Els actuadors tenen com a missió generar el moviment dels elements del robot segons les ordres donades per la unitat de control. Es classifiquen en tres grans grups, segons l’energia que utilitzen:
- Pneumàtics
- Hidràulics
- Elèctrics
Els actuadors pneumàtics utilitzen l’aire comprimit com a font d’energia i són molt indicats en el control de moviments ràpids, però de precisió limitada. Els motors hidràulics són recomanables en els manipuladors que tenen una gran capacitat de càrrega, al costat d’una precisa regulació de velocitat. Els motors elèctrics són els més utilitzats, per la seva fàcil i precís control, així com per altres propietats avantatjoses que estableix el seu funcionament, com a conseqüència de l’ús de l’energia elèctrica. Més tard es donarà una comparació detallada entre els diferents tipus de actuadors utilitzats en robòtica.
Cadascun d’aquests sistemes presenta característiques diferents, cal avaluar a l’hora de seleccionar el tipus d’actuador més convenient. Les característiques a considerar són, entre d’altres:
- Potència
- Controlada
- Pes i volum
- Precisió
- Velocitat
- Manteniment
- Cost
Actuadors pneumàtics
En ells la font d’energia és aire a pressió entre 5 i 10 bar. Hi ha dos tipus de actuadors pneumàtics:
- Cilindres pneumàtics
- Motors pneumàtics (d’aletes rotatives o de pistons axials).
Cilindres
En els primers s’aconsegueix el desplaçament d’un èmbol tancat en un cilindre com a conseqüència de la diferència de pressió a banda i banda d’aquell. Els cilindres pneumàtics poden ser de simple o de doble efecte. En els primers, l’èmbol es desplaça en un sentit com a resultat de l’empenta exercit per l’aire a pressió, mentre que en l’altre sentit es desplaça com a conseqüència de l’efecte d’un moll (que recupera l’èmbol a la seva posició en repòs).
En els cilindres de doble efecte l’aire a pressió és l’encarregat d’empènyer l’èmbol en les dues direccions, al poder ser introduït de forma arbitrària en qualsevol de les dues cambres.
Normalment, amb els cilindres pneumàtics només es persegueix un posicionament en els extrems del mateix i no un posicionament continu. Això últim es pot aconseguir amb una vàlvula de distribució (generalment d’accionament directe) que canalitza l’aire a pressió cap a una de les dues cares del èmbol alternativament. Hi ha, però, sistemes de posicionament continu d’accionament pneumàtic, encara que a causa del seu cost i qualitat encara no són competitius.
Motors pneumàtics
En els motors pneumàtics s’aconsegueix el moviment de rotació d’un eix mitjançant aire a pressió. Els dos tipus més utilitzats són els motors d’aletes rotatives i els motors de pistons axials.
Els motors de pistons axials tenen un eix de gir solidari a un tambor que es veu obligat a girar ens les forces que exerceixen diversos cilindres, que es recolzen sobre un pla inclinat. Un altre mètode comú més senzill d’obtenir moviments de rotació a partir de actuadors pneumàtics, es basa en l’ús de cilindres el èmbol es troba acoblat a un sistema de pinyó-cremallera.
En general i degut a la compressibilitat de l’aire, els actuadors pneumàtics no aconsegueixen una bona precisió de posicionament. Tanmateix, la seva senzillesa i robustesa fan adequat al seu ús en aquells casos en què sigui suficient un posicionament en dues situacions diferents (tot o res). Per exemple, són utilitzats en manipuladors senzills, en obertura i tancament de pinces o en determinades articulacions d’algun robot (com el moviment vertical del tercer grau de llibertat d’alguns robots tipus SCAR).
Sempre cal tenir en compte que l’ocupació d’un robot amb algun tipus d’accionament pneumàtic haurà de disposar d’una instal · lació d’aire comprimit, incloent: compressor, sistema de distribució (canonades, electro vàlvules), filtres, assecadors, etc. No obstant això, aquestes instal · lacions pneumàtiques són freqüents i existeixen en moltes de les fàbriques on es dóna un cert grau d’automatització.
Actuadors hidràulics
Aquest tipus de actuadors no es diferencia molt dels pneumàtics. En ells, en comptes d’aire s’utilitzen olis minerals a una pressió compresa normalment entre els 50 i 100 bar, arribant en ocasions a superar els 300 bar. Hi ha, com en el cas dels pneumàtics, actuadors del tipus cilindre i del tipus motors d’aletes i pistons.
