Actuadores (robotica)

ACTIVIDAD 7 FUNCIÓN DE LOS ACTUADORES

ROBÓTICA LOS ACTUADORES. Son los encargados de dotar de movimiento a la estructura mecánica, existen diferentes tipos dependiendo de la tecnología que utilicen pueden ser neumáticos, hidráulicos o eléctrico-electrónicos.

1.- FUNCIÓN de los ACTUADORES. Un robot precisa de elementos motrices capaces de convertir señales de control en movimientos con una potencia de actuación acorde con las tareas que tenga encomendadas, los motores que crean movimientos en las articulaciones de los robots, se llaman actuadores. Los diferentes tipos de actuadores utilizados en robótica suministran energía mecánica y difieren en particular por su energía de activación que puede ser eléctrica, neumática o hidráulica. En el caso de que por necesidades mecánicas o constructivas sea preciso separar el punto de aplicación de las fuerzas generadas por los elementos motores, de dichos elementos, se utilizan elementos transmisores. La clasificación siguiente se basa en el criterio de la energía de activación: .- Actuadores eléctricos. .- Actuadores neumáticos. .- Actuadores hidráulicos.

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ROBÓTICA 1.- Actuadores eléctricos.

De los tres sistemas de alimentación enunciados, el que utiliza la energía eléctrica es el más manejable y el que precisa de una instalación más simple. Los actuadores eléctricos más utilizados son los motores de corriente continua de baja inercia y los motores paso a paso. Los motores eléctricos son máquinas utilizadas en transformar energía eléctrica en mecánica. Son los motores utilizados en la industria, pues combinan las ventajas del uso de la energía eléctrica (bajo, costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de la puesta en marcha, etc) con una construcción relativamente simple, costo reducido y buena adaptación a los mas diversos tipos de carga.

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ROBÓTICA A.- Motores de corriente continua. Se Utilizan en casos en los que es de importancia el poder regular continuamente la velocidad del eje y en aquellos casos en los que se necesita de un toque de arranque elevado.

Para funcionar, el motor de corriente continua o directa precisa de dos circuitos eléctricos distintos: el circuito de campo magnético y el circuito de la armadura. El campo (básicamente un imán o un electroimán) permite la transformación de energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magnético. Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energía mecánica. El campo magnético actúa como una especie de catalizador que permite la transformación de energía en la armadura.

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La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso dispositivo denominado colector mediante el cual se recibe corriente continua desde una fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en energía mecánica que se entrega a través del eje del motor. En la transformación se pierde un pequeño porcentaje de energía en los carbones del colector, en el cobre de los bobinados, en el hierro (por corriente parásitas e histéresis), en los rodamientos del eje y la fricción del rotor por el aire. En los motores de corriente continua, el control de velocidad se efectúa fácilmente manteniendo constante la corriente del inductor y actuando sobre la tensión en bornas del inducido o bien manteniendo constante la tensión de inducido y actuando sobre el inductor.

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B.- Motores Paso a Paso. Los motores, tanto de corriente continua como de corriente alterna, son muy efectivos en muchas labores cotidianas desde la tracción de grandes trenes hasta el funcionamiento de lavarropas. Pero debido a problemas tales como la, inercia mecánica o su dificultad para controlar su velocidad, se desarrollaron otro tipo de motores cuya característica principal es la precisión de giro. En efecto, en un motor paso a paso no sólo se puede controlar la cantidad de vueltas del mismo, sino que hasta centésimas de las mismas. A pesar de su extrema precisión, especialmente útil en áreas como la robótica o la domótica. Su principio de funcionamiento es muy simple. Internamente un motor de este tipo esta compuesto por dos bobinas con punto medio. Estas bobinas se ubican en lo que se denomina estator, es decir la carcasa exterior del motor. Además, del estator, este tipo de motor está compuesto por una parte móvil estriada denominada rotor. Cuando se aplica tensión a cualquiera de las cuatro bobinas existentes ésta genera un campo magnético. Ante esta situación una estría del rotor se alinea con este campo, desplazándose así un determinado número de grados. A este desplazamiento se lo denomina paso. Si en esta situación se desalimenta la antes mencionada bobina y se alimenta la siguiente el rotor girará otro paso en la dirección dada. En función de las veces que repitamos esta secuencia lograremos que el rotor gire una determinada cantidad de vueltas o grados en un sentido u otro. ¿Pero cómo saber cómo conectar uno de estos motores y cuál es su secuencia?. No es una tarea difícil.

