Los robots llevan el nombre de la palabra checa "Robota", que significa esclavo o cualquier elemento mecánico que pueda ayudar a su amo. Los robots son dispositivos mecánicos que ayudan a realizar tareas específicas para los humanos. El término "robot" puede utilizarse para cualquier dispositivo mecánico equipado con inteligencia basada en software para realizar tareas físicas específicas. El diseño de un robot implica básicamente tres funcionalidades:
1) Detección –
Un robot debe poder detectar el entorno con la ayuda de sensores externos. Para la detección se deben conectar al control electrónico varios tipos de sensores que puedan leer cantidades físicas como temperatura, intensidad de luz, radiación infrarroja u otras dependiendo de la aplicación del robot o sensores para visión robótica, sensibilidad táctil, reconocimiento de voz, detección de proximidad. circuitos. el robot.
2) Toma de decisiones –
Los robots son inútiles sin inteligencia basada en software y capacidades de toma de decisiones. Deben ser capaces de sentir el entorno y tomar decisiones en base a él para poder llevar a cabo las tareas que se les asignan. Para la toma de decisiones, el circuito de control de un robot puede tener un controlador programable, un microprocesador o una minicomputadora.
3) Rendimiento –
Los robots están diseñados para realizar tareas físicas. Para ello cuentan con actuadores, motores y sistemas de accionamiento acoplados a su conjunto mecánico. Estos actuadores y motores están controlados mediante programación mediante circuitos de control.
Los coches robóticos o vehículos robóticos son uno de los muchos proyectos robóticos desarrollados para moverse para realizar tareas físicas. El movimiento de este robot en sí implica la aplicación de energía y el uso de motores. Al fabricar un robot de este tipo, es necesario que haya un equilibrio entre la carga (peso del robot), la batería y el motor utilizado. Estos tres elementos están conectados entre sí y elegir el correcto requiere mucha matemática y experimentación. Así como en el tutorial anterior se habló de cómo elegir el motor adecuado para una aplicación robótica, en este tutorial se determina cómo elegir una batería adecuada para el motor seleccionado según la carga.
Antes de aprender sobre los tipos de baterías, primero echemos un vistazo a las especificaciones básicas de las baterías.
Especificaciones de la batería –
En el tutorial anterior, se discutieron las especificaciones básicas del motor de CC. Para hacer funcionar un motor en un robot, es necesario elegir una batería con especificaciones adecuadas. Hay muchos tipos de baterías disponibles para alimentar motores. Las principales especificaciones que se deben tener en cuenta al seleccionar una batería son las siguientes:
Clasificación de voltaje: este es el voltaje terminal máximo que se puede esperar que una batería nueva entregue a los componentes electrónicos.
Clasificación actual o clasificación de capacidad: la cantidad de corriente que una batería puede suministrar en una hora se llama clasificación actual o clasificación de capacidad. Esta clasificación está asociada a la potencia que puede proporcionar la batería. Por ejemplo, una batería con una capacidad de 1 amperio-hora podrá suministrar continuamente una corriente de 1 amperio a una carga durante exactamente 1 hora, o 2 amperios durante media hora, o 1/3 amperio durante 3 horas, etc. . ., antes de ser dado de alta por completo.
Por ejemplo, una batería de automóvil promedio podría tener una capacidad de aproximadamente 70 amperios-hora, especificada para una corriente de 3,5 amperios. Esto significa que la cantidad de tiempo que esta batería podría suministrar continuamente una corriente de 3,5 amperios por carga sería de 20 horas (70 amperios hora / 3,5 amperios).
Tasas C y E: la corriente de descarga a menudo se expresa como tasa C para normalizar la capacidad de la batería. 1C significa que la corriente de descarga descargará la batería en una hora. Una clasificación de 5C para esta batería sería de 500 amperios y una clasificación de C/2 sería de 50 amperios. Asimismo, una tasa E describe la potencia de descarga. Una tarifa 1E es la potencia de descarga para descargar toda la batería en 1 hora.
Pasemos ahora a los tipos de baterías disponibles para su uso en proyectos de robótica. Existen los siguientes tipos de baterías disponibles para su uso en robots:
Batería alcalina: las baterías alcalinas son baterías no recargables que vienen en clasificaciones de 1,5 V y 9 V. La batería de 1,5 V viene en diferentes variedades, como AA (aproximadamente 1000 mAh), AAA (menos de 1000 mAh), C (2000 mAh a 2500). mAh) y D (aproximadamente 2000 mAh). La batería de 9 V viene en el rango de 50 a 500 mAh. Estas baterías son económicas y fáciles de conseguir, pero no duran mucho y se descargan rápidamente.