Tanmateix, les característiques del fluid utilitzat en els actuadors hidràulics marquen certes diferències amb els pneumàtics. En primer lloc, el grau de comprensibilitat dels olis usats és considerablement menor al de l’aire, per la qual cosa la precisió obtinguda en aquest cas és major. Per motius semblants, és més fàcil a ells realitzar un control continu, podent posicionar el seu eix en tot un interval de valors (fent ús del servocontrol) amb notable precisió. A més, les elevades pressions de treball, deu vegades superiors a les dels actuadors pneumàtics, permeten desenvolupar elevades forces i parells.
D’altra banda, aquest tipus de actuadors presenta estabilitat enfront de càrregues estàtiques. Això indica que l’actuador és capaç de suportar càrregues, com el pes o una pressió exercida sobre una superfície, sense aportació d’energia (per moure el èmbol d’un cilindre seria precís buidar aquest d’oli). També és destacable la seva eleva capacitat de càrrega i relació potència-pes, així com les seves característiques d’auto lubricació i robustesa.
Davant d’aquests avantatges existeixen certs inconvenients. Per exemple, les elevades pressions a les quals es treballa propicien l’existència de fuites d’oli al llarg de la instal · lació. Així mateix, aquesta instal · lació és més complicada que la necessària per als actuadors pneumàtics i molt més que per als elèctrics, necessitant d’equips de filtratge de partícules, eliminació d’aire, sistemes de refrigeració i unitats de control de distribució.
Els accionaments hidràulics s’usen amb freqüència en aquells robots que han de manejar grans càrregues (de 70 a 205kg).
Actuadors elèctrics
Les característiques de control, simplicitat i precisió dels accionaments elèctrics han fet que siguin els més usats en els robots industrials actuals.
Dins dels actuadors elèctrics poden distingir tres tipus diferents:
- Motors de corrent contínua (DC). Servomotors
- Motors pas a pas
- Motors de corrent altern (AC)
Motors de corrent contínua. Servomotors
Són els més usats en l’actualitat a causa de la seva facilitat de control. En aquest cas, s’utilitza en el propi motor un sensor de posició (Encoder) per poder realitzar el seu control.
Els motors de DC estan constituïts per dues debanat interns, inductor i induït, que s’alimenten amb corrent continu:
L’inductor, també anomenat debanat d’excitació, està situat al estator i crea un camp magnètic de direcció fixa, anomenat excitació.
El induït, situat al rotor, fa girar al mateix degut a la força de Lorentz que apareix com a combinació del corrent circulant per ell i del camp magnètic d’excitació. Rep el corrent de l’exterior a través del col·lector de prim, en el qual es recolzen unes escombretes de grafit.
Perquè es pugui donar la conversió d’energia elèctrica en energia mecànica de forma contínua és necessari que els camps magnètics del estator i del rotor romanguin estàtics entre si. Aquesta transformació és màxima quan els dos camps es troben en quadratura. El col · lector de prim és un commutador sincronitzat amb el rotor encarregat de que es mantingui l’angle relatiu entre el camp de l’estator i el creat pels corrents rotors. D’aquesta manera s’aconsegueix transformar automàticament, en funció de la velocitat de la màquina, el corrent contínua que alimenta el motor en corrent altern de freqüència variable en el induït. Aquest tipus de funcionament es coneix amb el nom de Autopilot.
En augmentar la tensió de l’induït augmenta la velocitat de la màquina. Si el motor està alimentat a tensió constant, es pot augmentar la velocitat disminuint el flux d’excitació. Però com més feble sigui el flux, menor serà el parell motor que es pot desenvolupar per a una intensitat de induït constant, mentre que la tensió de l’induït s’utilitza per controlar la velocitat de gir.
En els controlats per excitació s’actua al contrari.
A més, en els motors controlats per induït es produeix un efecte estabilitzador de la velocitat de gir originat per la realimentació intrínseca que posseeix a través de la força contraelectromotriu. Per aquests motius, dels dos tipus de motors DC és el controlat per induït el que es fa servir en el accionament amb robots.
Per millorar el comportament d’aquest tipus de motors, el camp d’excitació es genera mitjançant imants permanents, amb el que s’eviten fluctuacions del mateix. Aquests imants són d’aliatges especials com sumari-cobalt. A més, per disminuir la inèrcia que tindria un rotor bobinat, que és l’induït, es construeix aquest mitjançant una sèrie de espires serigrafiades en un disc pla, aquest tipus de rotor no té prou feines massa tèrmica, cosa que augmenta els problemes d’escalfament per sobrecàrrega .
Les velocitats de rotació que s’aconsegueix amb aquests motors són de l’ordre de 1000 a 3000 rpm amb un comportament molt lineal i baixes constants de temps. Les potències que poden manejar poden arribar als 10KW.
Com s’ha indicat, els motors DC són controlats mitjançant referències de velocitat. Aquestes normalment són seguides mitjançant un bucle de retroalimentació de velocitat analògica que es tanca mitjançant una electrònica específica (accions del motor). Es denominen llavors servomotors.
