Los actuadores tienen como misión generar el
movimiento de los elementos del robot según las ordenes dadas por la unidad de
control. Se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan:
Los actuadores neumáticos utilizan el aire comprimido como fuente de energía y son muy indicados en el control de movimientos rápidos, pero de precisión limitada. Los motores hidráulicos son recomendables en los manipuladores que tienen una gran capacidad de carga, junto a una precisa regulación de velocidad. Los motores eléctricos son los más utilizados, por su fácil y preciso control, así como por otras propiedades ventajosas que establece su funcionamiento, como consecuencia del empleo de la energía eléctrica. Más tarde se proporcionará una comparación detallada entre los diferentes tipos de actuadores utilizados en robótica.
Cada uno de estos sistemas presenta características diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente. Las características a considerar son, entre otras:
- Potencia
- Controlabilidad
- Peso y volumen
- Precisión
- Velocidad
- Mantenimiento
- Coste
En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de actuadores neumáticos:
Motores neumáticos (de aletas rotativas o de pistones axiales).
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Cilindros |
En los primeros se consigue el desplazamiento de un émbolo encerrado en un cilindro como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados de aquél. Los cilindros neumáticos pueden ser de simple o de doble efecto. En los primeros, el émbolo se desplaza en un sentido como resultado del empuje ejercido por el aire a presión, mientras que en el otro sentido se desplaza como consecuencia del efecto de un muelle (que recupera al émbolo a su posición en reposo).
En los cilindros de doble efecto el aire a presión es el encargado de empujar al émbolo en las dos direcciones, al poder ser introducido de forma arbitraria en cualquiera de las dos cámaras.
Normalmente, con los cilindros neumáticos sólo se persigue un posicionamiento en los extremos del mismo y no un posicionamiento continuo. Esto último se puede conseguir con una válvula de distribución (generalmente de accionamiento directo) que canaliza el aire a presión hacia una de las dos caras del embolo alternativamente. Existen, no obstante, sistemas de posicionamiento continuo de accionamiento neumático, aunque debido a su coste y calidad todavía no resultan competitivos.
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Motores neumáticos |
En los motores neumáticos se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a presión. Los dos tipos más utilizados son los motores de aletas rotativas y los motores de pistones axiales.
Los motores de pistones axiales tienen un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar ente las fuerzas que ejercen varios cilindros, que se apoyan sobre un plano inclinado. Otro método común más sencillo de obtener movimientos de rotación a partir de actuadores neumáticos, se basa en el empleo de cilindros cuyo émbolo se encuentra acoplado a un sistema de piñón-cremallera.
En general y debido a la compresibilidad del aire, los actuadores neumáticos no consiguen una buena precisión de posicionamiento. Sin embargo, su sencillez y robustez hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sea suficiente un posicionamiento en dos situaciones diferentes (todo o nada). Por ejemplo, son utilizados en manipuladores sencillos, en apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de algún robot (como el movimiento vertical del tercer grado de libertad de algunos robots tipo SCARA).
Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algún tipo de accionamiento neumático deberá disponer de una instalación de aire comprimido, incluyendo: compresor, sistema de distribución (tuberías, electro válvulas), filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumáticas son frecuentes y existen en muchas de las fábricas donde se da cierto grado de automatización.
Este tipo de actuadores no se diferencia mucho de los neumáticos. En ellos, en vez de aire se utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en ocasiones a superar los 300 bar. Existen, como en el caso de los neumáticos, actuadores del tipo cilindro y del tipo motores de aletas y pistones.
Sin embargo, las características del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos marcan ciertas diferencias con los neumáticos. En primer lugar, el grado de compresibilidad de los aceites usados es considerablemente menor al del aire, por lo que la precisión obtenida en este caso es mayor. Por motivos similares, es más fácil en ellos realizar un control continuo, pudiendo posicionar su eje en todo un intervalo de valores (haciendo uso del servocontrol) con notable precisión. Además, las elevadas presiones de trabajo, diez veces superiores a las de los actuadores neumáticos, permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares.
Por otra parte, este tipo de actuadores presenta estabilidad frente a cargas estáticas. Esto indica que el actuador es capaz de soportar cargas, como el peso o una presión ejercida sobre una superficie, sin aporte de energía (para mover el embolo de un cilindro sería preciso vaciar este de aceite). También es destacable su eleva capacidad de carga y relación potencia-peso, así como sus características de auto lubricación y robustez.
Frente a estas ventajas existen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las elevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de la instalación. Asimismo, esta instalación es mas complicada que la necesaria para los actuadores neumáticos y mucho más que para los eléctricos, necesitando de equipos de filtrado de partículas, eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de distribución.
