Actuadores, Sistemas de Actuación en Robótica PDF

Actuadores  Sistemas de Actuación Encargado de efectuar el movimiento de las partes del robot Esquema general (y componentes): Fuente de poder (eléctrico, hidráulico o...

Actuadores  Sistemas de Actuación Encargado de efectuar el movimiento de las partes del robot Esquema general (y componentes): Fuente de poder (eléctrico, hidráulico o neumático) (mecánico) articulación Señal de Amplificador Actuador Transmisión control de potencia (motor) (eléctrico) disipación de disipación de disipación de potencia potencia potencia Robot UR5  Fuente de Poder Abastece de energía al actuador (motor) a través del amplificador Fuente de poder Amplificador de potencia Para actuadores hidráulicos o neumáticos – Fuente: compresor hidráulico (brinda aceite) o neumático (brinda aire) – Internamente usan bombas eléctricas para enviar el fluido Compresor Compresor hidráulico neumático  Fuente de Poder Para motores eléctricos - Robots manipuladores Motores AC: toma de corriente (monofásica o trifásica) directa o mediante un transformador Motores DC: transformador, rectificador (puentes) y filtros - Para robots móviles Baterías NiMH (Níquel-metal hidruro) » Más “antiguas” » Rápida razón de descarga Baterías LiPo (Polímero de iones de litio) » Más ligeras que NiMH » Tienen alta densidad de energía (son pequeñas) » Relación Voltaje/Potencia “consistente” durante la descarga » Voltaje se incrementa en pasos de 3.7 V https://rogershobbycenter.com/lipoguide Otras baterías: NiCD (níquel-cadmio), alcalinas  Amplificador de Potencia Amplifica la potencia de la señal de control usando la fuente de poder – “Alimenta” directamente al actuador (adapta la potencia) Modula la potencia de la fuente de poder usando la señal de control Fuente de poder (alta potencia) Señal de control Amplificador de Actuador (baja potencia) potencia (motor) Para actuadores hidráulicos o neumáticos –Varía el flujo de fluido al actuador (proporcionalmente a la señal de control) Para motores eléctricos –Varía el voltaje o corriente (proporcionalmente a la señal de control) –Usualmente adapta el voltaje de la fuente al voltaje que necesita el motor  Amplificador de Potencia Ejemplos (para motores eléctricos) –Conversores DC-DC (motores DC de imán permanente) –Puentes H VCC Se usa para motores DC PWM Permite controlar la dirección (giro 1) motor de giro del motor La señal de control típicamente es PWM (pulse Width Modulation) L298N PWM (giro 2) PWM al 25% (menos voltaje efectivo) Ejemplo PWM al 50% de PWM PWM al 75% (más voltaje efectivo) –Inversores o conversores DC-AC Señal de control (PWM) Para motores DC brushless Salida Usualmente ESC (Electronic Speed Control) Fuente DC AC de 3 fases ESC  Actuadores Permiten el movimiento (actuación) de las diferentes partes del robot (a través de la transmisión) Amplificador de Actuadores Transmisión Potencia (motores) Según el principio de funcionamiento: – Actuadores eléctricos (motores): energía eléctrica – Actuadores neumáticos: energía neumática (aire) – Actuadores hidráulicos: energía hidráulica (fluido: aceite) – Otros tipos: térmicos, magnéticos (no comunes en robótica) Nota: –“Servo” en general significa un sistema controlado (con controlador) –Ejemplo: servomotor Servomotor = Controlador + Motor  Actuadores Neumáticos Convierten: presión de aire comprimido → energía mecánica Tipos: 1. Actuadores neumáticos lineales - Cilindros de Simple Efecto: una sola entrada de aire Entrada y salida de aire - Cilindros de Doble Efecto: dos entradas de aire Entrada y salida de aire Entrada y salida de aire  Actuadores Neumáticos Tipos: 2. Actuadores neumáticos de giro - Motor de Paletas Entrada de aire Un sentido Doble sentido Entrada Salida de aire de aire Salida de aire - Cilindro Giratorio de Paletas Entrada y salida de aire - Motores Piñón-Cremallera Entrada y Entrada y salida de aire salida de aire  Actuadores Neumáticos Características: –Dificultad de posicionamiento preciso (compresión del aire) –No se usan para seguimiento de trayectoria Principales usos en robótica: –Efector final (abrir, cerrar) http://blog.robotiq.com/bid/65604/How-Pneumatic-End-Effectors-Work –Músculos artificiales: actuadores McKibben (PAM: Pneumatic artificial muscles) Kurumaya et al. (2017). Design of thin McKibben muscle and multifilament structure  Actuadores Neumáticos Ejemplos de aplicaciones  Actuadores Neumáticos Ejemplos de aplicaciones  Actuadores Neumáticos Convierten: presión de fluido (aceite mineral) → energía mecánica Funcionamiento similar a motores neumáticos Ventajas: - Precisión (fluido poco compresible) - Elevada fuerza y torque - Estabilidad frente a cargas estáticas - Inherentemente seguro (sin “chispas”) - Auto lubricación Desventajas: - Necesita estación de potencia hidráulica - Alto costo y dificultad de miniaturización - Posible contaminación del ambiente de trabajo  Actuadores Hidraúlicos Ejemplos de aplicaciones  Actuadores Eléctricos Convierten: Energía eléctrica → Energía mecánica Usualmente llamados “motores” Principales tipos en robótica: – Motores AC (usualmente en robots industriales) – Motores DC de imán permanente Motor DC (imán permanente) con encoder – Motores DC brushless (sin escobillas) Motor brushless [DJI] Usualmente para robots aéreos (quadcopters, etc.) y submarinos (propulsores) En robots pequeños: – Motores paso a paso (stepper) – “Servomotores” Motor paso a paso “servomotor” Motor Dynamixel  Actuadores Eléctricos Son los actuadores más usados en robótica Ventajas – Abundancia de fuentes de alimentación (toma de corriente, baterías) – Bajo costo – Gran variedad de productos (son los más usados) – Alta eficiencia en conversión de potencia – No contamina los ambientes de trabajo Motor Sanyo Denki (robots industriales) Desventajas – Sobrecalentamiento en condiciones estáticas (al mantener una carga) → Alternativa de solución: uso de frenos – Necesita protección especial en ambientes inflamables  Transmisión Transmite la potencia del motor al eje de la articulación Eje de la articulación Motor Transmisión disipación de potencia ¿Por qué se utiliza? - Problema Motores: brindan altas velocidades y bajos torques Articulaciones: requieren bajas velocidades y altos torques (en manipuladores) - Solución La transmisión reduce la velocidad e incrementa el torque del motor (optimiza la transferencia de torque: de motor a eslabones)  Transmisión Transforma torque (τ) y velocidad (𝜃) Conservación motor θa eje de articulación θm de potencia Pm   m m Pa   a a Pm  Pa alta velocidad angular (𝜃𝑚 ) baja velocidad angular (𝜃𝑎 ) bajo torque (𝜏𝑚 ) alto torque (𝜏𝑎 ) Transforma el movimiento –Forma 1: movimiento rotacional → movimiento lineal –Forma 2: eje de rotación → otro eje de rotación Mejora características estáticas y dinámicas –Reduce el peso de la estructura del robot (motor cerca a la base)  Transmisión Relación de transmisión o reducción (n) –Es la relación de la velocidad angular de entrada (motor) con respecto a la velocidad angular de salida (carga o eje de la articulación) carga (eje de la articulación) motor  m rm   a ra rm ra  m ra  m , m  a , a  n  a rm Relación de transmisión Velocidades lineales iguales: vm  va (gear ratio): n > 1  a m  m m   a a n  A veces como “n:1”  m a –Si no hay disipación de potencia (Pm = Pa), n es la relación del torque de salida (carga o articulación) con respecto al torque de entrada (del motor)  Transmisión Engranajes Rectos (ruedas dentadas) –Dientes rectos –Efectos: Trasladan el punto de aplicación del eje Modifican la dirección del eje –Problemas: deformaciones, backlash Husillo y engranajes helicoidales: –Dientes helicoidales –Efectos: Cambio de dirección del eje Movimiento rotacional → movimiento translacional –Problemas: fricción, elasticidad, backlash Backlash: los dientes pueden tener movimiento relativo, disipando potencia  Transmisión Fajas dentadas y cadenas – Desplazan el motor con respecto al eje de la articulación – Problemas: Elasticidad (en fajas) Vibraciones por grandes masas a velocidades altas (en cadenas) Accionamiento directo (direct drive) – Motor dentro de los eslabones – El eje del motor coincide con el eje de la articulación Harmonic drives – Ventajas: eficiente en potencia, cero backlash, in-line, alta relación de reducción (150~200:1) – Problema: elasticidad Transmisión Ejemplo: Robot KUKA  Transmisión Harmonic Drives Partes FlexSpline Circular spline Wave generator Conectado a la carga Conectado al motor Relación de reducción Idea de funcionamiento - Dientes en Circular Spline: nC = m - Dientes en FlexSpline: nF = m - 2 - Relación de reducción (n): nC m m n   nC  nF m  (m  2) 2 [Harmonic Drive Reducer Catalog: https://www.harmonicdrive.net/downloads/catalogs] https://youtu.be/02jxx2sjaXs  Transmisión Ejemplo: Robot DLR Light Weight III Vista de una articulación: [Albu-Schaeffer et al. The DLR lightweight robot: design and control concepts for robots in human environments]  Guía Completa de Sensores en Robótica Guía Completa de Actuadores en Robótica 1. ¿Qué son los Actuadores? Los actuadores son dispositivos que permiten el movimiento de las partes de un robot. Su función principal es transformar energía (eléctrica, neumática o hidráulica) en energía mecánica para realizar una acción específica, como mover un brazo robótico o rotar una articulación. 