SENSORES, ACTUADORES Y EFECTORES

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CS. FS. Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
SENSORES, ACTUADORES
Y EFECTORES
J. RUIZ DEL SOLAR
R. SALAZAR
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
1
INDICE
1. SENSORES.
4
1.1 Características Generales.
Potenciómetro.
Codificadores ópticos increméntales.
Encoders ópticos increméntales.
Codificadores ópticos absolutos:
Encoders ópticos absolutos.
Resolver / Sincroresolvers.
Reglas Magnéticas (Inductosyn)
Otros sensores de posición.
1.3 Sensores de la velocidad.
Tacómetros
5
7
7
7
8
9
9
10
11
11
12
12
1.4 Sensores de Fuerza
Convertidores de frecuencia-tensión.
Medición de Esfuerzos.
Galgas Extensométricas.
Células de carga:
Galgas Extensiométricas:
1.5 Sensores de Presencia.
1.6 Sensores de Distancias.
Ultrasonidos.
Infrarrojo
Visión 3D.
12
12
12
12
13
13
14
14
14
15
16
2. TRANSMISORES DEL MOVIMIENTO
18
2.1 IMPORTANCIA DE LA TRANSMISIÓN
2.2 REDUCTORES.
18
20
3. ACTUADORES
22
3.1 MOTORES.
3.2 ACTUADORES NEUMÁTICOS.
Cilindros
Motores Rotativos
3.3 Actuadores Hidráulicos.
3.4 ACTUADORES ELÉCTRICOS
Motores de corriente continua (DC)
Esquema para controlar los motores de corriente continua
Motores de corriente alterna (AC)
Motor paso a paso
22
22
22
23
23
24
24
26
28
28
1.2 Sensores de posición
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
2
Esquema para controlar los motores stepper (paso a paso)
Servomotores y su control
28
29
Sistemas de sujeción para los robots.
Ejemplo de Pinzas paralelas
Ejemplo de Pinzas Angulares.
Ejemplo de Pinzas Radiales.
Ejemplo de Pinzas de 3 dedos
Ejemplo de Pinzas Especiales.
Ejemplo de Ventosas
Operaciones con los elementos terminales.
Soldadura
Pintura
Mecanizado
Cambiadores de herramientas.
Montaje.
31
31
32
33
33
33
34
35
35
36
36
37
37
39
5. BIBLIOGRAFIA
40
6. ANEXO PUENTE H
41
4. EFECTORES
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
3
1. SENSORES.
Los sensores son dispositivos físicos
que miden cantidades físicas, tales
como distancia, luz, sonido, olor,
temperatura, etc. El objetivo de los
sensores es permitir que los robots
puedan
recibir
y
percibir
información desde el mundo que los
rodea. Su función es similar a la de
nuestros sentidos, con el cual
logramos luego de un proceso poder
interactuar con nuestro medio, tal
como se muestra a continuación.
Sensores
PROPIEDAD FÍSICA
TECNOLOGÍA
Contacto
Distancia
Luz
Nivel de Luz/ Imagen
Sonido
Olor
Temperatura
Inclinación
Altitud
…
Switch, sensor de contacto
Ultrasonido, radar, infrarrojo
Diodo Infrarrojo, Fotoresistencia
Cámaras
Micrófono
Química
Termal, infrarrojo
Inclinómetro, giroscopio
Altímetro
…
Percepción
Modelación
Planificación
Ejecución de la Tarea
Control de los Actuadores
Actuadores
Los sensores permiten al robot percibir su medio
ambiente y su estado interno. Así se pueden
clasificar dos tipo básicos: Sensores de estado
interno y Sensores de estado externo.
También desde otro punto de vista se pueden
clasificar en: Activos (emiten energía o modifican el
ambiente) y Pasivos (reciben energía pasivamente)
Se deben tener en consideración al momento de elegir sensores lo siguiente:
Campo de vista
Rango de operación
Exactitud y resolución
Velocidad (operación en tiempo real por el periodo de muestreo)
Requerimientos computacionales
Potencia, peso y tamaño
Robustez (redundancia)
Sensitividad (Grado de cambio de la señal de salida del sensor en función del
cambio de la señal física medida)
Tal como se menciono los sensores se pueden clasificar en:
Sensores Internos
Sensores de presencia
Sensores de Posición
Sensores de Velocidad
Sensores de Fuerza
Sensores Externos
Sensores de Presencia
Sensores de Distancia
Sensores de para reconocimiento de
Formas
Sistemas de Imagen
Sistemas de Táctiles
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
4
1.1 Características Generales.
Los transductores es un dispositivo que convierte señales desde un medio físico a una señal
correspondiente teniendo una diferente forma física tal como mecánico, magnético,
eléctrico, óptico, químico, etc. Los transductores pueden modificar o conservar la energía.
