TRABAJO COLABORATIVO 1

ROBOTICA

Grupo colaborativo:

299011_4

Trabajo presentado Por Alejandro Gómez

Raúl Quintero Diego Edison González José Hernando Otálora

Trabajo presentado A LIC. Sandra Isabel Vargas

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA- UNAD

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

21 DE OCTUBRE DE 2013

INTRODUCCION

Como idea inicial debemos decir que los Robots nacieron por una necesidad del

ser humano, de una herramienta que facilitará su trabajo en actividades rutinarias

y peligrosas. Dentro del área de la robótica existen diversas concepciones,

fundadas o infundadas, que traen como fondo el miedo del ser humano de ser

desplazado como ser superior del entorno. Es pertinente dejar en claro que con el

desarrollo de la ciencia y la tecnología se ha alcanzado un alto nivel de

automatización, la cual permite que las labores repetitivas y de alta precisión y

peligrosidad sean hechas por máquinas que facilitan nuestra vida. Esto a su vez,

nos pone un reto cada vez más grande y es que exige que nos debemos capacitar

cada día más para hacernos más competitivos en este “MUNDO MODERNO”.

En este trabajo, en su primera fase, se realizo una presentación en Power Point

con unos puntos clave de la estructura de un robot, que fueron sugeridos en la

guía del trabajo y se intento dar un orden jerárquico para hacer más comprensible

el tema.

Luego, en la fase siguiente, se realizó un análisis y un resumen de un artículo

sugerido por la guía de la actividad. Por último se genero un mapa mental a partir

de los datos obtenidos del anterior artículo.

En la última fase, se realiza una investigación sobre los motores utilizados en

robótica, sus características y ventajas.

.

OBJETIVOS

Los objetivos que se pretenden mediante la ejecución del presente trabajo son:

Realizar un trabajo grupal donde se desarrolle de forma clara los conceptos

básicos de la Robótica y su entorno.

Explicar algunas características morfológicas del Robot, donde se den a

conocer los diferentes sub sistemas de los robos industriales.

Plantear algunas alternativas profesionales que permitan desmitificar la idea

que el Robot viene a desplazar al hombre y hacer evidente la ingente

necesidad de capacitación continua.

Desarrollar habilidades en el manejo de programas especializados en

mapas conceptuales tales como Cmap Tools.

GUÍA DE ACTIVIDADES

FASE 1.

Realice una presentación en Power Point, donde explique claramente 5 de los

siguientes conceptos usados en Robótica. (Seleccione los 5 conceptos que a su

modo de ver sean los más relevantes).

• Grados de libertad

• Tipos de articulaciones

• Subsistema eléctrico

• RIA

• Percepción del entorno

• Zona de trabajo

• Calibración

• Capacidad de carga

• Repetibilidad.

• Maestro-esclavo

• Robot industrial

• Leyes de Asimov

• Inteligencia artificial

• Software

• Sensores

• Incremento de empleo

• Vehículos submarinos

• Subsistema de planeación.

FASE 3.

Descargue el artículo “New Approaches to Robotics”, ubicado en Material de

apoyo a la formación.

Lea cuidadosamente el artículo y realice un resumen del mismo, al final del

resumen presente un mapa mental que presente las ideas principales del

documento.

Nuevos enfoques de la Robótica

El desarrollo de la robótica y la inteligencia artificial (AI) ha presentado un gran

cambio en los últimos 7 años, debido a que se ha dejado de lado los conceptos

tradicionales de tratar de crear módulos que permitan tener una percepción del

mundo real y se encamina a construir sistemas de control inteligentes que vayan

directamente a una parte del comportamiento del robot. Esta nueva percepción se

alimenta de diferentes tópicos del saber humano tales como la neurobiología,

etología (estudio del comportamiento animal dependiendo del área donde se

encuentren), psicofísica y sociología.

Esta diferencia de conceptos ha generado algunas inconformidades y

desavenencias con los defensores de la robótica tradicional.

Uno de los principales objetivos de este nuevo sistema es la construcción de un

robot móvil autónomo que desempeñe algunas tareas útiles en un entorno

dinámico y que pueda cambiar sin que esto afecte la funcionalidad del robot.

