Prefacio del autor

Los robots son máquinas en las que se integran componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y de comunicaciones, y dotadas de un sistema informático para su control en tiempo real, percepción del entorno y programación.
La robótica es todavía una disciplina relativamente joven. En efecto, aunque el término robot se acuña en los años veinte del pasado siglo, la robótica industrial nace en los cincuenta y sólo en los setenta comienzan a impartirse cursos de robótica en un gran número de universidades.
En la robótica industrial se trata fundamentalmente de dotar de flexibilidad a los procesos productivos manteniendo al mismo tiempo la productividad que se consigue con una máquina automática especializada.
En los años ochenta y noventa se han diseñado un gran número de máquinas cuyo objetivo no es sustituir la actividad directa de un trabajador en una cadena de producción. Se trata de realizar tareas en lugares dificilmente accesibles, con riesgo de accidentes, en condiciones peligrosas para la salud, o trabajos que resultan difíciles por el tamaño de los objetos que es necesario manipular. Así, se han abordado aplicaciones en la exploración espacial, actividades subacuáticas, manipulación y transporte de materiales peligrosos, minería, agricultura, construcción, cirugía, etc. La mayoría de estas máquinas son fundamentalmente teleoperadas, pero se trata de dotarlas de una mayor autonomía llegando a construir robots. El número de estos robots aumentará de forma importante en los próximos años.
Otro sector de importancia creciente en las aplicaciones de la robótica es el de los robots de servicios, entre los cuales se incluyen los robots domésticos, robots de ayuda a los discapacitados, y robots asistentes en general. Tampoco hay que olvidar que los humanos siempre han sentido una gran atracción por las máquinas que imitan los gestos más visibles de los seres vivos en general y de las personas en particular. Por tanto, tampoco hay que extrañarse de la importancia creciente de las aplicaciones recreativas de la robótica.
La robótica industrial, desde sus orígenes, estuvo muy orientada a las funciones de manipulación. De hecho, suele considerarse que un robot industrial es esencialmente un robot manipulador. Por ello, la mayor parte de los libros de robótica se dedican exclusivamente a robots manipuladores.
Durante los años ochenta y noventa, los aspectos relacionados con la robótica denominada móvil han ido cobrando una importancia creciente. Los robots móviles se diferencian de los robots manipuladores convencionales en que no están anclados, sino que por el contrario pueden desplazarse por el terreno, por el agua o incluso volar libremente. Los aspectos más específicos de la robótica móvil son los relacionados con tales desplazamientos autónomos o navegación del robot. Desde el punto de vista de la robótica industrial, los vehículos robóticos pueden considerarse como una generalización de los vehículos de transporte en fábrica con el objetivo de proporcionar una mayor flexibilidad. Sin embargo, donde el papel de la robótica móvil es más importante es en las nuevas aplicaciones de la robótica, fuera del trabajo en las cadenas de fabricación industrial, tales como las que se mencionaban en párrafos anteriores.
En este libro se ha adoptado como un objetivo básico la consideración tanto de robots manipuladores como de robots móviles. Otro aspecto que se ha considerado fundamental es suministrar herramientas para la mejor comprensión de los conceptos y métodos que se presentan. Por ello, se incluyen numerosos ejemplos que el lector puede reproducir empleando una herramienta Matlab-Simulink construida al efecto y que se suministra con el texto.
Este libro es el resultado de maduraciones sucesivas de apuntes empleados en cursos de las Universidades de Sevilla y Málaga. Pasar de unos apuntes de un determinado curso, o cursos, a un libro, requiere frecuentemente un esfuerzo mucho mayor que el previsto. Durante la realización de este esfuerzo la calidad de los libros que se manejan suele parecer cada vez mayor, hasta el punto en que el escritor suele preguntarse una y otra vez si merece la pena continuar. En este caso, se ha creído que los objetivos mencionados en el párrafo anterior justificaban la edición del libro.
Por otra parte, es necesario tener en cuenta que la literatura en castellano sobre robótica es muy escasa. Este comentario puede parecer irrelevante para un buen número de profesores, e incluso alumnos, pero no lo es para el autor de esta obra que considera una cierta obligación transmitir conocimientos en nuestra lengua.
El texto puede considerarse dividido en cuatro partes. La primera de ellas consiste en dos capítulos. El primero introduce nociones básicas sobre robótica y el segundo describe la morfología de los robots, incluyendo tanto robots manipuladores como móviles.
La segunda parte del libro se dedica al modelado de los robots, estando formada por los capítulos 3, 4 y 5. El capítulo 3 expone nociones básicas sobre sistemas de representación y las transformaciones entre ellos. Los conceptos de este capítulo pueden ser ya conocidos por algunos lectores. En este caso su única utilidad es la de familiarizarse con la notación que se emplea en capítulos posteriores. Los capítulos 4 y 5 son los específicos de modelado. El contenido de estos capítulos es quizás el más dificil para estudiantes o especialistas en las tecnologías de la información. Sin embargo, resultará fácil para lectores con conocimientos de mecánica. El capítulo 4 es extenso y considera modelos cinemáticos tanto de robots manipuladores como de robots móviles. El capítulo 5 está dedicado al modelo dinámico. Los lectores exclusivamente interesados en el control y los aspectos de la robótica relacionados con las tecnologías de la información pueden obviar las secciones 4 y 5 de este capítulo en las cuales se presentan los métodos para la obtención del modelo dinámico. Conviene también poner de manifiesto que la existencia de la herramienta MATLAB-Simulink permite el empleo de los modelos de los robots sin conocer con detalle los métodos para su obtención.
