Anàlisi de la Robòtica
75
-
Upload
lag-seeing -
Category
Documents
-
view
91 -
download
12
Transcript of Anàlisi de la Robòtica
1
Anàlisi de la robòtica Què és la robòtica? ........................................................................................................... 4
Què és un robot? .............................................................................................................. 4
1. Classificació dels robots ............................................................................................ 6
1.1. Generacions de robots ....................................................................................... 6
• Primera generació .............................................................................................. 6
• Segona generació ............................................................................................... 6
• Tercera generació ............................................................................................... 6
• Quarta generació ............................................................................................... 7
• Cinquena generació ........................................................................................... 7
1.2. Nivell d’intel·ligència .......................................................................................... 8
• Dispositius de control manual ........................................................................... 8
• Robots de seqüencia arreglada .......................................................................... 8
• Robots de seqüencia variable ............................................................................ 9
• Robots regeneradors .......................................................................................... 9
• Robots de control numèric ................................................................................ 9
• Robots intel·ligents ............................................................................................ 9
1.3. Nivell de control ................................................................................................. 9
• Nivell d’intel·ligència artificial ............................................................................ 9
• Nivell de mode de control .................................................................................. 9
• Nivell de servosistemes .................................................................................... 10
1.4. Llenguatge de programació ............................................................................. 10
• Sistemes guiats ................................................................................................. 10
• Sistemes de programació nivell-robot ............................................................. 10
• Sistemes de programació nivell-tasca .............................................................. 10
2
1.5. Per la seva arquitectura ................................................................................... 10
1.5.1. Poliarticulars ............................................................................................. 11
1.5.2. Mòbils ....................................................................................................... 11
1.5.3. Androides .................................................................................................. 12
1.5.4. Zoomòrfics ................................................................................................ 12
1.5.5. Híbrids ....................................................................................................... 13
1.6. Funció ............................................................................................................... 13
1.6.1. Industrials ................................................................................................. 13
1.6.2. Personals o Educatius ............................................................................... 14
1.6.3. Mèdics ...................................................................................................... 14
1.6.4. Militars ...................................................................................................... 15
2. Parts d’un robot ...................................................................................................... 17
2.1. Perifèrics d’entrada: sensors ............................................................................ 17
2.1.1. Sensors Digitals ......................................................................................... 17
2.1.2. Sensors Analògics ..................................................................................... 21
2.1.3. Sensors Especials ...................................................................................... 25
2.2. Perifèrics de sortida: motors i altres actuadors................................................ 34
2.2.1. Díodes LED ................................................................................................ 34
2.2.2. Brunzidor Piezoelèctric ............................................................................. 35
2.2.3. Display ....................................................................................................... 35
2.2.4. Control de Displays per multiplexat .......................................................... 36
2.2.5. Motor de Corrent Continua ...................................................................... 37
2.2.6. Motors Pas a Pas ....................................................................................... 37
2.2.7. Servomotors ............................................................................................. 38
2.2.8. Altaveu ...................................................................................................... 40
3
2.2.9. Relé ........................................................................................................... 40
2.2.10. Pantalles LCD ......................................................................................... 41
2.2.11. Emissors i Receptors de Radiofreqüència ............................................. 42
3. Processament de dades .......................................................................................... 43
3.1. Circuits lògics .................................................................................................... 43
3.2. Microcontrolador ............................................................................................. 47
3.2.1. Els microcontroladors PIC©...................................................................... 47
3.2.2. Els mòduls BASIC STAMP .......................................................................... 48
3.2.3. Microcontroladors de Motorola ............................................................... 49
3.2.4. Microcontroladors de Intel ....................................................................... 49
3.2.5. Microcontroladors de Philips .................................................................... 49
3.2.6. Microcontroladors avançats: Els DSP ........................................................ 49
3.2.7. Microcontroladors d’ Arduino .................................................................. 50
3.3. Llenguatges de programació ............................................................................ 55
3.4. Memòria ........................................................................................................... 57
4. Història de la robòtica amb anàlisi de màquines mecàniques i Matrix .................. 60
4.1. Inicis de la robòtica .......................................................................................... 60
4.2. Present de la robòtica ...................................................................................... 69
4.3. Futur de la robòtica, suposició de Matrix ........................................................ 72
4
Què és la robòtica?
Primer de tot hem de saber que és la robòtica, robòtica segons L’institut d’Estudis
Catalans és el Conjunt d’estudis i de tècniques de concepció, de construcció i
d’aplicació de robots. És a dir, que la robòtica és la ciència que s’encarrega de tot el
que estigui relacionat amb els robots.
La robòtica és una ciència molt general perquè per dissenyar i construir un robot
fan falta coneixements mecànics, electrònics, informàtics entre d’altres.
Al mateix temps ens cal saber que és un robot, però moltes vegades quan sentim
a parlar sobre robots ens imaginem una màquina amb característiques humanes,
com sempre ens ho han mostrat al cinema o televisió. No tots els robots són així,
que existeixen, però no són els únics ni els més utilitzats.
Podem establir moltes definicions vàlides pel concepte de robot. Una d’elles seria
la d’una màquina o giny electrònic programable que és capaç de manipular objectes y
realitzar operacions abans reservades per les persones.
El concepte de robot pel “Robot Institute of America” seria la d’un manipulador
multifuncional reprogramable dissenyat per moure materials, parts o dispositius
especials a través de moviments programats amb anterioritat per l’execució d’una
varietat de tasques.
Què és un robot?
Com hem dit abans, per poder construir un robot ens calen coneixements de
molts tipus: electrònica, mecànica, programació... Per això cal entendre com funciona
un robot i per fer-ho establirem un esquema de relacions per saber com treballa
internament un robot.
Aquí presento una divisió física del robot en subsistemes que s’encarreguen del seu
funcionament. El subsistema mecànic portaria tot allò que permet que el robot es
mogui, el de processament amb el de control i planificació és on es prenen decisions,
l’elèctric s’encarrega de l’alimentació i el de sensors de recollir dades.
5
Les relacions entre els subsistemes són molt clares i les explicaré per veure el
funcionament d’un robot.
Començarem pel subsistema de processament que és on estaria guardat el programa
que controlarà al nostre robot. Des d’allà indiquem als sensors que ens podran ser útils
que llegeixin dades de l’exterior perquè és la única forma que tenim de comunicar-nos
amb l’entorn. Seguint les dades obtingudes pels sensors podem realitzar la ruta o tasca
que teníem preparada modificant-la amb les dades dels sensors (Subsistema de
planificació) que després aquest farà que a través del Subsistema de Control accionem
el Subsistema Mecànic alimentat pel Subsistema Elèctric. Després d’accionar el
Subsistema Mecànic, els sensors ens indicaran on es trobem de la tasca i si cal
continuar o no.
Del Subsistema Electric passem al Subsistema de Sensors perquè ens cal saber, per
exemple quin voltatge estem aplicant a un motor, i si aquest motor respon com
s’hauria d’esperar o si tenim algun obstacle i hem de modificar la ruta. Del Subsistema
de sensors passem al de control amb portes lògiques per exemple, acció reacció.
Subsistema Mecànic
Braços, mans, vehicle, actuadors, engranatges,
frens...
Subsistema de Processament
Entorn, gent, tasques guardades, comunicació
externa...
Subsistema Elèctric
Motors, processadors, sensors, alimentació de subsistemes...
Subsistema Sensors
Interns Externs
Posició Velocitat
Visió Tacte
Subsistema Control
Models mecànics, models de processos, enllaços de
control...
Subsistema Planificació
Percepció, planificació de trajectòries...
6
1. Classificació dels robots
Normalment la potència i qualitat del programari del robot determina la seva
utilitat i els marges de treball en els quals és operatiu. Els robots han sigut
classificats segons la seva generació, el seu nivell d’intel·ligència, el seu nivell de
control, el seu llenguatge de programació, la seva arquitectura, la seva funció o la
llibertat de moviment.
1.1. Generacions de robots
• Primera generació: Aquí entrarien el que
serien robots que únicament responen a
indicacions donades pels humans, on ets tu qui
decideix quin moviment fa el robot. Es tracta de
robots d’ajuda. Exactament aquí encara no són
robots, però en són els precursors.
Com exemple tindríem una fresadora automàtica per control numèric.
Nosaltres li donem unes coordenades (X,Y,Z) i la màquina ens crea la peça.
• Segona generació: Els robots són capaços de
realitzar una feina seguint una sèrie d’instruccions
programades anteriorment, que s’executaran de
forma seqüencial. No tenen en compte les
variacions de l’entorn.
Podríem parlar d’un conjunt de cintes
transportadores que anessin coordinades, portin
càrrega o no. Hi hauria un programa que mouria
primer la primera, després la segona, després una
altra, potser la segona es para, va més ràpid, accelera o qualsevol cosa però
sense tenir en compte la càrrega.
• Tercera generació: Són semblants als anteriors però aquests detecten
l’entorn, l’analitzen i adapten la seva funció a les dades recollides pels sensors.
7
L’exemple per la tercera generació podria ser
l’evolució del cas anterior. En cas de que no
porti càrrega, que no es moguin les cintes i si
porta una càrrega petita o fràgil, que la velocitat
sigui menor i si és una gran càrrega que vagi més
ràpid però acceleri al principi d’una cinta i freni
una mica al final de cada una d’elles.
• Quarta generació: Tenen la capacitat de planejar automàticament les seves
tasques, són robots adaptables a diferents entorns ja que són capaços de re-
programar-se de forma automàtica depenent de les dades dels sensors.
L’aspirador automàtic que tantes vegades veiem a les
tendes d’electrònica i que s’ha posat de moda seria
un exemple molt clar i entenedor. La seva funció és
anar endavant i escombrar, però detecta parets i les
esquiva, el mateix fa amb cadires, taules i escales. Si
veu que una zona ja l’ha escombrada es re-
programa per no tornar a escombrar aquella zona i
eliminar-la de l’espai a escombrar.
• Cinquena generació: És la generació que esta actualment en
desenvolupament, són robots capaços de prendre decisions per ells mateixos i
resoldre problemes. És el que anomenem intel·ligència artificial.
Aquí els exemples no són
tan fàcils de veure, però
quan es veu un robot jugant
a ping-pong, que és capaç
de seguir la simple ordre de
“ juga i guanya”, però que
analitza la posició de la
bola, de la taula i de la
raqueta a la seva mà. Quan
8
la pilota segueix una trajectòria no esperada i inhòspita realitzada per l’altre
jugador s’haurà de re-programar per poder donar-li a la pilota i tornar el cop. I
ara ve la diferència per arribar al cinquè grup, el robot analitza el patró de
moviments de l’altre jugador, les seves jugades, preveu el que farà i actua en
conseqüència. També tenim múltiples robots que juguen a escacs.
L’apartat de maquines mecàniques i autòmats estaria a la primera generació i
l’anàlisi de les pel·lícules suposaria una sisena generació de robots, on la intel·ligència
artificial és creada per una intel·ligència artificial anterior, és a dir, els avenços no els
fa l’humà, sinó la pròpia màquina creada per auto-millorar-se.
1.2. Nivell d’intel·ligència
L’Associació de Robots Japonesa1(JARA) ha classificat els robots segons el seu nivell
d’intel·ligència:
• Dispositius de control manual. Aquests
són controlats per una persona. Una
retroexcavadora on l’operari dins de la
cabina acciona totes les palanques i botons
necessaris perquè funcioni correctament i
sincronitzat. Aquí la màquina no té res a
veure.
Seria com la primera generació.
• Robots de seqüencia arreglada. On la seqüencia no es pot modificar
fàcilment.
Un televisor seria un exemple conegut i fàcil
d’entendre, tu el controles amb el comandament però
no pots decidir que fa cada botó, pots obrir el
comandament i modificar la placa i això és difícil i
complicat.
Podríem establir paral·lelisme amb la segona generació, però més limitada.
1 http://www.jara.jp
9
• Robots de seqüencia variable. La seqüencia es pot modificar amb facilitat.
Seria com l’exemple de la segona generació però les variables de capses, pes
les introduíssim nosaltres manualment i el robot no sabés analitzar que
passa al seu entorn.
• Robots regeneradors. Són els que modifiquen la seva seqüencia depenent
d’una variable o més d’una, introduïdes per un humà o sensor.
Exactament com la tercera generació però incloent factors humans.
• Robots de control numèric. Són robots que no necessiten d’una persona
per re-programar-se ni que s e ’ls indiqui quines variables són importants
per analitzar-les i adaptar la seqüencia als nous valors.
És l’entremig entre la tercera i la quarta però amb uns petits indicis
d’intel·ligència artificial pertanyent a la cinquena generació.
• Robots intel·ligents. Els que poden entendre i interactuar amb canvis al medi
extern.
Això seria com una agrupació de la quarta i cinquena generació.
1.3. Nivell de control
Els programes introduïts al robot controlen més o menys l’entorn que els rodegen.
• Nivell d’intel·ligència artificial. En aquest nivell el programa introduït en el
robot rep una ordre simple, “mou una capsa” i ell mateix la interpreta i
l’estructura en un seguit de seqüencies més simples seguint un model
preestablert per tal de dur a terme aquella funció.
Per exemple, li enviem l’ordre de moure una capsa. El programa primer
interpreta la ordre i estableix que primer ha de trobar la capsa, saber on està i
a on ha d’anar. Després mirarà com pot moure-la i quina part de la seva
estructura mecànica pot fer-ho de forma més eficaç. I finalment quan sap
que ha de moure, amb que ho ha de fer i a on ha d’acabar l’objecte crea un
seguit d’ordres simples del tipus “mou el motor del braç esquerre amunt” fins
que realitza el moviment de la capsa.
• Nivell de mode de control. En aquest cas els moviments que haurà de
realitzar el robot estan tots preestablerts en la seva memòria i només li hem
10
d’indicar quin seguit de ordres ha de prendre, i li establirem a quina variant ho
ha d’aplicar.
Per exemple, li enviem l’ordre de moure una capsa. El programa té una ordre
gravada que és moure una capsa i la cridem i li diem que ha de moure la capsa.
El robot s’anirà movent segons la seqüencia gravada fins deixar la capsa allà on
el programa li ha dit.
• Nivell de servosistemes. És un sistema molt fàcil on tots els moviments
venen donats per ordres de sensors del mateix robot.
Per exemple, li diem a un robot que quan trobi una capsa blava davant seu
la empenyi fins caure a una cinta transportadora, i que si no és blava la deixi
continuar.
1.4. Llenguatge de programació
Per l’èxit d’un robot cal prendre molt en compte el nivell de programació que farà
servir perquè normalment això determinarà l’eficàcia de la feina a realitzar.
• Sistemes guiats, són els quals en que l’usuari condueix al robot.
Seria com la primera generació.
• Sistemes de programació nivell-robot, on l’usuari escriu el programa amb
accions que durà a terme el robot.
Seria com la segona generació i la tercera amb la quarta, ja que també té
consideració de les variables externes i pot adaptar-se a elles.
• Sistemes de programació nivell-tasca, on l’usuari especifica que ha de fer
el robot sobre els objectes que ell esta capacitat per manipular.