Los primeros desarrollos en búsqueda de este objetivo se hacen evidentes con la

creación del robot móvil Shakey creado por el Instituto de investigación de

Stanford (ahora SRI International ) en 1972 el cual se movía en una serie de

habitaciones especialmente preparadas y desarrollaba algunas tareas con piezas

geométricas con formas regulares. Una gráfica de este robot se puede ver a

continuación:

Figura 1. Robot Shakey

Este equipo como se puede ver tenía una red de comunicación con un

computador y poseía cámaras de televisión que permitía distinguir el entorno y

mediante programas especializados, tales como el TIRAS, permitía seleccionar el

conjunto de acciones a desarrollar y tenía un control de desplazamiento basado en

edometría. La AI tenía como función tomar decisiones de una base de datos con

respecto a la manipulación de las figuras. Para el control de colisiones este

sistema se basaba en un conjunto de algoritmos los cuales estaban sujetos a

tener un entorno fijo sin cambios. Como se ve era muy adelantado para su época

pero era insostenible pensar en un mundo cuadriculado sin cambios y amarrado a

condiciones tales como colores, formas geométricas determinadas son cambios

dentro del espacio, etc.

Luego se crea la necesidad de aplicar estos conceptos al mundo real y es así

como varios investigadores inicial la labor de generar la posibilidad de que los

robots cuenten con sensores que les permitan ilustrar el mundo dinámico que los

rodea y mediante la implementación de soluciones de software poder llegar a

“tomar decisiones” dependiendo de las condiciones de su entorno. Un primer

ejemplo de esto es un programa llamado Pengi, el cual se encargo de jugar un

videojuego que se caracterizaba por tener un protagonista y varios oponentes que

le “disparaban proyectiles”, y dependiendo del comportamiento de los opositores,

el programa tomaba decisiones basado en una predicción que se desarrollaba

mediante el software de control.

Figura 2. El sistema Pengi Jugó un videojuego llamado Pengo.

Luego de esto, aparece en escena un robot llamado Flakey, creado por

Rosenschein y Kaelbling el cual se caracteriza por contar con dos subredes una

de percepción y otra de acción. Con una característica adicional, cuenta con

unidades de información o AFSM, las cuales cuentan con una emisor y un

receptor conectados y que intercambian mensajes de 8 bits. Esto último permite

que el sistema de percepción, el sistema central y el de accionamiento estén más

estrechamente ligados y las acciones sean mucho mas oportunas. A continuación

presentamos una figura del robot Flakey.

Figura 3. Robot Flakey

Como se puede ver el enfoque de la robótica y de la AI consistía en

razonamientos lentos que no podían comprender el mundo real dinámico, mientras

que los modelos actuales tiene menos distancia entre los sensores y actuadores

para responder de una forma rápida a los cambios de la realidad.

La demostración de la aplicación de estos se hace evidente en el robot Allen el

cual tiene un dispositivo de sonda que le permitía estar alejado de los objetos en

movimiento y los que se encontraban estáticos. Una de las herramientas para

alcanzar esto es un sistema de “visualización” del tiempo real parecido a la retina

del ser humano, la cual era transmitido de forma rápida al centro de procesado

mediante técnicas de redundancia y sistemas en paralelo, lo cual da mayor

confiabilidad y rapidez al tráfico de los datos. Esto permite que el robot pueda

seguir objetos en movimiento.

Otro ejemplo de movimiento y control de desplazamiento en los robots lo

representa el robot saltando de Raibert el cual demuestra las técnicas explicadas

anteriormente y demuestran que las maquinas de dos, tres o mas patas se pueden

construir a partir de sistemas de control independiente.

Figura 4. Robots de Raibert.

Existen incluso algunos robos que pueden desplazarse sobre terrenos irregulares

mediante el uso de robots de seis patas con control independiente de

desplazamientos; un ejemplo de esto es el robot Genghis el cual cuenta con

técnicas propias para ponerse en pie y desplazarse por terreno irregular con muy

pocos elementos de cálculo por medio de principios de regeneración de fuerza e

inclinometros.

Figura 5. Robot Genghis.

También vale la pena nombrar los robots manipuladores de dos grados de libertad

montados sobre una base móvil, el cual puede seleccionar y recoger una lata de

refresco sin importar el desorden que tuviera alrededor. Todo lo anterior mediante

el uso de los AFSMs.

Por último, haciendo una evaluación de los trabajos adelantados en robótica y

sistemas de AI, y fijándonos en los argumentos de los defensores de este cambio,

se puede decir que los sistemas tiene un buen nivel de rendimiento y los

resultados de hacen evidentes.

