Robótica/Componentes de los Robots/Actuadores neumáticos

Animación de la contratación muscular

Uno de los aspectos de la instrumentación, en que la electricidad no ha desplazado totalmente a lo neumático es en los actuadores.

El uso de los actuadores neumáticos está más ligado con modos de control On-Off y con la lógica secuencial y combinacional; sin embargo también se usa en el control análogo. Existen dos tipos de actuadores neumáticos; los diafragmas y los pistones.

• Ventajas de los actuadores neumáticos sobre los eléctricos:

1. Seguros para usarlos en lugares peligrosos por explosivos e inflamables.
2. Menor costo de adquisición
3. Soportan sobrecargas
4. La potencia es variable con solo variar la presión de suministro.
5. Mayor duración cuando la operación es continúa.

• Dentro de las desventajas se encuentran:

1. La compresión del aire trae consigo condensación y posibles contaminantes como aceite de lubricación.
2. Las variaciones del compresor, tales como paros y arranques provocan variaciones en la presión; es necesario usar reguladores de presión.

Tipos de actuadores neumáticos

Los actuadores neumáticos, como se mencionó anteriormente se dividen en dos tipos:

Actuadores de diafragma

Cuando la potencia requerida es baja y el control es análogo, la mejor opción es un actuador de diafragma con el cual podemos posicionar en un punto y con movimientos suaves, traducir a acciones las señales de los controladores P, PI y PID.

Estos actuadores constan de un diafragma delgado y flexible de una área determinada, el cual mueve una flecha sujeta a el por medio de un plato metálico que a la vez sirve de refuerzo para el diafragma; el diafragma queda sujeto entre dos conchas metálicas a una de las cuales se le suministra aire a presión para desarrollar la fuerza que produce la acción. A la fuerza producida por el diafragma se opone la fuerza de un resorte antagónico y el equilibrio de ambas fuerzas determina la posición final del actuador.

Existen actuadores de diafragma de doble efecto donde ambas conchas metálicas pueden recibir aire comprimido; cuando una recibe presión de aire por la otra se expulsa y viceversa.

Actuadores de pistón

Los actuadores de pistón se usan cuando se requiere el movimiento de grandes cargas como válvulas y compuertas de gran tamaño, transportadores, persianas y mamparas.

La construcción de estos actuadores comprende un cilindro de superficie interior con acabado espejo, en ella se desplaza, en ambas direcciones, un embolo; en los extremos del cilindro tiene sendos orificios para alimentación-expulsión de aire según sea de simple o doble efecto, al igual que los diafragmas de simple efecto, el embolo trabaja contra el resorte antagónico y el equilibrio de fuerzas determina la posición final. Por estar totalmente construido de aceros, tiene la capacidad para soportar presiones altas, es su gran ventaja, y puede desarrollar grandes fuerzas sin tener que ser muy voluminoso.

Se puede obtener movimiento lineal y rotacional con mecanismos muy sencillos con estos actuadores. El suministro de aire comprimido, en el caso de estos actuadores, se hace por medio de electro-válvulas que puede estar situadas en el campo adyacente al pistón o bien centralizadas en armarios ad hoc.

Motores de corriente directa (C.D.)

Existen motores de corriente directa con campo controlado y con armadura controlada.

Un motor de C.D. tiene dos componentes principales desde el punto de vista electromagnético: campo y armadura. El campo es el que proporciona el flujo magnético principal que va a reaccionar con el campo producido por la corriente de armadura, la armadura es la que proporciona una trayectoria a la energía eléctrica que se alimenta al motor y que ha de convertirse en energía mecánica, esa energía eléctrica fluye como corriente eléctrica y forma en los conductores de armadura un campo magnético que reacciona con el campo principal, produciendo un par mecánico que hace girar a la armadura del motor.

La relación matemática que relaciona el campo, la corriente de armadura y la velocidad del motor es la siguiente:

R.P.M.=(Vt – IaRa) / Kf
donde
* R.P.M. →  Velocidad angular
* Ec →  Fuerza contraelectromotriz
* Ia →  Corriente de armadura
* Ra →  Resistencia de armadura
* K  →  Constante del motor                           
* f  →  Flujo magnético de campo       

Esta expresión la podemos reducir a:

R.P.M. = Ec / KF
donde Vt →  Voltaje en terminales del motor.

La velocidad de un motor de C.D. se puede variar con modificaciones en: el valor del voltaje en terminales del motor, el valor del campo magnético y el valor de la resistencia de armadura.

Otra relación matemática de los motores de C.D. es la que se refiere al par o torque producido en el motor que es:

 T = K f Ia
donde T  →  Par producido

El par está directamente dependiente de las variaciones que hagamos en los valores de la corriente de armadura y del campo principal.

Motores de corriente alterna (C.A.)

Los más usados son de tipo sincrónico y de pasos, ambos trabajan en forma similar y para su explicación vamos a analizar como se produce el campo en estos motores.

Los motores polifásicos de C.A. en general, requieren de la producción de un campo magnético giratorio, que se logra por la acción de las fases de una corriente polifásica.

