensable que la planificacin de los recursos humanos, tecnolgicos y financieros se realice de una manera inteligente.

Por el contrario la Robtica contribuir en gran medida al incremento de el empleo. Pero, como se puede hacer esto? al automatizar los procesos en mquinas ms flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma de fabricacin de los mismo.

Esto originara una gran cantidad de empresas familiares (Micro y pequeas empresas ) lo que provoca la descentralizacin de la industria.

1.4.1 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, transportacin de materiales, molienda de materiales, moldeado en la industria plstica, mquinas-herramientas, y otras ms.

A continuacin se har una breve explicacin de algunas de ellas.

1.4.1.1 APLICACIN DE TRANSFERENCIA DE MATERIAL Las aplicaciones de transferencia de material se definen como operaciones en las cuales el objetivo primario es mover una pieza de una posicin a otra. Se suelen considerar entre las operaciones ms sencillas o directas de realizar por los robots. Las aplicaciones normalmente necesitan un robot poco sofisticado, y los requisitos de enclavamiento con otros equipos son tpicamente simples.

1.4.1.2 CARGA Y DESCARGA DE MAQUINAS. Estas aplicaciones son de manejos de material en las que el robot se utiliza para servir a una mquina de produccin transfiriendo piezas a/o desde las mquinas. Existen tres casos que caen dentro de sta categora de aplicacin:

Carga/Descarga de Mquinas. El robot carga una pieza de trabajo en bruto en el proceso y descarga una pieza acabada. Una operacin de mecanizado es un ejemplo de este caso.

Carga de mquinas. El robot debe de cargar la pieza de trabajo en bruto a los materiales en las mquinas, pero la pieza se extrae mediante algn otro medio. En una operacin de prensado, el robot se puede programar para cargar lminas de metal en la prensa, pero las piezas acabadas se permite que caigan fuera de la prensa por gravedad.

Descarga de mquinas. La mquina produce piezas acabadas a partir de materiales en bruto que se cargan directamente en la mquina sin la ayuda de robots. El robot descarga la pieza de la mquina. Ejemplos de sta categora incluyen aplicaciones de fundicin de troquel y moldeado plstico.

La aplicacin se tipifica mejor mediante una clula de trabajo con el robot en el centro que consta de la mquina de produccin, el robot y alguna forma de entrega de piezas.

1.4.1.3 OPERACIONES DE PROCESAMIENTO. Adems de las aplicaciones de manejo de piezas, existe una gran clase de aplicaciones en las cuales el robot realmente efecta trabajos sobre piezas. Este trabajo casi siempre necesita que el efector final del robot sea una herramienta en lugar de una pinza.

Por tanto la utilizacin de una herramienta para efectuar el trabajo es una caracterstica distinta de este grupo de aplicaciones. El tipo de herramienta depende de la operacin de procesamiento que se realiza.

Soldadura por puntos. Como el trmino lo sugiere, la soldadura por puntos es un proceso en el que dos piezas de metal se soldan en puntos localizados al hacer pasar una gran corriente elctrica a travs de las piezas donde se efecta la soldadura.

Soldadura por arco continua. La soldadura por arco es un proceso de soldadura continua en oposicin a la soldadura por punto que podra llamarse un proceso discontinuo. La soldadura de arco continua se utiliza para obtener uniones largas o grandes uniones soldadas en las cuales, a menudo, se necesita una cierre hermtico entre las dos piezas de metal que se van a unir. El proceso utiliza un electrodo en forma de barra o alambre de metal para suministrar la alta corriente elctrica de 100 a 300 amperes.

Recubrimiento con spray La mayora de los productos fabricados de materiales metlicos requieren de alguna forma de acabado de pintura antes de la entrega al cliente. La tecnologa para aplicar estos acabados varia en la complejidad desde mtodos manuales simples a tcnicas automticas altamente sofisticadas. Se dividen los mtodos de recubrimiento industrial en dos categoras:

1.- Mtodos de recubrimiento de flujo e inmersin.

2.- Mtodos de recubrimiento al spray.

Los mtodos de recubrimiento mediante flujo de inmersin se suelen considerar que son mtodos de aplicar pintura al producto de baja tecnologa. La inmersin simplemente requiere sumergir la pieza o producto en un tanque de pintura liquida.

1.4.1.4 OTRAS OPERACIONES DE PROCESO. Adems de la soldadura por punto, la soldadura por arco, y el recubrimiento al spray existe una serie de otras aplicaciones de robots que utilizan alguna forma de herramienta especializada como efector final. Operaciones que estn en sta categora incluyen:

Taladro, acanalado, y otras aplicaciones de mecanizado. Rectificado, pulido, desbarbado, cepillado y operaciones similares. Remachado, Corte por chorro de agua. Taladro y corte por lser.

1.4.2 LABORATORIOS. Los robots estn encontrando un gran nmero de aplicaciones en los laboratorios. Llevan acabo con efectividad tareas repetitivas como la colocacin de tubos de pruebas dentro de los instrumentos de medicin. En sta etapa de su desarrollo los robots son utilizados para realizar procedimientos manuales automatizados. Un tpico sistema de preparacin de muestras consiste de un robot y una estacin de laboratorio, la cual contiene balanzas, dispensarios, centrifugados, racks de tubos de pruebas, etc.

Las muestras son movidas desde la estacin de laboratorios por el robot bajo el control de procedimientos de un programa.

Los fabricantes de estos sistemas mencionan tener tres ventajas sobre la operacin manual: incrementan la productividad, mejoran el control de calidad y reducen la exposicin del ser humano a sustancias qumicas nocivas.

Las aplicaciones subsecuentes incluyen la medicin del pH, viscosidad, y el porcentaje de slidos en polmeros, preparacin de plasma humano para muestras para ser examinadas, calor, flujo, peso y disolucin de muestras para presentaciones espectromticas.

1.4.3 MANIPULADORES CINEMATICOS La tecnologa robtica encontr su primer aplicacin en la industria nuclear con el desarrollo de teleoperadores para manejar material radiactivo. Los robots ms recientes han sido utilizados para soldar a control remoto y la inspeccin de tuberas en reas de alta radiacin. El accidente en la planta nuclear de Three Mile Island en Pennsylvania en 1979 estimul el desarrollo y aplicacin de los robots en la industria nuclear. El reactor numero 2 (TMI-2) predio su enfriamiento, y provoc la destruccin de la mayora del reactor, y dejo grandes reas del reactor contaminadas, inaccesible para el ser humano. Debido a los altos niveles de radiacin las tareas de limpieza solo eran posibles por medios remotos. Varios robots y vehculos controlados remotamente han sido utilizados para tal fin en los lugares donde ha ocurrido una catstrofe de este tipo. sta clase de robots son equipados en su mayora con sofisticados equipos para detectar niveles de radiacin, cmaras, e incluso llegan a traer a bordo un minilaboratorio para hacer pruebas.

1.4.4 AGRICULTURA. Para muchos la idea de tener un robot agricultor es ciencia ficcin, pero la realidad es muy diferente; o al menos as parece ser para el Instituto de Investigacin 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 mquina que esquila a la ovejas. La trayectoria del cortador sobre el cuerpo de las ovejas se planea con un modelo geomtrico de la oveja.

Para compensar el tamao entre la oveja real y el modelo, se tiene un conjunto de sensores que registran la informacin de la respiracin del animal como de su mismo tamao, sta 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 coordinacin entre una cmara de vdeo 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 viedos, como en la pizca de la manzana.

1.4.5 ESPACIO La exploracin espacial posee problemas especiales para el uso de robots. El medio ambiente es hostil para el ser humano, quien requiere un equipo de proteccin muy costoso tanto en la Tierra como en el Espacio. Muchos cientficos han hecho la sugerencia de que es necesario el uso de Robots para continuar con los avances en la exploracin espacial; pero como todava no se llega a un grado de automatizacin tan precisa para sta aplicacin, el ser humano an no ha podido ser reemplazado por estos. Por su parte, son los teleoperadores los que han encontrado aplicacin en los transbordadores espaciales.

En Marzo de 1982 el transbordador Columbia fue el primero en utilizar este tipo de robots, aunque el ser humano participa en la realizacin del control de lazo cerrado.

