Los robots realizan tareas específicas planificadas previamente, como trabajo en la cadena de montaje, asistencia quirúrgica, recogida y recuperación en almacén e incluso tareas peligrosas como la retirada de minas terrestres. Los robots actuales son capaces de realizar no solo tareas muy repetitivas, sino también funciones complejas que requieren flexibilidad en la dirección y el movimiento. A medida que avance la tecnología, aumente la velocidad y la destreza y disminuyan los costes, los robots se irán adoptando de forma generalizada. La ventaja de coste de ser inferior a la mano de obra también nos da una idea de la industria de la robótica. Además, los avances en la visión artificial, la potencia informática y las redes también impulsarán la popularización de las aplicaciones robóticas, y estas máquinas de alto rendimiento
La realización del ser humano se debe a los siguientes aspectos de la mejora:
1. Sensores complejos
2. Poder de cómputo y algoritmos que permiten la toma de decisiones y el movimiento en tiempo real.
3. ¡Motores que desarrollan potencia mecánica de forma rápida y precisa para realizar tareas complejas!
Al seleccionar específicamente un tipo y modelo de motor, el diseñador debe tener en cuenta tres factores principales.
1. La velocidad mínima y máxima (y la aceleración) del motor.
2. El par máximo que puede entregar el motor y la relación entre las curvas de par y velocidad.
3. la precisión y repetibilidad del funcionamiento del motor (sin sensores y control de bucle cerrado); por supuesto, hay muchos otros factores importantes a tener en cuenta al seleccionar un motor, como el tamaño, el peso y el costo. Para casi todos los actuadores robóticos de tamaño pequeño a mediano, la elección de los motores de accionamiento suele ser entre motores de CC con escobillas, motores de CC sin escobillas (BLDC) y motores paso a paso. (Sin embargo, en algunos casos, las prensas hidráulicas frente a las neumáticas son la mejor opción).
Los motores de corriente continua con escobillas son la tecnología de motores de corriente continua más antigua, la más simple y la menos costosa. La rotación del rotor del motor cambia (conmuta) el campo magnético de los devanados alrededor del rotor debido al contacto entre las escobillas y el rotor. La velocidad del motor es una función del voltaje aplicado, por lo que los requisitos de accionamiento son modestos, pero la gestión del par es difícil. También existen problemas de confiabilidad durante el funcionamiento debido a factores como el desgaste de las escobillas, la necesidad de limpieza y mantenimiento y la posibilidad de que sean una fuente de ruido electrónico (interferencia electromagnética). Como resultado de estos problemas, los motores de corriente continua con escobillas son, en su mayor parte, la opción menos atractiva para el diseño de robots.
Los motores de corriente continua sin escobillas aparecieron en la década de 1860 y se beneficiaron de dos desarrollos: la aparición de imanes permanentes robustos, pequeños y de bajo costo; y la aparición de interruptores electrónicos pequeños y eficientes (generalmente MOSFET) para conmutar el flujo de corriente a los devanados. La "conmutación electrónica" reemplaza la conmutación mecánica del motor con escobillas para controlar la conmutación del campo magnético, la interacción entre la bobina de conmutación fija alrededor y los imanes en el núcleo giratorio reemplaza la conmutación mecánica del motor con escobillas, es decir, utiliza la interacción entre el campo magnético y el campo eléctrico. Al cambiar la frecuencia de conmutación del MOFSET, se puede controlar la velocidad del motor. Además, su controlador de motor puede controlar mejor el rendimiento del motor en comparación con los motores con escobillas.
Mejor aún, los algoritmos avanzados, como los algoritmos de corrección PID (proporcional-integral-diferencial) o los algoritmos de control FOC (control orientado al campo, a veces llamado control vectorial), se pueden integrar en el controlador del motor. Esto permite que el funcionamiento ideal del motor se adapte a las cargas reales y las variaciones de carga, lo que da como resultado un rendimiento del motor más robusto y preciso. Por ejemplo, los algoritmos/programas de control del motor pueden tener en cuenta factores relevantes como la inercia del rotor y permitir que el accionamiento del motor se adapte y reduzca gradualmente los errores debidos a factores mecánicos. Dichos algoritmos permiten controlar con precisión la aceleración y el par.
Los motores sin escobillas (BLDC) requieren circuitos de control más complejos, pero pueden ofrecer un mejor rendimiento que los motores con escobillas. Por lo general, los motores BLDC deben estar equipados con un sensor de retroalimentación de posición, como un sensor de efecto Hall, un codificador óptico o un dispositivo de detección de potencial inverso.
Otro tipo de motor BLDC que se utiliza habitualmente en robots es el motor paso a paso, en el que se utiliza un electroimán de conmutación, situado junto al núcleo central del anillo de imán permanente. Los motores paso a paso no "giran" de forma convencional, sino que aumentan gradualmente su velocidad con la ayuda de un eje que gira constantemente, lo que permite un cierto ángulo de giro o una rotación continua. Los motores paso a paso tienen un control de movimiento repetible: pueden volver a la posición anterior cuando sea necesario.
Los ángulos de paso varían de 1,8 grados (200 pasos/revolución) a 30 grados (12 pasos/revolución). El ángulo de paso o el número de pasos depende de la cantidad de imanes permanentes que tenga el motor, pero también son posibles valores fuera de este rango.
