Programación y control de un robots

La programación gestual consiste en guiar el brazo del robot
directamente a lo largo de la trayectoria que debe seguir. Los
puntos del camino se graban en memoria y luego se repiten. Este
tipo de programación, exige el empleo del manipulador en la fase de
enseñanza, o sea, trabaja "on-line".
En la programación textual, las acciones que ha de realizar el brazo
se especifican mediante las instrucciones de un lenguaje. En esta
labor no participa la máquina (off-line). Las trayectorias del
manipulador se calculan matemáticamente con gran precisión y se
evita el posicionamiento a ojo, muy corriente en la programación
gestual.
Los lenguajes de programación textual se encuadran en varios
niveles, según se realice la descripción del trabajo del robot. Se
relacionan a continuación, en orden creciente de complejidad:
Lenguajes elementales, que controlan directamente el movimiento
de las articulaciones del manipulador.
Lenguajes dirigidos a posicionar el elemento terminal del
manipulador.
Lenguajes orientados hacia el objeto sobre el que opera el sistema.
Lenguajes enfocados a la tarea que realiza el robot.

PROGRAMACIÓN GESTUAL O DIRECTA
En este tipo de programación, el propio brazo interviene en el
trazado del camino y en las acciones a desarrollar en la tarea de la
aplicación. Esta característica determina, inexcusablemente, la
programación "on-line".
La programación gestual se subdivide en dos clases:
•Programación por aprendizaje directo.
•Programación mediante un dispositivo de enseñanza.
En el aprendizaje directo, el punto final del brazo se traslada con
ayuda de un dispositivo especial colocado en su muñeca, o utilizando
un brazo maestro o maniquí, sobre el que se efectúan los
desplazamientos que, tras ser memorizados, serán repetidos por el
manipulador.
La técnica de aprendizaje directo se utiliza, extensamente, en
labores de pintura. El operario conduce la muñeca del manipulador o
del brazo maestro, determinando los tramos a recorrer y aquellos en
los que la pistola debe expulsar una cierta cantidad de pintura. Con
esta programación, los operarios sin conocimientos de "software",
pero con experiencia en el trabajo a desarrollar, pueden preparar
los programas eficazmente.

La programación por aprendizaje directo tiene pocas posibilidades
de edición, ya que, para generar una trayectoria continua, es preciso
almacenar o definir una gran cantidad de puntos, cuya reducción
origina discontinuidades. El "software" se organiza, aquí, en forma de
intérprete.
La programación, usando un dispositivo de enseñanza, consiste en
determinar las acciones y movimientos del brazo manipulador, a través
de un elemento especial para este cometido. En este caso,
las operaciones ordenadas se sincronizan para conformar
el programa de trabajo.
El dispositivo de enseñanza suele estar constituido por botones,
teclas, pulsadores, luces indicadoras, ejes giratorios o "joystick".
Dependiendo del algoritmo de control que se utilice, el robot pasa por
los puntos finales de la trayectoria enseñada. Hay que tener en cuenta
que los dispositivos de enseñanza modernos no sólo permiten
controlar los movimientos de las articulaciones del manipulador, sino
que pueden, también, generar funciones auxiliares, como:

-

Selección de velocidades
Generación de retardos
Señalización del estado de los sensores
Borrado y modificación de los puntos de trabajo
Funciones especiales

Al igual que con la programación directa, en la que se emplea un
elemento de enseñanza, el usuario no necesita conocer ningún
lenguaje de programación. Simplemente, debe habituarse al empleo
de los elementos que constituyen el dispositivo de enseñanza. De esta
forma, se pueden editar programas, aunque como es lógico, muy
simples.
La estructura del "software" es del tipo intérprete; sin embargo,
el sistema operativo que controla el procesador puede poseer rutinas
específicas, que suponen la posibilidad de realizar operaciones muy
eficientes.
Los lenguajes de programación gestual, además de necesitar al
propio robot en la confección del programa, carecen de adaptabilidad
en tiempo real con el entorno y no pueden tratar, con facilidad,
interacciones de emergencia.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL EXPLICITA
El programa queda constituido por un texto de instrucciones o sentencias,
cuya confección no requiere de la intervención del robot; es decir, se
efectúan "off-line". Con este tipo de programación, el operador no define,
prácticamente, las acciones del brazo manipulado, sino que se calculan, en
el programa, mediante el empleo de las instrucciones textuales adecuadas.
En una aplicación tal como el ensamblaje de piezas, en la que se requiere
una gran precisión, los posicionamientos seleccionados mediante la
programación gestual no son suficientes, debiendo ser sustituidos por
cálculos más perfectos y por una comunicación con el entorno que rodea al
sistema.
En la programación textual, la posibilidad de edición es total. El robot debe
intervenir, sólo, en la puesta a punto final.
Según las características del lenguaje, pueden confeccionarse programas
de trabajo complejos, con inclusión de saltos condicionales, empleo de
bases de datos, posibilidad de creación de módulos operativos
intercambiables, capacidad de adaptación a las condiciones del mundo
exterior, etc.