Por otra parte un sensor es un dispositivo que recibe y responde a señales o estímulos. Esto
es en el concepto de borde que incluye la extensión de nuestras capacidades de percepción
para adquirir información de las cantidades físicas. Dentro de este contexto los actuadores
corresponde a las salida del transductor y el sensor corresponde a la entrada del transductor.
Input
Señal
(medición)
sensor
procesador
Output
Señal
(medición)
actuador
Input
Transductor
Output
Transductor
Para realizar la medición con un simple instrumento, se requiere de un modelo del
instrumento. Dada una variable observable X obtenida de la medición mediante alguna
manera (temperatura, masa, etc) el sensor genera una señal variable que puedes ser
manipulada (procesada, transmitida o desplegada).
Medicion
X
Sensor
El proceso de calibración consiste en determinar
la relación entre la medida física de la variable
X y la señal de la variable de salida S. Por lo
tanto un sensor es calibrado aplicando un
numero conocido de entradas y registrando la
respuesta del sistema.
Señal
Variable
Desplegar
S
Salida Y
Medición
Fisica de
La Variable
Los sensores tienen características estáticas y
Entrada X
dinámica. Las características estáticas de los
sensores son: Precisión, discriminación, exactitud, error, sensitividad, linealidad, histéresis.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
5
Dentro de las características dinámicas de los sensores se pueden clasificar en sistemas de
orden cero, de primer orden o de segundo orden por lo que se puede representar el sistema
lineal mediante una función de transferencia para conocer el tipo de respuesta que este
tendrá antes de estabilizarse en régimen permanente. Del sistema dinámico se puede llegar
al siguiente planteamiento
L a k

(a s
k
k
dk y
dt k
+ a2
d2y
dt 2
+ a1
d1 y
dt1
+ a0 y (t ) = x(t )

)
+ + a 2 s 2 + a1 s1 + a0 Y (s ) = X (s )
Y s
G (s ) = X ((s)) =
1
ak s k ++ a2 s 2 + a1s1 + a0
Dependiendo de la ubicación de los polos del sistema sera la respuesta del sensor, tal como
se puede apreciar en la siguiente figura.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
6
1.2 Sensores de posición
Potenciómetro.
Dentro del conocimiento de la posición angular se tienen los potenciómetros, que varia su
resistencia.
Inconvenientes: Desgaste, Ruido Eléctrico, Velocidad Limitada.
Codificadores ópticos increméntales.
Los encoders ópticos convierten movimientos en una secuencia de pulsos digitales,
contando un solo bit o decodificando un conjunto de ellos, los pulsos se pueden convertir
en medidas de posición relativas o absolutas. La configuración lineal o rotativa (más
utilizada). Los rotativos se componen de un disco plástico (transparente), al cual se acopla
el eje cuya posición se quiere medir, con una serie de marcas (opacas) colocadas
radialmente y equidistantes entre si; de elementos emisores de luz y de fotorreceptores. A
medida que el eje gira, el haz de luz se interrumpe con las marcas y se generan pulsos en el
receptor. Contando estos pulsos es posible conocer la posición del eje. Problema de
detección del sentido de giro.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
7
Encoders ópticos increméntales.
Los encoders ópticos increméntales miden
posiciones relativas, mediante dos trenes de
pulsos desfasados de 90° para determinar sentido
de giro. Señal de paso por cero y se pueden contar
hasta 100.000 pulsos por vuelta para lo cual se
requiere de una electrónica adicional.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
8
Codificadores ópticos absolutos:
Encoders ópticos absolutos.
Miden posiciones absolutas.
El disco transparente se divide en sectores
Cada Sector posee un código binario único.
Resolución Fija
Código Gray (cíclico) frente a código binario
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
9
Código Gray
b2 b1 b0
0 0 0
0 0 1
0 1 1
0 1 0
1 1 0
1 1 1
1 0 1
1 0 0
Código Binario
b2 b1 b0
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
Resolver / Sincroresolvers.