És un símil amb la cinquena generació perquè programem al robot perquè
faci una funció sobre algun objecte i ell es dedicarà a fer aquesta funció
costi el que costi i s’anirà re-programant i aprendrà nous paràmetres per tal de
complir aquesta funció.
1.5. Per la seva arquitectura
L’arquitectura defineix la configuració general del robot i el seu metamorfisme, és a
dir la capacitat de modificar una part estructural seva, com un canvi d’eina de treball.
11
1.5.1. Poliarticulars
Aquest grup de robots engloba robots de formes molt diverses i funcions de tot tipus.
La característica que els diferencia dels altres és que són sedentaris, encara que en
rares ocasions poden moure’s en un petit espai, i que estan estructurats per moure
les seves terminals en un espai de treball determinat seguint unes coordenades i
amb uns angles limitats. Aquí estan els
robots manipuladors, els robots
industrials, els robots de coordenades
cartesianes...
Per saber les seves característiques d’un
robot poliarticular hem de conèixer
quins nivells de moviment pot tenir i
quin és els més generalitzat. Adjunto un
gràfic on es mostra els tipus de
moviments i els graus
màxims de llibertat.
Un exemple clar seria
els braços mecànics
que s’encarreguen de
la construcció de
cotxes.
1.5.2. Mòbils
Aquí tenim als robots amb grans capacitats de
desplaçament, muntats en carros o plataformes que
els permeten moure’s per l’entorn. Es mouen mitjançant
motors i sensors que analitzen l’entorn per tal d’evitar
l’entrada en contacte amb obstacles. Poden estar dotats
de nivells alts d’intel·ligència.
Com exemple proposo un petit braç poliarticular
muntat sobre una base de sis rodes que el mou.
12
1.5.3. Androides
Els robots androides són els més
utilitzats en l’industria cinematogràfica
i de la ciència ficció però a la realitat
són uns robots que només poden
imitar parcialment la forma i
moviments del cos humà. Actualment
estan en fase d’investigació i
experimentació i no tenen utilitat
pràctica. Japó és el país que més
investigació realitza en aquest aspecte i on els avenços són
majors.
Un exemple de ficció seria el Bender, de la sèrie Futurama i l’altre és un humanoide
molt conegut anomenat ASIMO que aproximadament reprodueix la mobilitat humana
i algunes tasques senzilles, com portar coses.
1.5.4. Zoomòrfics
El grup dels zoomòrfics són robots que el seu sistema de moviment imita a éssers
vius. En aquest grup podríem incloure als androides però com tenen una
importància molt diferent i els seus usos estan molt diferenciats gaudeixen d’una altre
categoria.
Els robots zoomòrfics poden ser de dos tipus:
1.5.4.1. Caminadors
És el grup de zoomòrfics més desenvolupat ja que
poden ser usats en terrenys molt accidentats com
volcans o altres planetes i és una característica molt
apreciada pels investigadors i possibles inversors.
He posat com exemple un tipus de robot espacial,
que sigui caminador no implica que hagi de tenir
cames com els humanoides o androides, sinó que es
13
mou com si caminés, amb rodes, reptant...
1.5.4.2. No caminadors
Els no caminadors estan molt poc investigats i el país que
realitza m é s recerques per trobar utilitats és el Japó.
Com a exemple he posat una imitació d’una mosca en
forma de robot, aquests robots poden ser molt
interessants per la seva reduïda mida i se’ls poden
incorporar càmeres i buscar ferits en un esfondrament d’un edifici perquè es poden
ficar per forats petits.
1.5.5. Híbrids
Aquests robots són de difícil classificació perquè agrupen dos o més grups dels
anteriors. Com per exemple un robot mòbil amb un braç articulat que realitza una
altre feina independent i es mou reptant com una serp.
1.6. Funció
La classificació segons la funció indica l’ús pel qual està dissenyat el robot i en quin
àmbit de treball serà més eficaç i eficient.
1.6.1. Industrials
Normalment són braços mecànics encarregats
de realitzar treballs pesants o repetitius en
cadenes de muntatge. Són robots que tenen
unes capacitats molt sorprenents depenent de
la feina que hagin de fer. Per exemple un braç
robòtic dissenyat per soldar faria una soldadura
perfecte entre dos bigues de 100 i això per un
operari humà seria molt complicat i el temps emprat seria major. La capacitat dels
robots de fer una tasca repetides vegades sense equivocar-se és un dels factors de la
seva gran utilització. Un dels altres motius pels quals s’investiga en molts casos de fer
servir robots a les industries és per produir més productes, que el temps de fabricació
sigui continuat i estalviar costos de producció. Hi ha empreses que per la fabricació dels
14
seus productes, donada una facilitat per fer-ho, han arribat a fer servir completament
robots que automatitzen tota la feina. Normalment els robots que s’utilitzen a la
industria no tenen una complexitat molt gran i les feines a les quals estan determinats
a fer són molt senzilles, com pintar, soldar, tallar, i muntar perquè així s’assegura que
no es puguin equivocar.
1.6.2. Personals o Educatius
Són robots de lleure o educatius per escoles, tenen funcions
molt limitades i rarament contenen funcions molt extenses.
Serveixen per acostar els robots als estudiants, perquè tinguin
un primer contacte amb la programació, de que és capaç, com
ens afecta que estiguem rodejats de tecnologia. Sempre es bo
que els alumes s’entretinguin en fer peripècies i s’ho passin bé
aprenent a construir un robot prefabricat. Els més comuns són
robots que es construeixen amb peces de Lego, això els fa
més pròxims als nens i menys estranys a la vista.
Els robots personals poden ser robots molt simples que et
facin passar l’estona o tenir un robot amb moltíssimes
funcions, que camini, respongui a la teva veu, jugui a
futbol i que et porti els coberts per dinar. El robot aquí
mostrat es el Robonova 1, una edició muntada de fàbrica
que es ven per 979€.
La diferència dels dos models, apart del preu i
complexitat és que pel primer podries muntar-lo en 30
minuts, depenent de la persona, i el segon, com és més complicat es pot muntar en 6
hores si ets hàbil.
1.6.3. Mèdics
La intenció dels desenvolupadors de robots que es dediquin a la medicina és de poder
aconseguir un robot que pugui substituir a un metge real en qualsevol circumstancia.
Després d’una catàstrofe natural, un atemptat, una guerra, llocs aïllats... en tots
aquests indrets podria necessitar-se cirurgians que hagin d’operar als pacients però no
15
sempre és possible ni es tenen els medis disponibles per això sempre es pensa en crear
un tipus de robot de primers auxilis que ajudi a estabilitzar al pacient mentrestant
espera per augmentar les seves probabilitats de sobreviure. Això encara és molt utòpic
i no s’ha aconseguit perquè és pràcticament impossible, però el que s’ha estat
desenvolupant són eines molt precises per ajudar als metges o cirurgians a fer
operacions molt delicades. El primer robot utilitzat a medicina es va fer servir per
introduir una agulla al cervell d’un pacient per tal d’extreure mostres, i actualment el
robot més utilitzat i més innovador és el Da Vinci2 que es fa servir molt per operacions
on es pot evitar deixar cicatriu si es practica una cirurgia molt precisa i s’opera amb
orificis molt petits. També es fa servir per cirurgia cerebral per la gran complexitat de
moviments i delicadesa. La imatge anterior mostra l’equip Da Vinci.
L’altre funció destacada dels robots mèdics és la d’ajudar
a persones amb discapacitats físiques, reforçant el seu
cos en cas de que estigui inutilitzat. Ens referim a petits
robots que substitueixen una part del cos que ha sigut
extreta o d’una armadura de reforç. Aquí tindríem per
exemple l’exosquelet HAL3 que ajuda a persones amb
deficiències físiques a moure’s.
1.6.4. Militars
Estan desenvolupats amb la màxima tecnologia disponible i poden ser usats en
qualsevol dels aspectes on es puguin necessitar, carregar objectes, espiament...
La utilització més tecnològica serien els avions de combat que no porten pilot. Quan
un avió no porta pilot això implica que ha de prendre decisions per ell mateix i
transmetre algunes dades a algun pilot situat a terra per tal de que pugui controlar
2 http://www.davincisurgery.com/ 3 http://www.cyberdyne.jp/english/robotsuithal/index.html
16
situacions molt perilloses o sensibles com un
atac a on sigui, però per vol de creuer i
reconeixement funcionen sense cap tipus de
control humà.
Un exemple futurista d’aquests avions es dona
a la pel·lícula “Eagle Eye” en castellà “La
conspiración del pánico” on un ordinador creat
pels Estats Units es rebel·la i pren el control de
tot el sistema de defensa dels Estats Units i fa
volar completament a un avió no tripulat i
durant la pel·lícula mostra, entre altres coses,
com pren decisions altament complexes per dur
a terme el seu pla, entre elles utilitzar aquest
avió per fer de tot.
En realitat aquests avions quasi sempre estan
tripulats des de terra amb un pilot i un copilot
per tal d’analitzar totes les dades que envien
els avions i assegurar-se de no perdre
estavellat un avió excessivament car per una
tonteria. Aquí mostrem un sistema de control o
monitorització d’un avio sense pilot.
Un altre ús que se’ls dona és la de l’exploració
de terrenys perillosos i que no es poden fer
de cap altre tipus, o simplement transportar
alguna càrrega perillosa fins a aquell punt.
Posaré com a exemple Big Dog de Boston
Dynamics, la NASA, i la Concord Field Station de
Harvard, es tracta d’un robot de quatre potes
que es manté estable en qualsevol condició i té
un sistema de tracció amb cames que li permet superar qualsevol obstacle que una
eruga o rodes no li permetrien. De moment no té gaire utilitat però s’espera que
17
pugui utilitzar-se com a mula de carrega com ajuda als soldats i transportar el seu
carregament pesat.
http://youtu.be/W1czBcnX1Ww
La mateixa empresa (Boston Dynamics) també treballa en un dispositiu bípede que es
capaç de caminar i mantenir-se estable inclús si es empès. També té la capacitat de fer
moltíssims moviments amb naturalitat. Recomano mirar el video per conèixer-lo millor.
http://youtu.be/mclbVTIYG8E
La gran complexitat d’aquests dos robots que he mencionat aquí fa pensar que si això
són prototips que es fan públics, els projectes secrets deuen anar molt més avançats.
2. Parts d’un robot
2.1. Perifèrics d’entrada: sensors
Els sensors en un robot juguen un paper elemental en el seu bon funcionament ja que
li donen una percepció de l’entorn que el rodeja per adaptar-se i treballar
òptimament. En un robot no només s’ha de prendre en compte el tipus de sensors
sinó també la col·locació correcte a l’estructura per tal de que facin la seva funció
correctament. Classificarem els sensors en tres tipus: digitals, analògics i especials.
2.1.1. Sensors Digitals
Són els sensors més senzills ja que tornen cap al programa una entrada binaria, un 0 o 1, encara que sigui així de simple podem distingir diversos grups segons el funcionament.
2.1.1.1. Sensors Digitals Mecànics
En aquest grup tenim els sensors que s’activen per contacte directe amb una
superfície o objecte.
Els més coneguts i senzills de fer servir són els
commutadors, així que tenim interruptors i
polsadors. La diferencia entre els dos es que
el polsador torna al seu estat inicial una
vegada s’ha polsat. Es fan servir per encendre
18
o apagar sistemes o per introduir dades binaries.
Hi ha un tipus específic de detector anomenat “bumper” que es fa servir en robòtica
per detectar obstacles o finals de carrera. És un commutador amb 3 potetes on una es
connecta a terra, l’altre a la font de tensió i l’altre a la placa.
Quan es fan servir aquests sensors “bumper” pot ocórrer que les làmines metàl·liques
interiors que han de fer contacte tinguin uns milisegons d’inestabilitat en els que el
circuit es tanca i obre moltes vegades donant falses dades. Els sistemes que fan
servir microcontrolador són molt ràpids llegint dades i per això cal prendre
precaucions. Una solució seria posar un temps de retard al programa entre rebre les
dades i interpretar-les, amb això podríem solucionar el temps d’inestabilitat. I l’altre
sistema es per hardware i aquí mostrem un
parell d’exemples per tal de solucionar-ho.
Una resistència i un condensador són elements suficients per eliminar els rebots
del commutador. Durant el temps d’inestabilitat el condensador es carrega i quan
arriba al límit el commutador fa efecte.
En canvi el sistema amb portes NAND, aprofitem el petit retard de les portes i si
fem la taula de la veritat veurem que resol el problema.
19
2.1.1.2. Sensors Digitals Òptics
Normalment estan constituïts per un mòdul productor de llum (un LED
majoritàriament) i després un fototransistor normalment de tipus infraroig. Quan un
objecte es situa en el mateix pla que l’emissor i receptor reflecteix la llum del LED que
arriba al fototransistor amb suficient intensitat per tal que ho detecti.
També tenen la utilitat de contar voltes o saber la velocitat angular d’un motor. Si es
posa una línia, amb un sensor òptic que detecti aquell color en diferencia dels altres, o
sinó es fa un forat per on no reflecteixi la llum. Amb aquest segon sistema sempre
tindrà senyal de tornada excepte quan hagi donat una volta sencera i amb això
podràs calcular el temps o el numero de perdudes de senyal per saber les voltes.
Les parts que el formen normalment són LED, fototransistors o en alguns casos
fotodíodes, ara explicarem la diferencia entre els dos.
• Fototransistor: Un fototransistor é s un transistor
sensible a la llum, normalment a la infraroja. La llum
que incideix sobre el fototransistor genera carregues
portadores a la base d’aquest. Un fototransistor és
més sensible que un fotodíode per l’efecte de guanyar carregues dels
transistors. També poden usar-se com transistors normals.
• Díode sensible a la llum o Fotodíode: Un fotodíode es un semiconductor
construït amb una unió PN sensible a la incidència de llum visible o infraroja. Els
fotodíodes són ràpids, molt sensibles als canvis,
treballen en infraroig, llum visible i ultraviolat, són
lineals, barats i fàcils de fer servir. El seu funcionament es
amb polarització inversa del díode i quan hi hagi una
excitació per la llum es produirà una circulació de
carregues pel díode. En presencia de foscor es crea una petita corrent que és
deguda a la generació aleatòria de electrons i forats que són arrossegats pel
camp elèctric. Com menor sigui la corrent de foscor major serà la sensibilitat
del díode, això està relacionat amb la qualitat del díode. La capacitat de
detecció. La sensibilitat disminueix proporcionalment amb la tensió aplicada.
20
Els exemples que proposo aquí són perfectament vàlids amb fototransistors o
fotodíodes, únicament varia les seves connexions i alguna de les propietats de
precisió finals, i també del rang de valors obtinguts i el marge de precisió.
Els seus usos són molt variats, aquí posem un esquema de com funciona.
També té l’ús com a detector de fum.
O com element per detectar el color a partir de les freqüències de llum.
