7.4.- Actuadores.

  I) Definición y características de los Actuadores

II ) Clasificación de los Actuadores

a)     Actuadores Neumáticos

b)  Actuadores Hidráulicos

c)  Actuadores Eléctricos

  I) Definición y características de los Actuadores

  - Son los elementos motrices que generan el movimiento de las articulaciones. Por lo tanto, l os actuadores tienen como misión generar el movimiento de los elementos del robot según las ordenes dadas por la   unidad de control.

  - Los actuadores transforman algún tipo de energía en energía mecánica, y para que sean útiles en Robótica deben actuar principalmente con precisión y rapidez. Los más   utilizados pueden emplear energía del tipo neumática, hidráulica o eléctrica.

  - Cada uno de estos sistemas presenta características diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente.


Las siguientes son características a considerar: 

- Los actuadores se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan: 

  - La mayoría de los actuadores simples controlan sólo un grado de libertad (izquierda-derecha, arriba-abajo).

  - Un eje en general controla un único grado de libertad (GDL).

  - Cuando hay un actuador por GDL, todos son controlables.

  - Cuando el número  de GDL controlables es igual al número total de actuadores del robot se dice que es un robot holonómico .

  Un robot verdaderamente holonómico se puede tratar como un punto sin masa que se puede mover en cualquier dirección de manera instantánea.

Normalmente,  no todos los GDL son controlables. Por ejemplo: Un automóvil tiene 3 GDL ( x, y, orientación ), donde sólo dos son controlables: conducción (aceleración adelante y atrás) y dirección (volante). Pero tiene ciertos movimientos que son imposibles de controlar: de lado (estacionarse).

  - Si el número de GDL es menor al número de actuadores, el robot es no holonómico . Un robot no holonómico posee restricciones en el sentido en que se mueva, típicamente se debe a las limitantes dinámicas o cinemáticas en el robot tales como la limitación en sus habilidades para girar o el momento a grandes velocidades.

  -   Si el número de GDL es mayor al no. de actuadores, el robot es redundante .

  Ejemplo, un brazo humano: Tiene 7 GDL (3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca). Eso hace que haya varias formas de colocar de la misma forma. Es el motivo de que la manipulación sea tan complicada.

 

II ) Clasificación de los Actuadores:

  a) Actuadores Neumáticos:

  - Utiliza un fluido de aire altamente compresible

- Su fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Fluido compresible.

  - Existen dos tipos de Actuadores Neumáticos: 

 

 

Cilindro Neumático de doble efecto.     Motor Neumático de aleta rotativa.    Motor Neumático de pistones axiales.

  - Cilindro Neumático: E ste tipo de actuador consigue el desplazamiento de un émbolo encerrado en un cilindro, como consecuencia de la diferencia de presión a ambos lados del émbolo. Los cilindros neumáticos pueden ser de simple (empuje de un embolo en una dirección) o doble efecto (empuje de un embolo en dos direcciones). En el de efecto simple, 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 de reposo). En el cilindro 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. En este tipo de actuadores normalmente 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 eléctrico) que canaliza el aire a presión hacia una de las dos caras del émbolo alternativamente. Sin embargo, existen sistemas de posicionamiento continuo de accionamiento neumático, aunque debido a su costo y calidad todavía no resultan competitivos.

  - Motores neumáticos: Aquí se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a presión. Los dos tipos más usados son los motores de aletas rotativas y los motores de pistones axiales. En los motores de aletas rotativas, sobre el rotor excéntrico están dispuestas las aletas de longitud variable. Al entrar aire a presión en uno de los compartimentos formados por dos aletas y la carcasa, éstas tienden a girar hacia una situación en la que el compartimiento tenga mayor volumen. Los motores de pistones axiales tienen un eje de giro solidario a un tambor que se ve obligado a girar por 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 embolo se encuentra acoplado a un sistema de piñón-cremallera.

  Motor Neumático rotativo tipo piñón-cremallera.

- Los actuadores neumáticos son más sencillos, seguros y robustos, lo que los hace adecuado para emplearlos en aquellos casos en los que sea suficiente un posicionamiento en dos situaciones diferentes (todo o nada). Además, no emplean fluidos inflamables, lo que los hace muy seguros, además no está la necesidad de reemplazar periódicamente el fluido.

- Sus inconvenientes se presentan generalmente debido a que generalmente el aire es demasiado compresible, o sea, suelen ser subamortiguados. De esta manera, los actuadores neumáticos no consiguen una buena precisión de posicionamiento (poca rigidez en la posición final). Además, son difíciles de controlar, ya que las presiones de los compresores no son exactas.

