Fundamentos de Robótica y Biorobótica

1. ¿Qué es la Biorobótica?

Es una ciencia interdisciplinaria que combina la robótica, la ingeniería biomédica y la cibernética para crear tecnologías que imitan o interactúan con la biología humana y de otros seres vivos.

2. ¿Qué elementos forman un robot?

Los componentes principales de un robot son:

• Estructura mecánica
• Transmisiones y reductores
• Sistema de accionamiento o actuadores
• Sistema sensorial
• Sistema de potencia y control
• Elementos terminales (efectores finales)
• Computadoras

3. ¿Cuáles son los tres subsistemas de un sistema robótico?

Un sistema robótico se compone de tres subsistemas fundamentales:

1. Subsistema de movimiento
2. Subsistema de reconocimiento
3. Subsistema de control

4. ¿Qué es el subsistema de movimiento?

Es la estructura física del robot, análoga a los brazos humanos, que se encarga de realizar el movimiento deseado. Está compuesto por elementos como:

• Transmisiones
• Reductores
• Accionamientos directos
• Motor actuador
• Etapa final (grippers o pinzas)
• Actuador
• Mecanismos de eslabones

5. ¿Qué es el subsistema de reconocimiento?

Es el encargado de utilizar diferentes sensores para recabar información sobre el propio robot, sobre cualquier objeto que va a ser manipulado y sobre el ambiente de trabajo. Este subsistema reconoce el estado del robot, de los objetos y del entorno.

6. ¿Qué es el subsistema de control?

Regula el movimiento del robot con el fin de lograr una determinada tarea, utilizando la información proporcionada por el subsistema de reconocimiento.

Actuadores: Conceptos Generales

1. ¿Qué es un actuador?

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía (hidráulica, neumática o eléctrica) en la activación de un proceso, con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado.

2. ¿Qué tipo de actuadores se usaron en los primeros robots Unimate?

Se utilizaron actuadores hidráulicos.

3. ¿Cuáles son las clasificaciones de los actuadores?

Según la literatura robótica, los actuadores se clasifican principalmente en tres tipos:

• Neumáticos
• Hidráulicos
• Eléctricos

Otras clasificaciones más amplias incluyen también los electrónicos y mecatrónicos.

4. ¿Qué características tienen los actuadores o sistemas de accionamiento?

Las características clave a considerar son:

• Potencia
• Controlabilidad
• Peso y volumen
• Precisión
• Velocidad
• Mantenimiento
• Costo

Comparativa de Sistemas de Accionamiento

Sistemas Hidráulicos

• Energía: Aceite mineral a presión (50-100 bar).
• Opciones de actuadores: Cilindros, motor de paletas, motor de pistones axiales.
• Ventajas: Rápidos, alta relación potencia-peso, autolubricantes, alta capacidad de carga, estabilidad frente a cargas estáticas.
• Desventajas: Mantenimiento difícil, requieren instalación especial, frecuentes fugas, son caros.

Sistemas Neumáticos

• Energía: Aire comprimido (5-10 bar).
• Opciones de actuadores: Cilindros, motor de paletas, motor de pistón.
• Ventajas: Baratos, rápidos, sencillos y robustos.
• Desventajas: Dificultades de control continuo, requieren instalación especial, son ruidosos.

Sistemas Eléctricos

• Energía: Corriente eléctrica.
• Opciones de actuadores: Motor de CD, motor de CA, motor paso a paso.
• Ventajas: Precisos, fiables, de fácil control, instalación sencilla y silenciosos.
• Desventajas: Potencia limitada en comparación con los otros sistemas.

Actuadores Neumáticos

1. ¿Qué es un actuador neumático?

Es un dispositivo capaz de transformar energía neumática en la activación de un proceso para generar un efecto sobre un sistema automatizado. Trabajan con presiones de entre 5 y 10 bar (72.5 y 145 PSI).

2. Tipos de actuadores neumáticos según el movimiento

• Lineales: Producen un movimiento en línea recta. Ejemplos: cilindros de simple efecto y doble efecto.
• Rotacionales: Generan un movimiento de giro. Ejemplos: actuadores de una veleta, multiveletas, de pistón, de ranura vertical y de émbolo.
• Oscilantes y otros: Incluyen fuelles, diafragmas y músculos artificiales.

3. ¿Qué es un motor neumático?

Produce un movimiento rotacional que puede transmitirse desde un eje giratorio. Se puede acoplar a engranajes de tipo planetario, dentado o sin fin.

4. Cilindros o Pistones Neumáticos

Es un actuador que tiene un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos, juntas o anillos.

• Carrera: Es la longitud o recorrido del vástago.
• Tipos de cilindros: Con vástago (simple efecto, doble efecto) y sin vástago (plataforma).
• Pistón de simple efecto: Realiza una sola maniobra con aire y se controla comúnmente con una válvula 3/2.
• Pistón de doble efecto: Realiza dos maniobras con aire (avance y retroceso) y se controla con válvulas 4/2, 5/2, 4/3 o 5/3.

