Instituto Tecnológico de Querétaro

“Tlaltipac Toquichtin Tiez”

(“La tierra será como sean los hombres”)

Querétaro Qro. A Viernes 7 de Diciembre del 2007

Antología Mecatrónica

Introducción a la Ingeniería Mecatrónica

Introducción.

En la presente obra nos referiremos a los temas selectos más importantes que conciernen en la vida del Ingeniero Mecatrónico. La finalidad de este se apega estrictamente a lo señalado dentro del programa de estudio de la materia de Introducción a la Ingeniería Mecatrónica.

Como primer punto, dentro de la primera unidad, tocaremos de una manera somera y tratando de enfatizar en el proceso de desarrollo de la ingeniería Mecatrónica en un contexto global a través de los tiempos hasta el mundo actual, así también, el desarrollo de esta en nuestro país (México), integrando conceptos importantes, básicos y fundamentales del ingeniero e ingeniero Mecatrónico.

En el segundo punto que comprende a la segunda unidad, hallaremos uno de los principales medios de desarrollo de la Ingeniería Mecatrónica, sin dejar de lado un poco de su historia, el concepto estricto de Mecatrónica y el abundante mundo de la tecnología que comprende de manera peculiar en la conformación de la Mecatrónica. También profundizaremos de la mejor manera posible en conceptos básicos de la ingeniería y la Ingeniería Mecatrónica así como los temas mas destacados; Sensores y sistemas lógicos, entre otros.

En la tercera unidad comprenderemos la importancia del desarrollo de los sistemas mecatrónicos, su estructura, desarrollo y su importancia para el ingeniero Mecatrónico y por supuesto una breve clasificación de estos.

En el punto cuatro, que comprende a la unidad cuatro, nos adentraremos a la parte legal que conforma la vida de un ingeniero así como, las normas en las que un ingeniero entrara en contacto y las normas que como ingenieros se deberá que hacerse del conocimiento de estas, la importancia de estas normas en esta época contemporánea y con el fin de fomentar, alimentar y crear un espíritu innovador nos adentraremos en el burocrático mundo de las patentes, licencias y registros a los que los mexicanos nos enfrentamos, tratando de tomar algunos consejos importantes y medidas para tener una mayor facilidad de inventor e innovador.

Por ultimo, en la quinta unidad, de manera superficial, abarcaremos uno de los puntos más importantes para la ingeniería contemporánea, la nanotecnología y la microtecnología, que hoy por hoy, nos promete ser la tecnología futura en áreas muy importantes, como la medicina, principalmente., involucraremos también el conocimiento en el mundo actual sobre lo países que invierten mas en esta tecnología y sobre algunas áreas mas importantes de enfoque de esta tecnología.

Prólogo.

La siguiente obra antológica es un compendio temático básico de lo más importante habido y por haber, ya que plantea las probables situaciones que involucraran a la Mecatrónica dentro de unos años próximos y actuales. Dentro del marco de desarrollo de la materia de Introducción a la Ingeniería Mecatrónica, esta obra se enfoca al desarrollo de cada tema y profundiza en el campo de acción de la mecatrónica así como las oportunidades que esta genera con el único fin de adentrarnos en el interesante mundo de la Mecatrónica.

El desarrollo de cada tema tiene como objetivo la comprensión y asimilación de los conceptos diversos que caracterizan una disciplina como la ingeniería Mecatrónica, la argumentación de los temas sincroniza y complementa junto con el curso de Introducción a la Ingeniería Mecatrónica una importante base en la formación de un ingeniero mecatrónico. La formación de un ingeniero se sostiene estrictamente bajo dos pilares fundamentales; Uno que engloba los términos técnicos, conceptuales y teóricos. El segundo, el desarrollo de las habilidades practicas y técnicas que el ingeniero utilizara y se le exigirán en su vida laboral. Evidentemente este compendio Antológico englobara todos los aspectos teóricos de temas selectos y debidamente complementados con la experiencia del profesor; MC. Martín Vega Terrazas a través de ejercicios prácticos, y por supuesto, teóricos que gesten con un recto conocimiento el espíritu innovador para la creación de nuevos proyectos aplicables y nacidos dentro del área mecatrónica.

