Mecatrónica en movimiento
Artículo escrito por Simon Duggleby, Senior Product Marketing Manager de RS Components.
En 1768, el relojero suizo Pierre Jaquet-Droz se dio cuenta de que necesitaba una forma de aumentar las ventas. Junto con su hijo y un músico, Jean-Frédéric Leschot, construyó tres intrincados robots mecánicos. El más complejo podía controlarse con una rueda para escribir letras en función de los ajustes realizados en 40 levas.
Con la tecnología del siglo XVIII, Jaquet-Droz y sus colegas tuvieron que limitarse a engranajes mecánicos, palancas y poleas. Pero aun así consiguieron crear autómatas que siguen cautivando a los visitantes del museo en Neuchâtel donde se exhiben. Los fabricantes de robots actuales tienen muchas más opciones a su disposición. Los dispositivos como el motor paso a paso pueden parecer la opción evidente para integrar movimiento en los sistemas. Pero con frecuencia hay casos en los que tiene sentido emplear otra tecnología. Incluso los materiales gelatinosos pueden ser un impulso en el movimiento programable.
En robótica y aplicaciones mecatrónicas similares, el motor paso a paso sigue siendo una opción popular. El movimiento no necesita ser rotativo. Los tornillos sinfín y los componentes mecánicos similares, como los que fabrican Igus y Thomson Linear, convierten la rotación del motor en movimiento lineal. Los motores como el motor paso a paso de imanes e bobinado bipolar de Faulhaber se suelen suministrar con tornillos integrados tipo sinfín.
El motor paso a paso se basa en el motor DC, que rota siempre que se aplique una corriente, pero permite moverse fácilmente a una posición rotativa fija antes de detenerse. Este enfoque permite aplicaciones en las que se requiere un posicionamiento y un control de velocidad precisos.
El motor paso a paso se diseña alrededor de un estator fijo que emplea varios bobinados independientes. Este motor controla la posición de un rotor que utiliza materiales magnéticos permanentes o sus propios bobinados para formar un imán cuando se aplica corriente. Los bobinados fijos se utilizan para generar campos magnéticos de forma dinámica en dos o más posiciones alrededor del estator.
Cuando se aplica energía al motor, el rotor imantado rota hasta la posición más estable que encuentra, alineando su propio campo magnético de la bobina activa en el estator. Cuando llega el momento de moverse a otra posición, se retira la energía de la bobina, que es sustituida por otra, lo que fuerza al rotor a moverse de nuevo. Los motores paso a paso, como el RS Pro Hybrid, ofrecen ángulos de paso discretos de tan solo 0,9°. Sin embargo, la precisión del posicionamiento de los motores paso a paso no se limita a los pasos discretos. Los micropasos del microprocesador o el control lógico permiten crear sistemas de posicionamiento de alta precisión con ángulos de paso efectivos arbitrarios.
En lugar de retirar por completo la corriente de una bobina a la vez que se suministra energía a otra, en los micropasos la corriente se reduce en una mientras aumenta en la otra. El control del equilibrio de corriente permite implementar pasos virtuales más pequeños entre los pasos completos que se implementan físicamente.
Aunque el motor paso a paso permite un control del movimiento casi continuo a través de micropasos, puede presentar desventajas cuando es importante contar con una alta velocidad. Los motores con frecuencia se utilizan a bajas velocidades para ofrecer un control y un par máximos. Sin embargo, algunos productos como el motor paso a paso de imanes de disco Portescap pueden lograr una alta aceleración y velocidades de rotación de más de 10.000 rpm.
Un diseño continuamente variable como un motor sin escobillas puede ofrecer la combinación de par alto y posicionamiento preciso. Tradicionalmente, se utilizaban motores AC en las aplicaciones debido a su coste relativamente bajo en los casos en los que la precisión del movimiento no era una prioridad. Los problemas de par a baja velocidad han llevado a un aumento de las cantidades de capacidad de procesamiento de los motores AC. En la actualidad, las técnicas de control vectorial se utilizan ampliamente para mejorar la eficiencia de los motores AC y su par a baja velocidad, y han convertido gradualmente los motores AC sin escobillas en una solución interesante en las situaciones en las que se requieren una alta potencia y precisión.
En el control vectorial, un modelo matemático de los campos magnéticos del motor se actualiza muchas veces cada segundo para proporcionar un cálculo estimado de la relación entre la tensión, la velocidad y el par dentro del motor. Los algoritmos de control de lazo cerrado ajustan los niveles de tensión y corriente de forma dinámica en cada uno de los enrollados que hay dentro del motor, no solo para maximizar el par, sino también para mover el rotor a posiciones específicas. Una ventaja de estas técnicas de control es que los cálculos estimados suelen ser lo suficientemente precisos para prescindir del uso de sensores de posición adicionales, lo que ayuda a reducir el coste general del sistema. El requisito clave es un procesador de alto rendimiento, como el procesador integrado ADSP-BF547 Blackfin de Analog Devices, además de controladores de sistema en chip (SoC) específicos, que simplifican la implementación de control vectorial para los usuarios. Entre los ejemplos se incluyen la gama de SoC TMPM370 de Toshiba, que combina un núcleo de procesador ARM Cortex-M3 con un coprocesador de control vectorial específico e interfaces de controlador de motor.