Figura 1: Imagen representacional de una batería alcalina
Baterías de hidruro metálico de níquel (Ni-MH): las baterías Ni-MH son recargables, donde el voltaje nominal de cada celda es de 1,2 V y varía de 600 mAh a 3300 mAh. Estas baterías son un poco más caras, pero duran más y tienen una gran capacidad de corriente.
Fig. 2: Batería de hidruro metálico de níquel
Baterías de plomo-ácido/SLA –
Las baterías SLA siguen siendo la opción más barata para alta capacidad. Casi no requieren mantenimiento durante varios años y pueden pasar por miles de ciclos de carga y descarga hasta que la descarga no supera el 30% de su capacidad. Además, las baterías SLA pueden producir toneladas de corriente y son fáciles de cargar. Estas baterías están ampliamente disponibles y son económicas, pero son como piedras pesadas para los robots móviles y no son las preferidas para los robots aficionados.
Figura 3: Imagen que muestra baterías de plomo-ácido
Baterías de iones de litio (LI-Ion): las baterías de iones de litio son baterías recargables, las mismas que se utilizan en teléfonos móviles y cámaras. Las baterías de iones de litio vienen con una potencia de 3,7 V. Estas baterías son fáciles de conseguir y tienen una alta capacidad. También son livianos.
Fig. 4: Imagen de una batería de iones de litio
Baterías de polímero de litio (Li-Po): se están convirtiendo en el tipo de baterías más popular para su uso en robótica debido a su peso ligero, altas tasas de descarga y capacidad relativamente buena, excepto que los voltajes nominales están disponibles en incrementos de 3,7 V.
Figura 5: Batería de polímero de litio
Para combinar una batería con un motor, también se deben conocer las especificaciones de los motores. Los motores CC utilizados en robótica son principalmente motorreductores. Los motores de CC con engranajes tienen un mecanismo de caja de cambios que disminuye la velocidad del motor y aumenta el par. Se deben tener en cuenta las siguientes especificaciones de los motorreductores de CC:
Clasificación de voltaje: la clasificación de voltaje es el voltaje máximo sostenido que se puede aplicar de manera segura al motor de CC sin riesgo de falla eléctrica. Supongamos que el rango de voltaje del motor es de 5 V a 12 V, esto significa que el motor puede funcionar entre 5 V y 12 V.
Figura 6 : Presentación gráfica de una batería de CC
Corriente libre o corriente sin carga: como sugiere el nombre, la corriente sin carga es la corriente a la que el motor funciona libremente sin ninguna carga adjunta a su eje. A medida que un motor de CC sin carga gira, genera una fuerza electromotriz que fluye hacia atrás y resiste la corriente aplicada al motor. La corriente a través del motor cae a medida que aumenta la velocidad de rotación, y un motor que gira libremente tiene una corriente muy pequeña.
Corriente de bloqueo: el par de bloqueo es el par producido por un dispositivo cuando la velocidad de rotación de salida es cero. También puede significar la carga de par que hace que la velocidad de rotación de salida de un dispositivo se vuelva cero, provocando que se atasque. El calado es una condición en la que el motor deja de girar. Esta condición ocurre cuando el par de carga es mayor que el par del eje del motor, es decir, esta es una condición de par de frenado. En esta condición, el motor consume la corriente máxima, pero no gira. Esta corriente se llama corriente de estancamiento.
Potencia: la potencia de un motor generalmente se expresa en vatios. La potencia nominal se deriva de la relación simple, potencia = voltaje x corriente. Por ejemplo, un motor accionado a 5 V con 100 mA de corriente consumida consume 0,5 vatios de potencia.
Torque: la fuerza dirigida en el círculo se conoce como torque. Se dice que es tan simple como cuánto peso puede levantar el motor de CC en una distancia determinada.
Elegir una batería para un motor de CC determinado
Clasificación de voltaje: al fabricar un robot aficionado, existe la posibilidad de que el robot tenga una fuente de alimentación defectuosa porque puede estar usando una batería de 9 V en el circuito. Las baterías de 9 V están diseñadas para usarse principalmente en componentes electrónicos y no para alimentar motores, ya que tienen baja corriente de salida y baja capacidad. Para alimentar motores, las baterías como AA, AAA, D o C o incluso las baterías son más adecuadas, ya que se fabrican para una configuración y un voltaje nominal específicos.