La finalidad trascendente de resumir e investigar se enfoca en intentar asimilar las definiciones y los antecedentes así como algunos conceptos fundamentales de la Ingeniería Mecatrónica para poder ser puestos en práctica y de este modo integrar un conocimiento bien definido para el futuro ingeniero y el futuro Mecatrónico.

A lo largo de la historia del hombre nos hemos encontrado siempre con adversidades de diferente índole, el muy ingenioso hombre siempre ha encontrado la mejor manera de resolverlas, o al menos en tratar de hacerlo. La ingeniería Mecatrónica, como al igual que otras ingenierías, ha tenido un proceso de gestación y desarrollo, que sin lugar a dudas, hoy en día ha tenido un desarrollo y crecimiento que, desde luego, párese no tener fin. A lo largo del último siglo la ingeniería Mecatrónica señalo la capacidad de evolución con la que se cuenta en esta disciplina y con la que se prevé poner al tope a la ciencia.

Índice

Introducción. ········································································································1

Prologo. ···············································································································2

Índice. ··················································································································3

UNIDAD 1: Introducción a la ingeniería y al diseño de ingeniería.

1.1.- Definición y evolución de la ingeniería. ·······················································6

1.2.- Diferencia entre ingeniería, ciencia, tecnología, investigación, diseño de ingeniería, proyecto de ingeniería y manufactura de obra de ingeniería. ············7

1.3.- Características deseables de un ingeniero. ················································9

1.4.- Metodología para diseño en ingeniería. ····················································10

UNIDAD 2: Mecatrónica; Filosofía de diseño.

2.1.- Desarrollo histórico de la mecatrónica a nivel nacional e internacional. ···13

2.2.- Definición de mecatrónica. ········································································14

2.3.- Elementos claves de la mecatrónica

2.3.1.- Modelación de sistemas físicos. ··················································14

2.3.2.- Sensores y actuadores. ·······························································16

2.3.3.- Sistemas de Control. ···································································24

2.3.4.- Computadoras y sistemas lógicos. ··············································27

2.3.5.- Software y adquisición de datos. ·················································27

2.4.- Integración interdisciplinaria

2.4.1.- Mecánica de precisión. ································································29

2.4.2.- Control electrónico. ······································································30

2.4.3.- Ciencias computacionales. ··························································30

2.5 Integración del Diseño Proyecto y Manufactura de ingeniería. ···················31

UNIDAD 3: Mecatrónica una perspectiva industrial

3.1.- Desarrollo de sistemas mecatrónicos. ·······················································34

3.2.- Clasificación de sistemas macarrónicos. ···················································35

UNIDAD 4: Aspectos legales en la ingeniería

4.1.- Normas que rigen el ejercicio de la ingeniería nacional e internacional. ···37

4.2.- Registros licencias y patentes. ··································································38

UNIDAD5: Perspectiva futura de la Mecatrónica: La Microtecnología y Nanotecnología, Una introducción.

5.1.- Introducción a la Micro y Nano-tecnología.

5.1.1.- Microactuadores: Análisis, Diseño y Fabricación. ·······················42

5.1.2.- Microsensores: Análisis, Diseño y fabricación. ····························46

5.1.3.- Nano-maquinas. ··········································································55

5.2.- Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS).

5.2.1.- Modelación y Simulación. ··························································· 57

5.2.2.- Síntesis. ·······················································································58

5.2.3.- Micro fabricación y Aplicaciones Comerciales. ····························59

5.2.4.- Análisis y Optimización. ·······························································61

5.2. - Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS).

