SISTEMAS MECÁNICOS Y DE PODER EN ROBÓTICA

ESPACIALEDGAR RODRIGO GONZÁLEZ CAMPOS

BUAP

FCE

¿POR QUÉ SE USA UN ROBOT ESPACIAL?

• Desafortunadamente la tecnología actual no nos permite viajar a lugares tan lejanos, a explorar nuevos planetas.

• El robot puede tener funciones múltiples que beneficien esta actividad.

• Existe esta ambición por estudiar y conocer este inmenso universo.

• Siempre un paso a la vez.

SISTEMAS MECÁNICOS DE MANIPULACIÓN

BRAZOS ROBÓTICOS ESPACIALES

• El brazo robótico representa la herramienta mas importante de un robot, satélite artificial o sonda espacial.

• Un brazo robótico tiene como principal función la de recuperar y mover materia de un punto a otro.

• Los más conocidos son los que se colocan en bases espaciales para que los astronautas puedan desplazarse sobre de ellos

¿CÓMO SE CONTROLAN?

• Operadores

•

• Inteligencia Artificial

REP

La Red del Espacio Profundo permite la triangulación de súper antenas colocadas en puntos distintos.

Control desde la Tierra

INCONVENIENTES DEL CONTEXTO

• Fuerzas que actúan en el robot:

• Inercial

• Gravedad (en superficies planetarias)

EFECTOR FINAL

• Son las partes finales de los brazos robóticos

• El Efector Final realiza tareas como apretar o sostener objetos, herramientas y en muchos casos trasladarlas a distintas ubicaciones estos mismos.

EXISTEN DOS TIPOS DE EFECTORES FINALES CUANDO SE HABLA DE ROBÓTICA

Herramientas (Industrial) Grippers (Espacial)

¿DIFERENCIA?

• Los Grippers, o sostenedores, se pueden comparar con una mano humana. Los brazos espaciales tienen la singularidad de recoger y mover objetos sin la necesidad de hacer una manipulación muy elaborada.

CLASIFICACIÓN DE GRIPPERS

• • Número de dedos

• • Uniones

• • Grados de Libertad

• • Tipo de Manejo o Manipulación

• • Prensión

MANIPULADORES PARALELOS

• Los manipuladores paralelos tienen grandes ventajas, como la gran capacidad de carga, la rigidez en sus articulaciones, la precisión, exactitud y la gran velocidad a la que operan.

¿CÓMO FUNCIONAN?

• Los actuadores giratorios permiten a los manipuladores paralelos realizar sus múltiples movimientos no solo verticales sino también rotatorios, lo que genera mayor movimiento y facilidad en el control.

6-RKS: MODELO A SEGUIR

• El primer manipulador paralelo con actuadores giratorios fue propuesto por Kenneth Henderson Hunt.

• Este manipulador cuenta con seis grados de libertad en cuanto a su geometría, ya que las uniones, específicamente hablando, de la manivela están montadas en el actuador giratorio, a esta unión se le propone la referencia R; mientras que la Biela está unida por un extremo a la manivela por medio de una junta cardan, con la referencia K; por el otro extremo de la biela se une con la plataforma móvil gracias a una junta esférica, con la referencia S. Es así como se le nombra a este manipulador, gracias a las referencias de uniones, 6-RKS.

SISTEMAS DE PODER

IMPORTANCIA

• Los sistemas de poder son una parte muy importante en los sistemas mecánicos y en general en todo el robot espacial.

• Es el medio por el cual se suministra energía a todos los sistemas con el fin de mantener cada parte esencialmente activa.

• El suministro de energía resulta un gran problema en la robótica móvil, y en la espacial aún más ya que estos dispositivos son enviados a lugares lejanos.

OPCIONES POCO VIABLES

• Para que los robots reciban energía y puedan realizar sus tareas y movimientos o traslados se ha adaptado un sistema muy parecido a un cordón umbilical, en el que se conecta desde la base espacial más cercana hasta el robot, enviando la energía necesaria.

• Otra de las posibilidades que existen para solventar este problema es la de impulsar al robot por medio de rayos de microondas. De esta manera la energía puede ser enviada desde una fuente de poder fija hacia la máquina.

ENERGÍA SOLAR

• Ante las problemáticas que se generan a raíz de los sistemas de poder que proporcionen energía a los robots espaciales y que muchas veces son insuficientes, se presenta la solución de la energía solar.

• En el espacio es más fácil hacer una recepción de los rayos solares y de la energía que conllevan.

• La energía solar representa una medida viable para distintos sistemas como los generadores fotovoltaicos o los generadores Termo-Solares.

GENERADORES FOTOVOLTAICOS

• En aplicaciones espaciales los Generadores Fotovoltaicos son sistemas muy utilizados. Son una típica fuente de poder pero limitada, ya que la densidad de potencia que reciben es baja, sin embargo la densidad de energía es prácticamente infinita ya que la fuente es el sol, que es una fuente casi ilimitada.

