Elegir motores para robots

Los motores de CC funcionan en un rango de voltaje específico y cuanto mayor es el voltaje de entrada, mayores son las RPM. Por ejemplo, si el motor funciona en el rango de 6-12 V, tiene las RPM más bajas con un voltaje de entrada de 6 V y las RPM máximas con un voltaje de entrada de 12 V. El funcionamiento de los engranajes de este motor es muy interesante. Se basa en el principio de conservación del momento angular. Los engranajes con un radio más pequeño cubren más RPM que aquellos con un radio mayor. Sin embargo, el engranaje más grande dará más torque al engranaje más pequeño y viceversa. La comparación de la velocidad angular entre el engranaje de entrada (el que transfiere energía) y el engranaje de salida proporciona la relación de transmisión. Cuando se conectan varios engranajes, se produce la conservación de energía. El sentido de rotación del otro engranaje es siempre opuesto al del engranaje adyacente. En cualquier motor de CC, las RPM y el par son inversamente proporcionales. En consecuencia, el engranaje con más torque entregará menos RPM y vibración. Para controlar un motorreductor de CC, se aplica la técnica de modulación de ancho de pulso. El par y las RPM de un motorreductor de CC dependen de la relación de transmisión. Por ejemplo, supongamos que un motor de CC puede funcionar a una velocidad de 12.000 RPM y generar un par de 12 kg-cm. Al agregar una reducción de 255:1, se puede reducir la velocidad del motor y aumentar el par. Entonces, al agregar una reducción de 255:1, las RPM resultantes se reducen a 53,3 (12.000 rpm/225) y el par aumenta a 22,5 kg-cm (0,1 x 225). El motor ahora es capaz de mover mucho más peso a una velocidad razonable.

Fig. 2: Vista en primer plano del motor CC con escobillas (derecha) y del motor CC con engranajes (izquierda)

Para controlar motores de CC con engranajes, el controlador de motor IC L293D se utiliza normalmente en robots aficionados. El IC interactúa con un microcontrolador para controlar la dirección y la velocidad del motor de CC. El controlador del motor actúa como un dispositivo intermedio entre el motor, el controlador y las baterías. Aunque el microcontrolador decide la velocidad y dirección del motor, no puede controlarlo directamente debido a su potencia limitada. Incluso el controlador del motor puede suministrar energía al motor pero no puede indicarle en qué dirección debe girar. Por lo tanto, el controlador del motor y el microcontrolador deben trabajar juntos para controlar el motor. Para controlar el motor de CC, se requiere un circuito de puente H que permite aplicar voltaje a una carga en cualquier dirección. El L293D es un circuito integrado (IC) de controlador de motor de doble puente H. Los controladores de motor actúan como amplificadores de corriente en el sentido de que reciben una señal de control de corriente baja y suministran una señal de corriente más alta. Esta señal de corriente más alta se utiliza para accionar los motores. Tiene 16 pines con la siguiente configuración de pines:

Figura 3: Tabla que muestra la configuración de PIN en un motor de CC

El IC puede conducir hasta 1 amperio de corriente y funcionar entre 4,5 V y 36 V. Para obtener más información sobre el IC del controlador del motor, consulte la referencia L293D IC.

Fig. 4: Diagrama de PIN del IC L293D utilizado en motores de CC de robots

Los motores pequeños están diseñados para aplicaciones donde se valora la compactación más que el torque. Aunque existen motores pequeños y de alto torque, tienden a ser costosos porque utilizan imanes de tierras raras, cojinetes de alta eficiencia y otras características que aumentan su costo. Los motores grandes pueden producir más par pero también requieren corrientes más altas. Los motores de alta corriente requieren baterías de mayor capacidad y circuitos de control más grandes que no se sobrecalienten ni se quemen bajo carga. Por tanto, para adaptar el tamaño del motor al resto del robot, es recomendable no sobrecargar un robot pequeño con un motor grande. Al decidir el tamaño del motor, se debe considerar el par disponible después de la reducción de marcha. La reducción de engranajes siempre aumenta el par. El aumento del par es proporcional a la cantidad de reducción de marcha. Como si la reducción fuera 3:1, el par aumenta aproximadamente tres veces.

Servo motor -

Los servomotores se utilizan normalmente cuando se requiere un movimiento de rotación preciso. A menudo se utilizan en brazos robóticos y aplicaciones de control de ángulo. Obtenga más información sobre los servomotores y su control en el tutorial de servomotores.

Motor de paso -

Un motor paso a paso divide la rotación en varios pasos. Así como un servomotor gira en un ángulo específico, un motor paso a paso gira en un número específico de pasos angulares. Obtenga más información sobre los motores paso a paso en el Tutorial de motores paso a paso.