Lo que es evidente es que existe una marcada diferencia de opinión entre los

defensores de la robótica y la AI tradicional y los promotores del cambio que son

amigos de la simulación en laboratorios.

Cabe resaltar uno de los principales aportes a la AI por parte de los defensores del

sistema tradicional son las investigaciones encaminadas o dos tópicos diferentes.

El primero tiene que ver con el estudio de los animales y su taxonomía, y la otra

tiene que ver con predicciones hechas a partir de estudios realizados sobre

sucesos ocurridos en el mundo real.

Los criterios desarrollados por los interesados en el cambio están logrando

muchos adeptos y los están poniendo en práctica en sus nuevos proyectos.

Una pequeña sinopsis la podemos verificar en la gráfica que se puede verificar a

continuación.

FASE 4

Investigue y documente que tipos de motores son utilizados en Robótica,

explique cada uno de ellos con sus ventajas y desventajas.

EL MOTOR ELECTRICO Y SU IMPORTANCIA EN EL ROBOT

Básicamente existen dos tipos de micromotores que se utilizan en robótica. Los motores de corriente continua o motores de corriente directa y los servo motores o motores paso a paso (stepper motors). En la secciones siguientes se detallan los componentes que integran cada uno de ellos, el uso típico que se les da a la hora de construir robots y ejemplos del circuito de control de los mismos.

El robot, independientemente del tipo que sea requiere de movimientos para poder llevar a cabo sus funciones y movimientos que se le exijan desde un sistema de control, estos movimientos los debe ejecutar con dispositivos que permitan movimientos circulares donde se pueda tener control de magnitudes como la dirección, la velocidad, el sentido de giro y la magnitud del giro; es por eso que se recurre al uso de motores eléctricos y a circuitos electrónicos para poder controlar las magnitudes anteriores, los motores de mas uso en esta especialidad de la robótica son los de CD y los de PASOS; ya que en el de CD existen grandes posibilidades de control sobre la velocidad y la dirección, en lo de PASOS tenemos control sobre el sentido de giro y la magnitud del giro.

Podríamos decir que el motor es la parte principal del robot ya que si lo mas importante de un sistema robotizado es ejecutar movimientos, los motores eléctricos le facilitan de gran manera el poder llevarlos a cabo y también tener control total de ello gracias a circuitos electrónicos hechos especialmente para la ejecución de las diversas funciones para las que puede estar hecho el robot.

ESCOGIENDO EL MOTOR ADECUADO PARA EL ROBOT

Los motores son los músculos del robot. Uniendo un motor a un par de ruedas y colocadas a la base del robot, este podrá movilizarse por alguna superficie. Uniendo un motor a un brazo mecánico, este podrá moverse hacia arriba o hacia abajo. Existen muchas clases de motores, en las siguientes líneas se describirán los tipos que hay y como pueden ser usados.

La corriente directa (CD) es usada como la principal fuente de poder del robot ya que son los encargados de operar las diversas tarjetas que constituyen al robot, operan también la apertura y cierre de los solenoides y por supuesto producen que se de el giro en los motores. Pocos robots usan motores diseñados para operar con AC, en algunos casos se usan sistemas que convierten la AC en CD para que esta ultima sea distribuida en los subsistemas del robot. El motor de CD puede ser una buena elección a la hora de diseñar un robot, pero esto no quiere decir que

sea la mejor opción en el diseño, se debe tener en cuenta también que el motor sea bidireccional ya que son muy pocas las aplicaciones en las que se usan motores unidireccionales.

Los motores de CD pueden ser continuos o de pasos, en los continuos el eje tiene un movimiento continuo el cual solo puede ser detenido por desconectar la fuente de alimentación o por la colocación de una carga superior a la que puede manejar el motor en condiciones para las que fue hecho. Hay varios tipos de motores continuos, los de reluctancia variable, los de imán permanente y los híbridos, el mas usado en el área de la robótica son los de imán permanente.

Los motores de pasos poseen las característica de que pueden girar un determinado numero de grados por cada pulso eléctrico que se aplique a su unida de control. Los tamaños pueden ir desde menos de un grado hasta 15º o mas, una ventaja que posee este tipo de motores es su compatibilidad con los sistemas electrónicos digitales de esta manera se facilita lo que corresponde al control y manejo de esta clase de motores, los motores de pasos de imán permanente son los mas comunes y fáciles de usar.