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ROBÓTICA Exteriormente posee 6 ó 5 cables. Cuatro de estos cables corresponden a cada uno de los extremos de las dos bobinas existentes, mientras que los otros dos corresponden al punto medio de cada una. En el caso de que el cable restante sea uno; corresponde a estos dos últimos unidos internamente.

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ROBÓTICA Una vez localizados dichos cables mediremos la resistencia con un óhmetro o un multímetro en ellos. De esta forma localizamos las dos bobinas (los tres cables cuya resistencia entre sí sea distinta de infinito corresponden a una bobina). En este punto tenemos dos grupos de tres cables. Llamémoslos A, B y C. Mediremos resistencia, ahora, entre A y B, B y C y entre A y C. El par anterior cuya lectura sea más alta corresponde a los extremos de la bobina, mientras que el restante es el punto medio de la misma. Solamente nos resta saber la secuencia del motor. Para ello necesitaremos de una fuente de tensión contínua del valor característico del motor (5 Voltios generalmente). Puedes hallar varias en la sección circuitos. Conectamos un polo de la misma a los dos cables correspondientes al punto medio de cada bobina. Al polo restante lo conectamos a uno de los cuatro cables y observamos hacia que lado se produce el paso. Procedemos igual con los otros, probando en distinto orden, hasta que los cuatro pasos se hayan producido en la misma dirección. De esta forma ya habremos hallado la secuencia del motor. Para hacer funcionar un motor paso a paso requerimos de un circuito especial que cumpla esta función. De acuerdo al uso que deseemos podemos utilizar un simple secuenciador, un microcontrolador, algún puerto de nuestra propia PC, o bien ciertos circuitos integrados diseñados para tal fin. Para realizar el control a través de nuestra PC requeriremos poseer algún compilador de cualquier lenguaje, ya que todos poseen la capacidad de controlar el puerto paralelo.

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Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará

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ROBÓTICA enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. En este capítulo trataremos solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los mas usados en robótica.

Principio de funcionamiento Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Imagen del rotor

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Imagen de un estator de 4 bobinas

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ROBÓTICA Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

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Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.

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Unipolar: Estos motores suelen tener 6 ó 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.

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Una referencia importante: Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 ó 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:

http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20stepper/stepper-tutorial.htm http://www.netcom.es/celes/page3.html http://espanol.geocities.com/ramirogiovany/tutorialpasoapaso.htm

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2.- Actuadores neumáticos. Al tratar de actuadores neumáticos en robots, se hará hincapié en aquellos actuadores especialmente aptos para el mando continuo, dado que la fuente de energía de este tipo de elementos es aire a presión y dado que el aire es compresible, el posicionamiento dependerá de la carga de trabajo. Por ello la precisión en trayectoria continua que podrá obtenerse con este tipo de elementos será menor a la obtenida por otros tipos de actuadores, a menos que se utilicen sensores de posicionamiento.

Los actuadores neumáticos son básicamente de dos tipos: a.- Motores. b.- Cilindros neumáticos.

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Motores neumáticos. Son ligeros y compactos. El arranque y paso es muy rápido y pueden trabajar con velocidad y par variables sin necesidad de un control complejo, también pueden trabajar sin problemas hasta temperaturas de 120º C y soportan sobrecargas sin consecuencias posteriores. Los motores de aire más adecuados para su empleo en robótica son los rotativos, en general un elemento reductor, utilizándose también los de pistón radial y axial.