• Cuando estos generadores son instalados en robots que operaran en algún planeta existen inconvenientes que también perjudican la durabilidad de estos sistemas, de entre ellos destacan:

• • Tiempo de durabilidad

• • Daños por radiación

• • Impactos de micro meteoritos

• • Superficies planetarias con mucho relieve o en ruinas

• • Acumulación de polvo

RADIACIÓN DISTINTA EN CADA PLANETA

Planeta Perihelio Afelio

Mercurio 14,446 6,272

Venus 2,647 2,576

Tierra 1,413 1,321

Marte 715 492

Júpiter 55.8 45.9

Saturno 16.7 13.4

Urano 4.04 3.39

Neptuno 1.54 1.47

La radiación solar es diferente en cada planeta, es por ello que se debe tomar en cuenta las distintas condiciones del planeta al que se desea enviar un robot espacial. A continuación se presenta una tabla de radiación medida en unidad de W/m².

Donde W es el Trabajo y m² es metro al cuadrado.

GENERADORES TERMO-SOLARES• En estos sistemas termo-solares la energía es generada por medio de un motor termal, como una

turbina de vapor, manejada por el calor que proviene del sol. Para intensificar este calor se utilizan espejos que concentren la luz solar en una caldera o boiler, generando altas temperaturas.

APLICACIONES

Ventajas • En el caso de los generadores en pequeñas

plantas fotovoltaicas se encuentran varias ventajas para solucionar el problema del suministro de energía a robots espaciales, sin embargo en las plantas grandes el sistema termo-solar resulta de mucha más productividad y con mejores ventajas.

Desventajas • Existen considerables limitaciones en cuanto a la

termodinámica de los sistemas que componen a los generadores y sobre de todo la utilización de múltiples espejos que sean cada vez más ligeros y no comprometan la operación del robot. En el espacio no es nada sencillo utilizar energía termal de una manera eficiente, y esto genera ciertos límites en las posibilidades de utilizar dispositivos termo-solares en generadores de energía espaciales.

ENERGÍA NUCLEAR

• Los usos de dispositivos nucleares son extensos y variados, tanto para la propulsión de un robot o nave espacial como la producción de energía para ambos casos, también suelen utilizarse en bases espaciales que en esencia exploran el espacio y cuerpos celestes.

RIESGOSEl primero ocurrió en 1964 cuando el satélite Transit 5B-N3 cuando el generador de energía tuvo una serie de problemas que llevaron al fracaso total de ese satélite artificial. Posteriormente en 1968 un nuevo accidente ocurrió cuando el satélite Nimbus B1 fue lanzado a la órbita terrestre y su generador principal no resistió las altas vibraciones del despegue y exploto. De la misma manera el Cosmos 95 de origen ruso tuvo exactamente el mismo problema y prácticamente se desintegro en el despegue, sin embargo muchos restos cayeron en algunas zonas de Canadá, por lo que los daños ocurridos tuvieron que ser pagados por los soviéticos.

CONSECUENCIAS

• El gran problema de estos grandes accidentes es la contaminación tanto del aire como en la tierra cuando caen los restos. Este material después de haber sufrido la combustión es altamente radioactivo y conlleva el riesgo de que estos restos caigan en mares y ríos, en bosques o inclusive en granjas, y peor aún en ciudades.

• Sin duda la utilización de dispositivos nucleares representa un riesgo que hasta hace 30 años las empresas financiadoras ignoraban por el hecho de que la producción de energía nuclear resulta más económica.

REACTORES DE FISIÓN • La potencia nuclear de fisión es por mucho la que tiene la densidad más alta de energía de todas las

fuentes de poder existentes. Aún sigue de manifiesto que la potencia en energía nuclear entre más alta es, representa más consecuencias catastróficas en la exploración espacial. La densidad de potencias no depende de la fuente en sí mismo, ya sea combustible nuclear, la masa del reactor o del dispositivo de conversión de poder.

USOS

• Finalmente estos reactores de fisión pueden ser utilizados en bases espaciales para recargar baterías o para producir combustible para robots y vehículos, ya que estos no podrían impulsarlos directamente. Resulta muy improbable la compresión y fabricación de generadores más pequeños por la limitada tecnología que se tiene hasta ahora.

BATERÍAS ELECTROQUÍMICAS

• Las baterías electroquímicas por sus propiedades y características resultarían de gran ayuda en vehículos y robots espaciales pequeños y medianos.

BATERÍAS PRIMARIASLas baterías electroquímicas primarias son aquellas que tienen la densidad de energía más alta. Un ejemplo de ellas son las baterías no recargables

´PRINCIPALES BATERÍAS PRIMARIASDonde e/m: masa de energía; e/v: volumen de la densidad de energía; V: voltaje. Al hablar de Voltaje de Celda se refiere a la batería totalmente cargada generando la corriente.