Motor de CD a pasos, modelo genérico.

Motor de CD continuo, modelo general.

ESPECIFICACIONES EN UN MOTOR

Un motor tiene numerosas especificaciones, el significado y el propósito de algunas de ellas es obvio en otras no es asi. A continuación analizaremos algunas de ellas como el voltaje, la corriente absorbida, la velocidad y el torque, además se vera la relación que tienen estas magnitudes con el diseño del robot.

Voltaje : Todos los motores tienen un valor de voltaje de operación, con motores pequeños de CD a menudo este valor esta por los 1.5 a 6 V, algunos motores de

CD de alta calidad son diseñados para un voltaje especifico que normalmente es de 12 V o 24 V, el tipo de motor que mas interesa en el diseño de robots son los de bajo voltaje, normalmente este va de 1,5 V a 12 V.

Un motor puede funcionar a voltajes mayores o menores que el especificado, lo único es que, si por ejemplo, tenemos un motor de 12 V y se le aplica 8 V , el motor correrá pero no a la velocidad y potencia para la cual fue diseñado, similarmente si se opera con valores superiores como 16 V el motor correrá con mayor velocidad y potencia, este ultimo fenómeno no es muy recomendable ya que puede causar que los bobinados se sobrecalienten y se origine un daño permanente en el motor.

Corriente absorbida : Esta magnitud corresponde a la cantidad de corriente en mA o A, que el motor requiere de la fuente de poder, esta especificación debe tomarse muy en cuenta cuando se considera el motor con carga. Esto quiere decir que si se tiene un motor sin carga se absorberá una determinada cantidad de corriente, pero si a este mismo motor se le aplica una carga esta corriente puede pasar a valores superiores del 300% o 500% de su valor sin carga.

Con la mayoría de motores de imán permanente, el cual es el tipo mas popular, la corriente absorbida aumenta con la carga. Cuando se manejan motores para un robot debe conocerse siempre el valor de la corriente absorbida bajo carga, la forma de probar efectivamente este valor es con un voltímetro el cual debe colocarse a una resistencia de prueba colocada entre un terminal de entrada del motor y la fuente de alimentación del motor, el valor de esta resistencia debe estar

en el rango de 1 a 10 (de 10 watts) y por medio de la ley de ohm, dividir el valor de la tensión obtenida entre el valor de R, este valor de corriente absorbida normalmente esta entre 200 y 400 mA.

Prueba para determinar el valor de la corriente absorbida en un motor.

Velocidad : La velocidad rotacional de un motor esta dada en revoluciones por minuto (rpm), la mayoría de motores de CD tienen una velocidad normal de operación de 4000 a 7000 rpm, para aplicaciones en la robótica estas velocidades son muy grandes, es por eso que se recurre a circuitos electrónicos para poder regular esta velocidad a valores adecuados para el manejo de brazos y pinzas en un robot, cabe destacar que la velocidad de un motor cuando tiene una carga se

reduce considerablemente, usando cierto tipo de controladores de motores estro se puede corregir, como se muestra en la figura:

Variación de la velocidad del motor con la carga.

En los motores de pasos la velocidad no esta dada en rpm sino que se da en pulsos ( o pasos ) por segundo, esta velocidad es función del numero de pasos requeridos para que se de una vuelta completa mas el numero de pasos aplicados al motor cada segundo.

Variación del torque con la velocidad del motor.

Torque : Esta especificación consiste en la fuerza que el motor ejerce sobre la carga, si se reduce el torque el motor reducirá su potencia, si se reduce aun mas el motor demandara aun mas potencia de la normal, y se podrá dar un calentamiento que podrá ocasionar el daño del motor. Algunas veces el fabricante le facilita al usuario una gráfica en la que se detalla el torque en función de la velocidad, con carga y sin ella, la figura anterior lo describe.

MOVIMIENTO DEL ROBOT CON MOTORES DE CD

FUNDAMENTOS

Cercano a las baterías, los motores eléctricos son quizás el componente mas pesado en un robot, cuando se esta haciendo un diseño se debe ser cuidadoso de donde se coloca el motor y como se distribuye el peso a lo largo de la base, la mayor parte de los robots usa dos motores idénticos uno para cada rueda, esta ruedas son las que provocan el movimiento de adelanto o de retroceso, los movimientos que se pueden ejecutar se muestran en la figura:

Los dos primeros son básicos el de adelanto y el de retroceso, los otros son de giro a la izquierda normal y giro a la derecha normal cuando solo uno de los dos motores ocasiona el movimiento, pero cuando ambos motores llevan a cabo un movimiento opuesto con la dirección que se muestra en la figura se puede dar el giro a una velocidad mayor ya sea a la izquierda o a la derecha.