- Se suelen usar para mover pistones lineales punto a punto, usando topes, pero existe la posibilidad de usar control neumático. Una especie de controlador proporcional sería el mostrado en la siguiente figura:

Se supone que P 1 es la presión producida por un compresor que es aproximadamente (aunque no exactamente) constante. Se trata de que P 0 sí lo sea, independientemente de variaciones en la resistencia mecánica o masa de las piezas que el pistón conectado a P 0 mueva. Este movimiento deberá ser transmitido al dispositivo a través de la palanca e.

  El funcionamiento del controlador es como sigue: si la barra e se mueve hacia la derecha, los muelles inferiores, se mueva hacia arriba. Con ello la pieza que bloquea la salida a la atmósfera sube, y esto hace que P 0 aumente (es decir, se aproxime más a P 1 ). Esto a su vez provoca que la válvula A f (sensor) se mueva hacia la izquierda, tendiendo a cerrar de nuevo la espita x. Cambiando las constantes elásticas de los muelles de los sensores se consigue equilibrar el sistema para mantener una cierta presión de salida deseada, P 0 , constante. Recíprocamente, si e se mueve hacia la izquierda, la espita x se cierra, P 2 aumenta, A 2 baja y deja escapar más aire a la atmósfera, con lo que P 0 disminuye, alejándose de P 1 . Finalmente, P 0 se conecta a un dispositivo de émbolo-pistón. En el siguiente esquema se representa al controlador proporcional neumático.

  - Casos en los que se utilizan los actuadores neumáticos: 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.

 

b) Actuadores Hidráulicos: 

- A diferencia de los neumáticos, los actuadores hidráulicos utilizan un fluido de aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar, llegándose en ocasiones a superar los 300 bar. Ejercen presiones aplicando el principio prensa hidráulica de Pascal. El Fluido circula por tuberías a presión, con un caudal aproximado de 0,25 lt/seg. Es capaz de levantar cargas de más de 10 kilos, y también se usa para trabajar con potencias aproximadas de 5 a 7 HP.  

- El funcionamiento es similar al actuador neumático, sin embargo, hay ciertas características del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos que los hace diferentes a los neumáticos:  

- Sus inconvenientes son: 

§          Peligrosos por ser flamables y presentación de fugas de aceite: las elevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a lo largo de la instalación. 

§          Complejos y necesidad de una mayor mantención: esta instalación es mas complicada que la necesaria y requerida por los actuadores neumáticos y mucho mas que para los eléctricos, necesitando de equipos de filtrado de partículas, eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de distribución.

 

- Para su control utilizan servoválvulas que son dispositivos que controlan el flujo de fluido que las atraviesa de acuerdo a la corriente eléctrica que se les suministra. El flujo, mayor o menor, que aparece tras la servoválvula hace que un cilindro o pistón se mueva, provocando desplazamiento lineal, que puede ser convertido en rotacional mediante un sistema biela/manivela.

  Una servoválvula es esencialmente un motor eléctrico de baja velocidad y alto torque, que no gira vueltas enteras, sino fracciones de vuelta en contra de una resistencia mecánica; este motor tira de un tubo flexible que sujeta una pieza que hace que el flujo de entrada se reparta desigualmente entre cada uno de los tubos de salida, modificando así el flujo que sale por éstos.

 

En la figura, (a) es una servoválvula hidráulica, en (b) se observa la pieza centrada, lo que da un caudal igual por ambas salidas, y en (c) una pieza descentrada, lo que da mayor caudal por la salida derecha que por la izquierda.

  Su objetivo final es conseguir que la presión en las salidas C 1 y C 2 , que forman otro circuito hidráulico con el canal central como drenaje sea bien igual, o bien mayor en uno que en el otro. Ello es porque estos dos canales se conectan al actuador final, según se muestra en la siguiente figura que muestra a un cilindro y pistón hidráulicos lineales, el cual mueve la masa M .

 La velocidad con que se mueve es aproximadamente proporcional a la diferencia de caudales. Se pueden obtener fuerzas mayores con la misma señal para la electroválvula simplemente aumentando el caudal que circula por el segundo circuito hidráulico.

  Para cerrar el lazo de realimentación, la posición de la masa se puede medir con un encoder lineal (ver sensores internos) cuya señal servirá al sistema de control para generar la señal de control de la electroválvula. Si hay una fricción externa o resistencia al movimiento de la masa, F d , habrá al final un error de posición que se puede solucionar mediante el control integral apropiado.

  El esquema del sistema completo de un control hidráulico puede verse en la siguiente figura:

 

 

  - Los accionamientos hidráulicos se usan con frecuencia en aquellos robots que deben manejar grandes cargas (de 70 a 205kg). Ejemplo de robots   con actuadores hidráulicos: UNIMATE 2000 y UNIMATE 4000.

 

c) Actuadores Eléctricos:

  - Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos ha hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales.

 

- Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes:

- Controlados por inducido

          - Controlados por excitación  

- Síncronos

- Asíncronos  

  - Motores de corriente continua (DC):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Son los más comunes y usados en la actualidad debido a que son fáciles de controlar y son muy económicos y aplicables. Los motores de corriente continua transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Consisten en imanes permanentes y electroimanes.