Algunas investigaciones estn encaminadas al diseo, construccin y control de vehculos autnomos, los cuales llevarn a bordo complejos laboratorios y cmaras muy sofisticadas para la exploracin de otros planetas.

En Noviembre de 1970 los Rusos consiguieron el alunizaje del Lunokhod 1, el cual posea cmaras de televisin, sensores y un pequeo laboratorio, era controlado remotamente desde la tierra.

En Julio de 1976, los Norteamericanos aterrizaron en Marte el Viking 1, llevaba abordo un brazo robotizado, el cual recoga muestras de piedra, tierra y otros elementos las cuales eran analizados en el laboratorio que fue acondicionado en el interior del robot. Por supuesto tambin contaba con un equipo muy sofisticado de cmaras de vdeo.

1.4.6 VEHCULOS SUBMARINOS Dos eventos durante el verano de 1985 provocaron el incremento por el inters de los vehculos submarinos. En el primero - Un avin de la Air Indian se estrell en el Ocano Atlntico cerca de las costas de Irlanda - un vehculo submarino guiado remotamente, normalmente utilizado para el tendido de cable, fue utilizado para encontrar y recobrar la caja negra del avin. El segundo fue el descubrimiento del Titanic en el fondo de un can, donde haba permanecido despus del choque con un iceberg en 1912, cuatro kilmetros abajo de la superficie. Un vehculo submarino fue utilizado para encontrar, explorar y filmar el hallazgo.

En la actualidad muchos de estos vehculos submarinos se utilizan en la inspeccin y mantenimiento de tuberas que conducen petrleo, gas o aceite en las plataformas ocenicas; en el tendido e inspeccin del cableado para comunicaciones, para investigaciones geolgicas y geofsicas en el suelo marino.

La tendencia hacia el estudio e investigacin de este tipo de robots se incrementar a medida que la industria se interese an ms en la utilizacin de los robots, sobra mencionar los beneficios que se obtendran si se consigue una tecnologa segura para la exploracin del suelo marino y la explotacin del mismo.

1.4.7 EDUCACIN Los robots estn apareciendo en los salones de clases de tres distintas formas. Primero, los programas educacionales utilizan la simulacin de control de robots como un medio de enseanza. Un ejemplo palpable es la utilizacin del lenguaje de programacin del robot Karel, el cual es un subconjunto de Pascal; este es utilizado por la introduccin a la enseanza de la programacin.

El segundo y de uso ms comn es el uso del robot tortuga en conjuncin con el lenguaje LOGO para ensear ciencias computacionales. LOGO fue creado con la intencin de proporcionar al estudiante un medio natural y divertido en el aprendizaje de las matemticas.

En tercer lugar est el uso de los robots en los salones de clases. Una serie de manipuladores de bajo costo, robots mviles, y sistemas completos han sido desarrollados para su utilizacin en los laboratorios educacionales. Debido a su bajo costo muchos de estos sistemas no poseen una fiabilidad en su sistema mecnico, tienen poca exactitud, no existen los sensores y en su mayora carecen de software.

1.5 EL MERCADO DE LA ROBTICA Y LAS PERSPECTIVAS FUTURAS Las ventas anuales para robots industriales han ido creciendo en Estados Unidos a razn del 25% de acuerdo a estadsticas del ao 1981 a 1992. El incremento de sta tasa se debe a factores muy diversos. En primer lugar, hay ms personas en la industria que tienen conocimiento de la tecnologa y de su potencial para sus aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnologa de la robtica mejorar en los prximos aos de manera que har a los robots ms amistosos con el usuario, ms fciles de interconectar con otro hardware y ms sencillos de instalar.

En tercer lugar, que crece el mercado, son previsibles economas de escala en la produccin de robots para proporcionar una reduccin en el precio unitario, lo que hara los proyectos de aplicaciones de robots ms fciles de justificar. En cuarto lugar se espera que el mercado de la robtica sufra una expansin ms all de las grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para sta tecnologa, y llegue a las empresas de tamao mediano, pequeo y por que no; las microempresas. Estas circunstancias darn un notable incremento en las bases de clientes para los robots.

La robtica es una tecnologa con futuro y tambin para el futuro. Si continan las tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigacin en el laboratorio actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnologa factible, los robots del futuro sern unidades mviles con uno o ms brazos, capacidades de sensores mltiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de clculo que las grandes computadoras actuales. Sern capaces de responder a ordenes dadas con voz humana. As mismo sern capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas, con el uso de la inteligencia artificial en un conjunto especfico de acciones requeridas para llevarlas a cabo. Podrn ver, or, palpar, aplicar una fuerza media con precisin a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros robots tendran muchos de los atributos de los seres humanos. Es difcil pensar que los robots llegarn a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de Carel Kapek, Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robtica es una tecnologa que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo, como otras tecnologas, hay peligros potenciales implicados y deben establecerse salvaguardas para no permitir su uso pernicioso.

El paso del presente al futuro exigir mucho trabajo de ingeniera mecnica, ingeniera electrnica, informtica, ingeniera industrial, tecnologa de materiales, ingenieras de sistemas de fabricacin y ciencias sociales.

2.1 INTRODUCCIN La Sociedad actual se encuentra inmersa en una Revolucin Tecnolgica, producto de la invencin del transistor semiconductor en 1951 ( fecha en la que sali al mercado ). Este acontecimiento ha provocado cambios trascendentales as como radicales en los mbitos sociales, econmicos, y polticos del orbe mundial.

sta Revolucin da origen a un gran nmero de ciencias multidiciplinarias; este es el caso de la Robtica. La Robtica es una ciencia que surge a finales de la dcada de los 50s, y que a pesar de ser una ciencia relativamente nueva, ha demostrado ser un importante motor para el avance tecnolgico en todos los mbitos ( Industria de manufactura, ciencia, medicina, industria espacial; etc.), lo que genera expectativas muy interesantes para un tiempo no muy lejano.

Sin embargo es en la Industria de Manufactura donde la Robtica encuentra un campo de aplicacin muy amplio, su funcin es la de suplir la mano de obra del Hombre en aquellos trabajos en los que las condiciones no son las ptimas para este ( minas, plantas nucleares, el fondo del mar; etc.), en trabajos muy repetitivos y en inumerables acciones de trabajo.

Debido al alto costo que representa el automatizar y robotizar un proceso de produccin, la tendencia actual en Robtica es la investigacin de microrobots y robots mviles autnomos con un cierto grado de inteligencia, este ltimo es el campo en el que se basa este proyecto de investigacin.

Por lo anteriormente expuesto se explica la necesidad y la importancia de que Institutos de Investigacin, Centros Tecnolgicos, la Industria Privada en coordinacin con las Universidades se den a la tarea de destinar recursos tanto econmicos y humanos para aliviar el rezago tecnolgico que el pas padece.

Cabe hacer mencin que este proyecto fue financiado por el Centro de Investigacin y Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV).

2.2 QUE ES UN ROBOT ? n robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticacin, depende de la perspectiva con que se mire. Un tcnico en mantenimiento puede ver un robot como una coleccin de componentes mecnicos y electrnicos; por su parte un ingeniero en sistemas puede pensar que un robot es una coleccin de subsistemas interrelacionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una mquina ha ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una mquina capaz de realizar un tarea especfica. En contraste, un cientfico puede pensar que un robot es un mecanismo el cul l construye para probar una hiptesis.

Un robot puede ser descompuesto en un conjunto de subsistemas funcionales (Fig. 2.1) : procesos, planeacin, control, sensores, sistemas elctricos, y sistemas mecnicos. El subsistema de Software no tiene referencia dentro de la Fig. 2.1 porque es una parte implcita de los subsistemas de sensores, planeacin, y control; que integra todos los subsistemas como un todo.

Figura 2.1. Subsistemas del Robot.En la actualidad, muchas de las funciones llevadas acabo por los subsistemas son realizadas manualmente, o de una forma off-line, pero en un futuro las investigaciones en estos campos permitirn la automatizacin de dichas tareas.