21
2.1.1.3. Sensor Digital: El Teclat
El teclat no es més que un conjunt de polsadors col·locats
en forma de matriu4. Precisament és aquesta distribució el
que converteix al teclat en una entrada especial perquè
permet controlar-lo amb moltes menys línies que si fossin
polsadors independents.
En el següent esquema es mostra un teclat hexadecimal i les seves connexions. Com
es pot veure hi ha 16 tecles que es controlen amb 8 línies, quatre d’entrada i
quatre de sortida. Si s’envien voltatges diferents des de RB0, RB1, RB2, RB3 es poden
obtenir diferents valors a les entrades i es pot saber quina tecla s’ha premut i realitzar
la operació corresponent.
2.1.2. Sensors Analògics
La majoria de dades que ens trobem per la natura (temperatura, quantitat de llum...)
no són valors digitals, és a dir, són valors analògics i en un paràmetre, entre dos rangs
diferents tenen infinit numero de valors. Però els sistemes de treball sempre fan
servir valors digitals. Això fa necessària la conversió dels valors analògics a digitals per
analitzar-los. A vegades aquest canvi el fa el processador mateix o sinó necessitem
algun element extern que faci la conversió. També tenim la opció de que tinguem
n o m é s sortida de verdader o fals amb sistemes més simples. Aquí en mostrem 4 Conjunt de variables del mateix tipus on el seu accés es realitza per índexs
22
alguns, però hi ha sensors per totes les magnituds físiques conegudes.
2.1.2.1. Sensors lumínics
La quantitat de llum és una característica molt interesant de diferents ambients que
controla el funcionament de molts processos. Des de la connexió o desconnexió de
les llums al carrer per la nit i al matí, el control de les persianes en una oficina o petits
electrodomèstics.
El sensor lluminós més utilitzat és el Sensor LDR (Light Dependent Resistor).
Els LDR són uns components petits, senzills i econòmics
que quantifiquen la intensitat de llum. Estan fabricats
amb un material sensible a la llum. La resistència del
sensor és inversament proporcional a la quantitat de
llum que detecta. A la foscor el valor és molt elevat i en
ambients lluminosos la resistència és petita.
Pot tractar-se com una entrada analògica o digital depenent del tractament que li fem.
2.1.2.2. Sensors Tèrmics
Els sensors de temperatura són resistències dependents de la temperatura externa
per pujar de forma directa o inversa la seva resistència interna. Tenen com a funció
protegir sistemes per sobreescalfament, estacions meteorològiques, termòmetres
digitals...
Aquí observem que a mesura que la
resistència LDR, creix o decreix t é un
voltatge superior respecte al
potenciòmetre, així doncs la caiguda de
tensió en la base del transistor anirà
variant, i quan superi el valor mínim,
conduirà corrent i activarem el circuit a
controlar.
23
• NTC: - (Negative Temperature Coefficient) Coeficient negatiu de
temperatura.
En aquestes resistències si augmenta la temperatura baixa la
resistència. La disminució de la resistència per la temperatura
és molt rapida. Cal dir que el corrent intern que passa per la
resistència no fa augmentar la seva temperatura per l’efecte
Joule i l’increment es imperceptible. El temps que triga en
detectar els canvis de temperatura es una mica lent i per això s’usa menys que
el PTC.
• PTC - (Positive Temperature Coefficient) Coeficient
positiu de temperatura.
A diferencia dels NTC en aquestes resistències el valor
òhmic puja amb la temperatura externa. També té la
capacitat de detectar variacions a temperatures molt elevades.
Si el circuit que volem controlar és com el del LDR, que a partir d’una certa
temperatura, s’obri un circuit que controla un refrigerador o un escalfador. El circuit
seria el mateix però canviant l’LDR per un NTC o PTC. Però si el que volem es introduir-
ho com una variable analògica a una placa per llegir les seves dades, hauríem de
connectar la resistència en sèrie amb 1kΩ i després un extrem a voltatge V i a l’altre
extrem una entrada analògica.
2.1.2.3. Potenciòmetre
Encara que l’ús més comú dels potenciòmetres sigui l’ajust de
resistències, tensió o corrent en un circuit senzill aquí el veurem
com un sensor analògic. Un potenciòmetre consta de tres pins i
una resistència interna amb un cursor que es va movent per sobre i
divideix la resistència en dos parts. Si es connecta una caiguda de
tensió als dos pins laterals, el pin del mig fa de sensor on
tindrà diferents valors segons movem el potenciòmetre. Nomes
s’usa com a substitutiu per un sensor que no funciona però es
necessari per realitzar proves.
24
2.1.2.4. Transformador diferencial de variació lineal – LVDT
El transformador diferencial de variació lineal és un
transformador que mesura desplaçaments lineals. El
transformador posseeix tres bobines posades als extrems
d’un tub i una altra col·locada al centre. La bobina central
esta connectada a la corrent i pel centre hi ha un nucli
ferromagnètic que es mourà cap endavant, o enrere on
estaran col·locades les altres bobines. La bobina central
indueix un camp al nucli ferromagnètic que en moure’s endavant proveirà de camp a
la primera bobina, i l’ultima rebrà menys camp i per tant menys voltatge. Si movem el
nucli cap enrere qui rebrà
més voltatge induït és la
ultima bobina i la primera en
rebrà menys, si coneixem
els valors de voltatges
induïts a les dos bobines
podem fer un càlcul molt
precís de la posició exacta.
Els LVDT són usats per
introduir posicions a servomecanismes, per mesurar posicions en eines o altres
processos industrials i científics.
2.1.2.5. Galga extensiomètrica
Una galga extensiomètrica és un sensor que
mesura esforços aplicats sobre una superfície. Fa
servir l’efecte piezoresistiu per tal de que si
apliquem un esforç que deformi el sensor es
produirà una variació a la resistència elèctrica.
Normalment es fa servir en la construcció per
saber la pressió que han d’aguantar els materials i
les variacions després d’haver muntat l’estructura. Aquestes resistències varien també
amb un increment de temperatura per la dilatació dels materials interns.
25
2.1.2.6. Acceleròmetre
Un acceleròmetre es un sensor que mesura acceleracions.
El més senzill consta d’una massa i un dinamòmetre però
normalment es fa servir un acceleròmetre amb un cristall
piezoelèctric que quan s’accelera una massa es comprimit i
genera un petit corrent.
Els acceleròmetres electrònics són capaços de mesurar
acceleracions en els 3 eixos i calculant les components de
la gravetat poden saber la inclinació de l’objecte.
També hi ha acceleròmetres d’efecte Hall5 que utilitzen una massa magnetitzable on
es col·loca un imant i un sensor d’efecte Hall que detecta canvis en el camp
magnètic.
Un efecte semblant té l’acceleròmetre de condensadors on l’acceleració que pateix el
sensor fa moure les plaques que componen el condensador i canvia la capacitat
d’aquest i això es pot mesurar i permet saber l’acceleració.
2.1.3. Sensors Especials
A mesura que s’avança amb la robòtica cada cop és fa més important tenir sensors
avançats pel reconeixement precís de l’entorn, així com actuadors també més
sofisticats per respondre adequadament. No obstant, donats els diversos camps en
que engloba aquesta ciència, es cada cop més difícil tenir tots els coneixements per
que un petit avenç en els programes no suposi un gran treball d’investigació. En
aquests casos resulta molt útil recórrer a petits mòduls que venen les empreses,
llestos per posar en marxa que fan la feina del dissenyador més senzilla.
2.1.3.1. Sensor de So
Els sensors de so o àudio (micròfons) serveixen per detectar sons en freqüències
audibles per l’orella humana (20Hz a 20KHz), en resum són micròfons normals.
Poden usar-se per diferents nivells de treball:
5 L'efecte Hall consisteix en l'aparició d'un camp elèctric en un conductor quan aquest és travessat per un camp magnètic. Aquest camp elèctric s'anomena camp Hall
26
• El més simple de tots seria utilitzar-lo per detectar el soroll de fons, i a partir
d’un cert llindar de soroll que enviés una senyal (1) o no enviï res si no hi ha
soroll o el soroll rebut és inferior al nivell mínim (0). Es podria realitzar
aquesta tasca amb el programa de la placa, dient-li fins
quina intensitat de so és soroll o a partir de quan es
el so que volem rebre. També tenim la opció de
modificar el llindar amb potenciòmetres, condensadors i
transistors. Seria en els dos casos un sensor digital.
• Un ús més complex seria el de sensor analògic, on
recollís totes les dades preses pel micròfon, a partir o no d’un llindar de
soroll de fons (que sempre es recomanable posar un límit inferior pel so
rebut). Amb aquest ús es podrien diferenciar sons aguts de sons greus, més o
menys intensos, amb diferent timbre, freqüències diverses o totes les
característiques del so. Per analitzar aquestes dades necessitaríem un
programari prou potent per poder analitzar-les i diferenciar-les.
• I l’últim ús comú que se’ls dona als sensors de so és el més complicat mirant
des del punt de la programació, estem parlant del reconeixement de veu.
És a dir que el programa interpreti paraules rebudes pel micròfon com
ordres o comandes a seguir. Tot i que encara és una tecnologia poc
desenvolupada esta tenint grans avenços i molts dispositius tenen la opció
de reconeixement de veu. Qualsevol telèfon mòbil més o menys modern, el
sistemes operatius com el Windows (encara que és el més ineficaç) i molts
altres.
2.1.3.2. Sensor d’Ultrasons
Un sensor d’ultrasons és molt semblant a un sensor de so però té un mòdul emissor i
un mòdul receptor. Treballen per sobre dels 20KHz, normalment pels 40KHz però hi
ha molts models diferents.
La part emissora s’encarrega d’emetre so en una determinada freqüència
contínuament. Normalment els dispositius d’emissió d’ultrasons tenen la opció de
romandre tancats i que només funcioni el receptor per detectar únicament sons
ambientals o altres fons externes a l’emissor local.
27
La part receptora és un micròfon adaptat a freqüències
elevades que detecta sons i els tracta com una entrada
analògica. Com en el cas del sensor de so també cal
treballar amb un límit inferior de so ambiental, perquè
encara que nosaltres no ho notem hi ha soroll ultrasònic
poc intens. Moltes vegades s’usa el receptor per detectar la senyal enviada i
tornem a t e n i r diferents tipus de tractament de la senyal.
• Si només volem saber si torna o no torna. En aquest cas hauríem de ajustar la
potència de l’emissor amb un potenciòmetre per calcular la distància on
arribaran les ones, i després activar el receptor i si dona senyal per sobre del
soroll ho tractarem com 1 i si no hi ha senyal com 0.
• Per saber la distància a la que es troba el sensor-receptor de l’objecte sobre
el qual reboten les ones. En aquest cas hauríem de fer que l’emissor no
treballés contínuament, sinó que ho fes per polses, es a dir, que enviï
senyals d’un temps determinat separats per un silenci de llargària coneguda.
Després el receptor coneixent la durada de les emissions i el temps
transcorregut entre emissió i recepció podria calcular la distància recorreguda
pel so. Normalment aquesta tasca s’encarrega el programa que controla el
sensor-emissor.
• Un altre mètode per saber la distància, que és més complicat, menys fiable i
menys recomanable però existeix és variar la potencia de l’emissor per tal de
que la senyal arribi en un principi al seu màxim, després baixem la potencia
de la senyal i arribarà una mica més a prop, i així successivament fins que
arribem a poca distància del emissor-receptor. Amb aquesta tècnica el que
veiem é s fins a quin punt detectem senyal de tornada, quan aquesta senyal
no torna significa que l’objecte es troba compres entre la distància
corresponent a la senyal anterior i la distància a la qual ha arribat aquesta ona
que no ha tornat.
Els sonars és l’ús més comú i estes d’aquests sensors. Utilitzen el primer mètode per
detectar distancies.
28
2.1.3.3. Sensors d’Infrasons
Els sensors d’infrasons és com el sensor de so audible i el sensor
ultrasònic. La diferencia és que el sensor d’infrasons treballa per
freqüències inferiors a 20Hz. La avantatge de fer servir ones amb
una freqüència tant petita és que no tenen perduda de senyal amb
la distància gairebé. És un fet semblant que amb les ones curtes
de radio que travessen continents sense perdre senyal. Però el
principal inconvenient d’aquestes ones es que tenen una amplitud aproximada de 20
metres, per tant podem detectar objectes a moltíssima distància però aquests han de
ser de mides considerables. Realment té poca utilitat perquè la ona trigaria massa
temps en tornar si volem localitzar objectes a molta distància. També dependria
del medi per on es mouria la ona per tal de que l’emissió i la rebuda no tinguessin
interferències (que seria molt probable que tinguéssim interferències de tot tipus i la
senyal no seria clara) per això aquests sensors són poc usats.
2.1.3.4. Brúixola
Una de les característiques principals d’un robot es la
seva capacitat de moviment. A mesura que les tasques a
realitzar pel robot es tornen més complexes, el robot
hauria d’adaptar- se a un entorn no preparat i que sigui
completament desconegut per ell. Per això cal tenir algun
tipis de sistema de posicionament que continuï funcionant inclús quan el robot no
hagi estat mai en aquell entorn. Per això s’utilitza un sensor brúixola.
La forma de llegir les dades es mesura amb la quantitat de graus que el robot
esta amb respecte el Nord magnètic. Això la placa ho envia amb una cadena de
senyals on la seva amplada determina la posició en graus. O sinó per connexió directa
amb la placa amb un cable de transmissió de dades. Normalment aquests sensors
necessiten ser calibrats abans de posar- se a funcionar correctament perquè
identifiquin el Nord i puguin analitzar els moviments.
2.1.3.5. Càmeres
29
El desenvolupament de la robòtica cada cop demana més
avenços i prestacions per part dels robots. En la mateixa línia
d’investigació, cada cop que s’usa un nou sensor s’ha de
programar per tal de que es puguin analitzar les dades rebudes
pels perifèrics. Als últims anys s’ha vist incrementada la
necessitat d’instal·lar càmeres als robots per tal de fer un
seguiment a distància del seu treball o que un programa analitzi l’entorn
visualment i li enviï ordres al robot. Normalment les càmeres si els robots són de
tipus industrial i no es mouen, no caldrien càmeres sense fil, però per robots amb
mobilitat pròpia hauria de ser indispensable que la càmera anés per radiofreqüència.
El major problema de les càmeres usades actualment es la seva impossibilitat de poder
mesurar distancies amb les imatges que obtenen. Les càmeres només obtindrien
imatges en 2D i això no es gaire útil per control del robot perquè es veuria un
objecte però no es podria detectar on esta i quan xocarien. Recentment s’utilitza un
tipus de sensor que esta proveït de dues càmeres situades lateralment emulant la vista
humana que són capaces d’obtenir imatges en 3D i de calcular distancies amb força
precisió. Un exemple seria el Kinect de la Xbox. Aquests sensors necessiten un potent
programa informàtic per tal de ajuntar les dues imatges simultàniament i realitzar els
càlculs per mesurar les distancies a partir de les imatges obtingudes.