  Su funcionamiento se basa en la interacción entre el campo magnético del imán permanente y el generado por las bobinas, ya sea una atracción o una repulsión, por lo tanto, al activar los electroimanes, estos reaccionan contra los estáticos produciendo que el eje del motor comience su movimiento.

  Un motor de corriente continua está compuesto de un estator y un rotor. El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón.

Los motores DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimenta con corriente continua ( un devanado es un arrollado compuesto de cables conductores que tiene un propósito específico dentro de un motor) :

 

 

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 maquina, 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 maquina. Si el motor esta 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 típicamente en el accionamiento con robots.

 

Un motor controlado por Inducido tiene los siguientes componentes:

R a es la resistencia eléctrica de la armadura.

L a es inductancia de la armadura.

R L una resistencia equivalente que da cuenta de las pérdidas de energía en el campo magnético.

E g la fuerza electromotriz.

V a es el voltaje que se aplica a la armadura mediante una fuente externa.

w es la velocidad angular, en principio variable con el tiempo, con la que gira el motor.

La ecuación eléctrica del circuito, unida a la ley de Faraday y a la ecuación que da la dependencia lineal entre el torque y la intensidad, serán el punto de partida para el análisis del motor. R L suele ser despreciable a las frecuencias normales de funcionamiento. Así, se cumple:

 

Por otra parte, el motor se usa para hacer girar a su propio eje y devanado, y a cargas externas mecánicamente unidas a él. Si llamamos J M al momento de inercia del motor J L al momento de inercia de la carga, B al coeficiente de rozamiento viscoso, T f al torque necesario para vencer la fricción, y T g al torque ejercido por la fuerza de gravedad, si es que se está actuando contra ella, podemos escribir la ecuación de Newton para la dinámica de rotación å T = J µ = J w como:

  Tomando ahora transformadas de Laplace de todas estas ecuaciones, sustituyendo E g para eliminarlo, e igualando T de las dos ecuaciones en que aparece. Por W ( s ) denotaremos la transformada de w ( t ) . Además, el momento de inercia total será denotado por J T = J M + J L

 

  Se puede escribir como:

 

El diagrama de bloques de este sistema es realimentado, ya que el propio motor en un sistema con realimentación interna que permite medir la salida (como un sensor) y sustraer la entrada (como un restador). El siguiente esquema representa al diagrama de bloques.

 


Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evalúan 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 este 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. Estas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógica que se cierra mediante una electrónica específica (accionador del motor). 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 más 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.

  - Motores de Corriente Alterna (AC):

Este tipo de motores no Había Tenido una mayor aplicación en la 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:

El inductor se sitúa en el rotor y está constituido por imanes permanentes, mientras que el inducido, situado en el estator, está formado por tres devanados iguales decalados 120º eléctricos y se alimenta con un sistema trifásico de tensiones.

  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 por motores   síncronos 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.

  - 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 últimos 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 suficientes en pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales.

 

Existen tres tipos de motores paso a paso:

 

 

Su señal de control son trenes de pulso 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 estar 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 instantánea, por lo que ésta, y por tanto la frecuencia de los pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente.

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.

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 retroalimentación.

Entre los inconvenientes se puede citar que su funcionamiento a bajas velocidades no es suave, y que existe el peligro de pérdida de una posición por trabajar en bucle abierto. Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas y presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.

Su potencia nominal es baja y su precisión (mínimo ángulo girado) llega típicamente hasta 1,8º. Se emplean para el posicionado de ejes que no precisan grandes potencias (giro de pinzas) o para robots pequeños (educacionales); también son muy utilizados en dispositivos periféricos el robot, como mesas de coordenadas.

  - Como resumen de los actuadores utilizados en robótica,   se presenta la siguiente tabla:

 

Características de los distintos tipos de actuadores para robots.

 

Neumático

Hidráulico

Eléctrico

Energía

Aire a presión
(5-10 bar)

Aceite mineral
(50-100 bar)

Corriente eléctrica

Opciones

Cilindros
Motor de paletas
Motor de pistón

Cilindros
Motor de paletas
Motor de pistones axiales

Corriente continua
Corriente alterna
Motor paso a paso

Ventajas

Baratos
Rápidos
Sencillos
Robustos

Rápidos
Alta relación potencia-peso
Autolubricantes
Alta capacidad de carga
Estabilidad frente a cargas estáticas

Precisos
Fiables
Fácil control
Sencilla instalación
Silenciosos

Desventajas

Dificultad de control continuo
Instalación especial (compresor, filtros)
Ruidoso

Difícil mantenimiento
Instalación especial(filtros, eliminación aire)
Frecuentes fugas
Caros

Potencia limitada