Presentación de ayuda para docentes

1. ACTUADORES EN ROBÓTICA
Grupo SIRP (Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción)
Departamento de Electrónica – Pontificia Universidad
Javeriana – Bogotá
Contacto: velasco-a@javeriana.edu.co, gruposirp@gmail.com

2. 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.

3. CONTENIDO
• ACTUADORES
– DEFINICIÓN
– ELEMENTOS QUE COMPONEN UN ACTUADOR
– CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES SEGÚN EL
TIPO DE ENERGÍA EMPLEADA
– VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE
ACTUADOR

4. • 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

5. • TALLERES
– VELOCIDAD DEL MOTOR VS VOLTAJE
– TORQUE
– RELACIÓN DE TRANSMISIÓN
• CONCLUSIONES
• BIBLIOGRAFÍA

6. 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

7. ELEMENTOS QUE COMPONEN
UN ACTUADOR
Entrada: Fuente de Conversión Salida
energía
• 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.

8. CLASIFICACIÓN DE LOS ACTUADORES SEGÚN EL TIPO DE
ENERGÍA EMPLEADA
Se dividen en
Por ejemplo
Por ejemplo Por ejemplo
Figura 1. Clasificación de los actuadores según el tipo de energía empleada.

9. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE ACTUADOR
TIPO DE ACTUADOR VENTAJAS DESVENTAJAS
Neumático •Bajo costo • Requieren de instalaciones
•Rapidez, especiales
• Sencillos •Ruidosos
•Robustos
Hidráulico •Rápidos •Requieren instalaciones
•Alta capacidad de carga especiales.
•Presentan estabilidad •Son de difícil mantenimiento.
frente a cargas estáticas. •Resultan poco económicos.
Eléctrico •Precisos y fiables. • Potencia limitada
•Silenciosos.
•Su control es sencillo
•Son de una fácil instalación
Figura 2. Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de cada tipo de actuador
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

10. 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.

11. 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

12. 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.html
http://www.fisica-basica.net/David-
Harrison/castellano/ClassMechanics/RotatingWh
eel/RotateWithOmega.html

13. TORQUE
• El torque indica la fuerza que puede ejercer un
motor para levantar o mover un objeto a una
distancia determinada
Motor
Objeto
Figura 4. Motor que ejerce un torque.

14. 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.

15. 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.

16. 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 7. Motor de corriente
Figura 6. Caja reductora continua con caja reductora.
Tomado de http://www.cruiserheads.com/site/tecnica_mecanico/tips_winches/winch_03.jpg

17. 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.

18. 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

19. MOTOR DC CON CAJA REDUCTORA
VS MOTOR DC SIMPLE
MOTOR DE CORRIENTE • Mayor torque
CONTINUA CON CAJA • Velocidad 200 rpm ( según la relación de los
REDUCTORA CARACTERÍSTICA engranajes de la caja reductora)
• Se pueden conseguir en tiendas especializadas.
COSTOS
• Son costosos.
MOTOR DE CORRIENTE • Bajo torque
CONTINUA SIMPLE características
• Velocidades entre 2000 y 7000 rpm
• Se pueden conseguir en cualquier ferretería.
COSTOS
• Son económicos.

20. LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN
Es la relación entre las velocidades de rotación
de dos engranajes conectados entre sí, debida
a la diferencia de radios de las dos ruedas.
R1 es el radio del engranaje de
entrada. R1
R2 es el radio del engranaje de
salida.
ω1 es la velocidad angular de Engranaje 1
entrada
ω1
R2
ω2 es la velocidad angular de
salida transmitida
ω2 Engranaje 2
Figura 8. Sistema de dos engranajes circulares

21. 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

22. 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.
Motor con Disco con
caja franjas de
reductora diferente
color
Figura 18. Material para el desarrollo de la actividad

23. Montaje
Acoplamos 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

24. VIDEOS
http://www.youtube.com/watch?v=LLf3q6xXqGI
http://www.youtube.com/watch?v=GP62Pxq_5ak
http://www.youtube.com/watch?v=_FW4oa5IG1k
http://www.youtube.com/watch?v=Pn3wMq93J2A

25. 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.

26. • 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.

27. 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).

28. TALLER 2: TORQUE Y FUERZA

29. 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 directamente
Montaje 2: Motor con un engranajes. Multiplicador
Montaje 3: Motor con un engranajes. Reductor

30. MONTAJE 1: Motor acoplado al eje directamente
• Un peso es
Motor DC conectado
directamente al
Polea motor DC por
medio de una
polea
Peso
Figura 9. Montaje 1

31. MONTAJE 2: Motor con un engranajes. Multiplicador
Motor DC
engranaje 2
• El engranaje de
mayor diámetro
engranaje 1
se acopla al eje
del motor
• Esta configuración
Polea
de engranajes
multiplica la
velocidad angular
del motor DC
Peso
Figura 10. Montaje 2

32. MONTAJE 3: Motor con un engranajes. Reductor
• El engranaje de
engranaje 2
menor diámetro
Motor DC
se acopla al eje
del motor
Polea
engranaje 1
• Esta configuración
de engranajes
reduce la
velocidad angular
del motor DC
Peso
Figura 11. Montaje 3

33. VIDEO
• Los experimentos anteriores se pueden
verificar en:
http://www.youtube.com/watch?v=05ZgeBBTEQY
http://www.youtube.com/watch?v=Z-yAdsfe1QU
http://www.youtube.com/watch?v=LkGlr7dpyfI

34. 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

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

36. RECOMENDACIONES PRÁCTICAS
Para 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 Figura 17. caso en que el engranaje no esta alineado
no están alineados con el otro engranaje

37. 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.

38. 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%20
y%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