Los motores se pueden colocar en cualquier lugar de la base siempre y cuando la distribución del peso sea equilibrada (tomando en consideración también las baterías), en muchos casos se colocan unos casters (ruedas locas) en la base para ayudar a dar mas estabilidad al robot.

Componentes de un motor DC

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales:

Rotor Estator

El Rotor

Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.

Figura 01: Frente y dorso de un rotor.

Está formado por:

Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo,

devanado y al colector. Núcleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero,

su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

Devanado: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado.

Colector: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos).

El Estator

Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético

que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.

Figura 02: Estator.

Está formado por:

Armazón: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales:

servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.

Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético altamente

remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos.

Escobillas: Las escobillas están fabricadas de carbón, y poseen una

dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

VELOCIDAD DEL RECORRIDO

Para determinar la velocidad del recorrido de un robot es necesario conocer dos aspectos importantes, uno de ellos es la velocidad del motor y el otro el diámetro de las ruedas, para muchas aplicaciones la velocidad del motor debe ser de 130 rpm (con carga) considerando la medida del las ruedas la velocidad del recorrido puede ser de aproximadamente 4 ft/s, esto es un valor muy bueno, ya que se considera como bueno una velocidad de recorrido de 1 o 2 ft/s, para que esto se de normalmente se debe usar ruedas pequeñas o motores con menor velocidad o ambas. A continuación se muestra una forma de calcular la velocidad de recorrido de un robot a partir de lo anterior:

1. Se divide la velocidad del motor (rpm) entre 60, el resultado será en rps ( revoluciones por segundo ).

2. Se multiplica el diámetro de las ruedas ( en pulgadas ) por , para obtener la circunferencia.

3. Se multiplica el valor obtenido en 1. por el obtenido en 2. y se obtiene el numero de pulgadas recorridas por la rueda ( o sea por el robot ) en un segundo.

Cabe destacar que este valor de velocidad de recorrido se ve afectado también por magnitudes como el peso del robot y el tipo de carga que maneje el motor.

CONTROL DE LA DIRECCION

Es fácil invertir el sentido de la rotación de un motor de CD, un simple swich que sea capaz de invertir la polaridad de alimentación de un motor es suficiente para que este gire en el sentido contrario. Pero el control de la dirección de un robot no es solamente mover un swich, deben darse otras condiciones para facilitar el manejo de la dirección de un motor, existen muchas formas electrónicas de lograr esto, una de las mayores ventajas consiste en que el control de la dirección puede llegar a ser desde una unidad de microprocesador hasta una computadora, afortunadamente esto no es tan difícil y se pueden llegar a diseñar varios modelos de control.

CONTROL POR RELAY

Tal vez una de las formas más correctas para operar un motor es haciendo uso de los relays, podría preguntarse que porque se recurre a este dispositivo en un robot de alta tecnología existiendo otros recursos, la respuesta es que son mas baratos que otros métodos, son fáciles de implementar y ocupan poco espacio.

El primer modelo de aproximación de control es el de encendido-apagado, este modelo se muestra el la figura y permite el control del motor mediante una señal que puede ser un 0 lógico que mantendrá el relay desconectado, o un 1 lógico que mantendrá el relay conectado, el relay puede ser operado desde cualquier compuerta lógica, push-button e incluso una computadora o un puerto de microprocesador.

Controlar la dirección es solo un detalle más, para esto se requiere de un circuito como el anterior pero con algo mas, nuevamente con la ayuda de señales lógicas podemos controlar ahora no solo el encendido-apagado, sino que también la dirección.

Puede verse fácilmente como el control de operación y de dirección de un motor usa solamente dos bits de datos de una computadora, si se tomara en consideración el control de los dos motores serian cuatro bits. Para la incorporación de un relay a un sistema de motor debe considerarse con anterioridad los rangos de voltaje y corriente del motor y del relay , estos deben ser los adecuados para un correcto funcionamiento del control.

