MORFOLOGÍA DEL ROBOT

 

Un Robot está constituido por 6 elementos componentes, los cuales se mencionan a continuación:

 

·         Estructura Mecánica

·         Transmisiones

·         Sistema de Accionamiento

·         Sistema Sensorial

·         Sistema de Control

·         Elementos Terminales

 

Cada uno de estos elementos será examinado a continuación.

 

 

ESTRUCTURA MECÁNICA DE UN ROBOT

 

        Un Robot está constituido por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la gran parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, es decir, que poseen ciertas características antropomórficas, por lo que en ocasiones a los distintos elementos que componen el robot se les denomina en términos como cuerpo, brazo, codo muñeca.

 

 

 

        Cada articulación provee al robot de al menos un ‘grado de libertad’, o bien, cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina ‘grado de libertad’ (GDL).

        El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro o una combinación de ambos. De este modo son posibles seis tipos diferentes de articulaciones:

 

·         Esférica o Rótula (3 GDL)

·         Planar (2 GDL)

·         Tornillo (1 GDL)

·         Prismática (1 GDL)

·         Rotación (1 GDL)

·         Cilíndrica (2 GDL)

 

        Aunque en la práctica, en los robots sólo se emplean la de rotación y la prismática.

 

 

 

        El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a diferentes configuraciones, con ciertas características tanto en el diseño y construcción del robot como en su aplicación.

 

ü      Tipos de configuraciones:

 

        Cuando se habla de la configuración de un robot, se habla de la forma física que se le ha dado al brazo del robot. El brazo del manipulador puede presentar cuatro configuraciones clásicas: la cartesiana, la cilíndrica, la polar y la angular, las cuales serán explicadas a continuación.

 

1.     Configuración cartesiana: Posee tres movimientos lineales, es decir, tiene tres grados de libertad, los cuales corresponden a los movimientos localizados en los ejes X, Y y Z.

Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base en interpolaciones lineales.

Interpolación, en este caso, significa el tipo de trayectoria que realiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto y otro.

A la trayectoria realizada en línea recta se le conoce como interpolación lineal y a la trayectoria hecha de acuerdo con el tipo de movimientos que     tienen sus articulaciones se le llama interpolación por articulación.

 

 

2.     Configuración cilíndrica: Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea, que presenta tres grados de libertad.

El robot de configuración cilíndrica está diseñado para ejecutar los movimientos conocidos como interpolación lineal e interpolación por articulación.

La interpolación por articulación se lleva a cabo por medio de la primera articulación, ya que ésta puede realizar un movimiento rotacional.

 

 

 

3.     Configuración polar: Tiene varias articulaciones. Cada una de ellas puede realizar un movimiento distinto: rotacional, angular y lineal.

Este robot utiliza la interpolación por articulación para moverse en sus dos primeras articulaciones y la interpolación lineal para la extensión y retracción.

 

 

4.     Configuración angular (o de brazo articulado): Presenta una articulación con movimiento rotacional y dos angulares.

Aunque el brazo articulado puede realizar el movimiento llamado interpolación lineal (para lo cual requiere mover simultáneamente dos o tres de sus articulaciones), el movimiento natural es el de interpolación por articulación, tanto rotacional como angular.

 

     

 

        Además de las cuatro configuraciones clásicas mencionadas, existen otras configuraciones llamadas no clásicas. El ejemplo más común de una configuración no clásica lo representa el robot tipo SCARA.

        Este brazo puede realizar movimientos horizontales de mayor alcance debido a sus dos articulaciones rotacionales. El robot de configuración SCARA también puede hacer un movimiento lineal (mediante su tercer articulación).

Ejemplo de un robot SCARA:

 

 

 

TRANSMISIONES Y REDUCTORES

 

        Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Además se incluirán los reductores, encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot.

 

Transmisiones:

 

        Dado que un robot mueve su extremo con aceleraciones elevadas, es sumamente importante reducir al máximo su momento de inercia. Del mismo modo, los pares estáticos que deben vencer los actuadores dependen directamente de la distancia que existen entre las masas y el actuador. Por estos motivos se procura que los actuadores, que por lo general son pesados, estén lo más cerca posible de la base del robot, y debido a esto que se debe, casi por obligación, utilizar sistemas de transmisión que trasladen el movimiento hasta las articulaciones, especialmente a las situadas en el extremo del robot. De tal modo, las transmisiones pueden ser utilizadas para convertir movimiento circular en lineal o viceversa, lo que en ocasiones puede ser necesario.