El Subsistema de Procesos incluye las tareas que lleva acabo el robot, el medio ambiente en el cual es colocado, y la interaccin entre este y el robot. Este es el dominio de la ingeniera aplicada. Antes de que un robot pueda realizar una tarea, sta debe ser buscada dentro de una secuencia de pasos que el robot pueda ejecutar. La tarea de bsqueda es llevada acabo por el Subsistema de Planeacin, el cul incluye los modelos de procesos inteligentes, percepcin y planeacin. En el modelo de procesos, los datos que se obtienen de una variedad de sensores son fusionados (Integracin Sensorial) con modelos matemticos de las tareas para formar un modelo del mundo. Al usar este modelo de mundo, el proceso de percepcin selecciona la estrategia para ejecutar la tarea. Estas estrategias son convertidas dentro de los programas de control de el robot durante el proceso de planeacin.

Estos programas son ejecutados por el Subsistema de Control; en este subsistema, los comandos de alto nivel son convertidos en referencias para actuadores fsicos, los valores retroalimentados son comparados contra estas referencias, y los algoritmos de control estabilizan el movimiento de los elementos fsicos.

Al realizar sta tarea los mecanismos son modelados, el proceso es modelado, la ganancia de lazo cerrado puede ser adaptada, y los valores medidos son utilizados para actualizar los procesos y los modelos de los mecanismos.

Desde el subsistema de control se alimentan las referencias de los actuadores al Subsistema Elctrico el cul incluye todos los controles elctricos de los actuadores. Los actuadores hidrulicos y neumticos son usualmente manejados por electrovlvulas controladas. Tambin, este subsistema contiene computadoras, interfaces, y fuentes de alimentacin. Los actuadores manejan los mecanismos en el Subsistema Mecnico para operar en el medio ambiente, esto es, realizar una tarea determinada. Los parmetros dentro del robot y del medio ambiente son monitoreados por el Subsistema de Sensores; sta informacin sensrica se utiliza como retroalimentacin en las ganancias de lazo cerrado para detectar potencialmente las situaciones peligrosas, para verificar que las tareas se realizan correctamente, y para construir un modelo del mundo.

2.3 VEHCULOS La mayora de los robots usan ya sea ruedas o extremidades para moverse. Estas son usualmente montadas sobre una base para formar un vehculo, tambin se montan sobre sta base, el equipo y los accesorios que realizan otras funciones. Los robots ms verstiles son los robots "serpentina"; llamados as por que su locomocin se inspira en el movimiento de las serpientes; se pueden utilizar en terrenos subterrneos y de espacios reducidos, donde el hombre no tiene acceso y el medio ambiente no es el ms propicio, como en las minas, tneles y ductos.

Algunos robots mviles tienen brazos manipuladores, esto es debido a sus funciones, y por otro lado la problemtica de carecer de brazos idneos; que tienen que ser pequeos, fuertes, eficientes y baratos. Un problema al cul se enfrentan los diseadores de robots, es la generacin y almacenado de la energa; los cordones restringen el movimiento pero proveen energa ilimitada.

En contraste los robots con libre movimiento son limitados por su cantidad de energa que puedan almacenar y requieren de comunicacin inalmbrica.

En la medida que los robots sean ms sofisticados, sern utilizados en un mayor nmero de aplicaciones, muchas de las cules requieren movilidad. En algunas aplicaciones industriales, la necesidad de movilidad es eliminada por la construccin de clulas de trabajo alrededor del robot, de sta manera un robot fijo puede dar servicio a varias mquinas. En estos sistemas de manufactura flexible (SMF) las partes son llevadas de una clula de trabajo a otra por vehculos autmatas. En ocasiones para limitar el movimiento del robot se monta sobre rieles para as llegar hasta las clulas de trabajo con menos complicaciones.

La movilidad es usualmente llevada acabo mediante ruedas, rieles extremidades. Los robots con extremidades pueden andar en terrenos ms rugosos que los robot con rodado, pero el problema de control es ms complejo. Los robots pueden alcanzar movilidad volando. Algunos se deslizan ligeramente sobre al tierra sobre conductos de aire; otros usan levitacin magntica, para lo que se requieren superficies especialmente preparadas.

Los robots diseados para usos en el espacio exterior no son afectados por la gravedad; se elimina el problema de levitacin, pero se incrementa el problema del control y la estabilidad.

2.4 VEHCULOS DE RODADO Mientras la gente y la mayora de los animales se desplaza sobre extremidades, la mayora de las mquinas mviles utilizan ruedas. La ruedas son ms simples de controlar, tienen pocos problemas de estabilidad, usan menos energa por unidad de distancia de movimiento y son ms veloces que las extremidades. La estabilidad se mantiene al fijar el centro de gravedad de el vehculo en triangulacin de los puntos que tocan tierra. Sin embargo, las ruedas solamente pueden utilizarse sobre terrenos relativamente lisos y slidos. Si se quiere utilizar el robot en terrenos rugosos las ruedas tienen que tener un tamao mayor que los obstculos encontrados.

El arreglo ms familiar para las ruedas de un vehculo es el utilizado por los automviles. Cuatro ruedas son colocadas en las esquinas de un rectngulo. La mayora de estos vehculos tiene maniobrabilidad limitada debido a que tienen que avanzar para poder dar vuelta. Tambin se requiere de un sistema de suspensin para asegurar que las ruedas estn en contacto con la superficie durante todo el tiempo. Cuando el robot se desplaza en lnea recta las cuatro ruedas tienen que girar a la misma velocidad, en cambio al momento de dar vuelta las ruedas interiores giran ms lento que las ruedas exteriores.

En un robot mvil, estos requerimientos son alcanzados por un buen diseo mecnico y mediante el control de la velocidad de las ruedas de direccin independiente. Sin embargo las imprecisiones que se presentan para alcanzar una trayectoria definida son causadas por factores mecnicos, deslizamiento de las ruedas, dobleces en los ejes de direccin, y desalineamiento de las ruedas.

2.5 EN QUE CONSISTE EL PROYECTO QUETZALCATL

2.5.1 OBJETIVOS

1. Construir el prototipo de un Robot Mvil Autnomo para propsitos didcticos y/o para prueba y verificacin de algoritmos de control. Y dejar, con este proyecto de investigacin, las bases para prximas mejoras en la optimizacin del prototipo.

2. Crear nuevos investigadores que cuenten con experiencia y habilidad en el desarrollo de investigaciones y realizacin de proyectos de este tipo.

3. Motivar y crear bases para el desarrollo de ms proyectos didcticos y/o aplicados a la industria.

4. Crear vnculos con otras instituciones de enseanza superior en el Estado con la Universidad de Guadalajara.

2.5.2 METODOLOGA DEL DISEO El proyecto consta bsicamente de cuatro etapas; Etapa de Investigacin, Etapa de Sntesis Informativa, Etapa de Diseo y Construccin, Etapa de pruebas, calibracin y control.

A).- Etapa de Investigacin. a) Adquisicin de Bibliografa.

b) Bsqueda de las fuentes de informacin especficas de aquellos elementos que constituyen el prototipo.

c) Investigacin de las variables que intervienen en el proceso de control del prototipo.

d) Adquisicin y estudio del software para el desarrollo e implementacin de los algoritmos de control.

B).- Etapa de Sntesis de la Informacin. sta etapa se basa en la etapa anterior y da como resultado una serie de elementos que son necesarios para el desarrollo de las siguientes etapas de el proyecto.

C).- Etapa de Diseo y Construccin. En sta etapa se aplica toda la informacin que se recaba y consulta, y que el diseo del prototipo requiere para el cumplimiento de los objetivos planteados anteriormente. En base a estos lineamientos se construyen las piezas que conforman el prototipo, con el material y componentes adecuados.

D).- Etapa de Pruebas, Calibracin y Control. sta es la etapa final, se adoptan las medidas necesarias para alcanzar los objetivos planteados. Se aplican los algoritmos de control y se prueban hasta conseguir el resultado esperado.

2.6 DESCRIPCIN DEL PROYECTO El sistema propuesto consta de :

Un Robot Mvil Autnomo. Se encuentra formado por 2 mdulos unidos entre s mediante una unin mecnica, la locomocin del prototipo se realiza por medio de dos ruedas en cada eslabn, en donde cada una de las que son parte de el primer eslabn cuenta con un actuador ( motorreductor de DC ).

Los servosistemas se componen de un Driver tipo Chopper con control en lazo cerrado de velocidad, para cada actuador en forma independiente.