Tipo de Batería e/m

(Wh/kg)

e/v

(Wh/dm³)

Voltaje de Celda

(V)

Zinc-Carbono 75 100 1.5

Mercurio 120 --- 1.35

Alcalina 130 320 1.5

Plata-Óxido 130 500 1.8

Litio 280-350 300-700 2.8-3.8

Zinc-Aire 310 1000 1.4

DESVENTAJAS

• Una de las desventajas de la baterías primarias es el tiempo de vida tan corto que tienen en aplicaciones particulares. Es por ello que se les da una utilidad más específica, por ejemplo en dispositivos que son enviados para un monitoreo de larga duración pero que utilizan todos sus componentes cuando ocurre un evento importante que se debe captar, es entonces cuando las baterías primarias generan voltaje necesario para cada sistema del robot o sonda, mientras están monitoreando únicamente se requiere de poca energía.

BATERÍAS SECUNDARIAS • Las baterías son eficientes para la operación de vehículos y robots en cada uno de sus aspectos, sin

embargo la duración o el tiempo de vida es corto. Cuando hablamos de Baterías Secundarias nos referimos a baterías recargables, no hay un tiempo de vida sobre la batería misma sino en la cantidad de energía que posean. La principal ventaja es que a pesar de las veces que estas baterías sean usadas pueden seguir sirviendo, por un cierto periodo de tiempo, ya que es posible recargarlas.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

• En esencia las baterías secundarias son similares a las baterías primarias, pero el factor clave es que en las secundarias es posible revertir las reacciones químicas que ocurren en cuanto es utilizada la batería, los elementos que generan estas reacciones en cadena se van agotando y liberan sus componentes en forma de calor, es entonces cuando se pueden recargar con este mismo elemento que reanude el ciclo químico.

• Desafortunadamente esta reversibilidad nunca se completa al máximo, digamos que la batería va perdiendo un porcentaje en la cantidad de energía que pueda poseer cada vez que se recarga, además de que estas baterías secundarias no pueden ser recargadas un número infinito de veces, los componentes se van deteriorando hasta el punto en el que son inútiles y la batería ya no se puede recargar.

LA BATERÍA IDEAL

Las características que debería de tener una Batería ideal son:

• Alta Densidad de Energía

• Un voltaje constante en el momento de la descarga

• Baja resistencia interna

• Alta corriente de descarga

• Posibilidad de funcionamiento tanto en temperaturas altas como en bajas

• Larga duración de operación y un alto número de ciclos de Carga-Descarga

• Alta eficiencia en la recarga

• Precios bajos

PARA FINALIZAR • Es impresionante hablar acerca de robótica espacial, es un tema muy extenso y con grandes avances

que han generado una gama de conocimientos acerca del espacio.

• Los avances realizados en el campo de la robótica espacial han sido varios, hemos comprendido que los diferentes sistemas que componen a un robot son generados a partir de una problemática, y que esos sistemas a su vez generan otras problemáticas, como si fuera un ciclo interminable que nos conduce al perfeccionamiento de estas máquinas.

TODOS MERECEMOS UNA OPORTUNIDAD• Para solventar los diferentes problemas en la robótica se requiere de un análisis exhaustivo sobre del

conocimiento científico, se necesita la experimentación y es por ello que esta rama debería ser fomentada en todos sus aspectos en América Latina. En países como Brasil ya se han logrado avances en la rama Aeroespacial teniendo un instituto dedicado únicamente a esta área. Sería maravilloso que en México se impulsara un proyecto así, teniendo múltiples universidades de alto prestigio que se involucrarían en el tema.

GRACIAS

BIBLIOGRAFÍA

• Bolton, W. (2013). Mecatrónica: Sistemas de Control Electrónico en la Ingeniería Mecánica y Eléctrica. México: Alfaomega.

• Genta, G. (2012). Introduction to the Mechanics of Space Robots. Italia: Springer Netherlands.

• Salgado, O. (2008). Síntesis, Análisis y Diseño de Manipuladores Paralelos de Baja Movilidad. Bilbao: Universidad del País Vasco: Euskal Herriko Unibertsitatea.

• Russakow, J. & Rock, S. M. & Khatib, O. (1997). An operational space formulation for a free-flying, multi-arm space robot. Experimental Robotics IV. (pp. 448-457). Stanford, California: Springer BerlinHeidelberg.

• Zabalza, I. & Ros, J. & Pintor, J. M. & Jiménez, J. M. (2010). Aplicaciones de los Manipuladores Paralelos con Actuadores Giratorios, (x-rks). Sports Training Technologies, S.L., San Sebastián.