        Un buen sistema de transmisión debe cumplir una serie de características  básicas:

 

·         Debe tener un tamaño y peso reducido

·         Se ha de evitar que presente juegos u holguras considerables

·         Se deben buscar transmisiones con gran rendimiento

 

        Aunque no existe un sistema de transmisión específico para robots, sí existen algunos usados con mayor frecuencia, los cuales se pueden apreciar en la tabla que se muestra a continuación:

 

 

Entrada-Salida

 

 

Denominación

 

Ventajas

 

Inconvenientes

 

 

Circular-Circular

Engranaje

Correa dentada

Cadena

Paralelogramo

Cable

Pares altos

Distancia grande

Distancia grande

-

-

Holguras

-

Ruido

Giro limitado

Deformabilidad

Circular-Lineal

Tornillo sin fin

Cremallera

Poca holgura

Holgura media

Rozamiento

Rozamiento

Lineal-Circular

Paral. Articulado

Cremallera

-

Holgura media

Control difícil

Rozamiento

 

        La clasificación se ha realizado en base al tipo de movimiento posible en la entrada y salida (lineal o circular). En la tabla también quedan reflejadas algunas ventajas e inconvenientes propios de algunos sistemas de transmisión (holgura o juego). Es muy importante que el sistema de transmisión a utilizar no afecte al movimiento que transmite, ya sea por el rozamiento inherente s u funcionamiento o por las holguras que su desgaste pueda producir. También hay que tener en cuenta que el sistema de transmisión sea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado, y a ser posible entre grandes distancias.

        Las transmisiones más habituales son aquellas que cuentan con movimiento circular tanto en la entrada como a la salida. Incluidas es éstas se hallan los engranajes, las correas dentadas y las cadenas.

 

Reductores:

 

        Al contrario que  con las transmisiones, sí que existen determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe a que los reductores utilizados en robótica se les exige unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas características viene motivada por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisión y velocidad de posicionamiento.

Se buscan reductores de:

 

·         Bajo peso

·         Reducido tamaño

·         Bajo rozamiento

·         Que sean capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un único paso

 

        Se tiende, también, a minimizar su momento de inercia, de negativa influencia en el funcionamiento del motor, especialmente crítico en el caso de motores de baja inercia.

        Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima de entrada admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. También existe una limitación con respecto al par de salida nominal permisible (T2) que depende de par de entrada (T1) y de la relación de transmisión a través de la relación:

 

T2 = ηT1 ω1 / ω2

 

Donde el rendimiento (η) puede llegar a ser cerca del 100 % y la relación de reducción de velocidades (ω1= velocidad de entrada; ω2 = velocidad de salida) varía entre 50 y 300.

        Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos que implican continuos arranques y paradas, es de gran importancia que el reductor sea capaz de soportar pares elevados puntales. También se busca que el juego angular o backlash sea lo menor posible. Éste se define como el ángulo que gira el eje de salida cuando cambia su sentido de giro sin que llegue a girar el eje de entrada. Por último, es importante que los reductores para robótica posean una alta rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquél gire un ángulo unitario.

 

Accionamiento Directo:

 

        Como se ha indicado anteriormente, desde hace un tiempo que existen robots que poseen ‘accionamiento directo’ (Direct Drive DD), en que el eje del actuador se conecta directamente a la carga o articulación, sin la utilización de un reductor intermedio. Este término suele utilizarse exclusivamente para robots con accionamiento eléctrico.

 

        Este tipo de accionamiento aparece debido la necesidad de utilizar robots en aplicaciones que exigen combinar gran precisión con alta velocidad. Los reductores introducen una serie de efectos negativos, como son el juego angular, rozamiento o disminución de la rigidez del accionador, que pueden impedir alcanzar los valores de precisión y velocidad requeridos.

 

        La utilización de accionamientos directos tiene muchas ventajas entre cuales se pueden destacar  como las mas importantes:

 

·         Posicionamiento rápido y preciso, pues se evitan los rozamientos y juegos de las transmisiones y reductores

·         Aumento de las posibilidades de controlabilidad del sistema a costa de una mayor complejidad

·         Simplificación del sistema mecánico al eliminarse el reductor

 

        Así como ventajas también tiene desventajas, como que en la aplicación práctica de un accionamiento directo el problema radica en el motor a emplear, estos deben tratarse de motores que proporcionen un par elevado (unas 50-100 veces mayor que un reductor) a bajas revoluciones (las de movimiento de la articulación) manteniendo la máxima rigidez posible.