La alimentacin del Robot se realiza mediante mdulos de bateras de 12 V y los voltajes se adaptan por medio de convertidores DC-DC.

La informacin del entorno donde se mueve el Robot se recaba mediante sensores ultrasnicos, los cuales cuentan con una tarjeta de interfaz, la cual pasa dicha informacin al Cerebro del Robot.

Debido a la complejidad del proyecto, este se descompone en un conjunto de subsistemas que son:

- Subsistema Mecnico. Este subsistema incluye los eslabones, las uniones mecnicas y el mdulo que contiene a todo el sistema que permite que las ruedas giren ( ruedas, ejes, coples, baleros).

- Subsistema Elctrico Este subsistema incluye los servosistemas ( Drivers ), las interfaces entre los sensores, los drivers y la computadora, as como las fuentes de alimentacin.

-Subsistemas de Sensores sta incluye los sensores de velocidad de tipo incremental, y sensores ultrasnicos para la exploracin del medio ambiente.

- Subsistemas de Procesos, Planeacin y Control En este subsistema se encuentran el control de los motores y todas las tareas que realiza el prototipo interiormente y exteriormente al interactuar con el medio ambiente.

Para llevar a cabo lo anterior se expande el bus ISA de la tarjeta madre, con lo que se logra optimar las tareas de procesamiento.

3.1 SUBSISTEMAS DE POTENCIA.

3.1.1 Introduccin. Recientemente la electrnica de potencia a emergido como una disciplina importante de la ingeniera elctrica. Su uso a crecido extensivamente en aplicaciones como control de iluminacin, calentadores, fuentes de poder de AC y DC, procesos electroqumicos, controladores de mquinas, soldadoras elctricas. sta disciplina de la ingeniera elctrica cumple con un funcin muy importante como enlace entre las otras disciplinas de la ingeniera elctrica. sta funcin se ilustra en la figura 3.1.

Figura 3.1 Funcin de la Electrnica de PotenciaEl rea de Sistemas de Potencia trata con equipo rotatorio y esttico para la generacin, transmisin y distribucin de grandes cantidades de potencia elctrica. El rea de Control trata con el estudio de la estabilidad y respuestas de los sistemas de lazo cerrado. El rea de la Electrnica trata principalmente con dispositivos y circuitos para el procesamiento de informacin. La electrnica de potencia se ocupa del uso eficiente de componentes electrnicos, de la aplicacin de teora de circuitos y tecnologas de diseo y del desarrollo de herramientas analticas para la conversin electrnica eficiente, para el control y acondicionamiento de la potencia elctrica[1].

Actualmente la electrnica de potencia parece estar dividida en las siguientes dos direcciones:

Electrnica de baja potencia y alta frecuencia. (fuentes de poder conmutadas).

Electrnica de potencia moderada-alta. (control de motores).

Uno de los aspectos importantes de las aplicaciones de la electrnica de potencia es el ahorro de energa y control de la contaminacin urbana, mediante el uso eficiente de la electricidad, lo que ayuda a reducir el consumo de potencia. Por ejemplo, los controladores de motores de velocidad ajustable.

3.1.2 Clasificacin de los convertidores electrnicos de potencia. A los circuitos de electrnica de potencia se les llama convertidores. Frecuentemente la potencia distribuida por las compaas de electricidad necesita ser controlada con precisin. Los convertidores electrnicos de potencia son usados para cambiar los parmetros de la energa elctrica.

La funcin general de un convertidor se ilustra en la figura 3.2.

Figura 3.2 Esquema generalizado de un convertidor electrnico de potenciaUn convertidor electrnico de potencia est constituido en base a una matriz de dispositivos semiconductores los cuales trabajan en conmutacin, la cual trabaja bajo el comando de la electrnica de control. Los convertidores pueden ser clasificados como rectificadores (convertidores de CA a CD), inversores (convertidores de CD a CA), recortadores (convertidores de CD a CD), controladores de potencia de CA ( a la misma frecuencia), y cicloconvertidores ( modificador de frecuencia en forma directa). A menudo, un sistema de conversin es del tipo hbrido, el cual mezcla ms de un proceso de conversin bsico. La figura 3.3 muestra el esquema bsico que se utiliza para llevar a cabo estos procesos de conversin.

Figura 3.3 Esquema bsico de conversin de energaLa motivacin para utilizar tcnicas de conmutacin es que, con este mtodo, la eficiencia de la conversin es incrementada a un valor alto, con respecto a la eficiencia obtenida con tcnicas que utilizan los dispositivos en el modo de operacin lineal. En sistemas electrnicos lineales, los dispositivos semiconductores son usados en sus regiones de operacin lineal en donde actan como resistencias ajustables. En estas aplicaciones, los semiconductores tienen una baja eficiencia, tolerada nicamente porque los niveles de potencia son usualmente bajos. En aplicaciones de electrnica de potencia, los dispositivos semiconductores operan como interruptores. Esto da como resultado una mayor eficiencia de energa. Una desventaja de la conmutacin es la generacin de armnicos en las lneas de carga y alimentacin.

En la electrnica de potencia moderna hay esencialmente dos tipos de elementos semiconductores: los semiconductores de potencia, que pueden ser definidos como el msculo del equipo, y los circuitos integrados microelectrnicos de control, los cuales pueden ser considerados como el cerebro. Ambos son de naturaleza digital, pero los primeros manejan grandes potencias. Los sistemas de potencia actuales integran estos dos extremos de la electrnica, lo cual proporciona grandes ventajas en tamao, costo y funcionamiento de los sistemas.

Quetzalcatl cuenta con sistemas de potencia los cuales se encargan de suministrar el voltaje necesario para que los motorreductores giren a la velocidad requerida y de suministrar voltajes a la Tarjeta Madre. Estos sistemas son del tipo Convertidores DC-DC.

3.1.3 Dispositivos Semiconductores de Potencia. Los dispositivos semiconductores de potencia son los elementos ms importantes de un sistema electrnico de potencia. Bsicamente, son interruptores apagado-encendido. Es necesario conocer ampliamente los dispositivos para un diseo eficiente[1].

3.1.3.1 Transistor de potencia (BJT o BPT)

El transistor de unin bipolar (BJT), en su versin de potencia es usado ampliamente como un dispositivo de conmutacin, tiene caractersticas que se aproximan a un switch ideal. Los estados de corte y saturacin son regiones de operacin primarias; estos dos estados corresponden al estado cerrado y abierto de un switch ideal.

Modelo de el estado de encendido En la regin de conduccin, el transistor est ya sea en estado de saturacin o en estado de quasi-saturacin. La transicin de la regin lineal a el estado de saturacin no es abrupta, existe una regin de quasi-saturacin, en la cual VCE decrece con el incremento de corriente de base, y en sta no es vlido el concepto de ganancia de corriente.

Para un valor dado de corriente de colector en la regin de saturacin, el valor de VCE es casi independiente de la corriente de base, en la regin de quasi-saturacin, el valor de VCE es pequeo y en funcin de la corriente de base.

La distincin entre estas dos regiones no es precisa, y conforme la corriente de base sea variada existe un cambio gradual de una condicin a la otra. La distincin es importante por el efecto de las prdidas del transistor y la velocidad de conmutacin.

Para el propsito de operacin dentro o cerca de la regin de saturacin, la ganancia forzada es definida en la ecuacin (3-1):

Ganancia forzada =F = IC / IB (3-1)

En dicha saturacin, la corriente de colector est determinada casi por completo por el circuito externo y solo en un grado muy pequeo por la corriente de base. Mientras ms bajo sea el valor de la ganancia forzada, el transistor opera ms profundamente dentro de la regin de saturacin y es menor el valor de VCE. Para alcanzar la regin de saturacin, se requiere de un valor relativamente grande de corriente de base, de ah que la ganancia forzada de corriente sea normalmente pequea y en el rango de 3 a 10.

La ganancia de corriente varia ampliamente con la corriente de colector y la temperatura en los transistores de potencia . El dispositivo tiene capacidades asimtricas de bloqueo de voltaje, de sta manera es aplicable para convertidores DC-DC e inversores.