2.1.3.6. Sensor d’inclinació
El sensor d’elevació es un petit dispositiu que detecta la
elevació del sensor respecte la horitzontal. Pot treballar de
diferents formes, de forma digital o analògica.
• Si treballa de forma digital ens trobem amb un
sensor que envia una senyal sempre que s’ha superat un valor de inclinació
superior al mínim permès pel sensor, normalment aquests sensors tenen un
marge d’uns 10o on la precisió es casi nul·la i els valors van canviant entre 0 i 1,
es un estat de transició. Aquest problema es pot arreglar introduint unes
modificacions al programa o amb elements externs (condensadors, transistors,
portes lògiques...)
30
• Si el sensor treballa de forma analògica
tindríem una brúixola on l’eix de treball no
es horitzontal, sinó vertical. El funcionament
es semblant, però el sensor d’elevació dona
senyals mesurant el canvi en graus entre la
posició actual i la horitzontal del terra o
direcció cap al Nord geogràfic.
Aquí tenim un esquema de com funcionaria un model únicament digital, que et tanca
un circuit a partir de 150 d’inclinació amb el terra.
2.1.3.7. Sensor d’humitat
Els sensors d’humitat mesuren la humitat relativa de l’aire que els
rodeja, normalment són analògics i fan servir tres pins, un per donar-
li voltatge, l’altre a terra i el del mig cap al sensor, tenen un
funcionament semblant a un potenciòmetre. S’utilitzen en estacions meteorològiques.
2.1.3.8. Sensor d’Acidesa (PH-metre)
El sensor d’acidesa o normalment anomenat PH-metre seria un
instrument electrònic abans que un sensor ja que necessitem realitzar
càlculs abans de obtindré el nivell d’acidesa o basicitat d’un líquid, però
que internament t é un sensor que li permet realitzar els càlculs.
2.1.3.9. Sensor de Voltatge, Intensitat, Resistència...
Tornem al cas anterior en el que parlem més d’un dispositiu electrònic
amb un galvanòmetre i preparat per realitzar càlculs segons la llei d’Ohm. El sensor
de voltatge ens indica el valor nominal del voltatge en el circuit que hem col·locat en
paral·lel, el sensor d’intensitat ens parla sobre la intensitat que circula per un circuit,
connectat en sèrie amb el sensor. El sensor de resistència ens indica la resistència o
conductivitat d’un component o circuit sense tensió.
Dins de l’apartat elèctric tindríem sensors de capacitat i de més magnituds elèctriques.
Tots aquests els podríem mesurar amb un tèster o multímetre.
31
2.1.3.10. Sensor de Presencia
El sensor de presencia es un sensor que permet detectar
cossos vius en el seu radi de detecció. Utilitza una càmera
sensible als rajos infrarojos per tal de detectar les radiacions
d’escalfor que produïm els essers vius, per tant un sensor
de presencia només el formaria part un sensor òptic d’infraroig i la part emissora
serien les persones. Normalment t é una sortida lògica, detectant calor o sense
detectar-la. També tenim la opció de enviar les dades a un ordinador des del sensor de
presencia per analitzar el tipus de cos, el moviment o les accions captades per la
càmera. Tenen usos en alarmes, llums automàtiques, usos militars entre d’altres.
2.1.3.11. Sensors Tàctils
Els sensors tàctils els tractarem com un
apart perquè tenen un gran conjunt
d’aplicacions i usos quotidians que tots
usem habitualment. Un sensor tàctil disposa
d’un conjunt de sensors de pressió
distribuïts que saben la localització dels
sensors pressionats es coneix la part del sensor que esta en contacte amb un altre
objecte. Podem trobar diferents usos i per cada situació una estructuració diferent
del sensor, podem trobar la situació on volem que n o m é s es detecti zona de
contacte sobre qualsevol superfície, per saber on esta un objecte sobre una
superfície plana o també per tenir una pantalla inferior i seleccionar opcions mostrades
a la pantalla. Aquestes són utilitzades per telèfons mòbils, ordinadors, tabletes... Poden
fer servir diversos tipus de tecnologia per funcionar.
Aquests sensors han pres tanta importància que sense ells ni els mòbils moderns, les
tabletes, els caixers automàtics no podrien funcionar.
• Resistiva: Utilitzen capes de semiconductor separades entre si, quan algun
objecte pressiona ajunta les dos capes i es crea un petit corrent elèctric i uns
receptors mitjançant la resistència poden calcular el punt de contacte.
• Ona Acústica Superficial: Aquesta tecnologia utilitza ones d’ultrasons que es
32
transmeten per la pantalla i quan un objecte entre en contacte absorbeix part
de l’ona i un sensor registra la pèrdua de senyal i el programari s’encarrega de
calcular el punt de contacte.
• Capacitiva: Utilitza un funcionament idèntic als condensadors. Es col·loca
una capa d’un material que condueix un petita carrega elèctrica que és
controlada en l’eix X i Y contínuament. Quan una persona, amb electrons
superficials a la pell toca la pantalla es distorsiona la ona de les carregues
que contenia la pantalla i uns sensors en els laterals calculen la situació de
contacte.
• Capacitat Projectada: Es crea una xarxa en l’eix X i una altre en l’eix Y que són
independents formades per elèctrodes que funcionarien com la capacitiva
però amb més precisió.
• Infraroig: Es crea una matriu de projectors i sensors infraroigs col·locats als
extrems de la pantalla, quan un objecte interromp el fluix de llum é s
detectat pels sensors que calculen la part de pantalla on s’interromp la senyal.
• Galgues Extensiomètriques: Com ja han estat esmentades, tornaré a explicar
el seu funcionament en aquest cas. Poden tenir una pantalla elàstica i això els
permet obtenir coordenades en l’eix Z, normalment s’usa pantalla elàstica per
protegir del vandalisme.
• Imatge Òptica: Dos sensors infrarojos són col·locats a les cantonades de la
pantalla, i quan es toca la pantalla es crea una ombra sobre la pantalla que
els sensors poden detectar.
• D’altres...
2.1.3.12. Sensor de Caudal
Un sensor de caudal bàsicament el que mesura é s la quantitat
de fluid que passa per un tub per unitat de temps. Es poden fer
servir per programar un caudal màxim i interrompre el circuit
per evitar averies, per calcular la potencia de la bomba que
bombeja, per regular una vàlvula de caudal o simplement per
curiositat i poder veure el caudal.
33
2.1.3.13. Sensor de Camp Magnètic
Un sensor de Camp Magnètic ens permet saber la quantitat de camp que travessa el
sensor en un eix establert. Esta compost per sensors d’efecte Hall que estan
col·locat als extrems. Es poden fer servir
per mesura el camp terrestre en un punt,
o mirar el camp que produeixen els
solenoides.
2.1.3.14. Sensor Geiger
Un sensor Geiger o comptador Geiger serveix per
mesurar la radioactivitat en un objecte o lloc.
És un detector de partícules i radiacions ionitzants.
Esta format per un tub amb un fil petit pel
centre. L’espai entre el fil i el tub esta aïllat i ple
de gas. Entre el fil i el tub hi ha una diferencia de
potencial de 1000V. Quan un electró penetra en
el tub, el travessa i amb la diferencia de potencial
impacta contra el fil, que crea un moviment d’electrons en cadena que produeix
un petit corrent. Mesurant la quantitat de corrent produït es pot saber la quantitat
d’electrons que han impactat. En el cas de radiacions X o Gamma, aquestes fan
desprendre electrons del tub que impacten contra
el fil. En el cas de partícules ionitzants també
alliberen electrons del tub.
2.1.3.15. Piròmetre
Un piròmetre és un aparell que fa la funció de sensor
de temperatura. És capaç de mesurar temperatures a
distància, normalment es fa servir per temperatures
molt altes que impedeixin la mesura amb elements
de contacte.
Es fan servir per saber si la temperatura de fusió dels metalls és la correcte, per tant
arriben a mesurar milers de graus. Com més temperatura més distància necessites per
34
mesurar i no cremar-te. També influeix la distància en el diàmetre de mesura per tant
hi ha alguns models amb mira telescòpica per definir correctament el punt a mesurar.
Hi ha els piròmetres òptics i els de radiació. Els piròmetres òptics mesuren la
temperatura comprant el color de l’objecte amb una llampada de comparació de
colors, ajusten el color que tenia a temperatura ambient i el comparen amb el color
que té actual. Els piròmetres de radiació mesuren la radiació emesa pel cos.
2.2. Perifèrics de sortida: motors i altres actuadors
Aquestes parts del robot serveixen per interactuar amb l’entorn, movent-se o duent
a terme alguna acció.
2.2.1. Díodes LED
És un dels perifèrics de sortida més senzills d’utilitzar. Son
dispositius que emeten llum quan se’ls aplica una tensió directa
entre els seus terminals, el positiu i el negatiu. Si es fa servir una
polarització inversa no circularà corrent.
Externament tenim diferents maneres de diferenciar l’ànode
(+) i el càtode (-) d’un LED. La poteta corresponent al ànode
t é una longitud major que la del càtode. Si es mira a
contrallum es distingeixen uns filaments, el filament del
càtode és major que el de l’ànode. Per últim si observem la
base es pot apreciar una petita deformació a l’extrem
corresponent al càtode. Podem trobar LED de diferents mides,
colors, rang d’il·luminació.
Degut a la seva senzillesa i el seu baix cost resulten molt útils en
la realització d’indicadors lluminosos. La tensió que s’ha d’aplicar normalment és baixa,
35
entre 1.5 i 2.2V. Per controlar el valor del voltatge que correspondrà al LED es posa
una resistència entre aquest i la font d’alimentació, el valor de la resistència es
calcularà amb la llei d’Ohm. Normalment els LED es fan servir amb corrents
continues però també poden utilitzar-se amb corrents pulsatives.
2.2.2. Brunzidor Piezoelèctric
És un perifèric de sortida que emet un brunzit continu
mentrestant s’apliqui una diferencia de tensió entre els seus
borns. A cada terminal s’ha d’aplicar una polaritat i la intensitat
del brunzit dependrà tant del voltatge aplicat com el model del
brunzidor seleccionat. També tenen molts usos degut a la seva
senzillesa.
2.2.3. Display
Normalment es fan servir els displays de 7 segments encara que
podem trobar altres models i tipus al mercat, aquí explicarem
n o m é s el de 7 segments perquè é s molt senzill i pràctic.
Permet visualitzar números, lletres i signes. Esta format per 7
díodes LED en forma de segment i situats com es mostra al dibuix. També s’inclou
un vuitè LED en forma de punt que es denomina “dp”. Els set segments principals
són designats per les lletres a, b, c, d, e, f, g. Segons quines s’il·luminin apareguin
números o lletres. Per exemple si s’il·luminen els 7 segments principals apareix un 8.
El vuitè LED serveix per posar números decimals. Tots els ànodes dels LED que
formen el display estan
ajuntats i els càtodes
se’ls introduirà tensió per
separat per il·luminar el
que sigui necessari.
36
2.2.4. Control de Displays per multiplexat
Quan es vol visualitzar diversos números o
lletres sobre diferents displays de 7
segments no es pot aplicar a cadascun d'ells
les senyals digitals que els corresponen
perquè en serien moltes, ja que cadascun
dels display necessita 8 línies de connexió.
Perquè l'ull humà tingui la sensació de que diversos displays estan encesos al mateix
temps no es necessari que tots ells estiguin il·luminats al mateix temps. La persistència
visual de l'ull reté la imatge per un període de temps petit encara que suficient i això
permet que amb una tècnica d’encendre’ls consecutivament puguem visualitzar-los
encesos alhora. Per simplificar les connexions s'introdueix a cadascun dels displays la
seva informació cada cert temps. Al estar connectats en paral·lel, en realitat la
informació arriba a tots els displays a la vegada, però només funciona en aquell en el
que té tensio positiva aplicada al ànode. Cada cop que s'envia la informació a un
display es connecta el seu pol corresponent i es desconnecten els altres terminals. Si
s'apliquen les informacions a suficient velocitat, encara que realment a cada
instant només hi ha un display encès, degut a la persistència visual ho estan tots,
d'encesos. En l'esquema següent veiem com controlar tres display.
Es pot veure a sota un exemple de tres displays controlats per multiplexat.
37
2.2.5. Motor de Corrent Continua
Aquest tipus de motors són molt habituals en aplicacions
de baixa potencia. En els robots s'usen per moure'ls o com
tasques varies. Permet una regulació de la velocitat i
sentit de gir molt senzilla, només modificant la polaritat i
el valor del voltatge. Normalment posseeixen engranatges
reductors, externs o interns, el que farà que el moviment
de rotació de l'eix sigui més lent però amb més parell de
força. Canviar la polaritat o el valor de voltatge no ens ho
permet fer la placa programable directament, però podem crear cadenes de senyals
dins del rang de tensió acceptat pel motor. La velocitat de rotació del motor es pot
variar amb la freqüència o amb la duració de les senyals. Com més freqüència tinguin
les senyals enviades al motor, més ràpid girarà. També si la duració de la senyal
enviada és major, la velocitat també s'incrementarà.
Les plaques programables no tenen potencia suficient per poder connectar-se
directament amb un motor, així que normalment s'utilitzen amplificadors o circuits
integrats externs que permetin controlar el sentit de gir, l’activació o desactivació
dels motors segons el tipus de senyal enviada al dispositiu
2.2.6. Motors Pas a Pas
En diferencia amb els motors de corrent continua, un motor PAP (pas a pas) fa girar
el seu eix un angle determinat, el que es denomina pas. D'aquesta
manera quan s'aplica un tipus determinat de senyal digital al seus
borns podem escollir, depenent de la quantitat de senyals l'angle de
gir i segons la freqüència la velocitat angular. Els seus angles de gir
són molt exactes però el seu eix no recorre totes les posicions
possibles i com a conseqüència no es cobreix tot l'espai de treball.
Això implica un ús m é s determinat i no serviria per exemple per
moure un robot però per moure un braç mecànic són dels més usats.
38
Les taules de funcionament són normalment
proporcionades pels fabricants i determinen la
polaritat a aplicar a cada un dels quatre
terminals per cada gir amb l'angle
corresponent a cada pas. Els valors s'han de
subministrar en l'ordre determinat per la
taula i serà el pas d'un conjunt a un altre el
que faci que el motor giri X graus, on X és el
pas que depèn del model del motor.
Igual que amb els motors de corrent
continua, els PAP necessiten un controlador,
o placa separada que amplifiqui les senyals
enviades pel microcontrolador. Aquí es veu
un exemple de com s'ha de connectar el
controlador L293B amb el motor PAP. Les línies d'habilitació dels quatre amplificadors
estaran connectades a V+, i per les línies Inn es subministraran els diferents valors de
la taula de la veritat des del microcontrolador.
2.2.7. Servomotors
Un servomotor és un tipus especial de motor que inclou a la mateixa carcassa el grup
reductor i la tarja de control. Solen utilitzar-los els aficionats al modelisme de
maquetes teledirigides per el moviment de timons, alerons... Les seves dimensions i
pes són reduïts i la tensió d’alimentació és flexible i consumeix poc, cosa que ha fet
que s'utilitzin per la construcció de robots.