5.2.1.- Aplicaciones. ················································································63

5.2.2.- Países trabajando en este campo y sus inversiones. ··················64

Glosario. ············································································································67

Anexo. ················································································································71

Bibliografía y Apoyos documentales. ·································································73

UNIDAD 1:

Introducción a la ingeniería y al diseño de ingeniería.

1.1. Definición y evolución de la ingeniería.

La ingeniería es la profesión en la cual se aplican los conocimientos matemáticos de las ciencias naturales obtenidos a través de la observación, estudio, experiencia y práctica. Los conocimientos son aplicados con criterio y conciencia. Tienen que aplicarse con responsabilidad social y basada en una ética profesional. Toda acción realizada debe ser en beneficio de la humanidad. Su función principal es el de diseñar o desarrollar soluciones tecnológicas a necesidades sociales, industriales y económicas. Para ello, el ingeniero debe de identificar los posibles obstáculos que pueden suceder un futuro para poder realizar un buen diseño.

Los ingenieros deben tomar en serio su responsabilidad profesional para producir diseños que se desarrollarán como estaba previsto, de tal manera, que no se causen daños inesperados. Así que un ingeniero, siempre debe de incluir un factor de seguridad en sus diseños.

La ingeniería ha evolucionado a través de la historia, y esta ha sido marcada por la eficiencia, que es el producir más con menos recursos, tendencia que rige desde siempre, un claro ejemplo de ello, son los carros, comparando un modelo X contra un carro de fórmula1, ambos tienen el mismo peso, pero la potencia y diseño son muy diferentes.

En los inicios de las grandes civilizaciones, se descubrió que la fundición de cobre con estaño, formaba bronce, el cual se utilizó para la fabricación de armas, herramientas, estatuas. En la era medieval, el bronce fue sustituido por el Hierro, gracias a la abundancia de yacimientos de este material, y a la dureza del mismo. Debido a su eficiencia, este material fue muy explotado. En la era del Renacimiento, ya no se usaba armaduras de hierro, debido a que la pólvora podría atravesar armaduras. En el ejemplo anterior, vemos como cambia el hombre con respecto al descubrimiento de tecnologías. El descubrimiento más grande del hombre, es el haber descubierto el fuego, como provocarlo, y a su vez, como aprovecharlo.

La ingeniería de la construcción es un buen ejemplo de evolución, las estructuras de estilo gótico sustituyeron al estilo románico, debido a que su diseño empleaba menos material, tenía grandes ventanales y mucha más luz. Esta es otro ejemplo, de cómo la eficiencia influye en la evolución de la ingeniería.

Otro suceso importante, y probablemente el más importante para la ingeniería, es la Revolución Industrial, gracias a ella, surge la producción en serie, mayor aplicación tecnológica gracias a las máquinas, se generan nuevas fuentes de energía, que son el carbón y el vapor, nuevos transportes como el ferrocarril y el barco a vapor.

En la actualidad, gracias a los avances en mecánica, informática, electrónica, surgen varias ramas de la ingeniería. La industria y las ingenierías están en constante simbiosis y gracias a los avances provocan, en cierta manera, mejoramiento de la calidad de vida del hombre.

1.2. Diferencia entre ingeniería, ciencia, tecnología, investigación, diseño de ingeniería, proyecto de ingeniería y manufactura de obra de ingeniería.

¿Qué es Ingeniería?

La ingeniería se define como la profesión en la cual los conocimientos de las matemáticas y las ciencias naturales obtenidos a través del estudio, la experiencia y la práctica, son aplicados con criterio y con conciencia al desarrollo de medios para utilizar económicamente con responsabilidad social y basados en una ética profesional, los materiales y las fuerzas de la naturaleza para beneficio de la humanidad.

¿Qué es Ciencia?