Modelo del estado de apagado En muchas situaciones, el estado de apagado de un BJT equivale aproximadamente a un circuito abierto. Pero existe una pequea corriente de colector casi independiente del VCE pero altamente dependiente de la temperatura de la unin. Que este transistor constituya una aproximacin suficientemente cercana a un circuito abierto de un conmutador ideal, depende de los requerimientos especficos del diseo.

rea de Operacin Segura Hay lmites sobre el punto de operacin identificados por un rea de operacin segura (SOA). Uno de estos es el rea de operacin segura bajo polarizacin directa (FBSOA). Este requerimiento resulta de la necesidad de evitar una condicin conocida como "segundo rompimiento", o un calentamiento de la unin de base-colector, lo que da por resultado, una distribucin no uniforme de la corriente de colector a travs de la seccin transversal del transistor. Valores muy grandes de VCE pueden causar una interrupcin inmediata del transistor. Los fabricantes de transistores de alto voltaje publican curvas de FBSOA, que establecen las especificaciones idneas para una buena operacin. Hay, de hecho, varias curvas que dependen de la duracin de la corriente de colector a un valor dado de VCE.

Otra restriccin que es importante es el rea segura de operacin bajo polarizacin inversa (RBSOA). Estos lmites se aplican durante la transicin al estado de apagado cuando se aplica polarizacin inversa a la unin base-emisor y la corriente de colector an no a decado hasta cero. El diseador debe asegurarse que el transistor permanezca dentro de estos lmites, en muchas ocasiones se tiene que aadir componentes auxiliares al circuito y con un diseo adecuado del circuito en la base. Estos circuitos auxiliares son denominados redes "snubber".

Requerimientos Dinmicos de la Corriente de Base La corriente de base ideal para un BJT es mostrada en la figura 3.4. Un valor positivo de corriente de valor IB1 es requerido para encender el transistor y alcanzar el nivel de saturacin deseado. Para apagar el transistor transcurrido un tiempo, es usual invertir la corriente de base por un corto intervalo. La corriente inversa de magnitud IB2 causa que el transistor se apague ms rpidamente que si solamente se reduce la corriente a cero.

Figura 3.4 Corriente de base ideal para un BJTUn valor grande de IB1 reduce el tiempo requerido para que la corriente de colector cambie de su valor inicial a su valor final. El valor del voltaje colector-emisor de saturacin tambin decrece. As, el dispositivo opera en una condicin ms saturada con menores prdidas de potencia. El efecto no deseado es que el transistor requiere un tiempo mayor para apagarse. En particular aumenta el tiempo de almacenamiento. El tiempo de almacenamiento est definido como el intervalo, despus de aplicar la corriente de base inversa, durante el cual la corriente permanece prcticamente constante. De aqu que se requiere un diseo adecuado que mantenga un buen equilibrio entre el tiempo de almacenamiento y el incremento de potencia requerida para manejar la base del transistor.

3.1.3.2 MOSFET de Potencia El surgimiento de los MOSFETs de potencia en aos anteriores han causado el desplazamiento del BJT en algunas aplicaciones. En situaciones en las cuales son requeridas altas frecuencias de conmutacin, el MOSFET podr tener menos prdidas de potencia que el correspondiente BJT, aunque sus prdidas por conduccin sean mayores. Adems el MOSFET no est sujeto al efecto del segundo rompimiento que es de seria preocupacin para el BJT.

Modelado del MOSFET Las caractersticas estticas de el MOSFET de potencia son similares a las de el de pequea seal, excepto por el incremento en los valores de corriente y voltaje asociados con el dispositivo de potencia.

El valor de VDS est relacionado a iD por un valor de resistencia, RDS(ON), el cual es casi constante. sta regin de conduccin corresponde a la regin de saturacin de el transistor de unin bipolar:

VDS(ON) = RDS(ON) iD (3-2)

En cualquier estado de encendido o apagado, la terminal gatillo requiere esencialmente corriente cero. Existe un aislamiento entre la terminal de gatillo y el resto del MOSFET, lo que da como resultado una capacitancia de entrada no lineal. El MOSFET no es un conmutador ideal, pero se asemeja lo suficientemente para ser muy til en dispositivos prcticos. El MOSFET tiene ms velocidad en la transicin de los dos estados que el transistor de unin bipolar y esto lo hace ms til en altas frecuencias de conmutacin.

apacitancia en el MOSFET Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET. stas son Cgs entre el gatillo y la fuente y Cgd entre el gatillo y el drenador. Cada valor de capacitancia es una funcin no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variacin pequea, pero en Cgd, cuando DG haya pasado a travs de cero, es muy significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es requerida en el gatillo que es necesaria para estabilizar una condicin dada de operacin.

Encendido En la mayora de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rpido como sea posible para minimizar las prdidas por conmutacin. Para lograrlo, el circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rpidamente el voltaje de gatillo al valor requerido.

Apagado Para apagar el MOSFET, el voltaje gatillo-fuente debe reducirse en accin inversa como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los arreglos del circuito externo.

rea segura de operacin El rea segura de operacin de el MOSFET est limitada por tres variables que forman los lmites de una operacin aceptable. Estos lmites son:

1. Corriente mxima pulsante de drenador 2. Voltaje mximo drenador-fuente 3. Temperatura mxima de unin.

Prdidas del MOSFET Las prdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la seleccin de un dispositivo de conmutacin. La eleccin no es sencilla, pues no puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores prdidas que un BJT en un valor especfico de corriente. Las prdidas por conmutacin en el encendido y apagado juegan un papel ms importante en la seleccin. La frecuencia de conmutacin es tambin muy importante.

Durante la conduccin constante de la corriente de drenador, las prdidas de el MOSFET son calculadas fcilmente mediante la ecuacin (ID)2RDS(ON). Las prdidas de energa durante el encendido y el apagado no son encontradas tan fcil, de echo, dependen de las condiciones del circuito de drenador y fuente.

Un punto a considerar acerca de las prdidas es el incremento relativamente pequeo en las prdidas totales cuando la frecuencia de conmutacin se incrementa. En muchos casos, el MOSFET est en desventaja con el BJT a bajas frecuencias de conmutacin. Esto resulta de las prdidas altas en el estado de encendido del MOSFET.

Cuando la frecuencia de conmutacin va en aumento, las prdidas de el BJT se incrementan ms de lo que se incrementan las prdidas por conmutacin del MOSFET. En alguna frecuencia, las dos prdidas llegan a ser iguales, y para una frecuencia mayor el MOSFET tendr perdidas totales menores que el BJT.

Inductancia de la fuente La inductancia de la fuente puede causar efectos apreciables sobre el tiempo requerido para cambiar la corriente de drenador. Un anlisis simple puede hacerse para calcular el tiempo, si se hace una suposicin; que la corriente de gatillo puede ser despreciada en comparacin a la corriente del drenador durante el perodo en el cual la corriente de drenador cambia.

3.1.4 Convertidores DC-DC PWM Los dos sistemas de potencia implementados en Quetzalcatl son de este tipo. Estos convertidores cambian el voltaje no regulado de dc a un voltaje regulado de dc, a un voltaje variable. Para alimentar la tarjeta madre se requiere de voltajes regulados y para controlar la velocidad de los motores, se necesita un voltaje variable. La tarjeta madre es alimentada mediante fuentes de potencia conmutadas (SMPS's: switching mode power supplies). La entrada de dc es una batera. Tradicionalmente los convertidores del tipo dc-dc PWM son conocidos como recortadores (choppers). Existen muchos tipos de convertidores dc-dc, algunos de ellos son :

A. Chopper Buck ( Recortador atenuador ) B. Chopper Boost ( Recortador elevador ) C. Chopper Buck-Boost (Recortador atenuador/elevador, inversor de polaridad) D. Chopper acoplado por transformador

3.1.4.1 Buck Chopper Este tipo de convertidor es el que se implementa en los sistemas de potencia de Quetzalcatl. El chopper buck bsico proporciona una salida de voltaje promedio que es menor que la entrada de voltaje. En la figura 3.5 se muestra un circuito bsico que explica su funcionamiento[1].

FIGURA. 3.5 Circuito tipo Buck Chopper bsico.El inductor y el capacitor proveen una accin de filtrado, as la salida de voltaje tiene solamente un rizado limitado. El filtrado depende de los requerimientos de la carga a ser utilizada.