 

 

ACTUADORES

 

Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica. Cada uno de estos sistemas presentan características diferentes, siendo preciso evaluarlas a la hora de seleccionar el tipo de actuador más conveniente. Las características a considerar son:

 

·         Potencia

·         Controlabilidad

·         Peso y volumen

·         Precisión

·         Velocidad

·         Mantenimiento

·         Costo

 

        A continuación se examinan los tres tipos de actuadores mencionados, comparándolos en cuanto a las características anteriores.

 

Actuadores neumáticos:

 

En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Existen dos tipos de neumáticos:

 

§          Cilindros neumáticos: En este tipo de actuador se 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 o doble efecto. En el de efecto simple, el émbolo se desplaza en n 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. Existen no obstante 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 compartimento 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 émbolo se encuentra acoplado a un sistema de piñón-cremallera. El conjunto forma una unidad compacta que puede adquirirse en el mercado como tal.

        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).

        Siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de un robot con algún tipo de accionamiento neumático deberá disponer de una instalación de ire comprimido, incluyendo: Compresor, sistema de distribución (tuberías, electroválvulas), filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumáticas son frecuentes y existen en muchas de las fábricas donde se da cierto grado de automatización.

 

Actuadores Hidráulicos:

 

        Este tipo de actuadores no se diferencian funcionalmente 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 algunas 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 embrago, las características del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos marcan ciertas diferencias con los neumáticos. Primero, el grado de compresilibilidad de los aceites usados es considerablemente inferior a la 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 rango de valores (haciendo uso de servocotrol) con notable precisión. Además las elevadas presiones de trabajo, diez veces superiores a la 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 émbolo de un cilindro sería preciso vaciar éste de aceite). También es destacable su elevada capacidad de carga y relación potencia-peso, así como sus características de autolubricación y robustez.

        Frente a estas ventajas existen también 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, para los eléctricos, necesitando de equipos de filtrado de partículas, eliminación de aire, sistemas de refrigeración y unidades de control de distribución.

 

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:

 

·         Motores de corriente continua (DC):

§          Controlados por inducido

§          Controlados por excitación

 

·         Motores de corriente alterna (AC):

§          Síncronos

§          Asíncronos

 

·         Motores paso a paso

 

A continuación se examina cada uno de estos:

 

·         Motores de corriente continua (DC): Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. Los motores DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimenta con corriente continua:

 

ü      El inductor, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación.

 

ü      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 realizar 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 cuando más débil sea el flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante. En el caso de control por inducido, la intensidad del inductor se mantiene constante, mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro. En los controlados por excitación se actúa al contrario.

 

        Del estudio de ambos tipos de motores, y realizándose las simplificaciones correspondientes, se obtiene que la relación entre tensión de control y velocidad de giro (función de transferencia), responde aun sistema de primer orden en los controlados por inducido, mientras que en el caso de los motores controlados por excitación, esta relación es la de un segundo orden.

 

 

 

        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 de 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 samario-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. En contrapartida, 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 los del orden de 1000 a 3000 r.p.m., con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10 kW.

        Como se ha indicado, los motores DC son los controlados mediante referencias de velocidad. Éstas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógico 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) en base al 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.

        Par evitar estos problemas, se han desarrollado en los últimos años motores sin escobillas (brushless). En éstos, 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 ha tenido aplicación en el campo de la robótica hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embrago, las mejoras que se han introducido en las máquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor  de los motores de corriente continua. Esto se debe principalmente a tres factores:

 

ü      La construcción de rotores síncronos sin escobillas

 

ü      Uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia (y así la velocidad de giro) con facilidad y precisión

 

ü      Empleo de la microelectrónica que permite una gran capacidad de control

 

        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. Es preciso resaltar la similitud que existe entre este esquema de funcionamiento y el del motor sin escobillas.

        Los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido. Para poder variar ésta con precisión, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. Para evitar el riesgo de pérdida se 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 del rotor. Este método de control se conoce como autosíncrono o autopilotado.