Es una bobina móvil conectada al eje de giro, y varias bobinas fijas. Al excitar la bobina
móvil con una señal senoidal ( ≈ 400Hz), en las bobinas fijas se inducen tensiones que
dependen del ángulo girado.
Resolver, dos bobinas fijas desfasadas 90°
V1 = Vsen(wt )sen(q);V2 = Vsen(wt ) cos(q)
Sincroresolver, tres bobinas fijas desfasadas 120° (estrellas):
V13 = 3V cos( wt ) sen(q );
V32 = 3V cos( wt ) sen(q + 120°);
V21 = 3V cos( wt ) sen(q + 240°);
Tecnología analógica.
Resolución infinita.
Bajo Momento de inercia.
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Reglas Magnéticas (Inductosyn)
Funcionamiento similar al de los resolvers.
Los devanados secundarios son móviles y el
primario es fijo.
Al alimentar el devanado fijo con una tensión
alterna, en los secundarios se inducen
tensiones proporcionales al desplazamiento
del eje: e1 = Esen(at ); e2 = Esen(at + d )
Bajo rozamiento
Resolución infinita.
Otros sensores de posición.
Transformador diferencial de variación lineal
(LVDT)
Núcleo ferromagnético, unido al eje cuyo
desplazamiento se quiere medir, entre el
devanado primario y dos devanados
secundarios.
Al mover el núcleo, la tensión alterna del
primario induce tensiones diferentes en los
secundarios (aumenta en uno y disminuye en
otro), que son proporcionales al desplazamiento del eje.
Alta linealidad y repetitividad, resolución infinita, bajo rozamiento.
Comparación de los sensores de posición angular.
Robustez
Mecánica
Encoder
REGULAR
Resolver
BUENA
Potenciómetro REGULAR
Rango
Dinámico
MEDIA
BUENA
MALA
Resolución
REGULAR
BUENA
REGULAR
Estabilidad
Térmica
BUENA
BUENA
MALA
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
Mantenimiento
BUENO
BUENO
MALO
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1.3 Sensor de la velocidad.
Necesarios para mejorar el comportamiento dinámico de los actuadores. Se pueden utilizar
los sensores de posición para medir velocidad, teniendo en cuenta el tiempo que se tarda en
alcanzar una determinada posición.
Tacómetros
El motor ya sea de corriente continua o alterna, dotado de imán permanente y unido al eje
del cual se quiere medir la velocidad, induce una tensión en el estator que es proporcional a
la velocidad de giro con resoluciones de 10mV/rpm.
1.4 Sensores de Fuerza.
Convertidores de frecuencia-tensión.
Tecnología electrónica. Producen una tensión de salida proporcional a la frecuencia de un
tren de pulsos, que pueden provenir de un sensor de posición digital, o bien de un sensor de
posición analógico a través de una conversión analógica-digital.
Medición de Esfuerzos.
Permiten determinar las fuerzas y pares ejercidos sobre el elemento terminal, durante la
ejecución de una tarea. Pueden utilizarse para percibir la forma o posición de un objeto,
midiendo la fuerza ejercida en la superficie de contacto sobre un cierto numero de
captadores puntuales.
Galgas Extensométricas.
Varían su resistencia eléctrica al deformarse.
Galgas de hilo:
Hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un
soporte elástico.
Galgas de semiconductor.
Pista de semiconductor en un núcleo de
silicona.
En ambos casos al someter a tracción a la
galga, se estira y disminuye su sección, con
lo que varia su resistencia eléctrica.
Montaje y calibración meticuloso.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Medida de fuerzas de tracción y torsión.
Células de carga:
Conjunto integrado de galgas formando un elemento unitario de medida de fuerzas o pares.
Galgas Extensiométricas:
Disposición en la muñeca de un robot.
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1.5 Sensores de Presencia.
Mecánicos: Fines de Carrera.
o Problemas de mantenimiento: mecánico y desgaste de contactos.
Ópticos:
o Emisor y receptor en un único encapsulado.
o Emisor y receptor independientes: barreras fotoeléctricas.
Inductivo.
o Detección de variación de consumos debidos a corrientes de Focault.
o Sólo sirve para materiales metálicos.
Capacitivo.
o Medida de variación de capacidad.
o Materiales metálicos y no metálicos.
1.6 Sensores de Distancias.
ULTRASONIDOS.
