Los actuadores eléctricos, en específico los motores Corriente Directa (CD), son los que más se han utilizado en el diseño y construcción por su fácil instalación, su tecnología de control es muy conocida por lo que permite un control fino de velocidad de par y velocidad.
Los motores de CD dominan el campo de la robótica, tanto estacionaria como móvil, debido tan a que la gran mayoría de los robots tienen varios subsistemas que son alimentados con CD; así como la capacidad que tienen y el sencillo sistema control eléctrico-electrónico para paro, arranque e inversión de giro [II.12].
El motor eléctrico es un dispositivo electromotriz, esto quiere decir que convierte la energía eléctrica en energía motriz. Todos los motores disponen de un eje de salida para acoplar un engranaje, polea o mecanismo capaz de transmitir el movimiento generado por el motor. El funcionamiento de un motor se basa en la acción de campos magnéticos opuestos que hacen girar el rotor (eje interno) en dirección opuesta al estator (imán externo o bobina), con lo que si sujetamos por medio de soportes o bridas la carcasa del motor el rotor con el eje de salida será lo único que gire [II.13].
II.4.1.1- Servomotores
El servomotor es un pequeño pero potente dispositivo que dispone en su interior de un pequeño motor con un reductor de velocidad y multiplicador de fuerza, también dispone de un pequeño circuito que gobierna el sistema. El recorrido del eje de salida es de 180º en la mayoría de ellos, pero
puede ser fácilmente modificado para tener un recorrido libre de 360º y actuar así como un motor [II.13].
El control de posición lo efectúa el servomotor internamente mediante un potenciómetro que va conectado mecánicamente al eje de salida y controla un PWM (modulador de anchura de pulsos) interno para así compararlo con la entrada PWM externa del servo, mediante un sistema diferencial, y así modificar la posición del eje de salida hasta que los valores se igualen y el servo pare en la posición indicada, en esta posición el motor del servo deja de consumir corriente y tan solo circula una pequeña corriente hasta el circuito interno, si forzamos el servomotor (moviendo el eje de salida con la mano) en este momento el control diferencial interno lo detecta y envía la corriente necesaria al motor para corregir la posición [II.14]
Para controlar un servo tendremos que aplicar un pulso de duración y frecuencia específicas. Todos los servos disponen de tres cables dos para alimentación (voltaje y neutro) y otro cable para aplicar el tren de pulsos de control que harán que el circuito de control diferencial interno ponga el servo en la posición indicada por la anchura del pulso [II.13].
II.4.2.- Sensores
Un sensor es un dispositivo que genera una señal de una determina forma física convertible en otra señal de una forma física diferente. El elemento que realiza dicha conversión se suele denominar transductor. También se considera al dispositivo o elemento que convierte una variable física no eléctrica en otra eléctrica, que en algunos de sus parámetros (Frecuencia, nivel de tensión, nivel de corriente) contiene información correspondiente a la primera [II.15].
La tecnológica sensorial para la captación del movimiento humano más adecuada para redes de sensores es la utilizada por los sensores inerciales. Un sensor inercial está compuesto generalmente por un sistema de acelerómetros lineales. Existen versiones más completas en las que se incluyen además de los acelerómetros, giroscopios y otro sensor para brindar una referencia en el plano transversal [II.10], así como sensores de posición angular que son los enconders y resolver.
Salida digital Marca de cero Fotoreceptores LED emisor Eje de giro Encoders
Un encoder es un sensor electro-opto-mecánico que unido a un eje proporciona información de la posición angular. Su fin es actuar como un dispositivo de realimentación en sistemas de control integrado, existen dos tipos de encoder, los incrementales y los absolutos [II.7]:
Encoder incremental.- Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su posición, contando el número de impulsos que se generan cuando un rayo de luz es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje (Figura II.4).
Figura II.4.- Encoder incremental [II.7]
Encoder absoluto.- En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y transparentes codificadas en código Gray.
El estator tiene un fotorreceptor por cada bit representado en el disco, el valor binario obtenido de los fotorreceptores es único para cada posición del rotor y representa su posición absoluta. Se utiliza el código Gray en lugar de un binario clásico porque en cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando errores por falta de alineación de los captadores (Figura II.5).
LED Emisor Lente de colimación Lentes cilíndricos Disco codificado Fotorreceptores
Disco codificado de 8 bits Para un encoder con n bandas en el disco, el rotor permite 2^n combinaciones, por lo cual la resolución será 360° dividido entre los 2^n sectores; Por ejemplo para encoders de 12 y 16 bits se obtiene una resolución angular de 0.0879° y 0.00549° respectivamente, por lo que la resolución angular = 360°/2^n. Generalmente, los encoders incrementales proporcionan mayor resolución a un costo más bajo que los encoders absolutos. Además, su electrónica es más simple ya que tienen menos líneas de salida.
Figura II.5.- Encoder absoluto [II.7] II.5.- Metodología de diseño
La ciencia como actividad pertenece a la vida social cuando es aplicada para mejorar el medio natural y artificial en el que se desenvuelve el hombre, dando origen a la invención y manufactura de bienes materiales y culturales, que por lo general, la ciencia transforma en tecnología. Lo anterior se simplifica en un sistema de ideas establecidas provisionalmente como conocimiento científico, y como actividad productora de nuevas ideas llamado investigación científica, dando origen a la metodología de diseño [II.6].
Nigel Cross define metodología de diseño como “el estudio de los principios, prácticas y
procedimientos de diseño en un sentido amplio. Su objetivo central está relacionado con el cómo diseñar, e incluye el estudio de cómo los diseñadores trabajan y piensan; el establecimiento de estructuras apropiadas para el proceso de diseño; el desarrollo y aplicación de nuevos métodos, técnicas y procedimientos de diseño; y la reflexión sobre la naturaleza y extensión del conocimiento
Método hace referencia a la manera cómo una persona (un ingeniero de diseño, en este caso), realiza su tarea (diseñar); las técnicas son las herramientas que utiliza tal persona para aplicar su método; el modelo es la forma de representar el método, con el fin de estudiarlo y comprenderlo; la metodología es el estudio formal del método. De esta manera, mientras que las técnicas son herramientas para el método, el modelo lo es para la metodología [II.16].
Cross [II.17] clasifica los modelos de diseño en dos grupos: descriptivos y prescriptivos. Los
modelos descriptivos muestran la secuencia de actividades que ocurren en diseño, dentro de los cuales se puede mencionar el modelo básico y el modelo de French. Los prescriptivos, como su nombre lo indica, prescriben un patrón de actividades de diseño, como lo intentan Archer, Pahl y
Beitz, el modelo alemán VDI 2221, el de March y el de Pugh entre otros [II.16].
Mientras que Takeda citando a Finger y Dixon adiciona dos más: cognitivos y computacionales donde los cognitivos, explican el comportamiento del diseñador y los computacionales, expresan la forma en que un ordenador podría desarrollar la tarea de diseño [II.16].