Com els servomotors van ser dissenyats per altres aplicacions no recorren els 360º,
pel que es va extreure una pestanya limitadora interior i es va canviar l’electrònica
de control per poder tenir un motor de corrent continua molt compacte i amb bon
parell de força. Precisament és l’electrònica de control interna que tenen els
servomotors és l’única diferencia amb els motors normals. Aquesta electrònica
s'encarrega de traduir les cadenes de senyals que s'envien per una de les línies de
control del motor. L'amplitud de les senyals sol estar compresa entre 1 i 2 ms i
39
s'haurien de repetir aproximadament 50 vegades per segon. Una vegada posicionat
a l'angle correcte el motor es para fins que es torni a enviar una senyal de diferent
amplitud.
Si els motors permeten girs de 3600 podem controlar els motors de la següent manera:
I si no permeten girs de 3600 o
més, per cada valor de puls
tindríem un angle diferent que
dependria del fabricant. Aquests
servomotors tenen el límit de girar
una volta sencera o mitja volta i
després ja no girarien més. Aquí
proposem el cas d’un servomotor
de 180o.
40
2.2.8. Altaveu
És un dispositiu que serveix per
generar sons amb diferents tons,
aplicant entre els seus dos
terminals cadenes de senyals de
diferents freqüències, semblant
als servomotors.
Segons sigui la freqüència del so s’assimila a una o altre nota musical, podent-se
combinar diferents freqüències per la composició de melodies. En el següent
esquema indiquem la freqüència del senyal amb la seva nota relacionada, així un Do
correspondria a 1kHz. Les notes estan en codificació anglesa, C és un do, D és un re...
2.2.9. Relé
Un relé és un dispositiu electromagnètic amb dos circuits
elèctricament independents on un controla a l'altre. En
robòtica es solen utilitzar per controlar carregues
elevades amb corrents dèbils, que són les que
proporcionen els microcontroladors. En un relé clàssic el
circuit de control és electromagnètic, és a dir, és un
electroimant que quan rep el corrent necessari mou un joc
de contactes que tanquen o obren diferents circuits.
41
A l'hora d'escollir un relé s'ha de tenir en compte tant el voltatge i la intensitat que es
necessiten per activar-lo com el voltatge o intensitat d'entrada i sortida, si és corrent
alterna o continua. Normalment per activar un relé a partir d'un microcontrolador
necessitem un relé que amplifiqui la senyal per poder arribar al voltatge d'activació
del relé. Per protegir el transistor dels corrents electromagnètics residuals produïts per
l’autoinducció de la bobina en el relé es posa un díode de protecció entre els borns de
control al relé.
2.2.10. Pantalles LCD
És probablement un dels perifèrics més versàtils que existeixen. S'utilitza per mostrar
tot tipus de missatges, incloent símbols especials
i caràcters dissenyats per l'usuari. Existeixen
diferents models però tots fan servir la mateixa
idea, rebre les dades que es volen mostrar i
les comandes per decidir el mode en que es
representaran aquestes dades. Així es pot fer
pampallugues a un text, desplaçar-lo, ocultar
el cursor... Això és gracies al microcontrolador
que el propi dispositiu porta incorporat, que tradueix les comandes que li arriben.
Tant les connexions com les comandes de control variaran depenent del model. I a
més alguns microcontroladors poden estar preparats i tenir instruccions especifiques
per el control d'un determinat de pantalla. Si no és així s'hauria d'utilitzar el llenguatge
adequat.
42
2.2.11. Emissors i Receptors de Radiofreqüència
Els emissors i receptors de radiofreqüència permeten que dos sistemes es
comuniquin sense necessitat de cables. Això en un sistema robòtic és molt
interesant, ja que obre un ventall de possibilitats en el tipus d'accions que pot
realitzar el robot. Així per exemple un robot podria fer un recorregut, recollir dades,
enviar-les a un ordinador i aquest enviar-li noves ordres al robot. Això é s útil per
zones on el perill é s gran i les persones no poden accedir, d'aquesta manera és
podria controlar el robot a distància.
Quan varis robots es troben cooperant per realitzar una feina comú, la radiofreqüència
permet que un robot recopili dades, les enviï a un ordinador central i aquest
s'encarrega de enviar ordres a tots els robots involucrats en aquella escena perquè
puguin actuar. Així es crea una base de dades accessible per tots els robots i
aquests obtindran les dades que els siguin necessaris en qualsevol moment.
La radiofreqüència últimament esta perdent força en front amb el Bluetooth o el
wifi, ja que permeten connexions més compatibles amb PDA, mòbils, smartphones o
altres aparells. Ara mostrem els tres tipus d’emissors/receptors més utilitzats.
El primer seria un emissor/receptor que funciona per radiofreqüències, és el més
petit i més simple de tots. El segon és un emissor/receptor Bluetooth, é s una mica
mé s gran i té m é s borns de connexió. Per últim tenim un shield wifi, que és més
gran que els anteriors i té una estructura de connexions més complicada, de shields
wifi podem trobar-ne de més petites i sense l’antena, però això limita molt el seu
abast. Depenent de quines siguin les característiques de la connexió escollirem un dels
tres models. Si és comunicació entre plaques, seria recomanable un de
radiofreqüència, sempre que no s’allunyin molt. Si volem comunicar- nos amb un
43
mòbil, ordinador o una altra placa agafaríem la Bluetooth encara que té un abast
molt limitat. I si volem fer una connexió a llarga distància i amb molt flux de dades i
velocitat escolliríem la wifi.
3. Processament de dades
El component quasi més important que ens trobem en un robot é s el dispositiu de
control. Gracies als circuits que componen el dispositiu, el robot serà capaç de
transformar les dades d'entrada en accions a desenvolupar en l'entorn en que es troba.
Aquí trobem robots controlats per circuits lògics simples com sistemes de
combinacions o seqüencials, amb portes lògiques i biestables. I per últim trobem
robots controlats amb microcontrolador.
3.1. Circuits lògics
Els circuits lògics tenen la seva base en les senyals digitals, és a dir un seguit de 0 i 1, o
el que seria el mateix, senyal o inexistència de senyal. Els circuits lògics o digitals són
aquells en que la resolució de problemes es fa amb operacions afirmatives o
negatives, de deixar passar el corrent o negar el pas. Les variables que tenen en
compte són les binaries, amb base 2, el 1 i 0.
Els principis dels circuits lògics tenen l'inici en l’àlgebra de Boole, que n o m é s són
funcions matemàtiques adaptades als senyals digitals. Les funcions que Boole va
adaptar als senyals binaris van ser la suma, la multiplicació o la inversió. Primer hem
de conèixer que, “+” és suma, “·“ és multiplicació i “¬a” és negació. Vegem-ne alguns
exemples.
0+0=0 , 0+1=1 , 1+1=1 ; 0·0=0 , 0·1=0 , 1·1=1 ; ¬0=1 , ¬1=0 (La negació, com es
mostra a la imatge següent és una línia per sobre, per adaptar-ho a l’escriptura
informatitzada prendrem el caràcter “¬” com a element de negació i introduirà el valor
que serà negat)
I a la pagina següent les lleis de l’àlgebra de Boole:
44
La manera de posar totes aquestes funcions en acció tenim les portes lògiques, que
són uns circuits electrònics integrats que són capaços de calcular les funcions de
l’àlgebra de Boole. Ara mostrarem el nom, la funció que realitzen, el seu símbol, la
taula de veritat (taula que mostra tots els resultats possibles) i un circuit elèctric
equivalent, tot això a la pagina següent.
45
46
Normalment si necessitem usar moltes portes lògiques diferents, pot arribar a ser molt
incòmode pel disseny del circuit. Per això després de dissenyar un circuit, el primer
pas es simplificar-lo i a continuació es construeix el circuit amb portes NAND perquè
les seves equivalències són les més efectives i així es redueixen costos de producció.
Ara veurem la taula d’equivalències NAND amb la resta de portes lògiques.
Els circuits que es poden construir amb portes lògiques són molt extensos però les
seves limitacions són molt grans. Son simples de fer servir i no cal programar per
muntar circuits simples de control, però normalment són sistemes que tenen uns usos
actuals molt limitats i per això no s'usen gaire.
47
3.2. Microcontrolador
Els robots dels quals hem parlat haurien de poder realitzar multitud de tasques
diverses com explorar terrenys, crear mapes, fer de guies, analitzar entorns... Per
aconseguir tot això els robots necessiten un petit nivell d’intel·ligència i aquesta
intel·ligència resideix en un programa. Aquest programa necessita d'un computador
complet per la seva execució, és a dir, un processador, memòria, mòduls d'adaptació
als perifèrics a controlar i recursos auxiliars. A més a més degut a les característiques
típiques dels robots, de reduïda mesura i amb capacitat de mobilitat es fa necessari
que el computador tingui unes dimensions, lleuger i adaptable a diferents feines. Clar
que els microcontroladors tenen unes prestacions limitades, però degut a la gran
quantitat de fabricants i models existents el dissenyador pot escollir en quin cas quin
s'adapta millor a les seves necessitats. El conjunt d'instruccions serà per lo general
senzill i poc nombrós, i les memòries on emmagatzemar les ordres i instruccions
estaran limitades en quant a capacitat, però tenint en compte que els camps
d'aplicació dels robots són molt concrets no arriba a ser un problema la falta de
memòria.
Totes les targes de control tenen recursos interns que pot fer servir el chip i pins de
connexió per connectar perifèrics externs d’entrada o sortida.
El camp d’us dels microcontroladors no n o m é s es limita al seu us per la
robòtica. Tots els aparells electrònics amb certa complexitat tenen un
microcontrolador, des del despertador o el termòstat de la calefacció fins als telèfons
mòbils, també els trobem pel carrer, en semàfors, maquines expenedores, cartells
lluminosos... Com podem observar els tipus de microcontroladors poden ser molt
extensos i les marques que els dissenyen també. Aquí en posarem uns d’exemple.
3.2.1. Els microcontroladors PIC©
Aquests microcontroladors pertanyen a l’empresa Arizona Microchip Technology, és
una de les més conegudes per la seva senzillesa de components, la facilitat del
llenguatge emprat en programació i la relació qualitat-preu.
Les seves característiques són les següents:
48
• Arquitectura Harvard6: Els microcontroladors PIC utilitzen una estructura
Harvard que és característica perquè disposa de memòries i busos
independents per les instruccions i les dades, en contra, altres
microcontroladors utilitzen l’estructura de Von Neumann7, on les instruccions
i dades es situen a la mateixa memòria interna. Com les dades i instruccions
estan a la mateixa memòria la velocitat de processament és major i la mesura
de les plaques és menor al només tenir una memòria. La diferencia entre les
dues arquitectures esta explicada a l’apartat de memòria 3.4 Memòria
• Processador amb arquitectura RISC8: Tots els controladors PIC tenen una
arquitectura RISC en el conjunt d’instruccions, això permet tenir un grup
reduït i m é s senzill d’ordres. També s’estalvia en el preu, són més ràpids i es
refrigeren molt millor que els que usen estructura CISC9.
• Processador Segmentat: Això incrementa la velocitat d’execució d’un
programa al permetre al processador desenvolupar un cicle d’execució
d’instruccions i al mateix temps buscar la següent.
• Varietat de models: Tenen un conjunt força ampli de models que s’ajusten
a les característiques del dissenyador.
• Amplia documentació i eines senzilles i potents: Els programes per controlar,
compilar i pujar programes als controladors PIC són molt variats i a internet
es poden trobar molts models.
3.2.2. Els mòduls BASIC STAMP
Encara que el disseny de projectes amb microcontroladors no es difícil, moltes
vegades els coneixements tècnics són difícils d’entendre i no estan adaptats per
tothom. Per això l’empresa Parallax va inventar els mòduls Basic Stamp, que la funció
es apropar el disseny de projectes programats a tots els públics. Utilitza un tipus de
programació molt senzill derivat de Basic, el microcontrolador treballa en Basic però
és el programa que s’encarrega de traduir el PBASIC, on l’usuari programa a Basic i
enviar-lo al microcontrolador per un cable i són emmagatzemades a la memòria.
6 http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_Harvard 7 http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_von_Neumann 8 http://ca.wikipedia.org/wiki/RISC 9 http://ca.wikipedia.org/wiki/CISC
49
3.2.3. Microcontroladors de Motorola
Motorola comercialitza tres gammes de microcontroladors, i en aquest cas ens
centrarem en el que utilitza l’arquitectura Princeton, que igual a la de Von Neumann,
reuneix a la mateixa memòria dades i ordres. Després tenen variants depenent de
la quantitat de memòria i del numero de pins de connexió, normalment de nombre
elevat (entre 40-60)
3.2.4. Microcontroladors de Intel
Encara que Intel é s conegut mundialment per la construcció de
microprocessadors, també construeix microcontroladors. Els seus models es
subdivideixen en nombroses famílies que es caracteritzen per les seves memòries. Així
amb un mateix tipus de chip podem tenir simultàniament memòries ROM, RAM i
EPROM, podent sent externes o internes de la placa. Un dels models més populars
comercialitzat per Intel és el 80C51.
3.2.5. Microcontroladors de Philips
Philips disposa de tres games de microcontroladors. La m é s utilitzada é s la de 8
bits, que segueix l’arquitectura 80C51 d’Intel. Encara que el nucli é s el mateix el
microcontrolador de Philips té millores respecte a velocitat, capacitat de memòria i
una alimentació més baixa.
3.2.6. Microcontroladors avançats: Els DSP
Els DSP són processadors especialitzats en el tractament digital de senyals. Encara que
no són microcontroladors pròpiament dit els hem introduït en aquest apartat per la
seva similitud, encara que la seva potencia normalment és molt superior. El seu
disseny esta orientat cap a la transformació de senyals analògiques d’entrada en
digitals pel seu tractament immediat. Un exemple seria la descodificació i codificació
de veu en un mòbil.
50
3.2.7. Microcontroladors d’ Arduino
Arduino és l’empresa que he escollit per obtindré el
microcontrolador, aquí exposaré les seves característiques i
a l’annex de la part practica explicaré els motius de la tria.
Arduino és una empresa que es dedica al disseny, la fabricació i distribució de
microcontroladors i plaques programables. Segueix una política de total llibertat en
quant al seu software i hardware, el programari é s lliure i pots modificar-lo al teu
gust. Fa servir una programació pròpia molt semblant al llenguatge C que li permet
crear entorns de programació molt còmodes per usuaris experts i per usuaris que
estan començant. Pels usuaris que tenen més experiència Arduino els ofereix una
sèrie de microcontroladors de gran potencia i amb moltes possibilitats i capacitats
varies adaptables a molts entorns diferents. Tenen plaques adaptades a tots els usos i
si en vols alguna amb més prestacions pots incorporar-hi shields que t’obriran un
nou mon de possibilitats. Pels usuaris que volen començar a programar i crear els
seus dispositius, Arduino disposa de plaques molt senzilles i de fàcil accés i
enteniment que crearan un entorn molt còmode per l’usuari. La programació és
molt senzilla si es volen fer funcions bàsiques, i també és capaç de dur a terme
processos inimaginables, si en algun moment tens alguna pregunta o dubte, la pagina
oficial d’ Arduino compta amb fòrums d’accés lliure on l’ambient amigable dels usuaris
que t’ensenyaran i aconsellaran en el que pugin. Al seu de codi obert, Arduino té una
gran acceptació social i col·laboració externa. Així doncs
podem trobar una gran quantitat de sensors
especialitzats de rapida connexió a Arduino, una gran
quantitat de shields propis d’ Arduino i d’altres externs a
Arduino però que tenen el seu vistiplau i els recomanen
a la seva web. Després també com en els casos dels
shields trobem altres plaques que són construïdes per
tercers que també han estat certificades per Arduino.