Los sensores de ultrasonido emiten una onda de sonido y una vez que rebota sobre un
objeto se puede determinar la distancia a la que este se encuentra una vez que se calcula el
tiempo en ir y volver de la onda.
θ
Ttotal=Tenvio+Tretorno
Rangos de 0.15[m] a 20[m]
Poca precisión:
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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o Depende de condiciones ambientales.
o Incertidumbre de la procedencia del eco.
INFRARROJO
Este tipo de sensores son de gran uso ya que envía
emita un haz de luz y el rebote permite determinar
una relación de distancia, esta varia entre 0 [cm] a
150 [cm]. Algunas desventajas son que depende de
las condiciones ambientales y del color de los
elementos.
A continuación se muestra una gama de distintos
infrarrojos con sus especificaciones.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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VISIÓN 3D
Es de gran interés realizar aplicaciones de visión estereo
para determinar distancias mediante la obtención de dos
imágenes, en forma similar que la capturada por los ser
humanos donde la separación entre los ojos, o bien,
cámaras y mediante la detección de puntos en común se
puede conocer la relación de distancia entre los objetos y
el robot.
Como motivación, para los seres humanos uno de los factores que generan la sensación de
profundidad se puede observar en las cámaras estereos que mostraban capturan dos imagen
una por cada ojo y luego se proyectan un visor especial donde se puede ver este efecto.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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En el siguiente diagrama se puede observar las relaciones mas importantes para determinar
la distancia mediante visión estereo.
P(X,Z)
x´l
f
x´r
f
b
X+
2
=
Z
b
X−
2
=
Z
d∆ = x´l − x´r =
Z
z=
X
f
x´l
bf
d
x´r
Rsalazar, MBustos
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
17
bf
z
2. TRANSMISORES DEL MOVIMIENTO
2.1 Importancia de la transmisión
Los transmisores son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los
elementos motores hasta las articulaciones y, eventualmente, realizar una conversión del
mismo.
Justificación:
Aceleraciones elevadas en el extremo => Reducción del momento de inercia.
Pares estáticos dependen directamente de la distancia a las masas
Acercamiento de los elementos motores a la base del robot
Propiedades Importantes:
Tamaño y peso reducido
Gran rendimiento
No debe afectar al movimiento
Funcionamiento continuo a par elevado.
A modo de ejemplo se muestra la transmisión de movimiento correspondiente a la muñeca
del robot:
Entrada-Salida
Circular-Circular
Circular-Lineal
Lineal-Circular
Denominación
Engranaje
Correa Dentada
Cadena
Paralelogramo
Cable
Tornillo sin fin
Cremallera
Paralelogramo articulado
Cremallera
Ventajas
Pares Altos
Distancia grande
Distancia grande
Poca Holgura
Holgura Media
Holgura media
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
Inconvenientes
Holguras
Ruido
Giro limitado
Deformabilidad
Rozamiento
Rozamiento
Control difícil
Rozamiento
18
Ejemplo de transmisión circular mediante engranajes.
Ejemplo de Transmisión Lineal
Ejemplo de conversión lineal en circular
Mecanismos para efectuar un movimiento circular mediante un actuador de desplazamiento
lineal.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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También se utilizan paralelogramos articulados para la conversión de movimiento lineal en
circular.
2.2 REDUCTORES.
Los reductores tienen como objetivo adaptar par y velocidad de la salida del actuador a los
valores adecuados para el movimiento de los eslabones del robot. Algunas propiedades
importantes son:
Bajo peso, tamaño y rozamiento.
Capacidad de reducción elevada en un solo paso.
Mínimo momento de inercia.
Mínima holgura
Alta rigidez torsional.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
20
A continuación se muestran algunas características de los reductores:
Características
Relación de reducción
Peso y Tamaño
Momento de Inercia
Velocidad máxima de entrada
Par de salida nominal
Par de salida máximo
Juego angular
Rigidez torsional
Rendimiento
Valores Típicos
50 | 300
0.1 | 30kg
10 −4 kg m 2
6000 | 7000 rpm
5700 Nm
7900 Nm
0 | 2”
100 | 2000 Nm/rad
85% | 98%
Un ejemplo de reductor es el Harmonic Drive
Características:
El Circular Spline es rígido y esta fijo.
El Flexspline es flexible y se une al eje de salida
El Wave Generator es eclíptico y se fija al eje de
entrada.