Dentro de la programación textual, existen dos grandes grupos, de
características netamente diferentes:
Programación textual explícita.
Programación textual especificativa.
En la programación textual explícita, el programa consta de una secuencia
de órdenes o instrucciones concretas, que van definiendo con rigor las
operaciones necesarias para llevar a cabo la aplicación. Se puede decir que
la programación explícita engloba a los lenguajes que definen los
movimientos punto por punto, similares a los de la programación gestual,
pero bajo la forma de un lenguaje formal. Con este tipo de programación, la
labor del tratamiento de las situaciones anormales, colisiones, etc., queda a
cargo del programador.
Dentro de la programación explícita, hay dos niveles:
1º. Nivel de movimiento elemental
Comprende los lenguajes dirigidos a controlar los movimientos del brazo
manipulador. Existen dos tipos:
Articular, cuando el lenguaje se dirige al control de los movimientos de las
diversas articulaciones del brazo.
Cartesiano, cuando el lenguaje define los movimientos relacionados con el
sistema de manufactura, es decir, los del punto final del trabajo (TCP).

Los lenguajes del tipo cartesiano utilizan transformaciones homogéneas.
Este hecho confiere "popularidad" al programa, independizando a la
programación del modelo particular del robot, puesto que un programa
confeccionado para uno, en coordenadas cartesianas, puede utilizarse en
otro, con diferentes coordenadas, mediante el sistema de transformación
correspondiente. Son lenguajes que se parecen al BASIC, sin poseer una
unidad formal y careciendo de estructuras a nivel de datos y de control.
Por el contrario, los lenguajes del tipo articular indican los incrementos
angulares de las articulaciones. Aunque esta acción es bastante simple
para motores de paso a paso y corriente continua, al no tener una
referencia general de la posición de las articulaciones con relación al
entorno, es difícil relacionar al sistema con piezas móviles, obstáculos,
cámaras de TV, etc.
Los lenguajes correspondientes al nivel de movimientos elementales
aventaja, principalmente, a los de punto a punto, en la posibilidad de
realizar bifurcaciones simples y saltos a subrutinas, así como de tratar
informaciones sensoriales.

2º. Nivel estructurado
Intenta introducir relaciones entre el objeto y el sistema del robot,
para que los lenguajes se desarrollen sobre una estructura formal.
Se puede decir que los lenguajes correspondientes a este tipo de
programación adoptan la filosofía del PASCAL. Describen objetos y
transformaciones con objetos, disponiendo, muchos de ellos, de una
estructura de datos arborescente.
El uso de lenguajes con programación explícita estructurada
aumenta la comprensión del programa, reduce el tiempo de edición
y simplifica las acciones encaminadas a la consecución de tareas
determinadas.
En los lenguajes estructurados, es típico el empleo de las
transformaciones de coordenadas, que exigen un cierto nivel de
conocimientos. Por este motivo dichos lenguajes no son populares
hoy en día.

PROGRAMACIÓN TEXTUAL ESPECIFICATIVA
Se trata de una programación del tipo no procesal, en la que el
usuario describe las especificaciones de
los productos mediante una modelización, al igual que las
tareas que hay que realizar sobre ellos.
El sistema informático para la programación textual
especificativa ha de disponer del modelo del universo, o mundo
donde se encuentra el robot. Este modelo será, normalmente,
una base de datos más o menos compleja, según la clase de
aplicación, pero que requiere, siempre , computadoras
potentes para el procesado de una abundante información.
El trabajo de la programación consistirá, simplemente, en la
descripción de las tareas a realizar, lo que supone poder llevar
a cabo trabajos complicados.