        El motor síncrono autopilotado excitado con 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 externo 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 tenga aplicación en robótica.

Como resumen de los tipos de actuadores empleados en robótica, se presenta el siguiente cuadro, que los muestra en forma comparativa:

 

Tabla de características de distintos tipos de actuadotes 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 de aire)

Frecuentes fugas

Caros

Potencia limitada

 

·         Motores paso a paso: Generalmente no han sido considerado 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. Esto limitaba su aplicación a controles de posición simples. 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 pares suficientes en pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales.

 

Existen tres tipos de motores paso a paso:

 

ü      De imanes permanentes

ü      De reluctancia variable

ü      Híbridos

 

        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 ferromagnético que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético generado por las bobinas del estator. Los motores híbridos combinan el modo de funcionamiento de los dos tipos anteriores.

        En los motores paso a paso la 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.

 

SENSORES INTERNOS

 

Para conseguir que un robot realice una tarea con la adecuada precisión, velocidad e inteligencia, será necesario que tenga conocimiento tanto de su propio estado como del estado de su entorno. La información relacionada con su estado (fundamentalmente la posición e sus articulaciones) la consigue con los denominados sensores internos, mientras que la que se refiere al estado de su entorno, se adquiere con los sensores externos.

        Se pueden mencionar entre algunos los siguientes sensores externos: visión artificial, sensores de fuerza, sensores de tacto, sensores de distancia o telemetría. Sin embargo aquí sólo se tratará el tema de los sensores internos.

        La información que la unidad de control del robot puede obtener sobre el estado de su estructura mecánica es fundamentalmente la relativa a su posición y velocidad.

        Los tipos de sensores internos de robo serán mostrados en forma resumida en la siguiente tabla:

 

 

 

 

 

Presencia

Inductivo

Capacitivo

Efecto hall

Célula reed

Óptico

Ultrasonido

Contacto

 

 

 

 

 

Posición

 

 

Analógicos

 

 

 

 

Digitales

 

Potenciómetros

Resolver

Sincro

Inductosyn

LVDT

 

Encoders absolutos

Encoders incrementales

Regla óptima

 

 

 

Velocidad

 

 

 

 

 

 

Tacogeneratriz

 

 

Sensores de posición: Para el control de posición angular se emplean fundamentalmente los denominados Encoders y Resolvers. Los potenciómetros dan bajas prestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia).

 

·       Codificadores angulares de posición (encoders): Los codificadores ópticos o encoders incrementales constan, en su forma más simple, de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí; de un sistema de iluminación en el que la luz es colimada de forma correcta, y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposición, a medida que el eje gira se irán generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje.

 

        Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un momento dado se está realizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que supone no estar contando adecuadamente. Una solución a este problema consiste en disponer de otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el tren de pulsos que con ella se genere esté desplazado 90° eléctricos con respecto al generado por la primera franja. De esta manera, con un circuito relativamente sencillo es posible obtener una señal adicional que indique cual es el sentido de giro, y que actúe sobre el contador correspondiente indicando que incremente o decremente la cuenta que se esté realizando.

        Es necesario además disponer de una marca de referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo. Esta marca sirve también para poder comenzar a contar tras recuperarse de una caída de tensión.

        La resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. Un método relativamente sencillo para aumentar esta resolución es, no solamente contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulso, sino contabilizar también los de bajada, incrementando así por cuatro la resolución de captador, pudiéndose llegar, con la ayuda de circuitos adicionales, hasta 100.000 pulsos por vuelta.

        El funcionamiento básico de los codificadores o encoders absolutos es similar al de los incrementales. Se tiene una fuente de luz con las lentes de adaptación correspondientes, un disco graduado y unos fotorreceptores. En este caso, el disco transparente se divide en un número determinado de sectores (potencia de 2), codificándose cada uno de ellos según un código binario cíclico (normalmente código Gray) que queda representado por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente.

 

 

 

 

        No es necesario ahora ningún contador o electrónica adicional para detectar el sentido de giro, pues cada posición (sector) es codificado de forma absoluta. Su resolución es fija, y vendrá dada por el número de anillos que posea el disco graduado. Resoluciones habituales van desde 28 a 219 bits (desde 256 a 524.288 posiciones distintas).