Los dientes interiores del Circular Spline
engranan con los exteriores del Flexspline.
La diferencia de dientes es de 1 o 2.
La relación de reducción es la relación entre
dicha diferencia y los dientes del Flexspline.
Otro ejemplo de reductor es el Ciclo:
Características:
Movimiento cicloidal de un disco de
curvas movido por excéntrica.
El disco de curvas rueda sobre los
rodillos exteriores.
Relación de reducción igual a la
diferencia entre rodillos exteriores y
huecos del disco de curvas.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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3. ACTUADORES
Un actuador corresponde a cualquier mecanismo que permita al efector ejecutar una
acción. Ejemplos de actuadores robóticos son motores eléctricos (servomotores, de paso, de
corriente continua, etc.), cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos.
3.1 MOTORES.
Los motores generan el movimiento del robot según las ordenes dadas por la unidad de
control. Los tipos de motores son:
Neumáticos (cilíndricos y motores)
Hidráulicos (cilíndricos y motores)
Eléctricos (motores DC, AC, Paso a Paso, ServoMotores)
Propiedades importantes que se deben considerar:
Potencia.
Controlabilidad
Peso y volumen.
Precisión
Velocidad
Costo y mantenimiento.
3.2 ACTUADORES NEUMÁTICOS.
Los actuadores neumáticos tienen aire comprimido con el cual mueve el actuador.
Cilindros:
Movimiento lineal de un émbolo debido a diferencia de presión.
Simple efecto y doble efecto.
Posicionamiento en los extremos y dificultad de posicionamiento continuo.
Funcionamiento simple y mantenimiento económico.
Repetitivilidad inferior a otros tipos de actuadores.
Adecuados para manipulación de piezas pequeñas.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
22
Motores Rotativos:
Ligeros y compactos
Arranque y parada muy rápidas
Velocidad y par variables.
Control simple.
Difícil control de posición.
Motores de aletas rotativas:
o Simples.
o Dispositivos
reductores para
aumentar el par
Motores de pistones:
o Menor velocidad que los de aletas.
o Bajo nivel de vibración.
o Par elevado a bajas velocidades.
3.3 Actuadores Hidráulicos.
El actuador utiliza aire comprimido para permitir el movimiento.
Funcionamiento similar a los neumáticos
Grado compresibilidad del aceite muy inferior al del aire: mayor precisión.
Elevadas fuerzas y pares: Cargas de hasta 200Kg.
Mantenimiento no muy complejo.
Repetitivilidad entre (2.3 y 0.2 mm)
No presentan problemas de refrigeración.
Cilindros: Iguales a los neumáticos.
Motores de aletas rotativas.
Elevado par de arranque y rendimiento (90%)
Relativamente económicos.
Motores de Pistones:
Cilindrada variable.
Construcción compleja.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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3.4 ACTUADORES ELÉCTRICOS
Los actuadores eléctricos son los mas utilizados en los robots industriales actuales:
Fáciles de controlar
Sencillos, pero de construcción delicada.
Precisos
Alta repetitivilidad
Más pesados que los neumáticos e hidráulicos a igualdad de potencia.
Motores de corriente continua (DC)
Controlados por inducido
Controlados por excitación.
Motores de corriente alterna (AC)
Síncronos
Asíncronos
3.4.1 Motores de corriente continua.
Principio de funcionamiento.
En una bobina cerrada, por la que circula corriente,
sometida a un campo magnético se induce una fuerza que la
hace girar.
Para mantener la rotación en el mismo sentido es necesario
conmutar el sentido de la corriente.
El campo magnético se produce en el estator.
Las bobinas se encuentran en el rotor.
Control por inducido: campo magnético constante y
corriente variable.
Control por excitación : campo magnético variable y
corriente constante.
EntradaTensión; SalidaVelocidad.
A continuación se presenta un esquema:
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
24
Algunas mejoras incorporadas al
motor de corriente continua son:
Campo de excitación
mediante imanes
permanentes: evitar
fluctuaciones.
Bobinado del motor mediante
espiras serigrafiadas:
disminución de inercia.
Eliminación de escobillas
(brushless): menor
mantenimiento.