Motores de aletas rotativas. Es relativamente simple y su utilización está muy extendida. Sus características se encuentran fácilmente dentro de la gama de 0,1 a 20 CV, con una presión de trabajo inferior a los 10 bar. Un motor neumático de aletas consiste en varias aletas, generalmente de un plástico a base de resinas fenólicas montadas en unas hendiduras distribuidas sobre un motor cilíndrico. Este rotor se halla colocado excentricamente en el cuerpo del motor, proporcionado la estanqueidad necesaria para que el rotor pueda girar en uno u otro sentido. Es normal la utilización de estos motores acoplados a un dispositivo reductor, lo que permite multiplicar el par y que el motor pueda trabajar a velocidades mayores, en las que se consigue una mayor eficiencia y un mejor control de la velocidad frente a variaciones de carga. El control de la velocidad se efectúa fácilmente ajustando el caudal de alimentación.

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ROBÓTICA Motor de pistones. Trabajan a velocidades inferiores a los de aletas debido al mayor peso de sus elementos rotativos. Una característica importante es el bajo nivel de vibración a cualquier velocidad, siendo esto especialmente destacable a bajas velocidades en las que se obtiene el par máximo. Su empleo se limita principalmente a sistemas que precisas de una potencia elevada. Cilindros neumáticos. Su comportamiento es análogo al de los motores neumáticos, aunque a diferencia de éstos, el movimiento de actuación es rectilíneo. Por lo general se trata de cilindros de doble efecto, con potencia para el movimiento en ambas direcciones, controlados por una o varias válvulas de distribución, siendo posible efectuar un buen control de posición y velocidad. Actuadores Hidráulicos. La energía hidráulica consiste en un líquido bajo presión, el cual puede ser almacenado por gravitación (presa, salto de agua) o por medio de un acumulador hidráulico. Los actuadores cuya fuente de energía es hidráulica son análogos a los neumáticos, en ambos casos se trata de un fluido, pero en este caso el fluido es aceite y presenta unas características distintas. Así como el aire es compresible y de baja viscosidad, el aceite es incompresible a la presión de trabajo y más viscoso.

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ROBÓTICA Estas características hacen adecuado el accionamiento hidráulico para movimientos que no sean excesivamente rápidos, pero que requieran una mayor precisión y repetitividad, manejando cargas importantes. Al igual que en los neumáticos, se deben considerar los motores y los cilindros.

Motores hidráulicos. Análogamente a los motores neumáticos, son dispositivos simples y robustos, no presentan problemas de refrigeración y aportan sobrecargas sin consecuencias posteriores. La velocidad de rotación es regulable en los dos sentidos y la inversión del sentido de giro es simple. Manteniendo constante el caudal y la presión, podemos aumentar la velocidad disminuyendo la cilindrada, aunque esto significa una disminución del par.

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ROBÓTICA En general los motores hidráulicos pueden ser de engranajes, de aletas y de pistones, estos últimos bien axiales o radiales.

Motores de engranajes. Sencillos y económicos, presentan un bajo par de arranque y un rendimiento global inferior al 80%, son motores de cilindrada constante. Motores de aletas. Su funcionamiento es similar al de los motores neumáticos. Motores de pistones. Permiten obtener pares más importantes y su cilindrada puede variarse, su rendimiento volumétrico es mayor aunque su construcción es más compleja. Los motores hidráulicos de pistones axiales permiten obtener velocidades de rotación del orden de 4500 rpm, en general precisan de reductores para proporcionar velocidades bajas. Los motores de pistones radiales son especialmente adecuados para aplicaciones que precisan un par de accionamiento importante a baja frecuencia de rotación, siendo adecuados para maquinas-herramientas. Cilíndricos hidráulicos.

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ROBÓTICA Este tipo de dispositivos va siempre asociado a una válvula que controla el flujo del fluido a una cara u otra del pistón, provocando la diferencia de presión necesaria para el desplazamiento y constituyen un buen elemento accionador para un sistema de servocontrol que requiere desplazamientos lentos y potentes.

