Morfologia del robot

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Características deseadas

- Bajo peso

- Reducido tamaño

- Bajo rozamiento

- Reducción elevada de velocidad en un único paso

- Minimizar su momento de inercia

- Bajo juego angular

Los reductores por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima de entrada admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. Existe una limitación en cuanto al par de salida nominal permisible (T2), que depende del par de entrada (T1) y de la relación de transmisión atraves de la relación:

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TABLA 2.2 Características de reductores para robótica.

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Puesto que el robot trabaja en ciclos cortos que implican continuos arranques y paradas, es de gran importancia que los reductores sean capaz de soportar pares elevados puntuales. También se busca que el Juego angular sea lo menor posible. Este se define como el ángulo que gira el eje de salida cuando se cambia su sentido de giro sin que llegue a girar el eje de entrada. Por último, es importante que los reductores para robótica posean una alta rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueada el de la entrada, aquel gire un ángulo unitario.

Los reductores para robots más comúnmente usados son los de las empresas Harmonic Drive [HARMONIC-96] y Cyclo-Getriebebau [Cycio-96]. Los primeros, denominados HDUC (Figura 2.7), se basan en una corona exterior rígida (Figura 2.8) con dentado interior (circular spline) y un vaso flexible (flexspline) con dentado exterior que engrana en el primero. El número de dientes de ambos difiere en 1 o 2. Interiormente al vaso gira un rodamiento elipsoidal (wave generator) que deforma el vaso, poniendo en contacto la corona exterior con la zona del vaso correspondiente al Máximo diámetro de la elipse. Al girar el wave generator (al que se fija el eje de entrada), se obliga a que los dientes del flexspline (fijado al eje de salida) engranen uno a uno con los del circular spline, de modo que, al haber una diferencia de dientes, [pic 6]tras una vuelta completa del wave generator, el flexspline solo habrá avanzado Z dientes. La relación de reducción conseguida será, por tanto, de Z/Nf. En concreto, se consiguen reducciones de hasta 320, con una holgura cercana a cero y capacidad de transmisión de par de 5720 Nm.

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FIGRA 2.7 Despiece HDUC

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FIGURA 2.8 Esquema HDUC

Por otra parte el sistema de reducción de los reductores CYCLO se basa en el movimiento cicloidal de un disco de curvas (Figura 2.9) movido por una excéntrica solidaria al árbol de entrada. Por cada revolución de la excéntrica el disco de curvas avanza un saliente rodando sobre los rodillos exteriores. Este avance arrastra a su vez a los pernos del árbol de salida que describirán una cicloide dentro de los huecos del disco de curvas. La componente de traslación angular de este movimiento se corresponde con la rotación del árbol de salida. La relación de reducción viene, por tanto, determinada por el número de salientes. Para compensar los momentos de flexión y de las masas de cada disco en movimiento excéntrico, generalmente se utilizan dos discos desfasados entre si 180°.

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FIGURA 2.9 Reductor Cyclo.

ACCIONAMIENTO DIRECTO

Como se ha indicado anteriormente, desde hace unos años existen en el mercado robots que poseen lo que se ha dado en llamar accionamiento directo (Direct Drive DD), en el que el eje del actuador se conecta directamente a la carga o articulación, sin la utilización de un reductor intermedio. Este término suele utilizarse exclusivamente para robots con accionamiento eléctrico. Este tipo de accionamiento aparece a raíz de la necesidad de utilizar robots en aplicaciones que exigen combinar gran precisión con alta velocidad. Los reductores introducen una serie de efectos negativos, como son juego angular, rozamiento o disminución de la rigidez del accionador, que pueden impedir alcanzar los valores de precisión y velocidad requeridos. Las principales ventajas que se derivan de la utilización de accionamientos directos son las siguientes:

- Posicionamiento rápido y preciso, pues se evitan los rozamientos y juegos de las transmisiones y reductores.

- Aumento de las posibilidades de controlabilidad del sistema a costa de una mayor complejidad.

- Simplificación del sistema mecánico al eliminarse el reductor.

El principal problema que existe para la aplicación practica de un accionamiento directo radica en el motor a emplear. Debe tratarse de motores que proporcionen un par elevado (unas 50-100 veces mayor que con reductor) a bajas revoluciones (las de movimiento de la articulación) manteniendo la máxima rigidez posible. Entre los motores empleados para accionamiento directo y que cumplan estas características, se encuentran los motores síncronos y de continua sin escobillas (brushless), ambos con imanes permanentes fabricados con materiales especiales (samario-cobalto). También se utilizan motores de inducción de reluctancia variable. La necesaria utilización de este tipo de motores encarece notablemente el sistema de accionamiento. Otra cuestión importante a tener en cuenta en el empleo de accionamientos directos es la propia cinemática del robot. Colocar motores, generalmente pesados y voluminosos, junto a las articulaciones, no es factible para todas las configuraciones del robot debido a las inercias que se generan. El estudio de la cinemática con la que se diseña el robot ha de tener en cuenta estos parámetros, estando la estructura final elegida altamente condicionada por ellos. Por este motivo, los robots de accionamiento directo son generalmente de tipo SCARA, cuyo diseño se corresponde bien con las necesidades que el accionamiento directo implica. Al eliminar el reductor también se disminuye de forma considerable la resolución real del codificador de position acoplado al eje, tal y como se detalla en el epigrafe dedicado a sensores internos. Esto lleva a la utilización en los