La ciencia (del latín scientia, conocimiento) es un proceso de adquisición de conocimiento empírico y la organización de dicho conocimiento, o bien, el conocimientos susceptibles de probarse, sistematizados, realizables y dirigidos a objetos de una misma naturaleza. Esta serie de conocimientos pueden ser ciertos o probables, racionales, sistematizados y verificables, dirigidos a objetos de igual naturaleza. Dicho de otra manera el único objeto de la ciencia es comprender el mundo en que vive el hombre.

¿Qué es Tecnología?

Tecnología en su sentido más elemental no es más que un proceso de ingeniería. Sin embargo, en un sentido más amplio, es entendido como un producto en sí mismo, el cual en adición con maquinaria y equipos, concesiones avanzadas, patentes, marca de fábrica, instrucciones, descripciones y experiencia de personal especializado, también es el proceso a través del cual los seres humanos diseñan herramientas y máquinas para incrementar su control y su comprensión del entorno material.

¿Qué es Ingeniería de Proyecto?

Se entiende por ingeniería de proyecto, la etapa dentro de la formulación de un proyecto de inversión donde se definen todos los recursos necesarios para llevar a cabo el proyecto.

Por ejemplo, en el desarrollo de un proyecto de inversión a la ingeniería le corresponde definir:

• Todas las maquinas y equipos necesarios para el funcionamiento del establecimiento productivo.

• lugar de implantación del proyecto

• las actividades necesarias para el suministro de los insumos y de los productos

• los requerimientos de recursos humanos

• las cantidades requeridas de insumos y productos

¿Qué es Ingeniería de Diseño?

Descripción o bosquejo de alguna cosa. Un diseño es un esquema o estructura lógica de acción que permite mantener constante el flujo de las variables experimentales pertinentes y controlar así la influencia de las variables independientes sobre las variables dependientes. Podemos concretar como objetivos del diseño el maximizar la varianza sistemática, controlar la varianza sistemática de las variables extrañas o fuentes de variación secundarias, y minimizar la varianza del error (el azar y los errores de medición).

¿Qué es Ingeniería de Manufactura?

Es la ciencia que estudia los procesos de conformado y fabricación de componentes mecánicos con la adecuada precisión dimensional, así como de la maquinaria, herramientas y demás equipos necesarios para llevar a cabo la realización física de tales procesos, su automatización, planificación y verificación.

La Ingeniería de Manufactura es una función que lleva acabo el personal técnico, y esta relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su función principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la manufactura de un producto físico. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. El ámbito de la ingeniería de manufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de producción que realiza la organización particular. Entre las actividades usuales están las siguientes:

Planeación de los procesos

Solución de problemas y mejoramiento continúo.

Diseño para capacidad de manufactura.

1.3. Características deseables de un ingeniero.

Toda acción que ejecuta un ingeniero, debe de estar basado en su criterio y ética profesional, el ingeniero debe poseer las siguientes características:

• Ética profesional

• Los ingenieros deben reconocer que vida, seguridad, salud y bienestar de la población dependen de su juicio.

• No se deben aprobar planos o especificaciones que no tengan un diseño seguro.

• Se deben realizar revisiones periódicas de seguridad y confiabilidad.

• Prestar servicios productivos a la comunidad.

• Comprometerse a mejorar el ambiente.

• Los ingenieros deben prestar servicios en sus áreas de competencia.

• Deben emitir informes públicos. Se debe expresar la información en forma clara y honesta.

• Deben crear su reputación profesional sobre el mérito de sus servicios.

• No usar equipamiento fiscal o privado para uso personal.

• Acrecentar honor, integridad y dignidad de la profesión.

• Debe continuar con el desarrollo profesional (Continuar la educación)

• Apoyar a sociedades profesionales.

• ¿Qué características debe tener un ingeniero?

• Ética Profesional.

• Habilidad.

• Creatividad.

• Habilidad Administrativa.