Actualmente, los modelos del universo son del tipo
geométrico, no físico.
Dentro de la programación textual especificativa, hay dos
clases, según que la orientación del modelo se refiera a los
objetos a los objetivos.
Si el modelo se orienta al nivel de los objetos, el lenguaje
trabaja con ellos y establece las relaciones entre ellos. La
programación se realiza "off-line" y la conexión CAM es
posible.
Dada la inevitable imprecisión de los cálculos del ordenador y
de las medidas de las piezas, se precisa de una ejecución
previa, para ajustar el programa al entorno del robot.
Los lenguajes con un modelo del universo orientado a los
objetos son de alto nivel, permitiendo expresar las sentencias
en un lenguaje similar al usado comúnmente.
Por otra parte, cuando el modelo se orienta hacia los
objetivos, se define el producto final.
La creación de lenguajes de muy alto nivel transferirá una
gran parte del trabajo de programación, desde el usuario
hasta el sistema informático; éste resolverá la mayoría de
los problemas, combinando la Automática y
la Inteligencia Artificial.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN GESTUAL PUNTO A PUNTO
Se aplican con el robot "in situ", recordando a las normas de
funcionamiento de un magnetofón doméstico, ya que disponen de unas
instrucciones similares: PLAY (reproducir), RECORD (grabar), FF
(adelantar), FR (atrasar), PAUSE, STOP, etc. Además, puede disponer de
instrucciones auxiliares, como INSERT (insertar un punto o una operación
de trabajo) y DELETE (borrar).
Conceptualmente, ala estar el manipulador en línea funciona como un
digitalizador de posiciones.
Los lenguajes más conocidos en programación gestual punto a punto son
el FUNKY, creado por IBM para uno de sus robots, y el T3, original de
CINCINNATI MILACROM para su robot T3.
En el lenguaje FUNKY se usa un mando del tipo "joystick" para el control
de los movimientos, mientras que el T3 dispone de un dispositivo de
enseñanza ("teach pendant").
Como en un grabador de cassettes, y en los dos lenguajes mencionados,
los movimientos pueden tener lugar en sistemas de coordenadas
cartesianas, cilíndricas o de unión, siendo posible insertar y borrar las
instrucciones que se desee. Es posible, también, implementar funciones
relacionadas con sensores externos, así como revisar el programa paso a
paso, hacia delante y hacia atrás.

El lenguaje FUNKY dispone de un comando especial para centrar a la
pinza sobre el objeto.
El procesador usado en T3 es el AMD 2900 ("bit slice"), mientras que en el
FUNKY está constituido por el IBM SYSTEM-7.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN A NIVEL DE MOVIMIENTOS ELEMENTALES.
Como ya menciono, se tratan los movimientos de punto a punto,
expresados en forma de lenguaje. Se citan, entre los más importantes:
ANORAD
EMILY
RCL
RPL
SIGLA
VAL
MAL

Todos ellos mantienen el énfasis en los movimientos primitivos, ya sea en
coordenadas articulares, o cartesianas. En comparación, tienen, como
ventajas destacables, los saltos condicionales y a subrutina, además de
un aumento de las operaciones con sensores, aunque siguen manteniendo
pocas posibilidades de programación "off-line".

Estos lenguajes son, por lo general, del tipo intérprete, con
excepción del RPL, que tiene un compilador. La mayoría dispone de
comandos de tratamiento a sensores básicos: tacto, fuerza,
movimiento, proximidad y presencia. El RPL dispone de un sistema
complejo de visión, capaz de seleccionar una pintura y reconocer
objetos presentes en su base de datos.
Los lenguajes EMILY y SIGLA son transportables y admiten
el proceso en paralelo simple.
Otros datos interesantes de este grupo de lenguajes son los
siguientes:
ANORAD.- Se trata de una transformación de un lenguaje de control
numérico de la casa ANORAD CORPORATION, utilizado para robot
ANOMATIC. Utiliza, como procesador, al microprocesador 68000 de
Motorola de 16/32 bits.

VAL.- Fue diseñado por UNIMATION INC para sus robots UNIMATE y
PUMA. (FIG. 1) Emplea, como CPU, un LSI-II, que se comunica
con procesadores individuales que regulan el servo control de cada
articulación. Las instrucciones, en idioma inglés, son sencillas e
intuitivas, como se puede apreciar por el programa siguiente:
LISPT
PROGRAM PICKUP
1. APRO PART, 25.0
2. MOVES PART
3. CLOSE, 0.0.0
4. APRO PART, -50.0
5. APRO DROP, 100.0
6. MOVES DROP
7. OPEN, 0.0.0
8. APRO DROP, -100.0

RPL.- Dotado con un LSI-II como procesador central, y aplicado
a los robots PUMA, ha sido diseñado por SRI INTERNATIONAL.
EMILY.- Es un lenguaje creado por IBM para el control de uno
de sus robots. Usa el procesador IBM 370/145 SYSTEM 7 y está
escrito en Ensamblador.
SIGLA.- Desarrollado por OLIVETTI para su robot SUPER
SIGMA, emplea un mini-ordenador con 8 K de memoria. Escrito
en Ensamblador, es del tipo intérprete.

