Optimización de la medición de par en aplicaciones robóticas

Dec 22, 2023

El mercado mundial de la robótica móvil se está expandiendo rápidamente. Con la llegada de robots de bajo costo que son más fáciles y económicos de implementar, los robots colaborativos o cobots están encontrando nuevas aplicaciones industriales y de consumo. Los cobots usan sensores de posición y torsión integrados en sus articulaciones para permitir el control automatizado y su operación segura. ISO 10218-1 es una norma internacional que establece los requisitos para las pautas de seguridad y diseño en robots industriales.

Esto normalmente requiere el uso de al menos un sensor de par de fuerza además de monitorear los motores eléctricos en las juntas. Algunos cobots más recientes tienen sensores de torsión en cada articulación, como los cobots fabricados por Doosan y las últimas máquinas KUKA LBR iiwa.

Además de ayudar a cumplir con el estándar de seguridad ISO 10218-1, el uso de múltiples sensores de par también permite al fabricante de robots mejorar el control del sistema con cinemática avanzada utilizando entradas de los sensores de par para compensar la masa de las extremidades del robot y la carga útil para entregar movimientos rápidos, controlados y seguros del robot.

También existe un mercado para los sistemas de sensores como accesorios o integrados en herramientas robóticas para ayudar a controlar el funcionamiento de la herramienta. Actualmente existen dos tecnologías clave para la medición del par en aplicaciones robóticas: sensores de galgas extensométricas y sensores de desplazamiento.

Este es el método convencional para medir el par de rotación mediante el uso de un medidor de tensión conectado a una placa flexible en la articulación del robot. Los cambios en la deformación, debido al par, se registran como variaciones en una señal eléctrica.

Las ventajas de las galgas extensométricas son que tienen un costo relativamente bajo y son fáciles de aplicar en un volumen reducido como en un laboratorio de pruebas. Sin embargo, también existen desventajas de las galgas extensométricas en las juntas robóticas, que incluyen:

Requieren el uso de estructuras flexibles y cuatro calibres dispuestos en un circuito de puente de Wheatstone para proporcionar una tensión medible. Esto compromete la integridad mecánica del sistema, lo que hace que el brazo robótico sea menos rígido de lo que podría ser sin los sensores.

Los medidores de tensión generalmente no son robustos o resistentes a entornos hostiles y su salida se ve afectada por la temperatura.

Son susceptibles a la interferencia de la radiación electromagnética de fondo y los campos magnéticos.

Este método suele utilizar un par de discos de medición unidos a los extremos opuestos de un eje. El "ángulo de torsión" del eje se mide a partir de la diferencia de fase entre ellos a través de una medición óptica o magnética. Esto permite calcular el par.

La principal ventaja es la capacidad de sobrecargar el sensor hasta la capacidad de carga máxima del "eje giratorio". Las desventajas de este método incluyen:

Requiere una sección de diámetro reducido del eje conocida como barra de torsión para mejorar el ángulo de torsión (varios grados como máximo para una relación de longitud a diámetro L/D = 5) que puede tener un efecto negativo en la estabilidad mecánica del sistema.

Es sensible a la temperatura.

Hay una precisión de medición limitada.

Requiere un volumen de embalaje mayor debido a la necesidad de medir la torsión del eje a lo largo de la longitud de la barra de torsión.

Ambas tecnologías existentes requieren un elemento de torsión o flexión en las articulaciones de los robots, lo que significa que el brazo robótico se flexionará durante la operación. Esto puede ser un factor que limite el rendimiento y la repetibilidad del cobot.

La tecnología de sensor de ondas acústicas superficiales (SAW) de Transense proporciona una forma mejorada de medir el par, la rotación y la temperatura en un sistema robótico, eliminando la flexión de las articulaciones y creando un robot más repetible y de mayor rendimiento con articulaciones más compactas. La tecnología SAW es un sistema de detección inalámbrico, pasivo y sin contacto que consta de dos componentes principales:

El lector crea una señal de interrogación que se transmite al eje giratorio a través del acoplador de RF. Los elementos de detección en el eje no requieren ninguna otra fuente de alimentación y funcionan como un dispositivo pasivo que refleja una señal de interrogación de regreso a la electrónica del lector. La frecuencia de oscilación de las señales retrodispersadas se ve afectada por una medición física como la tensión y la temperatura.

El lector analiza la señal retrodispersada recibida y calcula el valor de la tensión física y la temperatura, la tensión de la superficie del eje proporciona una medición precisa del par del eje.

El rango de lectura de los sensores inalámbricos pasivos está limitado por la potencia de interrogación y depende de la resolución requerida del sensor y la tasa de actualización. Para una potencia de interrogación de 10 mW y que requiere un período de actualización de decenas de milisegundos, el rango típico de lectura del sensor no necesita exceder unos pocos metros. En la mayoría de las aplicaciones de medición de torque giratorias sin contacto, la distancia entre la antena del sensor y la antena del lector no necesita ser mayor a 10 mm, y el período de actualización del torque puede ser tan pequeño como 100 microsegundos.

La parte clave del elemento sensor SAW es un dispositivo SAW pequeño y liviano hecho sobre un sustrato piezoeléctrico pulido. La onda acústica superficial se propaga en su superficie libre después de ser excitada por un transductor interdigital (IDT) en miniatura. El IDT es una estructura de aluminio de película delgada formada por un proceso fotolitográfico estándar que se utiliza para la fabricación de circuitos integrados.

El IDT convierte pulsos eléctricos de RF, con una frecuencia de cientos de MHz, en SAW y, debido al efecto piezoeléctrico, los devuelve a una señal de RF. Si el IDT está rodeado por las rejillas reflectantes de Bragg, en forma de arreglos periódicos de tiras delgadas de aluminio, entonces la energía de la SAW queda atrapada dentro de la cavidad entre las rejillas y el dispositivo SAW funciona como un resonador.

Cuando se aplica la deformación o cambia la temperatura del sustrato, las dimensiones físicas del sustrato y la velocidad SAW también cambian. Esto hace que la frecuencia resonante sea sensible a la tensión y la temperatura, además de permitir que el resonador SAW se utilice como elemento sensor de tensión y temperatura.

La tecnología ya está probada en aplicaciones desafiantes, por ejemplo, McLaren Applied suministra la tecnología a equipos y campeonatos de deportes de motor en todo el mundo, para usar en trenes motrices de autos de carreras para medir y administrar el rendimiento del motor. GE utiliza la tecnología para hacer que su último motor de turbina T901 para aplicaciones de helicópteros de defensa sea más eficiente y reduzca los costos de mantenimiento.

Transense también está trabajando con varios fabricantes de sistemas de accionamiento eléctrico en el mercado automotriz donde la tecnología SAW se puede usar para medir el par de salida del motor eléctrico y la temperatura del rotor para mejorar el control del motor y la seguridad funcional. La capacidad de la tecnología SAW para medir componentes sin reducir su rigidez mecánica y su alto nivel de precisión y robustez abre muchas aplicaciones de detección.

Este artículo fue escrito por Ryan Maughan, Director de Desarrollo Comercial, Transense (Oxfordshire, Reino Unido). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Tech Briefs.

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