Motor CC sin escobillas –

Los motores de CC sin escobillas son similares en construcción a los motores de CC con escobillas, pero son impulsados ​​por controladores de circuito cerrado y requieren inversores o SMPS para el suministro de energía. Estos motores tienen imanes permanentes que hacen girar una armadura fija. A diferencia de los motores Brush DC, tienen un controlador electrónico de circuito cerrado en lugar del conjunto del conmutador. Estos motores se utilizan normalmente en robótica industrial donde se requiere un control preciso sobre el movimiento y el posicionamiento. Sin embargo, estos motores son bastante caros e implican una construcción y una electrónica complejas.

Seleccionar un motor para un robot

Para seleccionar un motor eléctrico adecuado hay que tener en cuenta muchos parámetros diferentes, como la carga que puede soportar un motor concreto, el par necesario para mover el robot sin sobrecargarse, las revoluciones por minuto del motor cuando está cargado, etc. Dado que existen muchos tipos de motores, según la aplicación, se debe seleccionar un tipo de motor. Por ejemplo, para operar el brazo robótico, normalmente se utilizan servos. Los robots con ruedas tienen un diseño sencillo y se desplazan por el suelo mediante ruedas motorizadas. Las ruedas también son más fáciles de diseñar y construir en comparación con las orugas o las patas. El uso de ruedas tiene desventajas ya que la navegación sobre obstáculos o zonas con baja fricción no es fácil con ruedas. Los motores eléctricos más comunes utilizados en este tipo de robots son los motores de CC. Los motores de CC proporcionan un alto par y una alta eficiencia. Al aplicar par en respuesta a la carga, los motores de CC se pueden caracterizar por la curva de velocidad y par. Los voltajes nominales comúnmente preferidos para los motores de CC utilizados en robots aficionados son 3, 6, 12 y 24 voltios. Si se aplica un motor con una tensión inferior a la indicada en la ficha técnica, el par no superará la fricción interna, principalmente de las escobillas. Además, si se aplica al motor una tensión superior a la soportada, este puede calentarse y dañarse.

Combinaciones de ruedas para un coche robótico

Según las leyes de la física, un peso pesado requiere grandes fuerzas para acelerar. Esto significa que un robot más pesado requiere motores más potentes para acelerar el cuerpo. Además de las fuerzas que actúan debido al peso del robot, están las fuerzas de fricción de las ruedas y la fricción interna dentro del motor. Al tener en cuenta que un robot debe subir escaleras o correr sobre superficies inclinadas, también se deben considerar otras fuerzas, como la fuerza gravitacional. Un motor puede mantener una velocidad constante sólo si el par es mayor que las fuerzas combinadas que se oponen al movimiento del robot. Si el par del motor es menor que el par opuesto, el motor se detendrá y podría dañarse, ya que la energía eléctrica no se puede convertir en par. Para moverse, los robots utilizan una dirección diferencial que impulsa las ruedas por separado. El robot puede cambiar la dirección de rotación de cada rueda a diferentes velocidades y, al agregar ruedas adicionales que no son impulsadas por actuadores, el robot puede mantener el equilibrio. Dos ruedas más una rueda o cuatro ruedas son las combinaciones más comunes de robots con ruedas. Ambas combinaciones de ruedas pueden girar en su lugar y se conocen como tracción diferencial para la versión de dos ruedas, mientras que las cuatro ruedas deben accionarse de forma independiente para girar en su lugar. • Robot de dos ruedas y ruedas –

Fig. 5: Imagen que muestra dos ruedas y un robot con ruedas

• Robot de cuatro ruedas –

Fig. 5: Un típico robot de cuatro ruedas.

El método de dos ruedas y ruedas tiene sus ventajas, incluida la capacidad de medir el movimiento agregando codificadores. Para el método de las cuatro ruedas, agregar un codificador puede generar mediciones inexactas en comparación con los movimientos reales del robot, pero al mismo tiempo, este sistema es mejor para el control de circuito cerrado y proporciona un alto agarre de los neumáticos.

Cálculo involucrado en la selección de un motor

Hay muchos cálculos matemáticos involucrados en la ubicación del motor del robot en función de muchos parámetros como par, velocidad, rpm, etc. Consulte los cálculos necesarios para seleccionar un motor en el sitio web de Botskool. Usar una calculadora en línea es quizás el método más simple y preciso para determinar qué motor eléctrico es adecuado para un proyecto. Estas calculadoras requieren datos de entrada basados ​​en las propiedades y capacidades deseadas de un robot, mientras que las salidas son las especificaciones del motor. A continuación se proporcionan algunos enlaces a sitios web para calcular las especificaciones requeridas del motor: Calculadora de par de motor RobotShop Calculadora RMF de la Sociedad de Robots