En realidad, una batería de 9 V se compone de paquetes planos en serie. Estas baterías tienen capacitancias muy pequeñas, cuyo máximo es de 500 mA. Estas baterías se pueden utilizar para alimentar ciertos componentes electrónicos de los robots, como el microcontrolador, y otros componentes electrónicos de bajo consumo del robot, como los sensores. Los motores, en comparación con los microcontroladores típicos, consumen muchas veces más energía, generalmente cientos de miliamperios, y cuando se detienen (manteniendo el eje del motor quieto) pueden consumir varios amperios, lo que puede agotar una batería de 9 V en unos minutos.
Muchos robots utilizan un IC de controlador de motor que tiene suministros tanto para el lado lógico como para el lado del motor. Al conectar 4 baterías AA en el lado del motor del controlador, la batería de 9 V o incluso el mismo paquete AA se puede conectar a la alimentación lógica además de a la alimentación del motor. Sin embargo, la alimentación del motor no debe conectarse a una fuente lógica de 9 V. Porque en este caso el lado lógico puede funcionar, pero la potencia del motor puede no funcionar.
Tipo de batería: NiMH es la opción preferida para alimentar motores porque tienen una capacitancia decente, son de bajo costo en comparación con su tamaño y tienen una salida de corriente decente. Además, las baterías NIMH son recargables y seguras de usar en comparación con las baterías NICAD. Las baterías de NiMH no tienen efecto memoria y no contienen cadmio, que es una sustancia química tóxica.
Otra opción popular hoy en día son las baterías de polímero de litio. Están diseñados para producir energía muchas veces mayor que sus capacitancias. Algunas baterías pueden producir cientos de amperios durante un corto período de tiempo. Sin embargo, las baterías de polímero de litio son peligrosas de usar y deben manipularse con cuidado. Por lo tanto, es mejor comenzar primero con baterías NIMH.
Otra opción preferible pueden ser las baterías de plomo-ácido, que están hechas de rejillas de plomo esponjosas con electrolitos especiales en cada placa. Cada celda tiene un potencial de 2V. La configuración de celdas más común es de 6 celdas o 12V. Para un gran proyecto robótico que requiere muchos amplificadores, la batería de plomo-ácido es la mejor opción. Las baterías de plomo-ácido tienen una densidad de potencia relativamente baja para su peso, pero pueden producir fácilmente cientos de amperios durante largos períodos de tiempo y se pueden cargar fácilmente.
También existen baterías de iones de litio que se pueden utilizar en robots aficionados. Las baterías de iones de litio se utilizan generalmente como baterías de cámaras y portátiles. Sin embargo, no pueden producir grandes corrientes a la vez. Por eso se prefieren las baterías Li-Po. Las baterías Li-Ion y Li-Po son en realidad muy similares, pero tienen diferentes construcciones de celdas. Sin embargo, las baterías de iones de litio son mejores para componentes electrónicos de baja corriente, como un controlador robótico o un circuito de sensor. Pero eso excluye los motores. Las baterías de iones de litio son un poco difíciles de cargar en comparación con otras baterías y es por eso que es mejor usar una batería de NiMH en lugar de una batería de iones de litio.
Par y RPM: el par y las RPM de un motor ya se conocen por sus especificaciones. Utilizando el par, las RPM y la eficiencia promedio, se puede calcular la potencia total que necesita el motor para moverse.
Representemos la potencia total requerida por el motor por P.
La energía total requerida por el motor se puede encontrar mediante la siguiente ecuación:
E=P*T
Dónde,
T es el tiempo en segundos
E es la energía total requerida
P es potencia nominal
Se debe multiplicar un factor de 1,2 en la ecuación anterior para incluir la potencia requerida por otros componentes electrónicos como controladores de motor, etc., y tener en cuenta las pérdidas de eficiencia. Esta es la energía que debe ser suministrada por la batería. La energía resultante de esta ecuación está en julios, pero las especificaciones de la batería suelen estar en AH (amperios-hora). Por lo tanto, si se alimenta un motor de 12 V con una clasificación de 100 AH, la potencia total requerida se puede ecualizar de la siguiente manera:
12 * 100 *3600 (segundos en una hora) = 4320000 julios de energía.
Esta potencia debe ser mayor que los requisitos de potencia de todos los motores combinados. Dependiendo del peso de la batería, las especificaciones requeridas se pueden aumentar o disminuir.
