Fundamentos de Actuadores y Cinemática en Robótica Industrial

Actuadores en Robótica

Motor Hidráulico

Compuesto por pistones que ejercen fuerza sobre un plato circular, concéntrico con el eje del motor, pero formando un cierto ángulo con él. Cada pistón, al desplazarse, ejerce una fuerza sobre el plato, que este tiende a contrarrestar produciendo el giro del mismo y, por tanto, del eje del motor. Los pistones van evolucionando desde el principio al fin de su recorrido de forma secuencial. El flujo de aceite de entrada en cada pistón es controlado por un distribuidor, que es un conjunto de tubos que giran con el eje del motor y que alterna las entradas de aceite a los pistones.

Actuador Eléctrico

Son los más utilizados en los robots industriales actuales. Son fáciles de controlar, sencillos pero de construcción delicada, precisos, de alta repetitividad y más pesados que los neumáticos e hidráulicos a igualdad de potencia.

Motor de Corriente Continua (DC)

Fueron los más utilizados durante muchos años por su facilidad de control, aunque tienen inconvenientes como la necesidad de mantenimiento (uso de escobillas) y las limitaciones del par (riesgo de calentamiento). Actualmente, son sustituidos por motores de alterna o sin escobillas (brushless).

Los motores DC están constituidos por dos devanados internos:

• Inductor: Devanado de excitación. Está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija (de excitación).
• 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 el campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en que se apoyan unas escobillas de grafito.

Se le pueden realizar mejoras como:

• Un campo de excitación mediante imanes permanentes para evitar fluctuaciones.
• Bobinado del motor mediante espiras serigrafiadas para disminuir la inercia.
• Eliminación de escobillas para un menor mantenimiento (motores brushless).
• Configuración como servomotor, con entrada de tensión y salida en posición angular.

Motor de Corriente Alterna (AC)

Son convertidores estáticos fiables y precisos. Incluyen motores síncronos sin escobillas o motores asíncronos (estos últimos poco empleados en robótica y difíciles de controlar).

• El inductor se encuentra en el rotor, comúnmente con imanes permanentes.
• El inducido se encuentra en el estator, con 3 devanados decalados 120º eléctricos y alimentados por un sistema trifásico de tensiones.

Realiza el control de la velocidad mediante la variación de la frecuencia de la tensión del inducido (usando un convertidor de frecuencia o variador de velocidad). Con un sensor de posición continuo que detecta la posición del rotor, no presentan problemas de mantenimiento ni de calentamiento y ofrecen mayor potencia a igualdad de peso que los de corriente continua.

Motores Paso a Paso

Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. La polaridad del estator es variable. El control se realiza en bucle abierto y son adecuados solo para bajas potencias.

Cinemática del Robot

Es el estudio de su movimiento con respecto a un sistema de referencia. Incluye la descripción analítica del movimiento espacial del robot como una función del tiempo y la relación entre la posición y orientación del extremo del robot (localización) y los valores de sus coordenadas articulares.

Problema Cinemático Directo (PCD)

Consiste en determinar la posición y orientación del extremo del robot con respecto a un sistema de coordenadas de referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot.

Problema Cinemático Inverso (PCI)

Consiste en determinar la configuración (valores de las articulaciones) que debe adoptar el robot para alcanzar una posición y orientación del extremo conocidas.