5. Válvulas Neumáticas

La nomenclatura de las válvulas se rige por normas como ISO 1219 y DIN 24300.

• Número de vías: Representa el número de orificios de entrada y salida.
• Número de posiciones: Generalmente son dos (reposo y trabajo) o tres (incluyendo una posición neutra).
• Lectura: Se leen como ‘Número de vías / Número de posiciones’ (ej. 3/2, 5/2).

Actuadores Hidráulicos

1. ¿Qué es un actuador hidráulico?

Es un dispositivo que transforma energía hidráulica (generalmente aceite mineral a presiones de 50 a 100 bar) en energía mecánica. Por su elevada capacidad de carga, han sido muy utilizados en robótica.

2. Características de los sistemas hidráulicos

• Ventajas: Permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares, son autolubricantes y robustos.
• Desventajas: Posibles fugas de aceite, instalación complicada y necesidad de equipos especiales.

3. Cilindros Hidráulicos

Son actuadores lineales que convierten la energía hidráulica en energía mecánica.

• Cilindro de simple efecto: La presión del fluido se aplica a un lado del pistón para el movimiento de avance. El retorno se realiza por una fuerza externa o un resorte.
• Cilindro de doble efecto: La presión del fluido se aplica a ambos lados del pistón, permitiendo controlar tanto el avance como el retroceso.

4. Motores Hidráulicos

Son actuadores rotatorios que convierten la energía hidráulica en energía mecánica. Se dividen en motores de engranes, de paletas y de pistones. Se controlan con válvulas 2/2, 4/2 o 4/3.

Actuadores Eléctricos: Motores de Corriente Directa (CD)

1. ¿Qué es un motor de CD?

Es una máquina que convierte energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica mediante un movimiento rotatorio.

2. Clasificación de los motores de CD

• Excitación independiente: La alimentación del rotor y del estator proviene de fuentes de tensión independientes.
  • De imán permanente
  • De electroimán
• Autoexcitados: La alimentación del campo proviene de la misma fuente que la armadura.
  • Conexión en serie
  • Conexión en paralelo (Shunt)
  • Conexión compuesta (Compound)

3. Motor de CD de Imán Permanente

Utiliza un imán permanente como inductor (estator). Sus partes principales son: imán, rotor, electroimanes, eje, colector, escobillas y carcasa.

• Ventajas: Tamaño reducido, eficiente, sin riesgo de embalamiento por falla de campo.
• Desventajas: Costo elevado de los imanes, inestabilidad a altas velocidades, mantenimiento elevado.

4. Motor de CD en Serie

Las bobinas de la armadura y del campo están conectadas en serie.

• Características: Par de arranque muy alto, resistencia baja, velocidad alta sin carga. Al aumentar la velocidad, el par decrece.
• Inversión de giro: Invertir la polaridad mientras está en marcha no afecta la dirección del giro.

5. Motor de CD en Paralelo (Shunt)

Las bobinas de la armadura y del campo están conectadas en paralelo.

• Características: Par de arranque bajo, velocidad mucho menor sin carga, buena regulación de velocidad.
• Inversión de giro: Se debe invertir la polaridad de la armadura o del campo, pero no ambas.

6. Motor de CD Compuesto (Compound)

Tiene dos devanados de campo: uno en serie con la armadura y otro en paralelo. Busca combinar las mejores características de los motores serie y paralelo.

Glosario de Acrónimos y Símbolos

• A, B, C: Circuitos de trabajo (en válvulas)
• Al: Aluminio
• CA: Corriente Alterna
• CD: Corriente Directa
• CC: Corriente Continua
• Co: Cobalto
• DCV: Directional Control Valves (Válvulas de Control Direccional)
• DIN: Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemán de Normalización)
• Fe: Hierro
• GMC: General Motors Company
• ISO: International Organization for Standardization (Organización Internacional de Normalización)
• Kg: Kilogramos
• kW: Kilowatts
• L/s: Litros por segundo
• mm: Milímetros
• MPa: Megapascales
• NA / NO: Normalmente Abierto / Normally Open
• NC: Normalmente Cerrado / Normally Closed
• Ni: Níquel
• Nm: Newton metro
• P: Alimentación de entrada (compresor)
• PDE: Pistón Doble Efecto
• PSE: Pistón Simple Efecto
• PSI: Pounds per Square Inch (Libras por Pulgada Cuadrada)
• R, S, T: Escape a la atmósfera (en válvulas)
• RPM: Revoluciones Por Minuto
• T: Tanque (en hidráulica)
• Unimate: Universal Machine Transference
• X, Y, Z: Conexiones de pilotaje (en válvulas)

Etiquetas: actuadores, Biorobótica, Robótica, Sistemas Robóticos