Sirp motores de corriente continua afg (1)

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ACTUADORES EN ROBÓTICA Grupo SIRP (Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) Departamento de Electrónica – Pontificia Universidad Javeriana – Bogotá Contacto: [email protected] , [email protected]

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Las actividades que se presentarán a través de este medio, son desarrolladas por el grupo de investigación Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción -SIRP- del Departamento de Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana.

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ACTUADORES EN ROBÓTICA

Grupo SIRP (Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción)Departamento de Electrónica – Pontificia Universidad Javeriana – Bogotá

Contacto: [email protected], [email protected]

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INTRODUCCIÓN

Las actividades que se presentarán a través de este medio, son desarrolladas por el grupo de investigación Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción -SIRP- del Departamento de Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana. El objetivo principal del proyecto que se realiza en conjunto con la Fundación Telefónica es acercar a los usuarios a la robótica a través de prácticas sencillas que se puedan replicar. Este proyecto está dirigido a todas las personas interesadas en la robótica y la tecnología, especialmente a niños y jóvenes en edad escolar, para motivar el aprendizaje tradicional a través del uso de la robótica.

alejandroforero
Cual es el objetivo principal del trabajo con Fundación telefónica??
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CONTENIDO

• ACTUADORES– DEFINICIÓN– ELEMENTOS QUE COMPONEN UN ACTUADOR– CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES SEGÚN EL TI

PO DE ENERGÍA EMPLEADA– VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE ACTU

ADOR

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• MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.– USO EN LA ROBÓTICA– CAJA REDUCTORA– CONTROL DE VELOCIDAD– ESPECIFICACIONES– MOTOR DC SIMPLE VS MOTOR DC

CON CAJA REDUCTORA– ENGRANAJES– LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

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• TALLERES– VELOCIDAD DEL MOTOR VS VOLTAJE– TORQUE– RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

• CONCLUSIONES

• BIBLIOGRAFÍA

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DEFINICIÓN DE ACTUADORES

• Los actuadores son dispositivos que convierten órdenes en acciones. Para el caso del motor, la orden puede ser “avanzar” y la acción que realiza el actuador, en este caso un motor, es girar.

• Los actuadores pueden verse como transductores; por ejemplo, el motor convierte energía eléctrica (se conecta a una fuente de alimentación) en energía mecánica rotacional (movimiento)

• Un transductor es cualquier elemento que convierte una forma de energía en otra forma de energía.

• Existen diferentes tipos de actuadores: eléctricos, neumáticos, etc.

Definición tomada de: Somolinos Sánchez, José Andrés. Avances en robótica y visión por computador. Universidad de Castilla-La Mancha, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, 2002, p. 84

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ELEMENTOS QUE COMPONEN UN ACTUADOR

• En un actuador eléctrico, para robótica se tiene:– Entrada: Un tipo de energía a través de dispositivos de conexión. Por

ejemplo, un motor se conecta a una fuente de energía eléctrica a través de cables

– Conversión: Aquí ocurre la transformación de energía. En el caso del motor, se transforma la energía eléctrica a energía mecánica, con base en principios físicos

– Salida: Otro tipo de energía. En el caso del motor es el movimiento rotacional

• En un caso más complejo, se pueden acoplar otros elementos al actuador, tales como un sistema de engranajes para la transmisión de movimiento, reducción o multiplicación de velocidades.

Entrada: Fuente de energía

Conversión Salida

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CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES SEGÚN EL TIPO DE ENERGÍA EMPLEADA

ACTUADORES

Neumáti cos Hidrául icos Eléctr icos

Se dividen en

La fuente de energía es el aire

a presión

La fuente de energía es un fl uido

(aceite mineral)

La fuente de energía es la electric idad

Ci l indros neumáti cos

Motores neumáti cos

Válvulas neumáti cas y electro-neumáti cas

Motores de corriente conti nua

Motores de corriente alterna

Motores paso a paso

Ci l indros hidrául icos

Motores hidrául icos

Válvulas hidrául icas y electro- hidrául icas

Por ejemplo Por ejemplo Por ejemplo

Figura 1. Clasificación de los actuadores según el tipo de energía empleada.