CONTROL POR TRANSISTOR

Un transistor puede utilizarse para que ejecute una gran cantidad de funciones, para efecto de control de motores este se usa como un simple interruptor.

Hay dos formas de implementar un transistor a un sistema de control de motor, una de ellas se muestra en la siguiente figura:

En este caso dos transistores hacen todo el trabajo, el motor se conecta de manera que cuando uno este en corte y el otro en saturación el motor gire hacia un sentido y que cuando el otro este en saturación y el otro en corte el motor gire hacia el sentido inverso, además cuando los transistores estén en corte el motor se detendrá , note que se requiere de una fuente bipolar en este caso ese valor seria el del motor.

Al igual que con los relays la señal de control puede ser dada desde un control digital ( 1 ó 0 lógico ), el único cuidado que se debe tener es que nunca se puede dar el estado en que ambos transistores estén en saturación ya que esto podría destruir al transistor. Note que cada base de los transistores esta conectada a una resistencia, esta sirve para prevenir al transistor de corriente excesiva proveniente del sistema que lo controla ( compuerta, puerto de una computadora ,etc), el valor de esta resistencia depende del voltaje y la corriente absorbida del motor lo normal

es que sea de 1K a 4K , este valor se puede calcular utilizando la ley de ohm y tomando en consideración la ganancia y la corriente de salida del transistor.

Otra manera de implementar un transistor a un sistema de control de un motor es como se muestra en la figura :

Este modelo permite que solo dos transistores se activen a la vez, cuando el transistor Q1 y Q4 saturan el motor gira en una dirección y cuando el transistor Q2 y Q3 saturan el motor gira en la otra dirección, adema cuando todos los

transistores están en corte el motor esta detenido, nótese la presencia de las resistencias de protección de la base de cada transistor sin estas es muy probable que el circuito se sobrecaliente y se destruyan los transistores.

Es importante destacar que los transistores deben de ser bastante semejantes entre ellos, un transistor que se recomienda en el uso de estas aplicaciones es el TIP31 (npn) o el TIP32 (pnp) .

CONTROL DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR

Muchas veces en la robótica no solo se requiere que el robot avance, retroceda o se detenga, también es necesario que este vaya mas rápido o mas lento de la velocidad normal, es aquí donde se introduce el uso de controladores de velocidad.

En esta parte analizaremos dos controladores básicos, el primero de ellos se muestra en la siguiente figura :

Este circuito emplea un IC CMOS 4066, el cual es un conjunto de interruptores analógicos, este permite por medio de una computadora o control electrónico seleccionar alguna de las cuatro posibles velocidades, para activar una del las velocidades posibles es necesario dar un pulso alto ( 1 lógico ) al circuito integrado, cabe destacar que solo un pulso positivo puede darse en un instante de tiempo. Nótese también que en este caso se usa un circuito integrado de este tipo ( CMOS ), pudo haberse utilizado otro de las diferentes versiones de ICs que hay, en este caso se utilizo este debido a que este presenta una baja resistencia de entrada cuando los interruptores están activos.

Otro modelo que se usa en robótica para el control de la velocidad es el de la siguiente figura :

El problema que presenta el modelo desarrollado inicialmente es que no se conoce con exactitud a que velocidad viaja el robot, este nuevo modelo permite conocer la velocidad a la que viaja y a la vez regularla. Todo empieza con la adición de un disco encoder al motor, este disco esta en medio de un LED y un fototransistor , cada vez que el disco gire el paso por un hoyo se tomara como un pulso positivo, estos pulsos ingresan al 74121 la duración del pulso de salida es determinada por R2 y C1, la salida del 121 es tomada por la entrada inversora del 741, y a la salida de este después de una comparación de las señales anteriores se obtiene el nivel que se desea y su magnitud.

MOVIMIENTO DEL ROBOT CON MOTORES DE PASOS

FUNDAMENTOS

Los motores de CD continuos son un poco imprecisos, sin la presencia de un tacómetro como el expuesto anteriormente es muy difícil saber con exactitud las revoluciones que este hace en un determinado tiempo, o la magnitud del giro para una determinada tarea y en robótica para muchas de las partes del robot se requiere de precisión, es aquí donde se introduce el uso de los motores a pasos, para este tipo de motores a diferencia de los continuos se puede conocer con exactitud la magnitud del giro y además hacer que ejecute ese giro con un solo pulso eléctrico proveniente de un sistema de control el cual podría ser un puerto de una computadora, los motores a pasos son fáciles de usar, pero en algunas aplicaciones son difíciles de conseguir y un poco caros.