        Normalmente los sensores de posición se acoplan al eje del motor. Considerando que en la mayor parte de los casos entre el eje del motor y el de la articulación se sitúa un reductor de relación N, cada movimiento de la articulación se verá multiplicado por N al ser medido por el sensor. Éste aumentará así su resolución multiplicándola por N.

    Este problema se soluciona en los encorders absolutos con la utilización de otro encoger absoluto más pequeño conectado por un engranaje reductor al principal, de manera que cuando éste gire una vuelta completa, el codificado adicional avanzará una posición. Son los denominados encoders absolutos multivuelta.

        Esta misma circunstancia originará que en el caso de los codificadores incrementales la señal de referencia o marca de cero, sea insuficiente para detectar el punto origen para la cuenta de pulsos, pues habrá N posibles puntos de referencia para un giro completo de la articulacón. Para distinguir cuál de ellos es el correcto se suele utilizar un detector de presencia denominado de sincronismo, acoplado directamente al eslabón del robot que se considere. Cuando se conecta el robot desde una situación de apagado, es preciso ejecutar un procedimiento de búsqueda de referencias para los sensores (sincronizado). Durante su ejecución se leen los detectores de sincronismo que detectan la presencia o ausencia del eslabón del robot. Cuando se detecta la conmutación de presencia a ausencia de pieza, o viceversa, se atiende al encoger incremental, tomándose como posición de origen la correspondiente al primer pulso de marca de cero que aquel genere.

        Los encoders pueden presentar problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener en su fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la transmisión óptica. Son dispositivos particularmente sensibles a golpes y vibraciones, estando su margen de temperatura de trabajo limitado por laq presencia de componentes electrónicos.

 

·       Captadores angulares de posición (sincro-resolvers): La otra alternativa en sensores de posición para robots la representan los resolvers y los sincroresolvers, también llamados sincros. Se trata de captadores analógicos con resolución teóricamente infinita. El funcionamiento de los resolvers se basa en la utilización de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora, generalmente con 400 Hz, y por dos bobinas fijas situadas a su alrededor.

 

 

        El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varíe, consiguiendo que la señal resultante en ésta dependa del seno del ángulo de giro. La bobina móvil excitada con tensión V sen (wt) y girada un ángulo q induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura las siguientes tensiones:

 

V1 = V sen (wt) sen q

V2 = V sen (wt) sen q

 

Que la llamada representación del ángulo q en formato resolver.

 

        El funcionamiento de los sincros es análogo al de los resolvers, excepto que las bobinas fijas forman un sistema trifásico en estrella. Para un giro q de la bobina móvil excitada con tensión V sen (wt), admitiendo que los acoplamientos y los desfases son los mismos para todos los devanados, se obtienen las siguientes tensiones entre las fases del estator:

 

                             V13 = Ö3 V cos (wt) sen q

V32 = Ö3 V cos (wt) sen (q + 120º)

V21 = Ö3 V cos (wt) sen (q + 240º)

 

Que es la llamada representación del ángulo q en formato sincro.

 

        El cambio de formato sincro a formato resolver o viceversa es inmediato, ya que puede pasar de uno a otro a través de la llamada red de Scout o transformador de Scout, de funcionamiento bidireccional.

        Para poder tratar en el sistema de control la información generada por los resolvers y los sincros es necesario convertir las señales analógicas en digitales. Para ello se utilizan los llamados convertidores resolver/digital (R/D), que tradicionalmente se basan en dos tipos de estructuras

distintas: seguimiento (tracking) y muestreo (sampling).

 

 

ROBUSTEZ MECÁNICA

RANGO DINÁMICO

RESOLUCIÓN

ESTABILIDAD

TÉRMICA

Encoger

Mala

Media

Buena

Buena

Resolver

Buena

Buena

Buena

Buena

Potenciometro

Regular

Mala

Mala

Mala

Ambos captadores son de tipo absoluto en cada vuelta del eje acolplado a ellos. Entre sus ventajas destacan su buena robutez mecánica durante el funcionamiento y su inmunidad a contaminación, humedad, altas temperaturas y vibraciones. Debido a su reducido momento de  inercia, imponen poca carga mecánica al funcionamiento del eje.

        La tabla siguiente presenta una comparación entre distintos tipos de sensores de posición angular, atendiendo a diversos parámetros de funcionamiento. Se comenta brevemente a continuación alguno de ellos.