2. Componentes de un Sistema de Actuación Un sistema de actuación típico consta de los siguientes elementos: - Fuente de Poder: Proporciona la energía necesaria para operar el actuador. - Amplificador de Potencia: Modula la potencia entregada al actuador según la señal de control recibida. - Actuador (Motor): Convierte la energía proporcionada en movimiento mecánico. - Transmisión: Transfiere y adapta la potencia del actuador a las articulaciones del robot. Ejemplo: En el robot UR5, el sistema de actuación incluye un motor eléctrico, un amplificador de potencia, una transmisión mecánica y una fuente de poder eléctrica. 3. Tipos de Actuadores 3.1. Actuadores Eléctricos Transforman energía eléctrica en energía mecánica. Son los más utilizados en robótica por su facilidad de control, eficiencia y Página 1  Guía Completa de Sensores en Robótica costo relativamente bajo. - Motores AC: Utilizan corriente alterna. Comunes en robots industriales. - Motores DC: Operan con corriente directa. Hay dos subtipos: - Motores de imán permanente: Usados en robots móviles y manipuladores. - Motores Brushless: Eficientes y silenciosos; empleados en drones y robots submarinos. - Motores Paso a Paso (Stepper Motors): Ideales para movimientos precisos y controlados. - Servomotores: Combinan un motor con un sistema de control para alcanzar posiciones o velocidades determinadas. Ventajas: - Disponibilidad de fuentes de alimentación (baterías, corriente alterna). - Amplia variedad de modelos. - Alta eficiencia energética. Desventajas: - Pueden sobrecalentarse bajo cargas estáticas. - Requieren protección adicional en ambientes inflamables. 3.2. Actuadores Neumáticos Funcionan mediante aire comprimido, el cual se convierte en energía mecánica. - Actuadores Lineales: - Cilindros de Simple Efecto: Un solo sentido de movimiento (una entrada de aire). - Cilindros de Doble Efecto: Movimiento en ambos sentidos (dos entradas de aire). - Actuadores Rotacionales: Motores de paletas o sistemas piñón-cremallera. Página 2  Guía Completa de Sensores en Robótica Ventajas: - Diseño sencillo y económico. - Adecuados para efectores finales (ejemplo: pinzas). Desventajas: - Dificultad para lograr posicionamiento preciso debido a la compresibilidad del aire. - Menor eficiencia en tareas que requieren alta precisión. 3.3. Actuadores Hidráulicos Utilizan un fluido (generalmente aceite) para generar movimiento mecánico. Son ideales para aplicaciones que requieren altas fuerzas y torques. Ventajas: - Alta precisión debido a la incomprensibilidad del fluido. - Excelente para manejar cargas pesadas. - Estables en aplicaciones estáticas. Desventajas: - Sistemas costosos y voluminosos. - Riesgo de contaminación ambiental por fugas de fluido. 4. Fuente de Poder Página 3  Guía Completa de Sensores en Robótica Suministra energía al actuador a través del amplificador de potencia. Las fuentes dependen del tipo de actuador: - Eléctricos: - Baterías NiMH (Níquel-Metal Hidruro): Tecnología antigua con descarga rápida. - Baterías LiPo (Polímero de Iones de Litio): Ligeras, con alta densidad de energía. - Neumáticos: Compresores que generan aire comprimido. - Hidráulicos: Bombas eléctricas que mueven el fluido. 5. Amplificador de Potencia Adapta la potencia según la señal de control recibida, ajustando el flujo de energía hacia el actuador. - Motores Eléctricos: Ajustan voltaje o corriente mediante PWM (Pulse Width Modulation). - Actuadores Neumáticos o Hidráulicos: Regulan el flujo del fluido para modificar la velocidad o fuerza. Ejemplo: - Puentes H: Circuitos utilizados para controlar la dirección de motores DC. - ESC (Electronic Speed Controllers): Controladores de velocidad para motores Brushless. 6. Transmisión La transmisión adapta la velocidad y el torque generado por el actuador según las necesidades del robot. - Funciones: - Reducir velocidad e incrementar torque. - Transferir movimiento entre ejes. - Tipos: Página 4  Guía Completa de Sensores en Robótica - Engranajes Rectos: Eficientes pero pueden generar backlash. - Engranajes Harmónicos: Alta precisión y cero backlash, ideales para robots industriales. - Fajas Dentadas y Cadenas: Permiten desplazar el motor respecto a la articulación. Ejemplo: - Transmisiones Harmónicas en el robot KUKA. 7. Aplicaciones Prácticas 1. Actuadores Neumáticos: - Músculos artificiales y efectores finales. 2. Actuadores Hidráulicos: - Excavadoras robóticas o sistemas con alta carga. 3. Actuadores Eléctricos: - Manipuladores industriales y drones. 8. Conclusiones Los actuadores son esenciales para el movimiento y la funcionalidad de los robots. Elegir el tipo adecuado depende de factores como fuerza, precisión, costo y entorno de trabajo. Comprender sus principios y aplicaciones es clave para diseñar sistemas robóticos eficientes y confiables. Página 5