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE ACTUADOR

TIPO DE ACTUADOR VENTAJAS DESVENTAJAS

Neumático •Bajo costo•Rapidez,• Sencillos •Robustos

• Requieren de instalaciones especiales•Ruidosos

Hidráulico •Rápidos•Alta capacidad de carga •Presentan estabilidad frente a cargas estáticas.

•Requieren instalaciones especiales.•Son de difícil mantenimiento. •Resultan poco económicos.

Eléctrico •Precisos y fiables.•Silenciosos.•Su control es sencillo •Son de una fácil instalación

• Potencia limitada

La construcción del mapa conceptual y el cuadro comparativo fue basada en el tema de actuadores del libro Somolinos Sánchez, José Andrés. Avances en robótica y visión por computador. Universidad

de Castilla-La Mancha, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, 2002, p. 84

Figura 2. Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de cada tipo de actuador

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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

• En robótica se utilizan frecuentemente los motores de corriente continua (motor DC) por la facilidad de controlarlos y su fácil interconexión.

Figura 3. Motores de corriente continua.

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USO DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA EN LA ROBÓTICA

En robótica, los motores de corriente continua (motores DC) se usan comúnmente en:

• Aplicaciones de velocidad variable. – El motor DC se alimenta con una fuente de voltaje

variable.

• Aplicaciones que requieran un control de posición.– Para medir la posición, el motor tiene un sensor de

posición

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VELOCIDAD DE GIRO

• La velocidad de giro de un motor se mide en rpm (revoluciones por minuto). Esto significa cuántas vueltas da el eje del motor en un minuto.

Para comprender mejor este concepto, se pueden revisar las siguientes animaciones:

http://www.fisica-basica.net/David-Harrison/castellano/ClassMechanics/RollingDisc/RollingDisc.htmlhttp://www.fisica-basica.net/David-Harrison/castellano/ClassMechanics/RotatingWheel/RotateWithOmega.html

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TORQUE

• El torque indica la fuerza que puede ejercer un motor para levantar o mover un objeto a una distancia determinada

Objeto

Motor

Figura 4. Motor que ejerce un torque.

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VELOCIDAD DE GIRO Y TORQUE EN UN MOTOR DC

• Una desventaja de los motores DC, comúnmente empleados en la construcción de robots, es que su velocidad está entre 2000 y 7000 rpm y su torque es pequeño.

• Los robots trabajan adecuadamente a 200 rpm aproximadamente. Imagine que se le pone a un carrito (a control remoto) motores que dan 2000 vueltas en un minuto, si quiere alcanzarlo tiene que correr detrás de él. Con una menor velocidad, es posible tenerlo a la vista y para alcanzarlo solo debe caminar tras él.

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LOS ENGRANAJES

Los engranajes son piezas mecánicas que consisten en un disco con dientes en las orillas. Permiten transmitir torque de un eje a otro, modificar la velocidad de rotación, invertir la dirección de rotación, convertir el movimiento rotacional a un desplazamiento lineal y sincronizar el movimiento de dos ejes.

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CAJA REDUCTORA• Para disminuir la velocidad de giro de un motor, se hace necesario

emplear cajas reductoras. Al mismo tiempo, con una caja reductora se soluciona el problema del bajo torque, incrementándolo.

• Las cajas reductoras son un sistema de engranajes conectados al eje del motor

Figura 5. Tren de engranajes

Figura 6. Caja reductora

Tomado de http://www.cruiserheads.com/site/tecnica_mecanico/tips_winches/winch_03.jpg

Figura 7. Motor de corriente continua con caja reductora.

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CONTROL DE VELOCIDAD

• Una forma de controlar la velocidad de un motor de corriente continua es variando el valor de la fuente de alimentación del motor.

• La fuente de alimentación le provee energía eléctrica (voltaje) que es transformada en energía mecánica (movimiento)

• Mientras mayor es el voltaje, el motor se mueve más rápido, su velocidad de giro es mayor y viceversa.

VIDEO

• Se debe tener cuidado de no exceder el voltaje límite (nominal) del motor, que lo especifica el fabricante y generalmente viene marcado en el empaque del motor.