Los accionamientos hidráulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben manejar grandes cargas (de 70 a 205kg).
Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos han hecho que sean los mas usados en los robots industriales actuales.
Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:
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Motores de corriente continua. Servomotores |
Son
los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este caso,
se utiliza en el propio motor un sensor de posición (Encoder) para poder
realizar su control.
Los motores de DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua:
El inducido, también denominado devanado de excitación, esta situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación.
El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.
Para
que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de
forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y del rotor
permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando ambos
campos se encuentran en cuadratura. El colector de delgas es un conmutador
sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga el ángulo relativo entre
el campo del estator y el creado por las corrientes rotóricas. De esta forma se
consigue transformar automáticamente, en función de la velocidad de la máquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente alterna de
frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce con el
nombre de autopilotado.
Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina. Si el motor está alimentado a tensión constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo el flujo de excitación. Pero cuanto más débil sea el flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro.
En los controlados por excitación se actúa al contrario.
Además, en los motores controlados por inducido se produce un efecto
estabilizador de la velocidad de giro originado por la realimentación intrínseca
que posee a través de la fuerza contraelectromotriz. Por estos motivos, de los
dos tipos de motores DC es el controlado por inducido el que se usa en el
accionamiento con robots.
Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evitan fluctuaciones del mismo. Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Además, para disminuir la inercia que poseería un rotor bobinado, que es el inducido, se construye éste mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor no posee apenas masa térmica, lo que aumenta los problemas de calentamiento por sobrecarga.
Las
velocidades de rotación que se consiguen con estos motores son del orden de
1000 a 3000 rpm con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo.
Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10KW.
Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante referencias de velocidad. Éstas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógica que se cierra mediante una electrónica específica (accionador del motor). Se denominan entonces servomotores.
Sobre este bucle de velocidad se coloca otro de posición,
en el que las referencias son generadas por la unidad de control
(microprocesador) sobre la base del error entre la posición deseada y la real.
El motor de corriente continua presenta el inconveniente del obligado
mantenimiento de las escobillas. Por otra parte, no es posible mantener el par
con el rotor parado mas de unos segundos, debido a los calentamientos que se
producen en el colector.
Para evitar estos problemas, se han desarrollado en los últimos años motores
sin escobillas. En estos, los imanes de excitación se sitúan en el rotor y el
devanado de inducido en el estator, con lo que es posible convertir la corriente
mediante interruptores estáticos, que reciben la señal de conmutación a través
de un detector de posición del rotor.
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Motores paso a paso. |
Los motores paso a paso
generalmente no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales,
debido principalmente a que los pares para los que estaban disponibles eran muy
pequeños y los pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. En los ultimo
años se han mejorado notablemente sus características técnicas, especialmente
en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso
capaces de desarrollar pares suficientes en pequeños pasos para su uso como
accionamientos industriales.
Existen tres tipos de motores paso a paso:
En los primeros, de imanes permanentes, el rotor, que posee una polarización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnético creado por las fases del estator.
En los motores de reluctancia variable, el
rotor está formado por un material ferro-magnético que tiende a orientarse de
modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético
generado por las bobinas de estator. No contiene, por tanto, imanes permanentes.
El estator es similar a un motor DC de escobillas.
La reluctancia de un circuito magnético es el equivalente magnético a la
resistencia de un circuito eléctrico. La reluctancia del circuito disminuye
cuando el rotor se alinea con el polo del estator. Cuando el rotor está en
línea con el estator el hueco entre el rotor y el estator es muy pequeño. En
este momento la reluctancia está al mínimo.
La inductancia del bobinado también varía cuando el rotor gira. Cuando el
rotor está fuera de alineación, la inductancia es muy baja, y la corriente
aumentará rápidamente. Cuando el rotor se alinea con el estator, la
inductancia será muy grande. Esta es una de las dificultades del manejo de un
motor de reluctancia variable.
Los motores híbridos combinan el modo de funcionamiento de los dos anteriores.
En los motores paso a paso la señal de control consiste en trenes de pulsos que van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en el estator. Por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado número discreto de grados. Para conseguir el giro del rotor en un determinado número de grados, las bobinas del estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la velocidad de giro. Las inercias propias del arranque y parada (aumentadas por las fuerzas magnéticas en equilibrio que se dan cuando está parado) impiden que el rotor alcance la velocidad nominal instantáneamente, por lo que ésa, y por tanto la frecuencia de los pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente. Véase más sobre motores paso a paso y su control.