En el caso de los motores paso a paso, si se aplica potencia pero no se apuntan escalones, permanecerán en su posición original; los motores paso a paso proporcionan un par elevado a bajas revoluciones por minuto. La forma más directa de hacer girar un motor paso a paso es energizar y desenergizar el solenoide de forma ordenada, pero esto puede generar vibraciones. Los motores sin escobillas y los motores paso a paso tienen áreas de aplicación que se superponen parcialmente. Los motores paso a paso son más adecuados para aplicaciones que requieren movimientos precisos de entrada y salida (como recoger y colocar) en lugar de largos períodos de rotación sostenida, así como para aplicaciones más pequeñas que no requieren un par elevado o una velocidad elevada del motor. Además, los motores paso a paso tienen requisitos de eficiencia energética más bajos que los motores de CC sin escobillas. Además de los motores enumerados aquí, hay muchos otros tipos disponibles. Las familias de motores son numerosas y complejas, con muchas subdivisiones. Por ejemplo, el motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) es una combinación de un motor de CC sin escobillas (con respecto al rotor) y un motor de inducción de CA (con respecto a la estructura del estator). Se caracteriza por una alta eficiencia energética, alta densidad relativa por unidad de pequeño volumen, buena relación par-peso, rápido tiempo de respuesta y relativa facilidad de control, pero también es relativamente caro.
El sistema de movimiento del robot implica más que sólo motores; incluye tres módulos funcionales principales.
1.Controlador en tiempo real, manifestado en las siguientes tres formas.
Procesadores computacionales rápidos para propósito general, que ejecutan firmware de control de movimiento.
FPGAs orientados a DSP para aplicaciones de control.
Circuitos integrados de controlador especializados con cableado y algoritmos incorporados.
2. Una o más capas de controlador conectadas en cascada para tomar señales de bajo nivel de las salidas del controlador y generar el alto voltaje/corriente necesarios para encender/apagar la electrónica de control.
3.MOSFET (u otros dispositivos de conmutación, como IGBT o transistores bipolares), que controlan el flujo de corriente a los devanados específicos del motor.
La selección del MOSFET depende principalmente del motor y de los devanados del tamaño de corriente y voltaje requeridos. El modelo de MOSFET determina el controlador después de la selección del controlador MOSFET por la clasificación de MOSFET: a veces puede requerir una serie de controladores de repulsión ascendente, la decisión específica para determinar el controlador. A veces puede ser necesaria una serie de controladores de impulso, según el tamaño de los MOSFET.
4. Problemas que pueden surgir al seleccionar un controlador
La selección del modelo de controlador también es muy estratégica y requiere que se tome una decisión antes de seleccionar un proveedor y un modelo específicos. Hay muchas ventajas y desventajas a la hora de elegir si se utiliza un procesador de propósito general solo para el control de motores, un FPGA con potencia computacional local o un circuito integrado de control especializado (normalmente de un proveedor de control de motores específico). Los diseñadores deben tener en cuenta factores como:
¿Qué complejidad de algoritmo de control necesita y cuántos puertos I/0?
¿Quién proporcionará el algoritmo y el código de control: el proveedor del circuito integrado, un socio externo o un desarrollador externo no relacionado? ¿Cómo verificarán y validarán el rendimiento del motor y su aplicación?
¿Cuánta capacidad de programación de usuario necesita? Incluso los controladores dedicados, no programables, requerirán que el usuario seleccione el tipo de algoritmo, el modo de control de bucle cerrado (posición, velocidad o aceleración) y necesitarán configurar una serie de parámetros operativos. ¿El motor y la aplicación tienen propiedades únicas para configurar? Si la respuesta es sí, entonces sería mejor elegir un I programable. Por el contrario, si no hay necesidad de modificar los algoritmos, un CI dedicado con algoritmos cableados y solidificados es preferible a un CI completamente programable. ¿El controlador necesita admitir varios tipos de motores? Incluso si es el mismo tipo, ¿el controlador necesita admitir solo un tamaño de motor en ese modelo o una gama de tamaños?
¿Qué nivel de soporte técnico ofrece el proveedor? ¿Qué experiencia práctica en el desarrollo de motores tiene? ¿Proporcionarán diseños de referencia específicos que se hayan construido y validado, incluidos los circuitos de interfaz entre el CI de control y el controlador MOSFET?
¿Hay alguna cuestión normativa que deba tenerse en cuenta? Por ejemplo, evaluaciones de eficiencia energética autorizadas
(Muchas aplicaciones de motores deben cumplir ahora con diversos requisitos medioambientales "ecológicos"). Si es así, ¿el proveedor comprende estos problemas y sus componentes y algoritmos cumplen con estos requisitos?
5. Los kits de desarrollo demuestran el rendimiento del controlador y la interfaz
Para muchos ingenieros, reunir todas las piezas (controladores, drivers, MOSFET, etc., con algoritmos consolidados o separados) es una tarea multidisciplinaria que no quieren "empezar desde cero". Por este motivo, muchos proveedores ofrecen placas de evaluación o incluso kits completos con algoritmos de controlador, drivers y MOSFET de muestra. Por ejemplo, el kit PMSM trifásico sin sensores MTRCKTSPNZVM128 de Freescale utiliza tecnología de control de motor sin sensores para accionar un motor BLDC o PMSM trifásico, y está diseñado para la creación rápida de prototipos y evaluación mediante potenciales inversos respaldados por el módulo ADC integrado con la ayuda de un microcontrolador. Además, este kit (que incluye el microcontrolador MC9S12ZVML12) también se puede configurar para la evaluación basada en sensores del funcionamiento mediante sensores Hall o resolvers. El futuro de la robótica también es muy prometedor, ya que los avances en la tecnología, incluida la actuación de precisión mediante un mejor control y detección del motor, crearán nuevas oportunidades. Las revoluciones en las áreas clave de detección, control y motores seguirán influyendo en los cambios en la robótica.