La cantidad de filtrado tambin afecta la forma de el anlisis del circuito, porque existen dos modos de operacin del circuito que dependen del valor de la inductancia. Si la inductancia es lo suficientemente grande, que provoque que la corriente de inductor nunca llegue a ser cero, el modo es designado como corriente continua de inductor. Si la inductancia es ms pequea, entonces la corriente en sta es cero en alguna parte de cada ciclo, y el modo de operacin es designado como corriente discontinua de inductor.

Relacin de voltaje En la figura 3.5 el switch S es abierto y cerrado peridicamente. El perodo total es T, y la fraccin de tiempo que el switch est cerrado es D. La fraccin de tiempo en que el switch est abierto es (1 - D).

Para el propsito de este anlisis, se asume que C es lo suficientemente grande para que se pueda despreciar el rizado en C. Denotaremos este voltaje sin variacin por VC.

FIGURA. 3.6 (a) Representacin del circuito Buck chopper con el switch cerrado.(b) Representacin con el switch abierto.Durante el tiempo que el switch est cerrado, el circuito se representa como muestra la figura 3.6a. Para el tiempo en que el switch est abierto, la corriente de inductor circula a travs del diodo y resulta el circuito de la figura 3.6b.

La ecuacin de corriente del circuito durante el intervalo en el que el switch est cerrado est dada en la ecuacin (3-3).

( diL / dt ) = ( E - VC ) / L (3-3)

Durante este perodo de tiempo de duracin DT, la corriente del inductor se incrementa con una razn constante ( mostrado en la figura 3.7 ), como lo hacen otras corrientes y voltajes de el circuito[1][2]. La corriente de el inductor comienza en un valor inicial Imin y cambia al valor Imax al trmino del perodo de switch-cerrado.

FIGURA. 3.7 Grficas de corriente en el inductor, switch, diodo y voltajeen el inductor durante el perodo completo T.Para el intervalo en el que el switch est abierto, el circuito cambia al arreglo mostrado en la figura 3.6b; la ecuacin de la corriente en este intervalo es expresada en la ecuacin (3-4).

( diL / dt ) = - ( VC / L ) (3-4)

De sta manera, durante el intervalo de tiempo ( 1 - D ) T, la corriente del inductor decrece a una razn constante desde Imax a Imin. El valor final es el mismo que al comienzo del perodo, ya que la operacin es peridica. El cambio durante la clausura del switch por lo tanto debe de ser el mismo que durante el perodo de apertura de este. Si se asume que la corriente del inductor es continua, Imin es mayor igual a cero. Lo anterior es expresado en las ecuaciones (3-5) y (3-6).

Imax - Imin = ( ( E - VC )/ L ) DT (3-5)

Imin - Imax = - ( VC / L ) ( 1 - D) T (3-6)

Al resolverlas para VC da:

VC = DE. (3-7)

As, el voltaje del capacitor y an la salida del chopper a la carga depende solamente de la fraccin de tiempo que el switch est cerrado, a condicin de que la corriente del inductor sea continua.

Corrientes de circuito De la figura 3.7, podemos encontrar que el valor promedio de la corriente de inductor es:

IL = ( Imax + Imin ) / 2 (3-8)

La ecuacin de corriente en el nodo de la carga resistiva es dada en la ecuacin (3-9). Ya que el promedio de la corriente del capacitor es cero en operacin peridica, puede escribirse la ecuacin (3-10) al promediar los trminos de la ecuacin (3-9) sobre un perodo de operacin.

i L = iC + iR (3-9)

I L = IR (3-10)

El valor de IR est dado en la ecuacin (3-11). Una combinacin de estas ecuaciones permite una solucin para Imax + Imin en la ecuacin (3-12):

IR = VC / R (3-11)

Imax + Imin = 2 (VC / R ) (3-12)

El combinar las ecuaciones (3-5) y ( 3-12) permite resolver para Imax e Imin :

Imax = (DE) [ (1/R) + (( 1- D)(T)/2L)] (3-13)

Imin = (DE) [ (1/R) - (( 1- D)(T)/2L)] (3-14)

Condicin de corriente continua Al resolver la ecuacin anterior para un valor de cero en Imin da una relacin para el valor mnimo de inductancia que produce una corriente continua en la misma, el resultado es la Ecuacin (3-15):

L = ( TR / 2 ) ( 1 - D ) (3-15)

Rizado del Voltaje de el Capacitor En realidad existe un pequeo rizado en el voltaje de el capacitor. Esto tiene solamente un efecto de segundo orden en las corrientes calculadas anteriormente, por lo que los resultados previos pueden ser usados sin cambio.

La grfica de la corriente del capacitor es como se muestra en la figura 3.8 para corriente continua de inductor. El valor pico de sta forma de onda triangular es ( Imax - Imin ) / 2. El rizado resultante en el voltaje del capacitor depende de el rea bajo la curva de la corriente del capacitor contra el tiempo. En la Figura 3.8, la carga aadida al capacitor en medio ciclo es dada por el rea triangular sobre el eje:

Q = ( 1/2 ) [( Imax - Imin ) / 2Q = [( Imax - Imin ) ( T ) / 8

FIGURA. 3.8 Grfica de la corriente del capacitor para corriente continuade inductor y grfica del voltaje del capacitor.La grfica del voltaje del capacitor tambin se muestra en la Figura 3.8. El rizo en el voltaje es exagerado para mostrar su efecto. Los valores mnimo y mximo del voltaje del capacitor ocurren al mismo tiempo que la corriente del capacitor es cero[1]. El valor pico a pico del rizado del voltaje de el capacitor est dado por :

VC = Q / C = [( Imax - Imin ) ( T ) / 8C3.1.5 Drivers Los drivers son los controladores de velocidad de los motorreductores. Anteriormente se estableci que la velocidad de un motor de d.c. puede ajustarse mediante la variacin de el voltaje de armadura. La fuente de alimentacin es una batera de cido-plomo, sellada y recargable. El voltaje de la batera pasa por un convertidor DC-DC, que vara el nivel de voltaje que se aplica al motorreductor.

Ya que el motor es pequeo y la inductancia de la armadura lo es tambin, la frecuencia necesaria para mantener la corriente de la armadura constante es del rango de 20 kHz.[3]. Para permitir que el motor gire en cualquier direccin sin ningn switch mecnico es utilizado el circuito puente de la figura 3.8a, es conocido como control en cuatro cuadrantes chopper de cuatro cuadrantes. La operacin en los cuadrantes es posible mediante el disparo adecuado de los conmutadores ( figura 3.8c ); las polaridades del voltaje de carga y corriente de carga se muestran en la figura 3.8b.

FIGURA. 3.8 (a)Chopper de cuatro cuadrantes(b) Voltaje y corriente de carga(c) Dispositivos en operacin segn el cuadrante en que se trabaje.El voltaje promedio de la armadura del motor, y de ah la velocidad, es controlado por la relacin entre el perodo de encendido y el perodo de apagado en la modulacin por ancho de pulso (PWM). Si el ciclo de conmutacin es mucho menor que la constante de tiempo de la armadura ( L/R), la variacin de la corriente es aproximadamente lineal[3].

Para conmutar se utilizan MOSFETS de potencia, son adecuados en sta aplicacin por su baja corriente necesaria para dispararlos, que puede ser obtenida directamente de los circuitos integrados CMOS, y tambin por la caracterstica que tienen para recortar a altas frecuencias. Los MOSFETS de potencia tienen mejores ventajas en el control de motores alimentados con bateras por su habilidad para conmutar a frecuencias superiores al rango audible con pequeas prdidas de potencia.

La potencia para manejar el disparo es muy pequea, por ejemplo, la corriente promedio sustrada de la batera para conmutar un MOSFET de potencia de 15 A, que opera a 20 kHz es tpicamente menor a 1mA. La tcnica por modulacin por ancho de pulso es adecuada para la operacin de baja velocidad y alto torque, y se utiliza en Quetzalcatl, para obtener un buen factor de forma ( Irms / Iavg) y para minimizar el ruido audible[4]. Un buen factor de forma permite mejorar la eficiencia, aumentar la vida de las escobillas y disminuir la probabilidad de desmagnetizacin de el campo de imn permanente. Con frecuencias altas de conmutacin se obtiene una reduccin til en el tamao y peso de los componentes de filtrado, adems de mejorar la respuesta del lazo de control de velocidad. En la Figura 3.9 se muestra un diagrama a bloques de el driver implementado.