MAL.- Se ha creado en el Politécnico de Milán para el robot SIGMA, con un
Mini-multiprocesador. Es un lenguaje del tipo intérprete, escrito en
FORTRAN.
RCL.- Aplicado al robot PACS y desarrollado por RPI, emplea, como CPU,
un PDP 11/03. Es del tipo intérprete y está escrito en Ensamblador.

LENGUAJES ESTRUCTURADOS DE PROGRAMACIÓN EXPLÍCITA
Teniendo en cuenta las importantísimas características que
presenta este tipo de programación, merecen destacarse los
siguientes lenguajes:
AL
HELP
MAPLE
PAL
MCL
MAL EXTENDIDO

A continuación, se exponen las características más representativas
de los lenguajes dedicados a la programación estructurada.
AL.- Trata de proporcionar definiciones acerca de los movimientos
relacionados con los elementos sobre los que el brazo trabaja. Fue
diseñado por el laboratorio de Inteligencia Artificial de
la Universidad de Stanford, con estructuras de bloques y de control
similares al ALGOL, lenguaje en el que se escribió. Está dedicado al
manipulador de Stanford, utilizando como procesadores centrales, a
un PDP 11/45 y un PDP KL-10.
HELP.- Creado por GENERAL ELECTRIC para su robot ALLEGRO y
escrito en PASCAL/FORTRAN, permite el movimiento simultáneo de
varios brazos. Dispone, asimismo, de un conjunto especial de
subrutinas para la ejecución de cualquier tarea. Utilizando como CPU,
a un PDP 11.
MAPLE.- Escrito, como intérprete, en lenguaje PL-1, por IBM para el
robot de la misma empresa, tiene capacidad para soportar
informaciones de sensores externos. Utiliza, como CPU a un IBM
370/145 SYSTEM 7.

PAL.- Desarrollado por la Universidad de Purdure para el
manipulador de Stanford, es un intérprete escrito en FORTRAN
y Ensamblador, capaz de aceptar sensores de fuerza y de
visión. Cada una de sus instrucciones, para mover el brazo del
robot en coordenadas cartesianas, es procesada para que
satisfaga la ecuación del procesamiento. Como CPU, usan un
PDP 11/70.
MCL.- Lo creó la compañía MC DONALL DOUGLAS, como
ampliación de su lenguaje de control numérico APT. Es un
lenguaje compilable que se puede considerar apto para la
programación de robots "off-line".
MAL EXTENDIDO.- Procede del Politécnico de Milán, al igual
que el MAL, al que incorpora elementos de programación
estructurada que lo potencian notablemente. Se aplica,
también, al robot SIGMA.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN ESPECIFICATIVA A NIVEL OBJETO.

En este grupo se encuentran tres lenguajes interesantes:
RAPT
AUTOPASS
LAMA
RAPT.- Su filosofía se basa en definir una serie de planos,
cilindros y esferas, que dan lugar a otros cuerpos derivados.
Para modelar a un cuerpo, se confecciona una biblioteca con
sus rasgos más representativos. Seguidamente, se define los
movimientos que ligan a los cuerpos a ensamblar (alinear
planos, encajar cilindros, etc.).

CARACTERÍSTICAS DE UN LENGUAJE IDEAL PARA LA ROBÓTICA
Las seis características básicas de un lenguaje ideal, expuestas
por Pratt, son:
1. Claridad y sencillez.
2. Claridad de la estructura del programa.
3. Sencillez de aplicación.
4. Facilidad de ampliación.
5. Facilidad de corrección y mantenimiento.
6. Eficacia.
Estas características son insuficientes para la creación de un
lenguaje "universal" de programación en la robótica, por lo que
es preciso añadir las siguientes:
- Transportabilidad sobre cualquier equipo mecánico o
informático.
- Adaptabilidad a sensores (tacto, visión, etc.).
- Posibilidad de descripción de todo tipo
de herramientas acoplables al manipulador.
- Interacción con otros sistemas.

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