Control y robótica: sensores y actuadores

Un robot no es simplemente una máquina mecánica; es un sistema complejo capaz de percibir, procesar y actuar. La arquitectura de cualquier sistema robótico se basa en la interacción constante con su entorno. Podemos definir un robot como una entidad reprogramable que utiliza sensores para conocer lo que ocurre a su alrededor y actuadores para realizar tareas físicas.

El diagrama de bloques funcional de un robot sigue siempre este esquema:

1. Entrada (Sensores): Captan información del mundo físico (luz, distancia, temperatura).
2. Procesamiento (Cerebro/Controlador): Analiza los datos según un programa preestablecido.
3. Salida (Actuadores): Ejecutan una acción física (moverse, emitir sonido, encender una luz).

La diferencia fundamental entre los sistemas tecnológicos radica en cómo gestionan la información de salida.

• Sistemas de lazo abierto: Son aquellos en los que la salida no afecta a la acción de control. El sistema funciona por tiempo o secuencia, sin saber si el objetivo se ha cumplido.
  • Ejemplo: Una tostadora. Funciona durante un tiempo determinado, pero no sabe si el pan está realmente tostado o se está quemando.
• Sistemas de lazo cerrado: Introducen el concepto de retroalimentación o feedback. El sistema compara la salida real con el valor deseado y corrige el error.
  • Ejemplo: Un climatizador. Mide la temperatura de la habitación y sigue funcionando hasta alcanzar los grados programados, ajustándose si la temperatura cambia.

Los sistemas de lazo cerrado son mucho más precisos y estables, aunque su diseño es más complejo y costoso.

La unidad de control es el componente encargado de ejecutar el software. En robótica educativa, solemos utilizar microcontroladores (como los de las placas Arduino).

Diferencias clave:

• Microprocesador: Requiere componentes externos (RAM, almacenamiento) para funcionar. Es el corazón de un ordenador.
• Microcontrolador: Es un chip "todo en uno" que incluye procesador, memoria y puertos de entrada/salida. Es ideal para tareas específicas de control.

El controlador gestiona dos tipos de señales:

• Digitales: Solo tienen dos estados posibles (0 o 1, LOW o HIGH, 0V o 5V). Ejemplo: un interruptor.
• Analógicas: Pueden tomar infinitos valores dentro de un rango. Ejemplo: el nivel de luminosidad.

Permiten al robot saber si ha chocado con algo o en qué posición se encuentran sus partes mecánicas.

• Finales de carrera y pulsadores: Son interruptores electromecánicos que envían una señal digital cuando se presionan.
• Potenciómetros: Resistencias variables que permiten medir ángulos de giro. Al girar el eje, varía el voltaje de salida de forma analógica.
• Encoders rotativos: Dispositivos que cuentan pulsos eléctricos para determinar con exactitud la velocidad y posición de un motor.

Son fundamentales para la navegación autónoma.

• LDR (Resistencias dependientes de la luz): Su resistencia disminuye al aumentar la intensidad lumínica. Se usan en farolas automáticas.
• Sensores infrarrojos (IR): Emiten una luz invisible que rebota en los objetos. Se usan para detectar presencia o seguir líneas negras en el suelo.
• Sensores de ultrasonidos: Funcionan enviando un pulso de sonido inaudible que rebota en un obstáculo. Midiendo el tiempo que tarda en volver el eco, el robot calcula la distancia mediante la fórmula: $d = \frac{v \cdot t}{2}$ donde $v$ es la velocidad del sonido ($\approx 340 \text{ m/s}$) y $t$ el tiempo total.

• Termistores (NTC/PTC): Resistencias que varían con la temperatura. En las NTC, la resistencia baja al subir la temperatura.
• Acelerómetros y giroscopios: Permiten al robot conocer su inclinación y detectar caídas o giros bruscos (esencial en drones).
• Sensores de humedad y gas: Miden la calidad del aire o la humedad del suelo en sistemas de riego.