        Dado el carácter continuo de la señal, la resolución de los resolvers es teóricamente infinita. Bien es verdad que depende en la mayoría de las ocasiones de una electrónica asociada, lo que limita la precisión de forma práctica. En el caso de los codificadores ópticos la resolución viene limitada por el número de secciones opaco/transparente que se utilicen.

        La exactitud estática, definida como la diferencia entre la posición física del eje y la señal eléctrica de salida, se relativamente alta tanto en resolvers como en codificadores ópticos. El rango dinámico se encuentra más limitado en el caso de los codificadores ópticos o digitales, no así en los resolvers donde con conversiones R/D adecuadas se puede trabajar con velocidades superiores a las 6000 rpm.

 

·       Sensores lineales de posición (LVDT e Inductosyn): Entre los sensores de posición lineales  destaca el transformador diferencial de variación lineal (LVDT) debido a su casi infinita resolución, poco rozamiento y alta repetibilidad. Su funcionamiento se basa en la utilización de un núcleo de material ferromagnético unido al eje cuyo movimiento se quiere medir. Este núcleo se mueve linealmente entre un devanado primario y dos secundarios, haciendo con su movimiento que varíe la inductancia entre ellos. A continuación se muestra el esquema de su funcionamiento:

Figura 2.23

 

 

 

        Otros sensores lineales que también se emplean con relativa frecuencia son las denominadas reglas ópticas (equivalentes a los codificadores ópticos angulares) y las reglas magnéticas o Inductosyn (marca registrada de Farrand Industries Inc.). el funcionamiento del Inductosyn es similar al del resolver con la diferencia de que el rotor desliza linealmente sobre el estator, siendo la forma de los devanados la representada en la figura que sigue a continuación. El estator se encuentra excitado por una tensión conocida que induce en el rotor dependiendo de su posición relativa una tensión Vs:

 

 

 

 

 

Sensores de velocidad: La captación de la velocidad se hace necesaria para mejorar el comportamiento dinámico de los actuadotes del robot. La información de la velocidad de movimiento de cada actuador (que tras el reductor es la giro de la articulación) se realimenta normalmente a un bucle de control analógico implementado en el propio accionador del elemento motor. No obstante, en ocasiones en las que el sistema de control del robot lo exija, la velocidad de giro de cada actuador es llevada hasta la unidad de control del robot.

        Normalmente, y puesto que el bucle de control de velocidad es analógico, el captador usado es una tacogeneratriz que proporciona una tensión proporcional a la velocidad de giro de su eje (valores típicos pueden ser 10 milivoltios por rpm).

        Otra posibilidad, usada para el caso de que la unidad de control del robot precise valorar la velocidad de giro de las articulaciones, consisten en derivar la información de posición que ésta posee.

 

Sensores de presencia: Este tipo de sensor es capaz de detectar la presencia de un objeto dentro de un radio de acción determinado. Esta detección puede hacerse con o sin contacto con el objeto. En el segundo caso se utilizan diferentes principios físicos para detectar la presencia, dando lugar a los diferentes tipos de captadores. En el caso de detección con contacto, se trata siempre de un interruptor, normalmente abierto o normalmente cerrado según interese, actuado mecánicamente a través de un vástago u otro dispositivo. Los detectores de presencia se utilizan en robótica principalmente como auxiliares de los detectores de posición, para indicar los límites de movimiento de las articulaciones y permitir localizar la posición de referencia de cero de estos en el caso de que sean incrementales.

        Además de esta aplicación, los sensores de presencia se usan como sensores externos, siendo muy sencillos de incorporar al robot por su carácter binario y su costo reducido. Los detectores inductivos permiten detectar la presencia o contar el número de objetos metálicos sin necesidad de contacto. Presentan el inconveniente  de distinto comportamiento según del tipo de metal del que se trate. El mismo tipo de aplicación tiene los detectores capacitivos, más voluminosos, aunque en este caso los objetos a detectar no precisan ser metálicos. En cambio presentan problemas de trabajo en condiciones húmedas y con puestas a tierra defectuosas.

        Los sensores basados en el efecto Hall detectan la presencia de objetos ferromagnéticos por la deformación que estos provocan sobre un campo magnético. Los captadores ópticos, sin embargo, pueden detectar la reflexión del rayo de luz procedente del emisor sobre el objeto.