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ESPECIFICACIONES

Los motores cuentan con especificaciones que deben ser tomadas en cuenta al momento de adquirirlos. Entre las características más importantes están: voltaje (de alimentación), torque, velocidad.

• Voltaje: se refiere a la energía eléctrica necesaria para mover el motor. Los motores pequeños operan generalmente en un rango de 1.6 a 6 voltios. Algunos motores de alta calidad son diseñados para un voltaje específico que normalmente es de 12 V ó 24 V

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CARACTERÍST

ICA

•Mayor torque

•Velocidad 200 rpm ( según la relación de los engranajes de la caja reductora)

COSTOS

•Se pueden conseguir en tiendas especializadas.

•Son costosos.

característi

cas

•Bajo torque

•Velocidades entre 2000 y 7000 rpm

COSTOS

•Se pueden conseguir en cualquier ferretería.

•Son económicos.

MOTOR DC CON CAJA REDUCTORA VS MOTOR DC SIMPLE

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA CON CAJA REDUCTORA

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SIMPLE

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ω1

ω2

R1

R2Engranaje 1

Engranaje 2

Es la relación entre las velocidades de rotación de dos engranajes conectados entre sí, debida a la diferencia de radios de las dos ruedas.

Figura 8. Sistema de dos engranajes circulares

LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

R1 es el radio del engranaje de entrada. R2 es el radio del engranaje de salida. ω1 es la velocidad angular de entradaω2 es la velocidad angular de salida transmitida

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LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

• Esta relación implica una diferencia entre las velocidades de rotación de ambos ejes y se puede verificar mediante el concepto de velocidad angular.

• Si la relación entre el radio del engranaje 1 y el del engranaje 2 es mayor que 1, la velocidad angular aumenta, si la relación de transmisión es menor que 1, la velocidad angular disminuye

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TALLER 1: VELOCIDAD DEL MOTOR VS VOLTAJE

• Se tiene un disco de colores, acoplado al eje de un motor. En este caso, se varía el voltaje de alimentación del motor, con el fin de observar el efecto respecto a la velocidad de rotación.

Figura 18. Material para el desarrollo de la actividad

Motor con caja reductora

Disco con franjas de diferente color

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MontajeAcoplamos el disco de colores al eje del motor DC con caja reductora. Conectamos los cables de alimentación del motor a una fuente de voltaje variable.

Figura 19. Material para el desarrollo de la actividad

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VIDEOS

http://www.youtube.com/watch?v=LLf3q6xXqGIhttp://www.youtube.com/watch?v=GP62Pxq_5akhttp://www.youtube.com/watch?v=_FW4oa5IG1khttp://www.youtube.com/watch?v=Pn3wMq93J2A

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ANÁLISIS

• Como se puede ver en los videos, tenemos un disco en cartón, con varios colores y un motor con caja reductora. El máximo voltaje con el que se puede alimentar este motor es de 6 Vdc. Al variar el voltaje desde 1Vdc hasta 6Vdc, se puede ver que el disco gira más rápido.

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• Si ahora cambiamos el motor, a uno sin caja reductora, tenemos varios fenómenos. En primer lugar, este motor se puede alimentar hasta con 12 Vdc, sin embargo, presenta una gran inercia y por tanto es más difícil apreciar la relación entre la variación del voltaje y la variación de velocidad. Una vez este motor arranca adquiere cierta velocidad, mayor a la que se tenía con el motor con caja reductora. Además, aparte de las observaciones que se tienen en cuanto al comportamiento de los motores, se observa que mientras más rápido gira el disco, se tiende a ver un solo color que se acerca al blanco. Esto se debe a que el ojo capta los colores con cierta longitud de onda, mientras el motor gira más rápido, ocurre una superposición de las ondas que se aprecian.

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CONCLUSIONES

• La intención de la actividad realizada es ilustrar los conceptos de actuador y caja reductora puesto que luego se utilizarán en otros proyectos relacionados con robótica.