Servo motor: entrada en
tensión; Salida de posición
angular.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
25
3.4.2 Esquema para controlar los motores de corriente continua.
El control se realiza mediante la alimentación del motor, los motores de corriente continua
al cambiar la polaridad cambia el sentido de giro. Para poder realizar el cambio de giro se
debe implementar un puente H (H bridge ) tal como se muestra a continuación.
Vnon
Vnon
A
B
C
D
GND
GND
De esta forma para controlar el sentido de giro del motor solo hay que cerrar AD, o bien
CB, tal como se aprecia mejor abajo.
Vnon
Vnon
w
A
B
C
D
GND
GND
Vnon
Vnon
w
A
B
C
D
GND
GND
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
26
Un caso particular es cuando se requiere dejar detenido el motor, para lo cual solo hay que
accionar AB, tal como se muestra a continuación.
Vnon
Vnon
W=0
A
B
C
D
GND
GND
Para los motores de corriente continua, si se desea tener un control de la posición es
imprescindible hacerse un encoder.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
27
3.4.3 Motor de corriente alterna.
Característica:
Inductor en el rotor: imanes permanentes.
Inducido en estator: 3 devanados decalados 120° eléctricos y alimentados con un
sistema trifásico de tensores.
Control de velocidad mediante variación de la frecuencia de la tensión de
inducido convertidor de frecuencia o variador de velocidad.
Sensor de potencia continuo que detecta la posición del rotor.
No presentan problemas de mantenimiento ni de calentamiento.
Mayor potencia, a igual de peso, que los de corriente continua.
3.4.4 Motor paso a paso.
Características.
El rotor, con polarización magnética constante, gira para orientar
sus polos con el estator.
La polaridad del estator es variable, controlada por trenes de pulsos.
Por cada pulso, el rotor gira un numero discreto de grados.
Aumento de la frecuencia de los pulsos progresivamente.
Ligeros y fiables.
Potencia y precisión bajas.
Giro de pinzas y mesas posicionadoras.
3.4.5 Esquema para controlar los motores stepper (paso a paso).
El motor stepper para
controlar el giro hay que
enviar un tren de pulsos. Para
ejemplificar esta situación se
puede observar que para
mover el motor a la izquierda
se debe enviar el tren ABCD
y para mover a la derecha
debe enviarse el tren DCBA.
Vnom
A
B
B
C
D
GND
C
A
D
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
28
3.4.6 Servomotores y su control.
Los servomotores son motores asociados a un
mecanismo de control realimentado que le permite
moverse y detectar su posición angular. La entrada de
control al motor indica una posición deseada, y el
circuito lógico al interior del motor lo colocará en esta
posición. Físicamente los servos tienen un rango
restringido de movimientos, el motor gira entre 0° y
180°. Para controlar el movimiento se debe alimentar el
servo motor con una señal modulada por un ancho de
pulso (PWM), el ancho de pulso enviado a la entrada de
control indica al motor la posición en la cual se desea
colocar.
A continuación se muestra un ejemplo donde se desea colocar la posición en [0°, 90°, –90°]
para lo cual se generan pulsos con distinto ancho.
0°
1.2ms
2.3ms
90°
0.1ms
-90°
La forma de modificar el servo motor para obtener un giro completo es eliminado el tope en
0° y 180°. Es importante destacar que dependiendo del ancho de pulso que se le coloque en
la entrada cambia también la velocidad de giro, lo que permite hacer una estimación de la
velocidad de giro.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
29
Características de actuadores para robots.
Energía
Opciones
Neumático
Aire a presión
Cilindros
Motor Paletas
Motor de Pistón
Ventajas
Baratos
Rápidos
Sencillos
Robustos
Desventajas
Dificultad de control
continuo
Accesorios
Ruidoso
Hidráulico
Aceite Mineral
Cilindros
Motor de Paletas
Motor de Pistón
axiales
Rápidos
Alta relación
potencia-peso
Alta capacidad de
cargo
Difícil
mantenimiento
Accesorios
Fugas
Caros
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
Eléctrico
Corriente eléctrica
Corriente Continua
Corriente alterna
Motor paso a paso
Precisos
Fiables
Fácil control
Silenciosos.
Potencia limitada.
30
4. EFECTORES
Tal como se explica en el capitulo uno un efector corresponde a cualquier dispositivo que
afecte o modifique al medio ambiente. Ejemplos de efectores robóticos son piernas, ruedas,
brazos, dedos y pinzas. Un efector robótico esta siempre bajo el control del robot. Dentro
de este contexto los elementos terminales de sujeción tienen la misión de agarrar y sostener
los objetos para su transporte. Algunos de los dispositivos de agarre que se encuentran son:
Mecánicos.