Sobre aquest bucle de velocitat es col·loca un altre de posició, en el qual les referències són generades per la unitat de control (microprocessador) sobre la base de l’error entre la posició desitjada i la real.
El motor de corrent contínua presenta l’inconvenient de l’obligat manteniment de les escombretes. D’altra banda, no és possible mantenir el parell amb el rotor parat més d’uns segons, degut als escalfaments que es produeixen en el col · lector.
Per evitar aquests problemes, s’han desenvolupat en els darrers anys motors sense escombretes. En aquests, els imams d’excitació es situen en el rotor i el debanat d’induït en el estator, amb la qual cosa és possible convertir el corrent mitjançant interruptors estàtics, que reben el senyal de commutació a través d’un detector de posició del rotor.
Motors pas a pas.
Els motors pas a pas generalment no han estat considerats dins dels accionaments industrials, degut principalment a que els parells per als que eren eren molt petits i els passos entre posicions consecutives eren grans. En els darrers anys s’han millorat notablement les seves característiques tècniques, especialment pel que fa al seu control, la qual cosa ha permès fabricar motors pas a pas capaços de desenvolupar parells suficients en petits passos per al seu ús com accionaments industrials.
Hi ha tres tipus de motors pas a pas:
- d’imants permanents
- de reluctància variable
- híbrids.
En els primers, d’imants permanents, el rotor, que té una polarització magnètica constant, gira per orientar els seus pols d’acord al camp magnètic creat per les fases del estator.
En els motors de reluctància variable, el rotor està format per un material ferro-magnètic que tendeix a orientar de manera que faciliti el camí de les línies de força del camp magnètic generat per les bobines de estator. No conté, per tant, imants permanents. L’estator és similar a un motor DC de escombretes.
La reluctància d’un circuit magnètic és l’equivalent magnètic a la resistència d’un circuit elèctric. La reluctància del circuit disminueix quan el rotor s’alinea amb el pol de l’estator. Quan el rotor està en línia amb el estator el buit entre el rotor i el estator és molt petit. En aquest moment la reluctància està al mínim.
La Inductància del bobinatge també varia quan el rotor gira. Quan el rotor està fora d’alineació, la Inductància és molt baixa, i la corrent augmentarà ràpidament. Quan el rotor s’alinea amb el estator, la Inductància serà molt gran. Aquesta és una de les dificultats del maneig d’un motor de reluctància variable.
Els motors híbrids combinen el mode de funcionament dels dos anteriors.
En els motors pas a pas el senyal de control consisteix en trens de polsos que van actuant rotativa sobre una sèrie d’electroimants disposats a l’estator. Per cada pols rebut, el rotor del motor gira un determinat nombre discret de graus. Per aconseguir el gir del rotor en un determinat nombre de graus, les bobines de l’estator han de ser excitats seqüencial a una freqüència que determina la velocitat de gir. Les inèrcies pròpies de l’arrencada i parada (augmentades per les forces magnètiques en equilibri que es donen quan està aturat) impedeixen que el rotor abast la velocitat nominal instantàniament, per la qual cosa aquesta, i per tant la freqüència dels polsos que la fixa, ha de ser augmentada progressivament. Vegeu més sobre motors pas a pas i el seu control.
Per simplificar el control d’aquests motors existeixen circuits especialitzats que a partir de tres senyals (tren de polsos, sentit de gir i inhibició) generen, a través d’una etapa lògica, les seqüències de polsos que un circuit de commutació distribueix a cada fase.
A continuació hi ha les configuracions bipolar i unipolar respectivament:
El seu principal avantatge respecte als servomotors tradicionals és la seva capacitat per assegurar un posicionament simple i exacte. Poden girar a més de forma contínua, amb velocitat variable, com motors síncrons, ser sincronitzats entre si, obeir a seqüències complexes de funcionament, etc. Es tracta alhora de motors molt lleugers, fiables, i fàcils de controlar, ja que en ser cada estat d’excitació de l’estator estable, el control es realitza en bucle obert, sense la necessitat de sensors de realimentació.
Entre els inconvenients es pot citar que el seu funcionament a baixes velocitats no és suau, i que existeix el perill de pèrdua d’una posició per treballar en bucle obert. Tendeixen a sobrecalentar-se treballant a velocitats elevades i presenten un límit en la mida que poden assolir.
La seva potència nominal és baixa i la seva precisió (mínim angle girat) arriba típicament fins 1.8 °. S’empren per al posicionat d’eixos que no necessiten grans potències (gir de pinça) o per robots petits (educacionals); També són molt utilitzats en dispositius del robot, com taules de coordenades.
Motors de corrent altern.