1.4. Metodología para diseño en ingeniería.

Fases del proceso de diseño:

Este proceso conlleva la realización de un conjunto complejo de actividades, en las que deben intervenir la mayoría de las áreas funcionales del diseño. Generalmente este proceso de desarrollo se suele dividir en cinco fases o etapas:

1.- identificación de oportunidades.

2.- evaluación y selección.

3.- desarrollo e ingeniería del producto y del proceso.

4.- pruebas y evaluación.

5.- comienzo de la producción.

El propósito de tener una metodología que nos permita desarrollar máquinas de tipo mecatrónico, es decir máquinas en donde los sistemas mecánicos, electrónicos y computacionales convergen de forma significativa en el diseño de la máquina, es que dicha metodología nos ayudará a:

• reducir los tiempos de diseño e implantación

• reducir los costos asociados al diseño y la implantación.

• tener un orden de actividades en un proyecto integral

• visualizar la dirección de un proyecto

Las actividades asociadas de diseño y al desarrollo de la máquina, así como a la relación de estas actividades entre ellas, es importante mencionar que antes de aplicar algunas de estas ideas, el líder o responsable del proyecto, debe tener presente un trabajo previo en donde se hayan definido los siguientes puntos:

• Las ventajas y desventajas de la máquina

• Las normas y limitaciones del proyecto

• La justificación del proyecto bajo diversos criterios (económicos, sociales, etc.)

• La definición clara y precisa de los objetivos del proyecto.

• Las características técnicas de la máquina

• La evaluación de los conceptos de diseño de los sistemas de la máquina

• La selección de la mejor alternativa con base en criterios claros y definidos.

Para cada uno de estos casos es fundamental justificar de forma objetiva la utilización de las técnicas que se aplicarán, así como la forma en que se integrarán en las actividades al proyecto.

El método que se propone en este trabajo no intenta mostrar una nueva técnica de diseño, es más bien una manera de como se pueden integrar las actividades de diseño y su interacción con actividades de manufactura, instrumentación y control en máquinas especiales.

• Fuentes del proceso de diseño:

Entre las principales fuentes de ideas para este proceso podemos señalar las siguientes:

Clientes: en un entorno competitivo en el que el mercado juega un papel destacado parece evidente que el cliente debe jugar un papel activo en el diseño de nuevos productos. La empresa debe contar con las canales de comunicación adecuadas para que el cliente pueda aportar sus ideas al proceso de diseño y desarrollo.

Ingenieros y diseñadores: pero no todas las ideas pueden proceder del mercado, ya que en ese caso no existirían “innovaciones radicales”, es decir, productos totalmente nuevos. Por ello, sólo el personal del departamento de i+d puede conocer los últimos avances tecnológicos que pueden dar lugar a nuevos productos innovadores.

Competidores: en numerosas ocasiones los nuevos productos surgen de ideas de la competencia que la empresa adopta como suyas, realizando un proceso de imitación creativa, es decir, mejorando el producto de la competencia pero basándose en su diseño inicial.

Alta dirección y empleados de la empresa: esta fuente de ideas es a menudo despreciada por parte de los encargados del proceso de diseño y en muchas ocasiones es una de las fuentes más eficaces. Dado que los empleados de la organización son los que mejor conocen los procesos productivos existentes, así como las características reales de los productos fabricados.

Universidades y centros públicos de investigación: la empresa debe aprovechar la capacidad investigadora de estas instituciones para conseguir nuevos desarrollos tecnológicos.

UNIDAD 2:

Mecatrónica; Filosofía y Diseño.

2.1. Desarrollo histórico de la mecatrónica a nivel nacional e internacional.

La ingeniería ha avanzado con el ser humano, se dice que el primer gran paso que dio, fue cuando se usó herramientas labradas para la cacería o en el encender de la hoguera. El hombre empezó a desarrollar técnicas para su propio sustento, por ejemplo, técnicas para producir metales resistentes, arcos, vestimenta, arado.