Primer de tot explicarem que són els shields i en
posarem alguns tipus i després passarem als diferents models d’Arduino. A la imatge
veiem shields enganxades a una placa.
51
Els shields són plaques que es col·loquen a sobre de la placa Arduino i que amplien
una nova funció perquè aquesta sigui controlada des de Arduino, o per controlar
diferents aparells, obtenir dades... Es caracteritzen per ser fàcils de muntar i de preu
assequible.
• Xbee Shield: La Xbee Shield permet que una placa
Arduino es comuniqui sense fils fent servir Zigbee10.
Esta basada en el mòdul Xbee de MaxStrem. El
shield es pot comunicar fins a 30 metres en interior
o 90 en exterior. Pot usar-se com a recanvi del port
sèrie/USB o pots posar-lo en mode de comandes i
configurar-lo per una varietat d’opcions de
transmissió de dades. Aquesta és de les poques
dissenyades i distribuïdes per Arduino.
Ara veurem un seguit de Shields no creats11 per Arduino que són perfectament
compatibles i que poden trobar-se a la pagina web d’Arduino igualment als
oficials.
• Quick Shield: Aquest shield t é una funció molt
simple, facilitar la connexió de cables i pins als
connectors de la placa d’ Arduino, així es facilita
molt la feina en cas de que haguem d’introduir un
cable i extreure’l, amb això es farà més senzill.
• Phi-2 Shield: Aquesta seria un Shield molt complet
amb una varietat enorme de funcions, però només és
compatible amb la placa Arduino Ethernet. Té un
display LCD de 16x2, 6 polsadors, dos ports RJ45, dos
leds indicadors interns de processat de dades que
es poden canviar de funció, connector i antena GPS
entre d’altres.
10 Zigbee es el nom de les especificacions d’un conjunt de protocols d’alt nivell de comunicació sense fil per la seva utilització en sistemes de baix consum. 11 http://www.arduino.cc/playground/Main/SimilarBoards#goShie
52
• Motor Shield: Shields adaptades
per la connexió de motors n’hi ha
moltes, de moltes empreses i
amb moltes característiques que
les fan interesants però totes
elles han estat provades per
Arduino. Aquesta que presento té
dos connectors per dos servos de
5V, 4 connectors bidireccionals per motors de corrent continua i dos per
motors pas a pas, després també té connectors per subministrar més potencia
a partir d’un adaptador o piles i protecció a la sobrecarrega de les dues
plaques.
A la imatge podem veure, d’esquerra a dreta, un motor de corrent continua, un
servomotor i un motor pas a pas.
• Shields Bateria: Moltes vegades es presenta l’inconvenient de com alimentar
una placa Arduino que s’ha de moure i no pot estar connectada a l’ordinador
contínuament. Per això moltes empreses fabriquen models de bateries que es
connecten a la placa Arduino per subministrar-li energia. Aquestes shields no
són simples bateries, existeixen models que van des de les 10h a les 30h d’us i
es poden subjectar al revers de la placa. Es poden connectar pel connector USB
de la placa Arduino, i en aquest cas es pot programar la bateria perquè
subministri una quantitat continua de corrent, fins quin límit té permès de
53
subministrar a la placa i més opcions a considerar. Però també tenim la opció
de connectar com si fos una pila, al born de connexió d’ Arduino. Això ens
porta molts avantatges respecte a una pila normal.
Arduino té diferents models de microcontroladors adaptats a totes les necessitats
que puguin sorgir a qualsevol dissenyador de circuits, i al ser de plataforma lliure
sempre podràs modificar-lo al teu gust o afegir-li shields que adaptin la placa a les
teves necessitats. Aquí posem els models més importants i les seves característiques:
• Nano: Arduino Nano é s una placa petita i molt completa que es fa servir
connecta-la a una protoboard o a un
circuit integrat independent. Té la
mateixa funcionalitat que l’ Arduino
Uno, però amb una presentació diferent.
Li manca el connector d’alimentació
externa i el connector USB és de tipus
Mini-B. S’utilitza en aplicacions on el suport físic sigui petit, o l’espai
disponible per la placa no sigui gaire extens, com per exemple robots petits o
aparells electrònics. No és compatible amb la majoria de shields i és produïda
per l’empresa Gravitech.
• Mega 2560: Arduino Mega é s una
placa especial que disposa de una
potencia superior i més sortides que les
altres d’ Arduino. Té 54 entrades/sortides
digitals (de les quals 14 són PWM12), 16
entrades digitals, 4 UARTS13 , un
processador de 16MHz, connexió USB i
connector ICSP14. És compatible amb la gran majoria de shields.
12 PWM o modulació d’amplada d’impuls és una tècnica en la qual es modifica el cicle de treball d'un senyal periòdica. 13 Un transmissor/receptor asíncron universal (UART) és un tipus de receptor i transmissor asíncron, una peça que tradueix dades entre formes paral·leles i serials. 14 ICSP o programació en sèrie de circuits es un mètode per programar directament AVR o microcontroladors PIC.
54
• LilyPad: El LilyPad és una placa amb microcontrolador
dissenyada per peces de vestir i roba electrònica. Es
poden fer servir per connectar dispositius o be integrar-
ho amb fils conductors inserits a la roba. No és
compatible amb cap shield pel seu disseny però é s
submergible i no es corroeix en cas de que
s’introdueixi a la rentadora, però abans ha d’haver
estat desconnectat de la font d’alimentació. Els produeix
les empreses Leah Buechley i SparkFun Electronics.
• Fio: Arduino Fio és una placa que funciona amb un petit voltatge de 3.3V
(comparats amb els 7-12V de la Mega i
Nano, i els 2.7-5.5V de LilyPad) i un
processador de 8MHz. Té 14 pins d’entrada
i sortida digitals (dels quals 6 són PWM), 8
entrades analògiques, un port USB mini i
un connector per bateries de liti. Al revers
de la placa té disponible un connector per mòduls XBee. Els fabrica SparkFun
Electronics.
• Pro: Arduino Pro és una placa que disposa de
dues versions, una de 3.3V i 8MHz i l’altre de
5V i 16MHz. Les dues tenen 14 entrades i
sortides digitals (6 de les quals són PWM), 6
entrades analògiques. Venen equipades amb
6 pins per la connexió d’un cable FTDI15 o per
connectar un shield Sparkfun per dotar-les de
comunicació USB i alimentació. El seu disseny
esta destinat per instal·lacions semi-
permanents en objectes o demostracions. La
placa ve sense connectors muntats permetent l’ús de connectors de tot tipus,
és compatible amb els shields Arduino també. Es construïda per SparkFun
15 Future Technology Devices International es un dispositiu que converteix senyals de RS-232 o TTL serial transmissions a senyals USB pel seu tractament en ordinadors actuals.
55
Electronics.
• Mini Pro: Arduino Mini Pro té les mateixes
prestacions tècniques que Arduino Pro, però
sense ser compatible amb els shields Arduino.
• Mini: Arduino Mini és una placa que esta
pensada per projectes en miniatura però
consta de 14 entrades i sortides digitals, 6
d’elles PWM, 8 entrades analògiques i
processador de 16MHz. Amb connexió mini
USB o RS232. Aquesta placa al ser petita no
disposa de un sistema de protecció contra
sobrecarregues i si es alimentat per sobre de 9V o polaritzat inversament es
consideraria destruït, el límit de voltatge és de 5V a 9V exactes.
• Uno: La placa programable Arduino UNO é s
l’ultima i la gran aposta per Arduino. Té 14
entrades i sortides digitals, on 6 són PWM, 6
entrades analògiques, un processador de
16MHz, connexió USB, connector
d’alimentació, un connector ICSP. És la placa
m é s general i utilitzada. Es caracteritza
perquè no t é el chip convertidor de FTDI a USB, sino que inclou un
convertidor de USB a sèrie inclòs al chip Atmega8U2, el processador. És la placa
que he utilitzat en aquest.
3.3. Llenguatges de programació
La idea d’un petit ordinador que pugui fer el que nosaltres volem i l’únic que ens cal
fer per realitzar aquest somni és connectar-li correctament tot allò que necessita per
fer-nos el dinar si cal. Però, la part mecànica pot semblar el gran problema per
aconseguir un robot útil. Això no és en part així, la mecànica si es fa bé no te perquè
fallar, i si falla veus ràpidament a quina part no funciona be qualsevol mecanisme.
La part més fonamental d’un robot a gran escala o un simple motor connectat a una
placa és la programació, sense ella no es pot fer res. El robot només tindria funció
56
estètica. La programació s’utilitza per dir-li al robot que ha de fer, com, quan, amb
que, on... Si volem que un robot ens faci el dinar, primer hem d’ensenyar-li que es
una cuina, que és el menjar, que pot trobar-se a la cuina, que pot o no pot fer
servir, quines eines són valides i quines no. L’ordre de preparació de la recepta, si en
algun moment ha d’aturar-se o baixar el foc i no ho tenia previst... moltíssimes coses a
tenir en compte i que són infinites. Per nosaltres anar a una casa desconeguda i trobar
la nevera, agafar l’aigua i servir-nos-en amb un got és senzill. Per un robot és
impossible.
De llenguatges de programació n’hi ha molts, i d’aquests molts moltes variants més
encara. Els podríem classificar en dos grups:
• El primer, el llenguatge de programació de baix nivell és el que proporciona
poca o cap abstracció del microprocessador. És a dir, és molt pròxim al
llenguatge màquina o binari. Té els seus avantatges i inconvenients, és molt
fàcil d’entendre per la màquina, per tant és ràpid i ocupa poca memòria però
has d’escriure els programes de forma molt complicada i sense ser fàcil
d’entendre. Aquí tindríem la primera generació que és el llenguatge màquina i
la segona que seria el llenguatge assemblador16.
• El segon, el llenguatge de programació d’alt nivell seria un llenguatge que es
caracteritza per poder expressar funcions de forma en que ho faria o diria un
humà. És un llenguatge molt semblant a l’anglès, de fet és anglès, però hem
de transmetre al robot les accions que ha de fer dins d’unes pautes que ell
entén. Les avantatges principal és la seva fàcil comprensió per una persona
amb pocs coneixements de programació (hauria de conèixer anglès o
programació per fer-ho) i l’inconvenient principal és que donem més feina a la
màquina per traduir a llenguatge assemblador o màquina i això redueix la seva
velocitat. Normalment el procés per passar de llenguatge d’alt nivell a baix
nivell es fa amb un ordinador i després el programa resultant s’inclou a la
memòria del microprocessador, així obtenim les dues avantatges en una.
Arduino fa servir un llenguatge d’alt nivell propi. És una variant del C, que
16 Consisteix en un conjunt de paraules que representen instruccions bàsiques del processador per facilitar la tasca de programar-lo, a més de macros i altres constants .
57
juntament amb BASIC és dels llenguatges més utilitzats. El llenguatge d’ Arduino té
moltes semblances amb C però algunes funcions s’han abreujat molt i s’han inclòs
algunes funcions molt utilitzades que en C estaven limitades i en Basic no existien.
Per exemple, a Basic tindríem “x=x+1” prenent “x” com qualsevol paràmetre,
variable i això ens sumaria una unitat a “x”. Però en canvi a C o Arduino escriuríem
“x++”, pot semblar una tonteria però amb moltes funcions molt utilitzades passa això i
facilita molt la feina del programador.
Arduino, com a empresa i no llenguatge, té el seu propi programa assemblador de
codi obert per Linux, també per altres sistemes operatius. El concepte de programa
assemblador fa la funció de passar de llenguatge d’alt nivell a llenguatge màquina i
amb el cable USB o port Sèrie passar el programa a la memòria d’ Arduino.
Els programes assemblador són molt usats i coneguts a la hora de programar perquè
estalvien feina, i normalment tenen una consola Sèrie que ens permet llegir dades del
microcontrolador si esta connectat al programa i comprovar possibles errors abans
d’introduir el programa.
Aquí no explicarem el funcionament del llenguatge de programació d’ Arduino però
deixo una referencia a internet 17d’on estan les funcions principals.
3.4. Memòria
La memòria en una placa programable és una de les parts més importants, ja que
sense ella no funcionaria res i no tindríem la capacitat de programar-la. Ara explicarem
les diferencies entre els dos sistemes de distribució de memòria més importants,
Harvard i von Neumann.
L'arquitectura Harvard té un emmagatzematge físic separat i per a instruccions i
dades. Per tant les característiques de les dades i del programa poden variar: poden
tenir unes dimensions diferents, els temps de lectura, la direcció de lectura i
escriptura, permetent per exemple que només sigui escrit per un subsistema concret.
Les instruccions es poden emmagatzemar a una memòria només de lectura, mentre
que la memòria on es guarden les dades generalment requereix una memòria de
17 http://www.arduino.cc/es/Reference/HomePage
58
lectura i escriptura. En alguns sistemes, hi ha molta més memòria per emmagatzemar
ordres o instruccions que a la memòria de obtenció de dades externes.
Emmagatzemar per separat, significa que la memòria del programa i la de les dades
pot tenir diferent profunditat. Per exemple, l'arquitectura de PIC24F utilitza un espai
de 24-bit d'ample pel programa i espai per les dades de 16 bits d'ample.
Un microcontrolador amb una arquitectura Harvard pot llegir una instrucció i crear un
espai a la memòria on desar les dades creades per la instrucció, fins i tot sense tenir
memòria RAM. Un microcontrolador d'arquitectura Harvard, per tant pot ser més
ràpid per un circuit determinat on la complexitat de les instruccions sigui molt gran i
necessiti tenir accés a dades sense deixar de llegir el programa inicial, això es faria
agafant dos vies d’accés, una per cada memòria.
Contrastant l'arquitectura de Harvard, la de Von Neumann té una estructura d'una
única memòria per emmagatzemar instruccions i dades. La CPU pot llegir una
instrucció de la memòria o llegir/escriure dades per fer-les servir més tard.
Una part del programa s'encarrega d'establir l’accés a la memòria per distribuir la
lectura d'instruccions o llegir i escriure dades. Això pot semblar un sistema molt lent
perquè mai tens un accés assegurat a llegir una nova seqüencia d'instruccions que
necessitis però els programes per arquitectures de Von Neumann es fan perquè les
instruccions siguin senzilles i el temps que necessitis el gastis en trobar la instrucció
que necessitis.