Aquest tipus de motors no ha tingut aplicació en robòtica fins fa uns anys, a causa fonamentalment a la dificultat del seu control. Tanmateix, les millores que s’han introduït a les màquines síncrones fan que es presentin com un clar competidor dels motors de corrent contínua. Això es deu principalment a tres factors:
- la construcció dels motors síncrons sense escombretes.
- l’ús de convertidors estàtics que permeten variar la freqüència (i així la velocitat de gir) amb facilitat i precisió.
- l’ocupació de la microelectrònica, que permet una gran capacitat de control.
Existeixen dos tipus fonamentals de motors de corrent altern:
- motors asíncrons
- motors síncrons
Motors asíncrons d’inducció
Són probablement els més senzills i robustos dels motors elèctrics.El rotor està constituït per diverses barres conductores disposades paral·lelament l’eix del motor i per dos anells conductors en els extrems. El conjunt és semblant a una gàbia d’esquirol i per això se l’anomena també motor de gàbia d’esquirol. L’estator consta d’un conjunt de bobines, de manera quec uan la corrent altern trifàsica les travessa, es forma un camp magnètic rotatori en les proximitats del estator. Això indueix corrent en el rotor, que crea el seu propi camp magnètic. La interacció entre ambdós camps produeix un parell al rotor. No hi ha connexió elèctrica directa entre estator i rotor.
La freqüència del corrent altern de l’alimentació determina la velocitat a la qual trencada el camp magnètic del estator. El rotor segueix a aquest camp, girant més a poc a poc. La diferència de velocitats s’anomena lliscament. La imatge adjunta exagera l’esllavissada. Si es situa el punter del ratolí en un dels pols del rotor i es segueix es notarà que no trencada com el camp del estator. En l’animació el lliscament és aproximadament el 25%. Un lliscament normal voreja el 5%.
Motors síncrons
El motor síncron, com el seu nom indica, opera exactament a la mateixa velocitat que el camp del estator, sense lliscament.
El induït se situa en el rotor, que té polaritat constant (imants permanents o bobines), mentre que el inductor situat al estator, està format per tres debanats iguals decalats 120 ° elèctrics i s’alimenta amb un sistema trifàsic de tensions. Cal ressaltar la similitud existent entre aquest esquema de funcionament i el del motor sense escombretes.
En els motors síncrons la velocitat de gir depèn únicament de la freqüència de la tensió que alimenta el induït. Per poder variar aquesta precisió, el control de velocitat es realitza mitjançant un convertidor de freqüència. Per evitar el risc de pèrdua de sincronisme s’utilitza un sensor de posició continu que detecta la posició del rotor i permet mantenir en tot moment l’angle que formen els camps del estator i rotor. Aquest mètode de control es coneix com autosíncron o Autopilot.
El motor síncron Autopilot excitat amb un imant permanent, també anomenat motor interpretació, no presenta problemes de manteniment degut a que no té escombretes i té una gran capacitat d’evacuació de calor, ja que els devanado estan en contacte directe amb la carcassa. El control de posició es pot fer sense la utilització d’un sensor addicional, aprofitant el detector de posició del rotor que posseeix el propi motor. A més permet desenvolupar, a igualtat de pes, una potència major que el motor de corrent contínua.
En l’actualitat diversos robots industrials empren aquest tipus d’accionaments amb notables avantatges enfront dels motors de corrent contínua.
En el cas dels motors asíncrons, no s’ha aconseguit resoldre satisfactòriament els problemes de control que presenten. Això ha fet que fins ara no tinguin aplicació en robòtica.
Comparació entre els diferents tipus de actuadors
Com a resum dels actuadors utilitzats en robòtica es presenta la següent taula:
|
Característiques dels diferents tipus de actuadors per robots
|
|
|
Pneumàtics
|
Hidràulics
|
Elèctrics
|
| Energia |
Aire a pressió
(5-10 bar) (5-10 bar) |
Oli mineral
(50-100 bar) (50-100 bar) |
Corrent elèctric |
| Opcions |
Cilindres
Motor de paletes
Motor de pistó |
Cilindres
Motor de paletes
Motor de pistons axials |
Corrent continu
Corrent altern
Motor pas a pas
Servomotor |
| Avantatges |
Barats
Ràpids
Senzills
Robusts |
Ràpids
Alta relació potència-pes
Autolubricants
Alta capacitat de càrrega
Estabilitat enfront de càrregues estàtiques |
Precisos
Fiables
Fàcil control
Senzilla instal·lació
Silenciosos |
| Desavantatges |
Dificultat de control continu
Instal · lació especial (compressor, filtres)
Sorollós |
Difícil manteniment
Instal·lació especial (filtres, eliminació aire)
Freqüents fugues
Cars |
Potència limitada |
