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Máquinas Simples y Robots: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones
Máquinas Simples: Fundamentos y Clasificación
Una máquina simple es un dispositivo en el que tanto la energía suministrada como la producida se encuentran en forma de trabajo mecánico, y todas sus partes son sólidos rígidos. El propósito principal de estas máquinas es transformar una fuerza de entrada en una fuerza de salida diferente. Esto puede ser útil por varias razones, como aplicar una fuerza en un lugar para realizar trabajo en otro. Un ejemplo clásico son las poleas, que permiten levantar objetos pesados, como un andamio, tirando de una cuerda desde el suelo.
Tipos de Máquinas Simples
Las máquinas simples se clasifican comúnmente en seis tipos:
- Palancas
- Poleas
- Ruedas y ejes
- Planos inclinados
- Tornillos
- Cuñas
Las máquinas más complejas, como los tornos mecánicos o las esmeriladoras de superficies, son combinaciones de estos seis tipos básicos.
La Palanca: Un Principio Fundamental
La palanca, inventada por Arquímedes en el siglo IV a. C., es un ejemplo fundamental de máquina simple. Su famosa frase “Denme un punto de apoyo y levantaré el mundo” ilustra el poder de este mecanismo.
Existen tres tipos de palancas:
- Primer tipo: Como un balancín.
- Segundo tipo: Como una carretilla.
- Tercer tipo: Como una tijera, un cascanueces o un alicate.
La Polea: Versatilidad en el Movimiento
La polea consiste en una rueda acanalada que gira sobre su propio eje, por la cual pasa una cuerda. Puede ser:
- Fija: No se mueve con la carga.
- Móvil: Se desplaza con la carga.
- Mixta y compuesta: Es una combinación de ambos tipos.
En esencia, las máquinas simples se crearon como mecanismos para facilitar las tareas cotidianas, utilizando únicamente la fuerza humana o animal, sin necesidad de electricidad.
Robótica: Locomoción, Manipulación y Grados de Libertad
Locomoción
Existen diferentes tipos de locomoción en robótica:
- Caminante estable: Pueden detenerse en cualquier momento sin caerse. Son lentos, pero energéticamente ineficientes.
- Dinámicamente estables: Funcionan bien en movimiento, utilizando un movimiento rítmico de 4, 2 o 1 piernas. Son vulnerables a caídas si chocan con obstáculos.
- Ruedas y llantas: Son más eficientes, fáciles de controlar y construir que las extremidades antropomórficas, pero presentan dificultades para trasladarse y apuntar en direcciones específicas.
Manipulación
Los manipuladores son efectores que transportan objetos. Su estudio se realiza mediante la cinemática, que analiza la relación entre los movimientos del actuador y el movimiento resultante.
Tipos de movimientos:
- Giratorios
- Prismáticos
Grados de Libertad (GDL)
Un robot está compuesto por eslabones unidos por articulaciones, permitiendo movimiento relativo entre ellos. Cada movimiento independiente de una articulación es un grado de libertad (GDL). Los GDL representan el número de variables independientes que definen la posición del efector final. El número total de GDL es igual al número de eslabones en la cadena cinemática.
Tipos de articulaciones y sus GDL:
- Rotacional (1 GDL)
- Prismática (1 GDL)
- Cilíndrica (2 GDL)
- Planar (2 GDL)
- Esférica o rótula (3 GDL)
- Tornillo (1 GDL)
Volumen de Trabajo
El volumen de trabajo es el espacio tridimensional donde el robot puede realizar sus tareas. Se define trazando los límites de cada eslabón y articulación.
Robots Holonómicos y No Holonómicos
- Robot no holonómico: El número de grados de libertad controlables es menor que el número total de grados de libertad. Su control es más complejo.
- Robot holonómico: El número de grados de libertad controlables es igual al número total de grados de libertad. Aunque su diseño es más costoso debido a la complejidad mecánica, su control es más sencillo.
A pesar de la facilidad de control de los robots holonómicos, la simplicidad mecánica de los no holonómicos los convierte en la opción preferida en muchas aplicaciones. Se pueden añadir ruedas, como en los carros de bomberos, para mejorar su movilidad.
Clasificación de Robots
- Robots Manipuladores: También conocidos como robots industriales, son brazos articulados.
- Robots Móviles: Aumentan la autonomía del manipulador al permitir su desplazamiento.
- Robots Autónomos: Realizan tareas sin intervención humana.
- Tele-robótica: Operación de efectores a través de una red local o Internet.
Robots Industriales
Un robot industrial es un manipulador multifuncional programable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especializados mediante movimientos programados para diversas tareas. El objetivo es que el robot no solo sea programable, sino que también alcance cierto nivel de autonomía.