 

ELEMENTOS TERMINALES

 

        Los elementos terminales, también llamados efectores finales (end effector) son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas.

        Si bien un mismo robot industrial es, dentro de unos límites lógicos, versátil y readaptable a una gran variedad de aplicaciones, no ocurre así con los elementos terminales, que son en  muchos casos específicamente diseñados para cada tipo de trabajo.

        Se puede establecer una clasificación de los elementos terminales atendiendo a si se trata de un elemento de sujeción o de una herramienta. Los primeros se pueden clasificar según el sistema de sujeción empleado. En la siguiente tabla se representan estas opciones, así como los usos más frecuentes.

 

Tipos de sujeción

Accionamiento

Uso

Pinzas de presión

·       Desplazamiento angular

·       Desplazamiento lineal

 

Neumático o eléctrico

Transporte y manipulación de piezas sobre las que no importe presionar

 

Pinza de enganche

 

Neumático o eléctrico

Piezas de grandes dimensiones o sobre las que no se puede ejercer presión.

 

Ventosas de vacío

 

Neumático

Cuerpos con superficie lisa poco porosa (cristal, plástico, etc)

Electroimán

Eléctrico

Piezas ferromagnéticas.

 

        Los elementos de sujeción se utilizan para agarrar y sostener los objetos y se suelen denominar pinzas. Se distingue entre las que utilizan dispositivos de agarre mecánico, y las que utilizan algún tipo de dispositivo (ventosas, pinzas magnéticas, adhesivas, ganchos, etc).

        En la elección o diseño de una pinza se han de tener en cuenta diversos factores. Entre los que afectan al tipo de objeto y de manipulación a realizar destacan, el peso, la forma, el tamaño del objeto y la fuerza que es necesario ejercer y mantener para sujetarlo. Entre los parámetros de las pinza cabe destacar su peso (que afecta a las inercias del robot), el equipo de accionamiento y la capacidad de control.

        El accionamiento neumático es el más utilizado por ofrecer mayores ventajas en simplicidad, precio y fiabilidad, aunque presenta dificultades de control de posiciones intermedias. En ocasiones se utilizan accionamientos de tipo eléctrico.

 

 

 

Pinzas neumáticas de dedos paralelos.

 

 

 

 

Pistolas neumáticas de pulverización de pintura.

 

 

 

 

Pinzas de soldadura con transformador incorporado. De accionamiento por tijeras y rectilíneo.

 

 

        En las pinzas se suelen situar sensores para detectar el estado de la misma (abierto o cerrado). Se pueden incorporar a la pinza otro tipo de sensores para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que proporcionen datos geométricos de los objetos, detectores de proximidad, sensores fuerza-par, etc.

        Como se ha indicado, el elemento Terminal de aprehensión debe ser diseñado con frecuencias a medida para la aplicación. Existen ciertos elementos comerciales que sirven de base para la pinza, siendo posible a partir de ellos diseñar efectores válidos para cada aplicación concreta. Sin embargo, en otras ocasiones el efector debe ser desarrollado íntegramente, constituyendo su costo un porcentaje importante dentro del total de la aplicación.

        En muchas aplicaciones el robot ha de realizar operaciones que no consiste en manipular objetos, sino que implican el uso de una herramienta. El tipo de herramienta con que puede dotarse a un robot es muy amplio. La figura 2.26 y la 2.27 muestran, respectivamente, dos pistolas de pulverización de pintura y dos pinzas de soldaduras por puntos. Normalmente, la herramienta está fijada rígidamente al extremo del robot, aunque en ocasiones se dota a éste de un dispositivo de cambio automático, que permita al robot usar diferentes herramientas durante su tarea. La siguiente tabla enumera algunas de las herramientas más frecuentes.

 

Tipo de herramienta

Comentarios

Pinza soldadura por puntos

Dos electrodos que se cierran sobre la pieza a soldar.

Soplete soldadura al arco

Aportan el flujo de electrodo que se funde.

Cucharón para colada

Para trabajos de fundición.

Atornillador

Suelen incluir la alimentación de tornillos.

Fresa-lija

Para perfilar, eliminar rebabas, pulir, etc.

Pistola de pintura

Por pulverización de la pintura.

Cañón láser

Para corte de material, soldadura o inspección.

Cañón de agua a presión

Para corte de materiales.