• Si se desea realizar en casa un montaje como este para comprobar los resultados aquí presentados, se puede construir una estructura con material reciclado para fijar los motores. Por ejemplo, se puede utilizar madera o algunos pedazos de aluminio (rieles de cortina), los engranajes se pueden obtener de equipos dañados, tales como equipos de música, que ya no funcionen más. Las fuentes de alimentación pueden ser pilas del voltaje deseado o transformadores (cargadores de celular u otros).

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TALLER 3: RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

Este taller consiste en realizar un montaje con varios motores, para explicar los conceptos de actuador, caja reductora, engranajes y relación de transmisión. Se tienen 3 casos cuyos montajes se muestran a continuación:

Montaje 1: Motor acoplado al eje directamenteMontaje 2: Motor con un engranajes. Multiplicador Montaje 3: Motor con un engranajes. Reductor

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• Un peso es conectado directamente al motor DC por medio de una polea

Motor DC

Polea

Peso

MONTAJE 1: Motor acoplado al eje directamente

Figura 9. Montaje 1

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Motor DC

Polea

Peso

MONTAJE 2: Motor con un engranajes. Multiplicador

• El engranaje de mayor diámetro se acopla al eje del motor

• Esta configuración de engranajes multiplica la velocidad angular del motor DC

engranaje 1

engranaje 2

Figura 10. Montaje 2

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Motor DC

Polea

Peso

engranaje 1

MONTAJE 3: Motor con un engranajes. Reductor

• El engranaje de menor diámetro se acopla al eje del motor

• Esta configuración de engranajes reduce la velocidad angular del motor DC

engranaje 2

Figura 11. Montaje 3

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VIDEO

• Los experimentos anteriores se pueden verificar en:

http://www.youtube.com/watch?v=05ZgeBBTEQYhttp://www.youtube.com/watch?v=Z-yAdsfe1QUhttp://www.youtube.com/watch?v=LkGlr7dpyfI

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La construcción de estos montajes se realizó con la plataforma de robótica VEX™. Las fotos del montaje se muestran a continuación:

Figura 12. estructura completa Figura 13. Motores

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Figura 14. vista de los engranajes y poleas Figura 15. vista superior de la estructura

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RECOMENDACIONES PRÁCTICASPara que haya un a transmisión de movimiento por medio de un tren de engranajes es importante que los ejes de los engranajes se encuentren bien alineados y con precisión de modo que todos los engranajes se encuentren acoplados. Y garantizar que el engranaje este alineado con el otro engranaje.

Figura 16. Caso en que los ejes de los engranajes no están alineados

Figura 17. caso en que el engranaje no esta alineado con el otro engranaje

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ANÁLISIS

• Como se puede ver en los videos, aplicando el mismo voltaje a 3 motores idénticos, existen diferencias en cuanto al que sube con mayor rapidez la misma carga. Esto se debe a la relación de las ruedas utilizadas, en los dos primeros y la falta de engranajes en el tercero. Se observa que el motor de la mitad, con el engranaje de mayor radio acoplado directamente en su eje, es el que levanta la carga con mayor rapidez, mientras que al que se le acopla la rueda de menor diámetro, se demora más tiempo en levantar la carga, por la relación de diámetros entre los dos engranajes. En este caso, el motor sin engranajes tarda un tiempo intermedio para llevar a cabo la tarea.

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BIBLIOGRAFÍA • Arreortua Nava, Andrés. Jugador de fútbol. Universidad de las Américas Puebla. Escuela

de Ingeniería y Ciencias. Departamento de Computación, Electrónica y Mecatrónica. Tesis profesional. Disponible en: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/arreortua_n_a/capitulo4.pdf. Consultado el 07-03-2010.

• Instituto de Investigación Tecnológica. Universidad Pontificia Comillas. Madrid Motores DC en robótica, pp. 27-35. Disponible en: http://www.iit.upcomillas.es/~alvaro/teaching/Clases/Robots/teoria/Sensores%20y%20actuadores.pdf. Consultado el 07-03-2010.

• Automatización y robótica. Elementos motores, p.13. Disponible en: http://blog.artegijon.com/toni/files/2007/11/motores.pdf. Consultado el 07-03-2010.

• Somolinos Sánchez, José Andrés. Avances en robótica y visión por computador. Universidad de Castilla-La Mancha, Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, España, 2002, p. 84