Son los actuadores más comunes para la tracción de ruedas. Convierten energía eléctrica en movimiento rotatorio continuo.

• Control de velocidad: Se realiza mediante PWM (Modulación por Ancho de Pulsos), que consiste en apagar y encender el motor muy rápido para variar la energía media recibida.
• Inversión de giro: Para que un motor gire en ambos sentidos, se utiliza un circuito llamado Puente H, que permite invertir la polaridad de la corriente.

Cuando necesitamos precisión milimétrica, los motores DC convencionales no son suficientes.

• Servomotores: Permiten controlar el ángulo exacto de giro (normalmente entre 0° y 180°). Internamente tienen un potenciómetro de feedback.
• Motores paso a paso: Giran en ángulos muy pequeños y discretos (pasos). Son ideales para impresoras 3D y máquinas CNC donde el movimiento debe ser extremadamente repetitivo.

• Diodos LED: Componentes que emiten luz con muy bajo consumo. Requieren siempre una resistencia en serie para no quemarse.
• Zumbadores (Buzzers): Pueden ser pasivos (permiten crear melodías variando la frecuencia) o activos (emiten un tono fijo al recibir corriente).
• Pantallas LCD: Módulos que permiten mostrar texto y datos del sistema al usuario.

Un microcontrolador no puede alimentar directamente un motor de 230V o una estufa. Para ello usamos el relé, que actúa como un interruptor controlado eléctricamente. Su principal ventaja es el aislamiento galvánico: el circuito de control (baja potencia) está físicamente separado del circuito de potencia (alta potencia), protegiendo la electrónica.

La programación es la lista de instrucciones que sigue el robot. Los conceptos básicos incluyen:

• Variables: Espacios de memoria para guardar datos (ej. distancia = 20).
• Condicionales (If-Else): Permiten tomar decisiones. Si el sensor detecta un obstáculo, para; si no, avanza.
• Bucles (While, For): Repiten una acción mientras se cumpla una condición.

Para procesar señales analógicas, el controlador usa un Conversor Analógico-Digital (ADC). Por ejemplo, en una placa de 10 bits, un voltaje de 0 a 5V se convierte en un número entre 0 y 1023. Es crucial establecer umbrales (thresholds): valores límite que disparan una acción para evitar que el ruido eléctrico cause falsas activaciones.

1. Bloques (mBlock/Scratch): Ideal para principiantes. Visual y basado en encajar piezas lógicas.
2. Código textual (Arduino C++): Permite un control total y optimizado del hardware.
3. Simuladores (Tinkercad): Permiten probar circuitos y programas virtualmente antes de pasar al montaje real, evitando daños en los componentes.

Para montar proyectos usamos la placa de pruebas o breadboard, que permite conectar componentes sin soldar. Es vital respetar la polaridad: el cable rojo para el positivo ($V_{cc}$) y el negro para el negativo ($GND$ o masa).

Es el proyecto clásico de robótica. Utiliza dos sensores infrarrojos orientados al suelo.

• Lógica: Si el sensor izquierdo detecta negro, el robot gira a la izquierda. Si ambos detectan blanco, avanza recto.
• Calibración: Es necesario ajustar la sensibilidad de los sensores según la luz ambiental de la sala para que distingan correctamente el contraste de la línea.

La robótica aplicada al hogar busca el confort y el ahorro energético:

1. Iluminación automática: Un LDR activa un relé que enciende una bombilla cuando oscurece.
2. Alarma de movimiento: Un sensor PIR (infrarrojo pasivo) detecta el calor humano y activa un zumbador.
3. Riego inteligente: Un sensor de humedad de suelo mide la sequedad de la tierra; si baja de un umbral, activa una bomba de agua durante un tiempo determinado.

La clave de la robótica no es solo construir la máquina, sino entender cómo los datos fluyen desde el mundo físico hasta el código y vuelven al mundo físico en forma de movimiento.