FIGURA. 3.9 Diagrama a bloques del driver implementado.3.1.5.1 Puente Completo del Driver El circuito bsico del puente completo es mostrado en la figura 3.10. Para controlar en direccin directa, los MOSFETS A y D estn apagados, el MOSFET C est encendido, y el MOSFET B es conmutado con la seal de PWM. Para controlar el motor en direccin inversa, los MOSFETS C y B estn apagados, el MOSFET A est encendido, y el MOSFET D es conmutado con la seal de PWM[2].

FIGURA. 3.10 Circuito bsico del puente completo3.1.5.2 PWM El modulador por ancho de pulso (PWM: Pulse Width Modulation), es implementado por medio de un circuito integrado LM3524. El LM3524 es en Regulador Modulador de Ancho de Pulso; en la figura 3.11 se muestra el diagrama a bloques del encapsulado.

FIGURA. 3.11 Diagrama a bloques del CI LM3524( Regulador Modulador de Ancho de Pulso )Tiene un pin de apagado para protecciones. El latch tiene la funcin de asegurar un pulso por perodo an en ambientes ruidosos. Tambin incluye supresin lgica de doble pulso la cual asegura que al removerse una condicin de apagado, el estado de el flip-flop T cambia solamente despus de que llegue el primer pulso del reloj. Esto previene que se presente seguida la misma salida del pulso anterior, con lo que se reduce la posibilidad de saturacin en diseos con push-pull.

Regulador interno de voltaje El LM3524 tiene un voltaje de referencia de 5V con precisin de +/-1%, con capacidad de 50mA, y proteccin contra cortocircuito, este voltaje alimenta los circuitos internos de el dispositivo y puede ser utilizado como referencia externa.

Oscilador La frecuencia del oscilador es establecida mediante una resistencia Rt y un capacitor Ct externos. La salida del oscilador provee las seales para disparar un flip-flop interno, el cual direcciona la informacin de el PWM a las salidas, y un pulso de borrado para apagar ambas salidas durante las transiciones para asegurar que no ocurran condiciones cruzadas. El ancho de el pulso de borrado, o tiempo muerto, es controlado por el valor de el capacitor Ct.

Amplificador de error El amplificador de error es un amplificador transconductivo de entrada diferencial. Su ganancia es nominalmente de 86 dB, es colocada ya sea por retroalimentacin o con carga a la salida. sta carga de salida puede ser resistiva solamente o resistiva y reactiva. La salida del amplificador, o la entrada de modulador de ancho de pulso, puede ser manejada fcilmente con un voltaje de dc aplicado al pin 9, para forzar en las salidas un ciclo de trabajo particular.

Limitador de corriente La funcin de el amplificador limitador de corriente es manejar la salida del amplificador de error y tomar control del ancho de pulso. La salida del ciclo de trabajo es disminuida en un 25% aproximadamente cuando un voltaje sensado de lmite de corriente de 200mV es aplicado entre las terminales +Cl y -Cl. Un incremento del voltaje sensado, de aproximadamente un 5%, da por resultado un ciclo de trabajo del 0%.

Etapa de salida La salidas de el dispositivo son transistores NPN, la capacidad de manejo de corriente de los transistores es de hasta 200mA. Estos transistores son manejados 180 fuera de fase y tienen emisores y colectores abiertos.

3.1.6 Fuente de potencia conmutada Este subsistema de potencia del robot tiene por objetivo suministrar la potencia necesaria para el buen funcionamiento de la tarjeta madre. En la Figura 3.12 se muestran los voltajes necesarios para el funcionamiento de la tarjeta madre.

FIGURA. 3.12 Voltajes utilizados por la tarjeta madre empleada.Para alimentar la fuente de potencia se utiliza un banco de bateras de cido-plomo, selladas y recargables de +12 V. Al conectar dos bateras en serie obtenemos la suma de las dos (24V), este voltaje lo regulamos mediante un convertidor DC-DC tipo buck, el cual fue explicado anteriormente, para obtener 12V regulados, adems el circuito cuenta con proteccin contra sobrevoltaje, y sobrecorriente[6], esto es, que cuando la salida del convertidor DC-DC exceda un valor lmite de voltaje, la salida cae inmediatamente a 0 V, para evitar daos a el circuito que se alimenta, de la misma forma ocurre con la corriente.

El dispositivo de conmutacin del convertidor tipo buck es el transistor de potencia TIP31, que cuenta con un circuito controlador de base y una red snubber[5] para disminuir las prdidas por conmutacin. El diagrama a bloques de la fuente de potencia se muestra en la figura 3.13.

FIGURA. 3.13 Diagrama a bloques de la fuente de potencia.3.2 -HARDWARE ( INTERFACES )

ara controlar la direccin del robot en el seguimiento de la trayectoria es necesario tener una interface que obtenga los datos de los sensores, as como el control de los motores. sta interfaz se puede realizar con diferentes dispositivos, como un microcontrolador o expandir el bus de la computadora con el puerto 8255. En quetzalcatl se emplea la segunda opcin antes mencionada; esto se debe a que el algoritmo de control del robot en su conjunto, necesita un microprocesador bastante rpido para efectuar las diversas operaciones que esto implica, por lo tanto se hace necesario utilizar una PC.

A continuacin se hace una introduccin de lo que es un bus, la expansin del mismo y como funcionan los principales pines del bus ISA, posteriormente se explican brevemente todos los CI que intervienen en las tarjetas de adquisicin de datos que se implementaron y al final se presenta un diagrama a bloques de las tarjetas figura 3.16.

3.2.1 Introduccin

Un bus es un conjunto de alambres cuyo propsito es interconectar diferentes bloques funcionales en una forma sistemtica. Cuando se hace referencia al bus de una computadora por lo general se refiere al bus interno. Este bus conecta todos los componentes internos con el CPU y la memoria principal, como ya se hizo mencin.

Tambin hay buses de expansin que habilitan a las tarjetas de expansin para tener acceso al CPU y la memoria.

Todos los buses constan de dos partes; el bus de direccionamiento y el bus de datos. El bus de direccionamiento transfiere la informacin de el lugar a donde los datos deben ir, mientras tanto el bus de datos transfiere estos datos.

El tamao de un bus, conocido como el ancho del bus, es importante porque determina cuantos datos pueden ser transmitidos en una sola vez. Por ejemplo, un bus de 16 bits puede transmitir 16 bits de datos, un bus de 32 bits puede transmitir 32 bits de datos; etc.

Cada bus tiene una velocidad de reloj medida en Mhz. Un bus rpido permite que los datos sean transferidos con una mayor rapidez, lo cual hace las aplicaciones ms rpidas.

La seales en un bus se pueden agrupar de la siguiente forma :

- Datos D0, D1, ...

- Direccionamiento A0, A1, ...

- Control IRQs, R/W, ...

- Alimentacin +5V, -5V, +12V, -12V, GND.

Para un bus se definen una forma estndar en la parte mecnica, elctrica y en el protocolo de comunicacin.

Es recomendable usar un bus estndar y no disear uno especfico, a menos que no exista otra solucin. Algunas de las ventajas al usar un bus estndar son :

- No se requiere disear en nuevo bus

- Existen otros sistemas que pueden conectarse a tu sistema

- El tiempo de depuracin se reduce

- El protocolo de comunicacin ya est definido.

Algunas caractersticas de los buses, tiles para realizar una comparacin entre ellos son :

-Datos transferidos De esclavo a maestro, de maestro a maestro, de maestro a esclavo.- Byte, palabra, bloque

Sncrono, asncrono, MB/S, Multiplexin del bus.

- Interrupciones Es la habilidad para detener al maestro en una tarea determinada y comenzar otra.

IRQs, IACKs, etc.

- Mltiples maestros Varios dispositivos pueden controlar el bus,

no simultneamente. Arbitrariamente, el control del bus cambia ( el control es tomado por otro maestro).

- Funciones de utilidad Error de manejos, relojes, deteccin de fallas.

- Tamao ( en nmero de pines) Su impacto en el costo.

Algunos buses :

* ISA

* EISA

* PCI

* VESA

* VMEbus

* MULTIBUS Y

* NuBus

* STD Bus.