El hombre no solo hizo uso de técnicas, sino que sustituyo la fuerza del hombre por la fuerza animal, a partir del surgimiento del arado. El paso importante para el surgimiento de las ingenierías fue la Revolución Industrial, el mayor cambio tecnológico, en el cuál se sustituye el trabajo manual por la industria y manufactura de maquinaria. La revolución comenzó con la mecanización de las industrias textiles.

Gracias a la Revolución Industrial, surge:

• La producción en serie.

• Aplicación de ciencia y tecnología que permita el desarrollo de máquinas que mejoran los procesos productivos.

• Nuevas fuentes energéticas, el carbón y vapor.

• Revolución en el transporte: ferrocarriles y barcos de vapor.

A medida que pasa el tiempo, se introduce la electrónica e informática en los procesos de producción. Esta implementación, mejora la producción, incrementando la velocidad de producción y la calidad.

La industria actual prevalece gracias a la calidad de sus productos, velocidad de producción, uniformidad. Como todo va en constante cambio, siempre se irá requiriendo de nuevas implementaciones tecnológicas y el desarrollo de las mismas. Gracias a estos factores, surge la hoy en día una nueva disciplina, Mecatrónica. Que hoy por hoy se ha consolidado dentro de la sociedad mexicana como una disciplina vanguardista e innovadora.

2.2. Definición de mecatrónica.

La Ingeniería Mecatrónica surge la combinación sinérgica de distintas ramas de la Ingeniería, entre las que destacan: la Mecánica de precisión, la Electrónica, La Informática y los Sistemas de Control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados.

La Mecatrónica esta centrada en mecanismos, componentes electrónicos y módulos de computación los cuales hacen posible la generación de sistemas más flexibles, versátiles y económicos. El término de Mecatrónica fue definido por primera vez en 1969 por un japonés de nombre Tetsuro Moria en la compañía japonesa Yasakawa.

2.3. Elementos claves de la mecatrónica

2.3.1. Modelación de sistemas físicos.

Los sistemas físicos son los sistemas “tangibles”, los que se presentan en la vida real, son todos aquellos sistemas compuestos por maquinaria y equipos. En la modelación de sistemas físicos, estamos hablando del diseño de los sistemas mecánicos-eléctricos.

Los modelos proporcionan predicciones útiles.

La gran importancia de estos modelos es el resultado final, la predicción, es o no satisfactorio para el propósito particular considerado. Los modelos son sinónimos de representaciones. Y nos ayuda de la siguiente manera para:

• La predicción.

• Control.

• Adiestramiento.

Modelo. Esquema teórico de un sistema o realidad compleja que se elabora para facilitar su compresión y estudio. Cada una de las modalidades, tipos o categorías que existen de algo.

Para efectuar el análisis de un sistema, es necesario obtener un modelo matemático que lo represente. El modelo matemático equivale a una ecuación matemática o un conjunto de ellas en base a las cuales podemos conocer el comportamiento del sistema.

Es necesario comentar que el modelo matemático que se desarrolla a partir de un sistema no es único, debido a lo cual se pueden lograr representaciones diferentes del mismo proceso.

Estas diferentes representaciones no contradicen una a la otra. Ambas contienen información complementaria por lo que se debe encontrar aquella que proporcione la información de interés para cada problema en particular.

Dentro de este contexto, por lo general se emplea la representación en "variables de estado" aunque no por ello el método de "relación entrada-salida" deja de ser interesante a pesar de proporcionar menor información de la planta.

Para uniformizar criterios respecto a las denominaciones que reciben los elementos que conforman un sistema de control es necesario tener en mente las siguientes definiciones:

Planta Cualquier objeto físico que ha de ser controlado.

• Proceso Operación o secuencia de operaciones.

• caracterizada por un conjunto de cambios graduales que llevan a un resultado o estado final a partir de un estado inicial.

• Sistema Combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo determinado.

• Perturbación, Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema.