Para situaciones en las que se requiere menos fuerza pero es esencial una alta precisión en ambas direcciones, el accionador de bobina de voz es una buena elección. El accionador de bobina de voz es una implementación del principio de fuerza de Lorentz. Este determina que la fuerza de un conductor que transmite corriente en un campo magnético es proporcional a la fuerza del campo y la corriente.
El motor VCA se ha convertido en la elección para sistemas de mecatrónica diminutos, como los mecanismos de enfoque de las lentes de las cámaras de smartphones. Esto se debe a que al cambiar la dirección de la corriente se invierte la dirección de la fuerza. Como resultado, el accionador de bobina de voz se convierte en un accionador bidireccional de alta precisión que es capaz de soportar el proceso iterativo de tipo búsqueda binaria que permite a la lente de una cámara enfocar automáticamente. Además del diseño rotativo que se encuentra en las lentes, existen versiones lineales.
En términos eléctricos, los accionadores de bobina de voz son motores monofásicos y, por tanto, se pueden controlar de la misma forma que los motores DC sencillos. Tienden a ofrecer un buen rendimiento en cuanto a ruido audible, de ahí su uso en dispositivos móviles, además de una baja histéresis.
Un enfoque diferente del control del movimiento consiste en utilizar gas o líquido a presión para empujar los pistones. Debido a que son menos propensos a fugas de líquidos, los sistemas neumáticos suelen usarse más en los sistemas de mecatrónica más pequeños. Aunque se suele asociar a controladores industriales de gran tamaño, el control del movimiento neumático permite crear robots que se mueven de forma similar a los humanos y animales.
Los pistones se pueden implementar a lo largo de extremidades articuladas para que actúen como músculos artificiales. Se han utilizado, por ejemplo, en robótica para rehabilitación con el fin de ayudar a las personas a recuperarse de lesiones graves en las extremidades, a ponerse de pie y moverse o a ofrecer resistencia en ejercicios de fisioterapia.
En muchas situaciones, no es necesario el control continuo del movimiento. El movimiento puede consistir simplemente en abrir o cerrar una válvula, una acción que puede formar parte de un sistema hidráulico o neumático. En este caso la solución es un solenoide, que se compone de una bobina conductora envuelta alrededor de un armazón metálico móvil. El solenoide utiliza la ley de inducción de Faraday: el armazón se mueve en una dirección que aumenta la inductancia de la bobina.
Por lo general, la aplicación de una fuerza al solenoide obliga al armazón a moverse a una nueva posición. Una configuración habitual es un solenoide normalmente desconectado en una válvula: el armazón bloquea el flujo cuando no se aplica corriente. Cuando se introduce corriente, el armazón se mueve a una posición que permite el flujo de fluido o gas. Un ejemplo de este tipo de solenoide diseñado para control neumático es el Parker Viking Extreme G.
Aunque muchos solenoides están diseñados para estados de activación-desactivación simples, también se utilizan solenoides proporcionales en algunos diseños para disponer de control variable. El solenoide proporcional equilibra la fuerza máxima que se puede aplicar mediante una corriente contra un resorte. Empezando desde los niveles más bajos, al aumentar la corriente de forma gradual el solenoide se mueve hasta su máximo alcance. Un problema del solenoide proporcional es la histéresis: al mantener la corriente en un determinado nivel el armazón no se restaura necesariamente al mismo punto que había alcanzado cuando la corriente subió a dicho nivel. Cuando se requiere una histéresis baja, posiblemente la mejor elección sea un accionador de bobina de voz lineal.
De cara al futuro, los innovadores materiales como los hidrogeles ofrecerán otras formas de control del movimiento. Algunos hidrogeles basados en polímeros pueden aportar grandes cambios de volumen cuando se aplica un campo eléctrico. Esto los hace útiles en situaciones en las que se requiere un músculo artificial o cuando la amortiguación activa junto al movimiento es una ventaja. Sin embargo, estos materiales están aún dando sus primeros pasos y los sistemas electromecánicos antes descritos seguirán siendo las opciones clave para los diseñadores de mecatrónica en un futuro cercano. No obstante, parece claro que hay muchas opciones disponibles gracias a la combinación de electrónica y mecánica, y cada una tiene sus propias ventajas para cada caso concreto.