Ventosas.
Adhesivos
Ganchos.
Y dentro de estos se debe tener encuentran especificaciones:
Peso, forma y tamaño del objeto
Fuerza necesaria.
Peso del terminal (afecta a las inercias del robot)
Capacidad de control (para diversas posiciones del elemento)
Necesidad de sensores (para controlar el estado del objeto)
Sistemas de sujeción para los robots.
Tipo de Sujeción
Pinza de precisión
Desplazamiento angular.
Desplazamiento lineal
Pinza de enganche
Accionamiento
Neumático
Eléctrico
Ventosa de vacío
Neumático
Electroimán
Eléctrico
Neumático
Eléctrico
Utilización
Transporte y manipulación
de piezas sobre los que no
importe presionar.
Piezas de grandes
dimensiones o sobre las que
no se pueden ejercer
precisión.
Cuerpos con superficie lisa
poco porosa (cristal, plástico,
etc.)
Piezas ferromagnéticas
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Ejemplo de Pinzas paralelas.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Ejemplo de Pinzas Angulares.
Ejemplo de Pinzas Radiales.
Ejemplo de Pinzas de 3 dedos.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Ejemplo de Pinzas Especiales.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Ventosas
Las ventosas tienen la característica que permiten la adhesión en diferentes tipos de
superficie.
Operaciones con los elementos terminales.
Básicamente la operación es realizar modificaciones sobre los objetos, donde las
principales aplicaciones son:
Pintura: Pistola.
Soldadura: al arco, por puntos, por plasma.
Corte: Láser, agua a presión, sierra.
Mecanizados: perfilar, pulir, eliminar rebabas, atornillar.
Algunas características:
Herramienta fija: Diseño especifico para la aplicación.
Herramienta móvil : Necesidad de cambiadores de herramientas, suelen estar
dotados de sensores integrados (posición, fuerza)
Herramientas terminales para robots
Tipo de herramienta
Pinza soldadura por puntos
Soplete soldadura al arco
Cucharon para colada
Atornillador
Fresa-lija
Pistola de pintura
Cañon láser
Comentarios
Electrodos que se cierran sobre la pieza a
soldar.
Aporta el flujo de electrodo que se funde.
Trabajos de fundición.
Suelen incluir alimentación de tornillos.
Perfilar, pulir, etc.
Pulverización de la pintura.
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Cañon de agua a presión
Corte de materiales, soldadura o inspección.
Corte de materiales.
Soldadura
Pintura
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Mecanizado
Cambiadores de herramientas.
Permiten cambiar rápidamente la herramienta terminal del robot.
Constan de un plano principal conectado rígidamente a la muñeca del robot, y de
varios platos secundarios que portan distintas herramientas.
Existen diversos sistemas de acoplamiento entre los platos.
Es necesario transportar diversas señales (eléctricas, neumáticas, hidráulicas) entre
los platos.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Ejemplo de cambiador de herramientas.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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Montaje.
La misión principal del montaje es la inserción de piezas. Las principales aplicaciones son:
Ensamblado, Medición, Verificación. Hay que tener en consideración las siguientes
características:
Elevada precisión de posicionamiento.
Acomodación de la pieza:
o Pasiva: Elemento elástico entre la muñeca y el elemento terminal del robot.
o Activa: Corrección de la posición del robot.
Necesidad de preparación de las piezas a insertar.
Necesidad de ayudas sensoriales y mayor inteligencia.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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5. BIBLIOGRAFÍA.
Fred Martin “Robotic Explorations” Pretince-Hall, Inc. 2001
Forrest M. Mims III, “ Getting Stated in Electronics”. Forrest M. Mims III. 2000
Forrest M. Mims III, “ Engineer’s Mini-Notebook Collection, Electronic Formulas,
Symbols and Circuits”. Forrest M. Mims III. 2000
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control. Proc.IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, pp. 904-909.
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IEEE Int. Conference of Robotics and Automation, pp.392-97.
Ferretti G., G. Magnani, P. Rocco (1997). Towards implementation of hybrid position/force
control in industrial robots. IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol.13, No.6,
December.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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6. ANEXO. PUENTE H.
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA. – CAPITULO 2.
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