Servomecanismo Sistema de control realimentado cuya salida es una posición mecánica.2.3.2. Sensores y actuadores.

Los sensores son transductores (convierte un tipo de energía a otra) que miden cierto tipo de energía, un indicador o detector en pocas palabras, la energía detectada se convierte en impulsos eléctricos que son captadas por las máquinas de control. Esta información la utilizan los operadores lógicos o bien puede ser analizada por un ser humano.

Ejemplos de Sensores:

• Sensores de temperatura: Termopar, Termistor

• Sensores de deformación: Galga extensiométrica

• Sensores de acidez: IsFET

• Sensores de luz: fotodiodo, fotorresistencia, fototransistor

• Sensores de sonido: micrófono

• Sensores de contacto: final de carrera

• Sensores de imagen digital (fotografía): CCD o CMOS

• Sensores de proximidad: sensor_de_proximidad

Sensores reflectivos y por intercepción (de ranura)

Los sensores de objetos por reflexión están basados en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser, etc.) y una célula receptora del reflejo de esta señal, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor, LDR, incluso chips especializados, como los receptores de control remoto. Con elementos ópticos similares, es decir emisor-receptor, existen los sensores "de ranura" (en algunos lugares lo he visto referenciado como "de barrera"), donde se establece un haz directo entre el emisor y el receptor, con un espacio entre ellos que puede ser ocupado por un objeto.

LDR (Light-Dependent Resistor, resistor dependiente de la luz).

Un LDR es un resistor que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre él. Se le llama, también, fotorresistor o fotorresistencia. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de varios megaohms).

Fotoceldas o celdas fotovoltaicas

La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar circuitos. Esta misma energía se puede utilizar, obviamente, para producir la detección y medición de la luz.

Fotodiodos

El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unión PN, como muchos otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en este caso el semiconductor está expuesto a la luz a través de una cobertura cristalina y a veces en forma de lente, y por su diseño y construcción será especialmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los fotodiodos, diseñados específicamente para esto, la construcción está orientada a lograr que esta sensibilidad sea máxima.

CCD y cámaras de vídeo

La abreviatura CCD viene del inglés Charge-Coupled Device, Dispositivo Acoplado por Carga. El CCD es un circuito integrado. La característica principal de este circuito es que posee una matriz de celdas con sensibilidad a la luz alineadas en una disposición físico-eléctrica que permite "empaquetar" en una superficie pequeña un enorme número de elementos sensibles y manejar esa gran cantidad de información de imagen (para llevarla al exterior del microcircuito) de una manera relativamente sencilla, sin necesidad de grandes recursos de conexiones y de circuitos de control.

Fototransistores

Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico.

Microinterruptores

No es necesario extenderse mucho sobre estos componentes (llamados "microswitch" en inglés), muy comunes en la industria y muy utilizados en equipos electrónicos y en automatización.

Sensores de presión

En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión, la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una membrana. En robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de presión disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida adaptación. Se puede mencionar un sensor integrado de silicio como el MPX2100 de Motorola, de pequeño tamaño y precio accesible.

Sensores de contacto (choque)

Para detectar contacto físico del robot con un obstáculo se suelen utilizar interruptores que se accionan por medio de actuadores físicos. Un ejemplo muy clásico serían unos alambres elásticos que cumplen una función similar a la de las antenas de los insectos. En inglés les llaman "whiskers" (bigotes), relacionándolos con los bigotes sensibles de los animales como —por ejemplo— los perros y gatos.

Piel robótica

El mercado ha producido, en los últimos tiempos, sensores planos, flexibles y extendidos a los que han bautizado como "robotic skin", o piel robótica. Uno de estos productos es el creado por investigadores de la universidad de Tokio. Se trata de un conjunto de sensores de presión montados sobre una superficie flexible, diseñados con la intención de aportar a los robots una de las capacidades de nuestra piel: la sensibilidad a la presión.

Micrófonos y sensores de sonido