La tercera parte del libro se dedica específicamente al control. El capítulo 6 se ocupa de las arquitecturas de control considerándose tanto las arquitecturas basadas en la planificación con modelo del entorno, como las reactivas. En el capítulo 7 se estudian los sensores, incluyendo sensores básicos para el control de movimientos de los ejes, sensores de manipuladores robóticos y sensores específicos para la navegación de vehículos autónomos. En este capítulo no se tratan los sensores de percepción del entorno, tales como sistemas de visión, o sensores de distancias, para cuyo estudio el lector debe acudir a otros textos especializados. El capítulo 8 es relativamente extenso dedicándose al control de los robots manipuladores, incluyendo la estrategia básica del par computado y sus diferentes particularizaciones, los métodos de control adaptativo, el control con aprendizaje, el control en el espacio cartesiano y el control de esfuerzos. El capítulo 9 está dedicado al control de los robots móviles, incluyéndose diversos métodos desde la técnica básica de la persecución pura hasta los métodos basados en la teoría del control. Finalmente, en el capítulo 10, se consideran métodos para la generación de trayectorias. Partiendo de una especificación del movimiento que debe realizar el robot, se trata de definir de forma precisa una trayectoria en el espacio y en el tiempo. Se estudia la generación de trayectorias en el espacio cartesiano y en el de las articulaciones, y se consideran tanto robots manipuladores como móviles.
La cuarta y última parte del libro está dedicada a la especificación de la tarea que debe realizar el robot. El capítulo 11 se dedica a la programación, con énfasis en la programación de robots manipuladores. En primer lugar se trata la programación por guiado y, a continuación, se consideran los lenguajes de programación textual, empleándose como ejemplo la programación en VAL II. En la última sección del capítulo se considera la programación de vehículos robóticos. El capítulo 12 se ocupa de la detección de colisiones y planificación de caminos. Se trata tanto la detección y evitación de colisiones mediante reacción directa a la información suministrada por los sensores, como los métodos de detección y planificación de caminos libres de colisión basados en el empleo de modelos del robot y su entorno. Finalmente, en el capítulo 13, se presentan conceptos, métodos y tecnologías sobre teleoperación y telerrobótica. Conviene poner de manifiesto que tanto el capítulo 12 como el 13 deben considerarse como introducciones ya que su estudio en profundidad requiere textos especializados.
Antes de terminar, deseo manifestar mi agradecimiento a todas las personas que han contribuido al estado actual del libro.
En primer lugar quiero expresar mi agradecimiento a Iván Maza Alcañiz, actualmente becario de investigación en nuestro grupo, ya que, además de sus numerosas correcciones, ha desarrollado la herramienta MATLAB-Simulink que se utiliza en el texto, programado los ejemplos y obtenido resultados que se han incluido en el mismo.
Agradezco también el trabajo de edición de Lorena de Martino Andrés que ha mecanografiado una buena parte del libro, incluyendo expresiones matemáticas, dibujado figuras y realizado numerosas correcciones durante varios años.
Asimismo, agradezco las revisiones del texto de Guillermo Heredia Benot y Federico Cuesta Rojo, también profesores de las asignaturas de robótica que se han impartido con los apuntes que han dado lugar al libro, así como las revisiones de numerosos alumnos que en los últimos años han utilizado dichos apuntes.
En el libro se utilizan como ejemplos, diversos robots del Instituto Andaluz de Automática y Robótica, así como robots desarrollados en las universidades de Sevilla y Málaga. Mi agradecimiento a los profesores Javier Aracil y Alfonso García Cerezo, responsables de este Instituto en Sevilla y Málaga, así como a los compañeros de estas universidades que han participado en los últimos años en trabajos conjuntos de investigación directamente relacionados con los temas que se tratan en el libro, entre los cuales, además de los profesores ya citados, cabe mencionar a Begoña Arrue, Joaquín Ferruz, Omar Sánchez, Fernando Gómez Bravo, Angel Rodríguez Castaño, Francisco López Pichaco y Carlos Nogales de la Universidad de Sevilla, así como a Víctor Muñoz, Jorge Martínez, Jesús Gómez de Gabriel y Anthony Mandow en cuyas Tesis presentadas en la Universidad de Málaga se obtuvieron resultados que se han empleado también en la redacción del libro.
Por otra parte, quiero poner de manifiesto que dicha redacción, en su forma actual, tampoco hubiera sido posible sin mi estancia en el “Robotics Institute” de la Carnegie Mellon University (Pittsburgh, EE.UU. de América), en los años 1990 y 1991, durante la cual participé en diversos proyectos adquiriendo conceptos teóricos y prácticos sobre robótica que me han sido muy valiosos. Quisiera mencionar en particular mi agradecimiento a William “Red” Whitaker, director del “Field Robotics Center” en el que estuve trabajando.
Por último, agradezco la financiación para el desarrollo de los Proyectos y actividades de I+D relacionadas con el libro recibida de la Comisión Europea, CICYT, Plan Andaluz de Investigación y Sociedad Sevilla Siglo XXI de la Diputación de Sevilla.