Para simplificar el control de estos motores existen circuitos especializados que a partir de tres señales (tren de pulsos, sentido de giro e inhibición) generan, a través de una etapa lógica, las secuencias de pulsos que un circuito de conmutación distribuye a cada fase.
A continuación se muestran las configuraciones bipolar y unipolar respectivamente:
Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. Pueden girar además de forma continua, con velocidad variable, como motores síncronos, ser sincronizados entre sí, obedecer a secuencias complejas de funcionamiento, etc. Se trata al mismo tiempo de motores muy ligeros, fiables, y fáciles de controlar, pues al ser cada estado de excitación del estator estable, el control se realiza en bucle abierto, sin la necesidad de sensores de realimentación.
Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajas velocidades no es suave, y que existe el peligro de perdida de una posición por trabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas y presentan un limite en el tamaño que pueden alcanzar.
Su potencia nominal es baja y su precisión (mínimo ángulo girado) llega típicamente hasta 1.8°. Se emplean para el posicionado de ejes que no precisan grandes potencias (giro de pinza) o para robots pequeños (educacionales); También son muy utilizados en dispositivos periféricos del robot, como mesas de coordenadas.
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Motores de corriente alterna. |
Este tipo de motores no ha tenido aplicación en robótica hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las maquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores:
Existen dos tipos fundamentales de motores de corriente alterna:
Son probablemente los más sencillos y robustos de los motores eléctricos. El rotor está constituido por varias barras conductoras dispuestas paralelamente el eje del motor y por dos anillos conductores en los extremos. El conjunto es similar a una jaula de ardilla y por eso se le denomina también motor de jaula de ardilla. El estator consta de un conjunto de bobinas, de modo quec uando la corriente alterna trifásica las atraviesa, se forma un campo magnético rotatorio en las proximidades del estator. Esto induce corriente en el rotor, que crea su propio campo magnético. La interacción entre ambos campos produce un par en el rotor. No existe conexión eléctrica directa entre estator y rotor.
La frecuencia de la corriente alterna de la alimentación determina la velocidad a la cual rota el campo magnético del estator. El rotor sigue a este campo, girando más despacio. la diferencia de velocidades se denomina deslizamiento. La imagen adjunta exagera el deslizamiento. Si se sitúa el puntero del ratón en uno de los polos del rotor y se sigue se notará que no rota como el campo del estator. En la animación el deslizamiento es aproximadamente el 25%. Un deslizamiento normal ronda el 5%.
El motor síncrono, como su nombre indica, opera exactamente a la misma velocidad que le campo del estator, sin deslizamiento.
El inducido se sitúa en el rotor, que tiene polaridad constante (imanes permanentes o bobinas), mientras que el inductor situado en el estator, esta formado por tres devanados iguales decalados 120° eléctricos y se alimenta con un sistema trifásico de tensiones. Es preciso resaltar la similitud existente entre este esquema de funcionamiento y el del motor sin escobillas.
En los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido. Para poder variar esta precisión, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. Para evitar el riesgo de perdida de sincronismo se utiliza un sensor de posición continuo que detecta la posición del rotor y permite mantener en todo momento el ángulo que forman los campos del estator y rotor. Este método de control se conoce como autosíncrono o autopilotado.
El motor síncrono autopilotado excitado con un imán permanente, también llamado motor senoidal, no presenta problemas de mantenimiento debido a que no posee escobillas y tiene una gran capacidad de evacuación de calor, ya que los devanados están en contacto directo con la carcasa. El control de posición se puede realizar sin la utilización de un sensor adicional, aprovechando el detector de posición del rotor que posee el propio motor. Además permite desarrollar, a igualdad de peso, una potencia mayor que el motor de corriente continua.
En la actualidad diversos robots industriales emplean este
tipo de accionamientos con notables ventajas frente a los motores de corriente
continua.
En el caso de los motores asíncronos, no se ha conseguido resolver
satisfactoriamente los problemas de control que presentan. Esto ha hecho que
hasta el momento no tengan aplicación en robótica.
Como resumen de los actuadores utilizados en robótica se presenta la siguiente tabla:
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Características de los distintos tipos de actuadores para robots |
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Neumáticos |
Hidráulicos |
Eléctricos |
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Energía |
Aire a
presión |
Aceite
mineral |
Corriente eléctrica |
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Opciones |
Cilindros |
Cilindros |
Corriente continua |
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Ventajas |
Baratos |
Rápidos |
Precisos |
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Desventajas |
Dificultad
de control continuo |
Difícil
mantenimiento |
Potencia limitada |
2002-03 Víctor R. González