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o

bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor

estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará

completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Figura 05: Un servo motor

Componentes de un servo motor

Básicamente esos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el

que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de

bobinas excitadoras bobinadas en su estator.

Figura 06: Rotor.

Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la

conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por

un controlador.

Figura 07: Estator de 4 bobinas.

Tipos de servo motor

Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 08). Requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.

Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo

de su conexionado interno (ver figura 08). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.

Figura 08: Motor P -P Bipolar y Motor P – P Unipolar

El funcionamiento de un motor de cuatro fases es el que se muestra en la figura, el rotor puede ser tanto de material ferromagnético como de imán permanente. El rotor toma ángulos de 0º,45º,90º,...,cuando se excitan los devanados.

CONTROLADORES PARA UN MOTOR DE PASOS

Inicialmente los motores a pasos eran controlados por interruptores mecánicos, hoy en día existen muchas otras formas de control por métodos electrónicos ya sea usando el computador como el centro de control o usando dispositivos semiconductores como transistores.

CONTROLADOR LSI

Por medio de un circuito controlador como el SAA-1027 o el UCN 4204, es posible determinar cuando se debe dar el giro y en que dirección, la figura muestra la configuración que se deben usar con el UCN 4202.

CONTROLADOR CON COMPUERTAS

Haciendo uso de compuertas lógicas y de la temporización es posible también crear un control de pasos, la figura muestra la configuración :

El control de la dirección lo lleva a cabo un pequeño circuito combinacional capaz de detectar un 1 o un 0 lógico a la entrada y a partir de este dar a su salida (

entrada de los Flip-Flop) un valor que a la salida de toda la configuración ocasione un avance o un retroceso, el pulso que determina que se de un paso del motor es el de las señal de los CLK, o sea, la temporización.

El uso de estos sistemas digitales es muy útil en lo que ha robótica se refiere, ya que una de las cosas mas importantes a la hora de diseñar el robot es el como controlarlo, este tipo de controladores mostrado en los puntos anteriores precisamente busca ese detalle , el facilitar el control del robot y hacerlo 100 % compatible con una computadora, así al final del diseño el robot podrá ser controlado desde una PC fácilmente y de manera eficaz. El modelo acabado al final recibe el nombre de ROBOT y ejecuta las funciones que se le indiquen desde el panel de control.

Robot controlado por un computador, con movimientos gracias al uso de motores continuos y de pasos.

La figura mostrada presenta un robot acabado el cual es controlado en su totalidad desde un sistema de computador , en esta investigación se hablo de los motores, pero es importante destacar que adicionalmente hay otros elementos que se deben controlar como lo son la visión, el sonido, los detectores de obstáculos, los brazos y extremidades ( donde se da el uso de motores ) y otras magnitudes que requieren de un sistema de control general como lo sería un computador.

Comparación entre los diferentes tipos de motores

Características de los distintos tipos de motores para robots

Neumáticos Hidráulicos Eléctricos

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 Servomotor

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

CONCLUSIONES

Del anterior trabajo podemos determinar las siguientes conclusiones:

Se puedo determinar la funcionalidad de los diferentes módulos que hacen

parte de un robot, como por ejemplo que los sensores internos y externos

del robot permiten conocer el medio en el cual se está desplazando el

equipo y le permite delimitar su campo de acción para desarrollar su

programa de operación.

Se conoció un poco más a fondo sobre los criterios de selección de un

robot de acuerdo a los criterios de su morfología tales como grados de

libertad, repetibilidad, precisión, exactitud, capacidad de carga, etc.

La importancia de socializar dentro del grupo colaborativo es fundamental

para asegurar el resultado del proceso formativo.

El éxito del proceso formativo depende de la disciplina y aprovechamiento

de los medios que nos brinda la universidad.

Básicamente existen dos tipos de micromotores que se utilizan en robótica.

Los motores de corriente continua o motores de corriente directa y los servo

motores o motores paso a paso (stepper motors). En la secciones

siguientes se detallan los componentes que integran cada uno de ellos, el

uso típico que se les da a la hora de construir robots y ejemplos del circuito

de control de los mismos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

Freddy F Valderrama Gutiérrez, y Alfredo López (2010). Modulo de

ROBOTICA, Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD, Escuela de

Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería, Duitama.

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