Als dissenys actuals incorporen les dues estructures de memòria. Normalment la
memòria s'utilitza per desar el programa i les dades que s'escriguin o llegeixin anirien
emmagatzemades en una petita memòria RAM. Així quan el programa s'inicia el primer
que fa és desar les dades que venien guardades a la memòria amb el programa a la
memòria RAM. Així es destina tot l’accés del programa a la memòria d'on pugui anar
llegint instruccions i les dades anirien escrites i llegides a la RAM.
Les plaques tenen una memòria que en part é s ocupada pel programa i l'altre la
ocupa el programari de la placa per tal d'interpretar dades, llegir sensors...
Per això tenim dos tipus fonamentals de memòria, les volàtils (RAM) i les no volàtils:
59
• Les memòries de tipus RAM (Random Acces Memory) és un tipus de memòria
que pot ser llegida, escrita i eliminada amb molta facilitat per la placa però
tenen l'inconvenient de que esborren aquesta informació una vegada s'ha
desconnectat del corrent. Per evitar que es perdi la memòria pot col·locar un
condensador que retardi el procés de pèrdua de memòria.
Les memòries no volàtils, són memòries que emmagatzemen la informació inclús
quan es desconnecta la corrent. Depenent de la forma d'escriptura o esborrada
d'informació tenim de diferents tipus:
• ROM (Read Only Memory) És una memòria que només pot ser llegida i que ve
definida pel fabricant. No pot ser eliminada ni escrita de nou.
• PROM (Programable ROM) És una memòria que no es pot esborrar, però ve
buida de fabrica perquè l'escriguis personalment, només permet una
escriptura.
• EPROM (Erasable PROM) Pot programar-se elèctricament repetides vegades i
esborrar el contingut de cop, i també més d'un cop exposant-la a llum
ultraviolada.
• EEPROM (Electrially Erasable PROM) La programació i esborrada total de
memòria és pot fer elèctricament diverses vegades.
• EAPROM (Electrially Alterable PROM) El seu comportament és similar a una
memòria RAM amb la diferencia de que la informació no es perd quan es
desconnecta del corrent. És l’única memòria no volàtil que es pot modificar
per parts sense haver d’esborrar-la totalment.
60
Evolucio de la robotica
4. Història de la robòtica amb anàlisi de màquines mecàniques i
Matrix
Per entendre millor la robòtica o que és un robot hem de tirar enrere a la seva història.
Com va sorgir la necessitat de tenir unes maquines que ens facilitessin a feina o ens
la facin, de com seguíem una revolució industrial on calia trobar formes d’estalviar
costos de producció i fabricar productes més exactes i iguals. Els robots històricament
no tenien una importància tal com la que tenen ara, sinó que quedaven rellevats a la
ciència ficció o a projectes de futur. Igualment ens passa ara, els robots actuals poden
fer meravelles als nostres ulls, però continuem somiant amb robots més
perfeccionats que ens facilitin moltíssim les coses. En el passat s’imaginaven coses
que encara no s’han pogut fer, però d’altres que eren impensables o no entraven a la
imaginació de les persones ara les veiem amb total normalitat.
Als anys vuitanta s’imaginaven cotxes voladors, “Regreso al Futuro” que a la nostra
època ja funcionarien amb normalitat, però no s’imaginaven que tinguéssim un
smartphone que ens fes tot el que necessitem.
4.1. Inicis de la robòtica
Per parlar sobre l’inici de la robòtica hauríem de trobar el primer robot i analitzar
com es va construir, perquè es va decidir de fer, quines conseqüències socials i
tecnològiques va portar i moltes coses, però això no é s tant fàcil, perquè el primer
robot en si mateix no existeix. Si establim una definició prou exacta de robot podríem
trobar el primer que s’inclogui exactament dins dels marges, però apareixeria algú
que ens diria, i perquè no inclous aquest, també és un robot però per aquest detall no
l’has inclòs. Donada la complicació per establir un inici concret de la robòtica, des
d’on es va començar a fer servir, he decidit incloure en els inicis aquells aparells
que eren completament mecànics que actualment podríem pensar que són robots
complexes però que van ser construïts abans de que existís inclús el concepte
d’aparell electrònic.
61
Per tant tindrem dos grans grups per iniciar la història dels robots i de les maquines
que se li assemblaven. Per una part tindríem els robots anteriors a la revolució
industrial i els que van després. He establert la revolució industrial com la separació
perquè en aquell moment tot el procés industrial comença a ser important i és quan
comencen a crear-se maquines noves, a automatitzar-ne d’altres i investigar sobre
processos que podrien ser automatitzats. També podria utilitzar l’època dels
vuitanta, que és quan els ordinadors van començar a ser populars i a ser utilitzats
comunament i a causa d’això la robòtica va prendre major importància i va veure
un món nou d’investigació. Els ordinadors creats abans dels vuitanta no els incloc
perquè eren ordinadors massa grans, que consumien molt, no tenien quasi
memòria i només es dedicaven a fer petits càlculs.
Des de fa milers d’anys als humans ens han interessat les coses sobrenaturals, la màgia,
tot allò que no entenem ens agrada. Per això l’esser humà s’ha dedicat a construir
maquines que imitessin parts del cos humà. Els antics egipcis posaven braços
mecànics a les estàtues dels seus Deus o Faraons, o també s’ha trobat una estàtua
d’Osiris que treia foc pels ulls. Tots aquests mecanismes eren accionats pel sacerdot
del temple per donar por del poble cap als Deus. Aquí no entraré en descripcions
detallades del funcionament dels autòmats.
A Etiòpia a l’any 1500 aC Amenhotep, germà de Hapu, construeix una estàtua a
Memon, el Rei d’aquell moment que emetia sorolls quan l’il·luminaven els raigs del sol
al vespre.
A Xina a l’any 500 aC King-su Tse inventa una garsa voladora de fusta i bambú i
també un cavall de fusta que saltava.
A Grècia entre el 400 i 397 aC Arquites de Tàrent va construir un ocellet de fusta a
sobre d’un pal que donava voltes gracies a un sortidor d’aigua o vapor, simulant el seu
vol.
A Grècia entre l’any 300 i 270 aC Ctesibio construeix un òrgan d’aigua anomenat
hydraulis i un rellotge d’aigua anomenat Clepsidra de Ctesibio. Aquest és un rellotge
d’una complexitat enorme perquè feia servir les divisions egípcies de les hores on el dia
estava dividit en 2 parts, el dia i la nit, i cadascuna d’aquestes parts en 12 hores que
62
anaven variant segons les estacions, perquè a
l’estiu les nits són més curtes i a l’hivern més
llargues. Aquest rellotge tenia en conta
aquestes variacions, per això es considera una
obra mestre en la construcció de rellotges. No
es construirà un rellotge mecànic tant precís
fins dos mil anys més tard, amb l’aparició de
Christian Huygens.
La primera fotografia és l’Hydraulis i la segona
la del seu rellotge.
A Grècia entre l’any 220 i 200 aC Filó de Bizanci va inventar un
autòmat aquàtic i una catapulta repetitiva.
A Xina a l’any 206 aC Va ser trobat el tresor de Chin Shih
Hueng Ti, era una orquestra mecànica feta amb ninots, va ser
trobada pel primer emperador Han.
A Alexandria a l’any 62 dC Heró d’Alexandria va inventar la
primera màquina de vapor, coneguda com l’eolípila de Heró,
va escriure el primer tractat sobre robòtica “Els autòmats”, va
inventar un teatre automàtic on els personatges s’anaven
movent, ocells que cantaven, trompetes que sonaven,
animals que bevien, i aparells que funcionaven amb monedes.
La fotografia de la
dreta és de
l’eolípila de Heró. A baix a l’esquerra
apareix una imatge on surten els
ocells de Heró que volaven, bevien i
es movien, no tenia cap aplicació
practica. La font d’Heró, a baix a la
dreta, anava traient aigua de forma
cíclica amb un sistema de tres
63
recipients, dos d’ells tancats hermèticament i aprofitava la pressió atmosfèrica. L’altre
imatge que apareix al marge esquerra de la pagina es la coneguda forma que tenia
Heró per obrir automàticament les portes d’un temple en el qual va treballar. Utilitzava
l’aire calent d’un foc per fer augmentar la pressió
en un recipient que aquesta aigua era enviada a
un contrapès que accionava dues portes que eren
obertes per art de màgia.
També va inventar una màquina
que feia ballar als Deus si li feies
una ofrena i encenies un foc a la
part superior. Aquest foc
il·luminava l’estància inferior que
abans estava a les fosques, i amb
aire calent es feia girar als Deus. Va inventar moltíssimes coses més, aquí destaco
algunes. Els invents d’Heró li van donar la fama de mag.
A Xina a l’any 700 dC Huang Kun va construir vaixells amb figures d’animals, cantants,
musics i ballarins que es movien.
A Xina a l’any 770 dC Yang Wu-Lien construeix un mico que obre les seves mans i
demana donatius.
A Xina a l’any 840 dC el príncep Kaya, fill de l’emperador Kannu va construir una
nina que vessava aigua.
A Xina a l’any 890 dC Han Chih Ho construeix un gat que caça rates i mosques que van
ballant al seu voltant
A Mesopotàmia a l’any 1150 dC, Al Jazarí va construir un rellotge d’elefant que
marcava les hores amb un servent que oferia begudes muntat a sobre el mateix
elefant.
A França entre l’any 1224 i el 1252 dC Albert el Gran construeix un servent mecànic
A Anglaterra entre l’any 1234 i el 1254 dC Roger Bacon construeix durant 7 anys un
cap que parla.
64
A Xina entre els anys 960 i 1279 dC la Dinastia Song va ser una dinastia que va fer
grans aportacions al mon tecnològic i cultural d’aquella època. El seu èxit va ser en part
pel gran interès dels emperadors per la tecnologia i així feien uns exàmens imperials
per convertir-se en funcionari de tecnologies i això assegurava una feina de per vida
ben remunerada. Durant aquest període es van fer grans investigacions sobre la
enginyeria civil, la navegació i la metal·lúrgia. També van construir-se molins de vent als
camps i es va iniciar l’ús del primer paper moneda. Els seus coneixements de la pólvora
els van ajudar a mantenir l’imperi dels enemics militaritzats fins que l’exercit mongol
els va envair al segle XIII.
Els seus descobriments van ser el de trobar la posició
exacte del nord magnètic (que en realitat era el pol sud
magnètic ubicat al pol nord geogràfic) que estava
desviat. Van inventar una brúixola d’agulles
magnètiques molt més precisa. Els seus avenços en
magnetisme van avançar fins crear carros mòbils que es
guiaven magnèticament, van inventar un sistema
d’impremta de peces mòbils, van construir estanteries
giratòries mecàniques als temples budistes (9 en total).
En l’àmbit d’enginyeria civil van ser els primers en fer
servir un sistema d’encluses pels Canals. El seu invent
més impressionant va ser un rellotge, fet per Su Song al
1092 que va ser important perquè utilitzava cadenes
per transmetre el moviment i a cada hora hi havia un sistema de gongs, campanetes i
tambors que donaven la hora acústicament.
A França a l’any 1235 dC, Villard d’Honnecourt fa un llibre on explica com construir un
àngel autòmat i figures humanes i animals.
A Itàlia als anys 1495 i 1515 dC, Leonardo Da Vinci, el gran artista símbol del
renaixement va dissenyar i crear dos autòmats apart dels seus avenços a la mecànica.
El primer va ser una figura humana vestida amb una armadura medieval que no va ser
construir, però segons els dissenys seria capaç de moure els braços, girar el cap i seure.
El segon autòmat que si va ser crear va ser el d’un lleó que el rei de França va manar
65
construir per establir la pau entre Francis I i el papa Lleó X. L’animal caminava i quan
arribava a un punt obria el pit i ensenyava lliris i altres flors com a símbol de la ciutat de
Florència (el Lleó) i les flors que va regalar Lluis XII a la ciutat com a símbol d’amistat.
A Espanya a l’any 1550, Juanelo Turriano va ser famós per construir L’artefacte de
Juanelo Turriano18 un enginy que permetia portar l’aigua a Toledo des de el Tajo, amb
un desnivell de 100 metres. També va ser famós per la construcció de dos rellotges
astronòmics de gran precisió. La seva aportació als autòmats va ser un autòmat de
fusta anomenat L’home de pal que demanava diners pels carrers de Toledo i feia una
reverencia quan algú li’n donava.
A França a l’any 1626 dC, René Descartes després de perdre la seva filla va decidir
construir un autòmat que la substituís. Va aconseguir un autòmat que anomenava la
meva filla Francine i que la tractava com la seva filla. Era capaç de caminar, moure els
braços i el cap, era tan real que durant un viatge pel mar d’Holanda el capità intrigat va
entrar a la seva habitació i al veure-la movent-se es va espantar i la va llençar per la
borda. Descartes el va matar i també el va tirar per la borda igual que el que havia fet el
capità.
Amb l’entrada del segle XVIII i els avenços en rellotgeria fa que els autòmats siguin els
més complexos vistos fins ara. Ara ens centrarem en els pocs autors que van destacar i
en explicar la seva obra.
Jacques de Vaucanson
Jacques de Vaucanson era un excel·lent rellotger i tenia
grans coneixements de musica, anatomia i mecànica. Volia
demostrar que es podien imitar parts del cos humà. Així la
seva primera creació va ser un autòmat “El Flautista” que
era un pastor a dimensions reals que tocava la flauta (va
construir un sistema respiratori perquè pogués tocar) i el
tambor, tenia 12 melodies. La seva segona creació va ser una modificació d’aquest i la
va anomenar “El Tamboriner” que feia el mateix i tocava un petit tambor, en aquest cas
el repertori era de 20 cançons.
18 http://www.artificiodejuanelo.org/
66
La seva obra mestra va ser el canard digérateur que era un ànec que feia la digestió.
Era transparent i el formaven més de quatre-centes peces mòbils i movia les ales,
menjava, feia la digestió. Al final tot va resultar ser un engany perquè el gra que
menjava el guardava a dins i els excrements era una substancia que tenia guardada
prèviament a un compartiment.
Friedrich von Knauss
Va ser un dels primers a crear un autòmat que era capaç d’escriure, mullar la ploma al
tinter i passar de pagina quan aquesta ja estava escrita.
Pierre Jaquet-Droz
Es considerat el millor creador d’autòmats de la historia.
La seva primera creació va ser “La Pianista” que era un
autòmat amb forma de dona que tocava l’orgue. El més
impressionant es que la pianista tocava la melodia amb la
seva ma, movia els ulls dirigint-se a l’orgue i al públic i
quan acabava cada peça feia una reverencia.
La seva segona gran creació era “El Dibuixant”, estava compost per 2000 peces mòbils
que formaven un nen assegut en un pupitre que realitzava 4 dibuixos diferents passant
per tots els passos, un esbós, marcar les línies, ombres... També movia els ulls, feia
veure que respirava i que bufava el full per eliminar restes del llapis. Podia realitzar un
dibuix de Lluis XV, una parella de la reialesa, un gos i a Cupido a sobre d’una carrossa
empès per una papallona.