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Sistemas movimientos.

de

transmisión

y

conversión

de

La necesidad de aplicación de fuerzas o de momentos a elementos móviles de la estructura mecánica y la imposibilidad de colocar los accionadores en la inmediata proximidad de estos elementos, obliga a que la energía mecánica salida de los accionadores deba pasar por un sistema de transmisión antes de ser utilizada. Transmisión de movimiento circular. Este tipo de transmisión puede conllevar una variación de la velocidad de giro que se transmite. Los principales dispositivos empleados para la transmisión de movimientos circular son: a.- Engranajes. No presentan problemas de deslizamiento y pueden transmitir pares importantes, sin embargo existe un juego mecánico que da lugar a una disminución de la precisión y además, el coste es importante. Tampoco son adecuados para elevadas aceleraciones y deceleraciones siendo la transmisión de fuerza relativamente rígida. b.- Correas dentadas. En este caso, los ejes pueden estar separados entre sí, pro el tipo de transmisión es similar a la transmisión por engranajes.

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ROBÓTICA c.- Cadenas. En este caso los ejes también pueden estar separados entre sí. Poseen las mismas limitaciones que para los engranajes, añadiéndoles el ruido de la transmisión a altas velocidades, su coste es inferior al de los engranajes y su duración algo menor. d.- Cables. Tienen menos limitaciones que la transmisión por correas y cadenas. Es un sistema intermedio de bajo coste, buen rendimiento, deslizamiento muy pequeño y no linealidades despreciables. Sus características técnicas son intermedias entre las correspondientes a la transmisión por correa y a la transmisión por cadena. e.- Árbol articulado. Este tipo de transmisión proporciona un rendimiento excelente, pudiendo transmitir pares importantes y son el ángulo entre los dos ejes variable. Por lo general, dada la rigidez de esta transmisión, conviene asegurar una elasticidad mínima capaz de disminuir las aceleraciones y deceleraciones del elemento accionado.

f.- Bielas - Manivelas. Sus prestaciones técnicas son similares a las correspondientes al árbol articulado.

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Mediante una doble transmisión a través de una rueda intermedia y otras dos, una en cada extremo, es posible transmitir potencia de giro a través de dos segmentos de brazo, con un ángulo variable, pueden transmitirse giros ± 90º de forma directa.

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ROBÓTICA Conversión de movimiento circular en lineal. Este tipo de conversión puede ser útil en robots con actuadores eléctricos y que efectúan movimientos lineales. La mayoría de estos métodos también pueden utilizarse en sentido inverso para conversión de movimiento lineal en circular, que es más usual. a.- Tornillo sin fin. Los problemas principales son aquí los rozamientos, la existencia de juegos mecánicos y su escasa adecuación para trabajar con elevadas aceleraciones y deceleraciones. Si el acoplamiento es por rosca convencional, el rendimiento es bajo, por ello es habitual el uso de tornillos de circulación de bolas que permiten valores de rendimientos elevados. b.- Engranaje cremallera. Los problemas que plantea son análogos al anterior, aunque los rozamientos son menores y la precisión no es tan buena, sus características técnicas son las mismas que las de los engranajes.

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ROBÓTICA Conversión de movimiento lineal en circular. Aunque la mayoría de los mecanismos planteados para la conversión de movimiento circular en lineal pueden ser aplicados aquí, al más corriente es desplazando un punto de un brazo, que dispone de un extremo con un apoyo fijo, mediante un actuador lineal sujeto por un extremo a un apoyo fijo y por el otro al brazo mediante dos rotulas que le permiten girar. Este método no tiene los inconvenientes derivados de rozamientos y juegos mecánicos, pueden transmitir aceleraciones fuertes y su precisión es buena. Los únicos inconvenientes son que el ángulo de giro es limitado y que si no está incluido este mecanismo de posicionamiento dentro de un bucle cerrado de control de giro del brazo, la consigna de desplazamiento lineal debe calcularse, puesto que no es proporcional al ángulo de giro del brazo. Otros métodos de conversión de movimiento lineal en circular se basan en la utilización de mecanismos articulados, con una geometría de paralelogramos deformables que realizan la transmisión de movimientos con conversión del desplazamiento lineal en curvilíneo. Estos métodos permiten utiliza actuadores lineales simples, encargándoos la estructura articulada de amplificar el desplazamiento.

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