3.2.2 Expansin del busAl conjunto de alambres y protocolos que permiten la expansin de una computadora, al insertar tarjetas de circuitos impresos (Tarjetas de Expansin), se le da el nombre de bus de expansin. Tradicionalmente las computadoras personales han utilizado un bus de expansin llamado Bus ISA. En aos recientes, sin embargo, el bus ISA ha llegado a ser un cuello de botella, as que actualmente las nuevas computadoras tienen un bus PCI que soluciona los problemas del bus ISA, pero tambin tienen un bus ISA para ser compatibles con modelos atrasados.

3.2.2.1 Tarjetas de expansin.Una tarjeta de expansin no es ms que una tarjeta de circuitos impresos que se puede insertar en los slots del bus de expansin de una computadora y que aade ciertas capacidades a las mismas; como por ejemplo, adaptadores de vdeo, aceleradores grficos, tarjetas de sonido, tarjetas aceleradoras, mdems internos, tarjetas de adquisicin de datos, etc.

Una tarjeta de expansin tambin puede tener dos tamaos, de medio tamao tambin llamada tarjeta de 8 bits por que solo puede trasmitir 8 bits en una sola vez, y de tamao completo o tambin llamada tarjeta de 16 bits .

Algunas tarjetas de expansin son diseadas para operar en un bus local como las PCI.

3.2.2.2 Bus ISA (Industry Standard Architecture)Este es el bus comnmente usado en las PCs para comunicarse con dispositivos perifricos en otras tarjetas.

Algunas caractersticas:

Datos 8 y 16 (XT y AT respectivamente)

Direccionamientos 24 ======> 16 MB

Bus Masters 1

Periodo de Transferencia Depende del procesador

Deteccin de errores del Bus Si (paridad por ejemplo)

Tipos de Operaciones permitidas en el Bus:

Memoria lectura de entrada/salida

Memoria escritura de entrada/salida

DMA

Deteccin de errores en el bus.

Las seales en el bus ISA son generadas en base al reloj CLK(BCLK). Desde ese punto de vista el bus es sncrono. Sin embargo muchas relaciones de tiempo son definidas entre seales y desde ese punto de vista entonces el bus es asncrono.

Para ciclos de 8 bits ( M, I/O ) se usan 6 ciclos de BCLK como default, mientras que para ciclos de 16 de bits son de 3 ciclos BCLK.

El bus ISA tiene 62 contactos de tipo de borde de tarjeta, 31 por cada cara ( A/B ), en pasos de 0.1 pulgadas. De las seales disponibles en l destacan :

CLOCK (salida) : Es el reloj del sistema. Su frecuencia depende del tipo de aparato. Suele ser de 4,7-8-12 16 Mhz; aunque puede llegar hasta 80 Mhz en los sistemas 486.

RESET (salida) : Sirve para inicializar el sistema.

A0-A19 (bus de direcciones) : Son 20 lneas que determinan el mximo de memoria direccionable ( 1Mbyte). "A0" es el bit menos significativo y "A19" es el ms significativo. Las seales de salida se generan por el microprocesador o por el controlador de DMA cuando este toma el control sobre el bus, se usan los contactos A12-A31 del bus.

IRQ-IRQ7 (peticin de interrupcin : entrada) : Por estas lneas se hacen las peticiones de interrupcin. Son seis lneas que se utilizan para indicar al procesador que algn perifrico requiere de su atencin en ese instante, ya sea para leer o para que se le enven datos.

La IRQ2 es la que tiene mayor prioridad, y la IRQ7 es de menor prioridad.

Cuatro lneas de control de lectura/escritura (R/W).-Las siguientes son para acceso a memoria:

MEMR ( salida) : indica a la memoria que el dato situado en el bus ha sido ledo. sta seal se activa en nivel bajo (un "cero" lgico).

MEMW (salida): indica a la memoria que guarde el dato situado en el bus. Se activa tambin con nivel bajo. Y las otra dos lneas son de acceso a dispositivos externos o puertos:

OIR (salida ): indica a los perifricos la lectura de dato situado en el Bus. Puede ser Controlada por el procesador o por el controlador DMA; activa en nivel bajo.

OIW (salida ): indica a los perifricos la escritura de un dato situado en el bus. Puede ser controlada del mismo modo, y es activa tambin en nivel bajo.

Seis lneas para acceso directo a Memoria (DMA ).-

DRQ1-DRQ2 (entradas ): peticin de DMA por los perifricos.

DACK0/DACK3 (salidas) : reconocimiento del DMA. Activas en nivel bajo.

AEN (salidas ) : cuando sta es activa, el DMA controla el bus de direcciones, bus de datos y lneas de R/W.

T/C (salida): se activa al terminar el ciclo DMA.

Cuatro niveles de tensin de alimentacin .- +5,-5, +12 y -12 volts de corriente continua.

En los siguientes prrafos se indican los CI que componen las tarjetas de adquisicin de datos y una breve explicacin de algunas caractersticas que son factor esencial para su uso en el proyecto por lo que se hace la aclaracin, que solo se expone la informacin general ms importante; para datos ms exactos el lector puede consultar el apndice de hojas de datos donde se encuentran todas las hojas de especificaciones del fabricante de los CI que se utilizan en este trabajo.

3.2.3 DESCRIPCIN DE LOS CI

"8255 : Puerto programable"Este es el elemento principal del diseo. Este circuito integrado viene a ser un puerto que tiene la ventaja de ser un dispositivo programable de entrada y salida de propsito general, est diseado para usarse como interface entre microprocesadores y uno o varios perifricos.

El Puerto posee 24 terminales agrupadas en tres puertos bidireccionables, que pueden programarse como de entrada o salida. Tambin se puede usar como dos puertos de 12 bits cada uno. Todas las entradas o salidas son compatibles con lgica TTL. Las formas (modos de operacin) en que puede ser programado son los siguientes:

MODO "0": entrada/salida.MODO "1": entrada/salida sincronizada ( strobed).MODO "2": bus direccional.La configuracin funcional de cada puerto se programa por software, y es la CPU la que enva las palabras de control para el modo de operacin. sta palabra es enviada a un registro interno, que recibe dicha palabra; este es exclusivamente de lectura. Cada uno de los puertos del circuito tiene caractersticas propias, estas son las siguientes :

Puerto "A": Entrada-Latch.Salida-Latch/Buffer.Puerto "B": Entrada-Latch/Buffer.Salida-Latch/Buffer.Puerto "C": Entrada-Buffer.Salida-Latch/Buffer.Por programacin de este circuito, el puerto "C" puede ser dividido en dos puertos individuales de 4 bits cada uno. Para diferenciar las cuatro lneas que se necesitan en el control de los modos se utilizan las dos lneas de direccin ms bajas del Bus ( A0 y A1). El significado de estas cuatro direcciones es :

A1 A0

0 1 Puerto "A" (E/S)

0 1 Puerto "B" (E/S)

1 0 Puerto "C" (E/S)

1 1 Control de los tres puertos (salida).

La lnea de control de puertos se emplea para enviar una palabra de control desde el bus hasta el puerto. sta palabra se enva por el bus de datos de la computadora, y significa la forma en que se utilizan los puertos, es decir, cul o cules se usan como entrada o de salida. Cada bit de sta palabra tiene un significado, segn se explica a continuacin :

B7 = Seleccin del chip; activo en "uno" lgico.

B6 y B5 = Seleccin del modo de trabajo. Normalmente se utiliza el modo

"cero".

B4 = Puerto "A" ; entrada =1, salida = 0.

B3 = Puerto "C" ; (alto = bits 4-7); entrada =1, salida = 0.

B2 = Seleccin del modo; modo "0" = 0, modo "1" = 1.

B1 = Puerto "B" ; entrada =1, salida = 0.

B0 = Puerto "C" , (bajo = bits 0-3); entrada = 1, salida = 0.

El 8255 tiene adems otras terminales que se encargan de dirigir todas las transferencias internas y externas de datos y control de estado. En estas, se aceptan las seales provenientes del bus de direcciones y del bus de control. Estas son las seales que llegan al chip:

CS : sta es activa en nivel bajo y es la entrada de habilitacin del chip, activada sta se tiene comunicacin entre el 8255 y el procesador. Si est en nivel alto, el bus de dato