Per últim tenim “L’escriptor”, era un autòmat que tenia
6000 peces i que va trigar 6 anys a construir-lo. Tenia la
forma de un nen i podria escriure gracies a que
seleccionaves la lletra a una roda que tenia darrera.
També feia els moviments de respirar, moure els ulls
seguint el lloc on escriu, mullar la ploma amb tinta,
treure’n la sobrant per no tacar...
Els tres autòmats es poden veure al Musée d'Art et d'Histoire de Neuchâtel a Suïssa.
67
Després tenim molts casos d’autòmats que feien creure al públic que jugaven a escacs
però que realment hi havia una persona a dins movent els mecanismes. Molts mags
d’aquela època feien autòmats per fer màgia amb ells i sorprendre al públic
Després també al Japó i Xina, la cultura dels autòmats pren molta importància. Al Japó
als segles XVIII i XIX comencen a haver molts autòmats que ells designen からくり人
形 (Karakuri ningyō) i els classificaven segons el lloc on serien fets servir:
• 座敷からくり (zashiki karakuri) eren petits autòmats petits que estaven dins
de casa, la majoria eren nines que es movien, ninots que tocaven els tambors,
que et portaven el te. Es van fer molt populars al període edo19.
• からくり玩具 (karakuri gangu) eren com records que els comerciants venien
com a recordatori d’algun lloc, l’autòmat estava relacionat amb aquell lloc.
Aquest tipus és més recent.
• からくり文具 (karakuri bungu) autòmats que escrivien. Hem de recordar que
els autòmats que escrivien a Europa escrivien amb alfabet llatí i que aquests ho
feien amb kanjis.
• からくり傘 (karakuri kasa) eren un tipus de paraigües que s’obrien i tancaven
sols, eren de gran mesura i es feien servir als patis dels palaus.
• からくり家具 (karakuri kagu) eren mobles automatitzats, com l’estanteria
budista que girava.
• からくり的 (karakuri teki) eren autòmats que imitaven a guerrers, com un
autòmat que llençava fletxes ininterrompudament amb molta punteria. Van ser
destruïts per prendre’ls per dimonis.
• 祭礼のからくり (sairei nokarakuri) autòmats que representaven escenes
religioses o de culte als festivals dels pobles.
• 舞台からくり (butai karakuri) eren titelles mecanitzades que es feien servir
als teatres.
• からくり屋敷 (karakuri yashiki) autòmats de forma humana de dimensions
reals que imitaven ser ninjes.
19 http://en.wikipedia.org/wiki/Edo_period
68
Ara analitzarem les èpoques més contemporànies agrupant-les per conjunts de 10
anys.
Als anys 40 es creen els primers robots que reprodueixen un moviment humà. Son
acoblaments mecànics que reprodueixen moviments d’un operari.
Als anys 50 Grey Walter crea una espècie de tortugues
que anaven cap als focus de llum i que tenien constància
del seu nivell de bateria, i quan estaven baixes anaven al
lloc de carrega on es connectaven soles. És dels primers
robots que interactua amb el medi i té constància del seu
mecanisme i deficiències (la bateria baixa). També es
comencen a crear robots que segueixen una seqüencia d’ordres programades amb
anterioritat, comença a fer-se servir l’ús de la memòria.
Als anys 60 es van començar a usar transistors, que van millorar molt la velocitat dels
sistemes i a reduir les dimensions. També es comença a treballar amb sensors tàctils
per tal de reproduir el cos i les seves capacitats per treballar. Es comença a descobrir la
cinemàtica dels moviments fets pels robots, acceleracions i
frenades per ajustar al màxim els moviments dels robots a les
capacitats humanes.
Als anys 70 amb el desenvolupament de la informàtica van
començar a desenvolupar-se ordinadors que controlaven robots,
robots amb el seu propi “processador”, van començar a dotar als
robots de visió, únicament retransmetien imatges i no eren
capaços d’analitzar-les. I el major avenç és l’anàlisi de l’entorn, i
planificar que fer amb els obstacles i com es podrien evitar. Va
crear-se el primer braç robotitzat anomenat Stanford Arm fet a
la universitat d’Stanford. Anys més tard es desenvolupa un braç
robòtic destinat a la industria, es tracta del IRB6 de ASEA.
Als anys 80 va començar a desenvolupar-se un tipus de visió en
3D molt limitat, només servia per detectar objectes davant
d’altres, una cadira enfront d’una paret. Era un sistema molt
69
simple i podia confondre dibuixos a la paret amb objectes reals. Es desenvolupa la
capacitat de navegar per indrets desconeguts i anar analitzant el que veu. Es crea un
robot que tocava el piano per la Tsukuba Expo al 1985, amb això es demostra que els
japonesos sempre han tingut interès per la robòtica,
la imatge es troba a la pagina següent.
Des dels anys 90 fins l’actualitat s’intenta donar una
percepció sensorial evolucionada i que els robots
s’integrin amb el seu sistema de control. També es
busca nous materials per construir robots més
rígids, lleugers i estables que siguin més barats de
produir. I finalment la incorporació de la
intel·ligència artificial.
Es calcula que a l’any 1995 ja es feien servir uns
700.000 robots en el mon de la industria, 500.000
d’ells a Japó. Els robots es feien servir per treballs perillosos o que cap persona volia
fer.
I actualment al 2007 els robots industrials que s’utilitzen són uns 800.000, el numero
per tant no ha variat gaire però el que s’ha d’entendre d’aquest valors és que els robots
es van renovant i els antiquats no serveixen, per tant es una industria en plena
renovació on la demanda sempre es la mateixa.
4.2. Present de la robòtica
La robòtica actualment esta molt acceptada socialment. Tenim robots per tot arreu i la
gent no s’escandalitza al veure’n un o saber que el seu cotxe no ha estat creat
completament per humans. Això antigament tenia la seva expectació perquè molta
gent ho considerava com arts malignes i fosques per fer que una màquina tingues vida i
molts inventors van ser tatxats de bruixots.
L’àmbit on la robòtica és més estesa és en la industria degut a que els coneixements
necessaris per fer-la rentable ja s’han descobert i només queda aplicar-los o
perfeccionar-los. Per tant la industria és el sector que més utilitza la robòtica i el que
més diners produeix, en canvi en l’àmbit militar es destinen moltíssims diners i en canvi
70
no es treu profit econòmic d’aquesta tasca, hem vist uns robots militars al seu apartat
que són molt sorprenents i que sense aquesta finançament no s’haguessin aconseguit.
En l’àmbit quotidià els robots estan agafant molta força, molta gent s’ha comprat o vol
comprar-se un aspirador automàtic que li netegi la casa. O sino podem posar el cas de
les cases domòtiques, que serien considerades un gran robot al servei del seu inquilí.
En l’àmbit de la industria la robòtica actualment té un paper molt important per evitar
com diuen els japonesos les feines de 3K: Kitsui (dura), Kitani (bruta) i Kiken (perillosa).
Això vol dir que s’investiga com automatitzar amb robots totes aquelles feines que no
són acceptades per les persones.
Com abans he mencionat la quantitat de robots al 1995, cal destacar que actualment al
2007 els robots industrials que s’utilitzen són uns 800.000, el numero per tant no ha
variat gaire però el que s’ha d’entendre d’aquest valors es que els robots es van
renovant i els antiquats no serveixen, per tant és una industria en plena renovació on la
demanda sempre és la mateixa.
Seguidament veurem un petit recull de noticies sobre els descobriments en robòtica
més actuals amb una breu descripció. Per no estendre massa la història de la robòtica
no posaré els projectes d’investigació robòtica sobre els quals s’està treballant
actualment.
ASIMO, Honda, és dels robots més coneguts que existeix. Té forma d’autòmat blanc
amb el cap amb forma de bombolla. La versió que es va presentar al novembre
d’aquest any introduïa un seguit
de millores que volien fer veure
que ASIMO no era un robot inútil.
La nova versió pot córrer més
ràpid, fins a 9km/h, ara ja és capaç
de saltar sobre si mateixa i
d’aguantar-se sobre un peu.
També és capaç d’identificar a
diferents persones movent-se
entre si i parlant alhora i entendre
71
el que volien dir, és a dir té un reconeixement facial i de so més gran. També han
millorat les seves capacitats d’actuar amb les mans i ara és capaç de caminar sobre
obstacles de 5cm sense caure. També li han donat certa
intel·ligència artificial que li permetria comunicar-se
amb altres ASIMO i desenvolupar-se en ambients
inhòspits.
RISE Versió 3.0, Boston Dynamics20, ja havíem vist
altres robots de Boston Dynamics força avançats i ara
presenten un robot que és capaç d’escalar senzilles
parets però encara esta en desenvolupament. Convido a
anar a la seva pagina web on tenen més robots i vídeos
demostratius.
MAARS Robot, QinetiQ21, és un robot militar que esta equipat amb armes com
subfusells, llançagranades, rifles de llarg abast. Es controlat amb control remot.
MSS (Mobile Servicing System), SPAR, és un braç robòtic que esta a l’estació espacial
internacional i esta format per dues parts, una que és un braç de 17 metres de longitud
que es pot moure per l’estructura externa i la segona part són dos robots acoblats a la
punta de 3.3 metres que serveixen per fer servir eines i treballar entre elles.
20 http://www.bostondynamics.com/robot_index.html 21 http://www.qinetiq-na.com/products-maars.htm
72
Després trobem molts casos a internet de gent que intenta enganyar als robots o fer
que s’equivoquin, i normalment això no passa perquè els programes que controlen els
robots estan fets per evitar qualsevol canvi extern que se’ls apliqui.. Aquí poso un
exemples.
En aquest video s’ha agafat el robot Quattro22 i amb un comandament de la Wii s’ha
intentat que s’equivoqui al col·locar les peces en un ordre determinat.
http://youtu.be/mnJqYHp4vHw
Al següent video es presenta una parodia del robot més inútil (que consistia en una
capsa que es tanca) on la qual un japonès ha modificat el programa i n’ha fet un video.
http://youtu.be/UmQ5LsNMXZ4
També hi ha exemples de robots que simulen una partida d’escacs, ja gravada
anteriorment i que un ordinador els controla per simular com si juguessin en directe.
http://youtu.be/MAwwKEXn6Mk
4.3. Futur de la robòtica, suposició de Matrix
El futur de la robòtica és molt positiu, cada dia es fan més descobriments que milloren
les capacitats dels robots. Es van creant robots amb més capacitat d’aprenentatge, que
són capaços d’avançar-nos en alguns aspectes però que es queden molt curts en altres.
Per tant per analitzar fins on pot arribar el futur de la robòtica em basaré en
suposicions que s’han dut a terme a la trilogia de Matrix.
Primer de tot hauríem de conèixer els motius pels quals els robots poden posar-se per
sobre dels humans i arribar a controlar-los. Quan es crea un robot ha d’haver-hi una
persona que el programi abans i aquesta persona per tant coneix més que el robot i li
ha donat una petita part del seu coneixement. Però que passaria si un programador li
dona tot el coneixement a un robot, i aquest arriba al punt on supera els coneixements
del seu programador. En aquest cas tindríem que el programador no sap realment que
coneix el robot i potser si arribes a saber-ho no ho entendria, però el robot ho coneix i
és capaç d’aplicar-ho. Per tant arribats a aquest punt la programació dels següents
22 http://www.adept.com/component/content/article/3-videos/174-quattro-robot-handling-ball-bearings
73
robots si volem que sigui millor i que puguin ser-nos més útils hauria de ser feta pel
robot que ha superat al programador, així crearíem un efecte en cadena. Seria com
anar a l’escola, la persona va adquirir els coneixements d’altres persones anteriors i
després va evolucionar i crear-ne de nous. I després li va donar al robot i aquest l’ha
superat, però aquest robot primer li dona els coneixements al següent robot, que
probablement els ampliï i així successivament fins que arribi un punt on els robots
siguin summament molt més intel·ligents que els humans i ens prenguin com essers
inferiors que hem de ser eliminats.
Aquest seria el cas on els robots evolucionin i arribin a superar-nos gracies al seu
esforç, però l’altre cas on els robots podrien arribar a controlar-nos es un molt més
simple i que seria en part culpa dels propis humans.
La mecanització de les tasques que portem fent els humans durant segles es va fent
més gran cada cop, per tant els humans fem que els robots ens facin moltes feines que
fèiem nosaltres, fins al punt que hi hagi una generació de persones que ja no sàpiguen
ni realitzar aquelles tasques manualment. Ara ampliem aquest cas a totes les feines
manuals, incloent l’obtenció de menjar al mecanitzar camps i granges. Per tant en
aquest cas si un robot inferior intel·lectualment decidís aturar la producció d’aliments i
de productes pels humans, i aquests no poguessin saber fer-ho ells mateixos ens
veuríem obligats a cedir sota el seu control per la nostra supervivència.
Això trencaria totalment amb les tres lleis d’Asimov sobre la robòtica i implicaria que
els robots passen a ser els nostres enemics.
A Matrix es dona un exemple del primer cas. Els robots sense saber com han arribat a
dominar i controlar l’espècie humana i s’aprofiten d’ella per produir electricitat que els
alimenti. Que això en part és contradictori, si han arribat a dominar els humans i no
són capaços de produir electricitat no deuen ser molt avançats, però no entrarem en
tants detalls. Els robots intenten eliminar als humans que es neguen a estar sota el seu
control i aquests mantenen una guerra contra les maquines que tenen ficats a tots els
humans en un estat d’hivernació on viuen en una realitat virtual creada per
l’arquitecte, que seria el màxim programador de Matrix, qui s’encarrega de programar
el mon real pels humans hivernats. Aquesta figura de l’arquitecte seria com el robot
original que va ser capaç de superar en coneixements al programador i es dedica a
74
programar altres robots.
Al final de tot la pel·lícula acaba amb una pau establerta entre els humans i les
maquines gracies a que en Neo ha acabat amb un tipus de virus que afectava el mon
creat per les maquines. Això no té gaire sentit si ho mirem des del punt de vista
evolutiu dels robots perquè:
• Els robots han arribat a controlar a tots els humans, per tant les armes i
estratègies de control dels robots eren superiors però al final de la pel·lícula
necessiten a un humà que els salvi.
• Els robots van arribar a controlar a la gran part de la població, i no poden matar
als rebels que són menys i en teoria tenen menys recursos.
• Els robot han evolucionat, se suposa, però no han sigut capaços de crear un
virus biològic que els matés als humans, però si són capaços de crear un virus
informàtic que casi es carrega el seu sistema.
• Si el Sr. Smith (el suposat virus) no pot ser aturat per les maquines, i les
maquines el van crear, el Sr. Smith es superior a les maquines però Neo
l’elimina, que és un humà, que havia estat sota el domini de les maquines.
És una pel·lícula interessant i en la meva opinió és un cas força improbable perquè es
digui a terme, però mai es pot infravalorar l’estupidesa humana i crec que seriem
capaços de crear maquines que puguin eliminar-nos.