Convencionalmente tomemos como positiva la cruz y el punto como negativo, es decir la fase C (azul) está positiva en el origen y la B está negativa, ambas con el mismo valor; la fase A es cero. B y C producen un flujo representado por los vectores del mismo color. El flujo magnético resultante es la suma fasorial de los flujos individuales de B y C, es el mostrado en naranja. Los valores de los flujos de B y C es de 0.866 del valor máximo, el valor del resultante es de 1.5 del valor máximo fmax. Ahora pasemos al momento donde Q vale 30° ; A y C producen cada uno un flujo magnético de valor 0.5 fmax positivos y B produce uno de fmax negativo. Las direcciones de corrientes y vectores de flujo magnético se muestran en el diagrama siguiente:

Como podemos observar en el diagrama anterior, las componentes verticales de los vectores de flujo magnético de las fases A y C se cancelan, no así las horizontales que se suman entre sí y al vector de la fase B. Como resultado de ello vemos un vector resultante (naranja) que es igual a 1.5fmax, , pero el vector resultante está ahora desplazado angularmente en el sentido de las manecillas del reloj. Dicho vector representa el campo magnético giratorio que se produce por el sistema trifásico (tres fases desplazadas 120° en el tiempo) que se alimenta a un bobinado de tres fases desplazadas 120° en el espacio.

El campo magnético giratorio se desplaza a la velocidad que llamamos de sincronismo, su relación matemática es:

RPMsin = 120 f / P
donde
RPMsin →   Velocidad de sincronismo
f      →   Frecuencia de la fuente trifásica
P      →   Numero de polos del bobinado del estator.

Motor sincrónico.- El estator del motor sincrónico es idéntico a los que analizamos anteriormente, por lo tanto tenemos un campo magnético giratorio, el cual representamos por el vector naranja. El rotor de estos motores es un imán permanente o un electroimán producido por un bobinado que se alimenta con C. D. Se le llama motor sincrónico porque siempre gira a la velocidad sincrónica; si se sobrecarga, el rotor pierde el sincronismo y se para.

De la relación matemática podemos ver que la velocidad del motor sincrónico se puede variar, variando la frecuencia de la fuente trifásica o variando el número de polos del bobinado.

Cuando a la flecha del rotor se le aplica una carga mecánica, el rotor se desplaza un pequeño ángulo pero conserva su sincronismo con el campo giratorio.

Motor sin escobillas (brushless)

La palabra brushless se puede traducir como "sin escobillas", las escobillas son los elementos que hacen contacto en el colector de un motor común. Estos motores carecen de colector y escobillas o carbones. En vez de funcionar en DC funcionan en AC, la mayoría se alimentan con una señal trifásica, esta señal idealmente debería ser sinusoidal, pero en la practica son pulsos, haciendo que la señal sea un continua pulsante o bien una continua con mucho componente de AC sin embargo se los clasifica como de DC porque al igual que los motores comunes tienen imanes permanentes.

Estos imanes son atraídos por la polaridad de un campo magnético generado en las bobinas, las cuales como decíamos reciben pulsos en un patrón especifico. Si queremos que el motor gire mas rápido, simplemente hacemos girar el campo magnético secuencial a mayor velocidad. O lo que seria lo mismo a aumentar la frecuencia de los pulsos.

Si tenemos un motor eléctrico común y le aumentamos la tensión en los terminales del mismo, veremos que aumenta la velocidad pero también aumenta la corriente de consumo. En un motor brushless la corriente y la velocidad son en cierto punto independientes. Es el circuito regulador de velocidad el que se encarga de suministrar solo la corriente necesaria para una determinada RPM. Si alimentamos con mucha corriente, significa que estamos desperdiciando la capacidad de la batería en esa corriente que no es aprovechada, si en cambio, alimentamos con poca corriente, el pulso de EMF será mayor al pulso de alimentación y por lo tanto el motor eventualmente se detendrá.

Accionamiento directo

El accionamiento directo corresponde cuando un mecanismo toma la potencia desde un motor sin alguna reducción, tales como cajas de engranes, poleas, entre otras.

En robótica, el hecho de tener un motor directamente conectado a la articulación representa las siguientes ventajas y desventajas:

• Ventajas:

1. Mayor eficiencia: la potencia no es desperdiciada en fricción.
2. Reducción del ruido: Debido a la simplicidad del dispositivo, un mecanismo de accionamiento directo contiene menos partes que puedan generar vibraciones y por ende ruido.
3. Mayor vida útil: El tener pocas partes móviles conlleva a tener menos probabilidad de que alguna falle.
4. Gran torque a bajas RPM (Revoluciones Por Minuto).
5. Rápido y preciso posicionamiento: Un gran torque y un bajo momento de inercia permiten tiempos de posicionamiento menores, la colocación del sensor directamente en el rotor del motor permite una medición precisa de la posición angular.
6. Mayor rigidez: Al eliminar las cajas de engranes, se elimina el juego que las mismas producen. Además que al tener menos elementos, la elasticidad es menos.

• Desventajas:

1. La principal desventaja del accionamiento directo es el tamaño de los actuadores, esto debido a que para lograr mayores torques es necesario incrementar la robustez de las bobinas e imanes permanentes. Un actuador de accionamiento directo puede llegar a ser cuatro veces más grande que su contraparte.
2. Otra desventaja es que el mecanismo y algoritmo de control para dichos sistemas es mucho más complejo, sin embargo, con los avances actuales en las tecnologías electrónicas e informáticas, cada vez se facilita más tener buenos resultados.

Servomotores

Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente directa, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación (comúnmente entre 0° y 180°) y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora, una retroalimentación y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol y robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.

• Funcionamiento

Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición mediante una señal cuadrada de voltaje, donde el ángulo de ubicación de la flecha depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación. Por lo regular entre 0.3 y 2.4ms.

Motores de pasos

El motor de paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos. Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.

• Configuración

Existen principalmente dos configuraciones de motores de pasos: la unipolar y la bipolar.

Control de motores de CD

Los motores de corriente directa pueden ser controlados, principalmente en dos parámetros:

• Control de sentido de giro. Al cambiar la polaridad en las terminales del motor, se cambia el sentido de giro.
• Control de velocidad. Al variar el nivel de voltaje en las terminales del motor, se varia la velocidad de manera directamente proporcional.