Control de fuerza

El control de fuerza consiste en controlar la fuerza con la que una máquina o el manipulador de un robot actúa sobre un objeto o su entorno. Al controlar la fuerza de contacto , se pueden prevenir daños tanto a la máquina como a los objetos que se procesan, así como lesiones al manipular personas. En tareas de fabricación, permite compensar errores y reducir el desgaste manteniendo una fuerza de contacto uniforme. El control de fuerza ofrece resultados más consistentes que el control de posición , que también se utiliza en el control de máquinas. Si bien puede emplearse como alternativa al control de movimiento convencional , generalmente se utiliza de forma complementaria, en el marco de conceptos de control híbrido. La fuerza aplicada para el control se suele medir mediante transductores de fuerza o estimar a través de la corriente del motor.

El control de fuerza ha sido objeto de investigación durante casi tres décadas y, gracias a los avances en la tecnología de sensores y actuadores y a los nuevos conceptos de control, está abriendo cada vez más nuevas áreas de aplicación. El control de fuerza es especialmente adecuado para tareas de contacto que implican el procesamiento mecánico de piezas, pero también se utiliza en telemedicina , robótica de servicio y escaneo de superficies.

Para la medición de fuerza, existen sensores que pueden medir fuerzas y pares en las tres direcciones espaciales. Alternativamente, las fuerzas también pueden estimarse sin sensores, por ejemplo, a partir de las corrientes del motor. El control indirecto de fuerza, mediante el modelado del robot como una resistencia mecánica (impedancia), y el control directo de fuerza en conceptos paralelos o híbridos se utilizan como estrategias de control. Actualmente, se investigan enfoques adaptativos , controladores difusos y aprendizaje automático para el control de fuerza.

Controlar la fuerza de contacto entre un manipulador y su entorno es una tarea cada vez más importante en el ámbito de la fabricación mecánica, así como en la robótica industrial y de servicio . Una de las motivaciones para el uso del control de fuerza es la seguridad tanto del operario como de la máquina. Por diversas razones, los movimientos del robot o de las piezas de la máquina pueden verse bloqueados por obstáculos durante la ejecución del programa. En la robótica de servicio, estos obstáculos pueden ser objetos o personas en movimiento; en la robótica industrial, pueden surgir problemas con robots cooperativos, entornos de trabajo cambiantes o un modelo ambiental impreciso. Si la trayectoria está desalineada en el control de movimiento clásico y, por lo tanto, no es posible alcanzar la(s) posición(es) programada (s) del robot , el control de movimiento aumentará la variable manipulada (normalmente la corriente del motor) para corregir el error de posición. El aumento de la variable manipulada puede tener los siguientes efectos:

1. El obstáculo se elimina o se daña/destruye.
2. La máquina está dañada o destruida.
3. Se superan los límites de las variables manipuladas y el controlador del robot se apaga.

Un sistema de control de fuerza puede prevenir esto regulando la fuerza máxima de la máquina en estos casos, evitando así daños o permitiendo detectar colisiones en una fase temprana.

En las tareas de fabricación mecánica, la irregularidad de la pieza suele generar problemas en el control del movimiento. Como se puede observar en la figura adjunta, la irregularidad de la superficie provoca que la herramienta penetre demasiado durante el control de posición (rojo).${\displaystyle P'_{1}}$o perder el contacto con la pieza de trabajo durante el control de posición (rojo)${\displaystyle P'_{2}}$Esto genera, por ejemplo, un efecto de fuerza alternante sobre la pieza y la herramienta durante el rectificado y el pulido. El control de fuerza (en verde) resulta útil en este caso, ya que garantiza una eliminación uniforme del material mediante el contacto constante con la pieza.

En el control de fuerza, se puede establecer una distinción básica entre aplicaciones con contacto pronunciado y aplicaciones con contacto potencial. ^{[ 1 ]} Hablamos de contacto pronunciado cuando el contacto de la máquina con el entorno o la pieza de trabajo es un componente central de la tarea y se controla explícitamente. Esto incluye, sobre todo, tareas de deformación mecánica y mecanizado de superficies. En tareas con contacto potencial, la variable de la función del proceso es el posicionamiento de la máquina o sus partes. Las mayores fuerzas de contacto entre la máquina y el entorno se producen debido a un entorno dinámico o a un modelo impreciso del entorno. En este caso, la máquina debe ceder ante el entorno y evitar grandes fuerzas de contacto.

Las principales aplicaciones del control de fuerza en la actualidad se encuentran en las operaciones de fabricación mecánica. Esto incluye tareas de fabricación como el rectificado , el pulido y el desbarbado , así como procesos controlados por fuerza, como la unión controlada, el doblado y el prensado de pernos en orificios prefabricados. Otro uso común del control de fuerza es el escaneo de superficies desconocidas. En este caso, el control de fuerza se utiliza para establecer una presión de contacto constante en la dirección normal de la superficie, y el cabezal de escaneo se mueve en la dirección de la superficie mediante control de posición. La superficie se puede describir entonces en coordenadas cartesianas mediante cinemática directa .

Otras aplicaciones del control de fuerza con contacto potencial se encuentran en la tecnología médica y la robótica colaborativa. Los robots utilizados en telemedicina , es decir, en operaciones médicas asistidas por robot, pueden evitar lesiones con mayor eficacia mediante el control de fuerza. Además, la retroalimentación directa de las fuerzas de contacto medidas al operador mediante un dispositivo de control de retroalimentación de fuerza resulta de gran interés. Sus posibles aplicaciones se extienden a las teleoperaciones basadas en internet.

En principio, el control de fuerza también resulta útil en entornos donde las máquinas y los robots cooperan entre sí o con humanos, así como en aquellos donde el entorno no se describe con exactitud o es dinámico y no puede describirse con precisión. En estos casos, el control de fuerza ayuda a sortear obstáculos y desviaciones en el modelo del entorno y a evitar daños.

El primer trabajo importante sobre control de fuerza fue publicado en 1980 por John Kenneth Salisbury en la Universidad de Stanford . ^{[ 2 ]} En él, describe un método para el control activo de rigidez, una forma simple de control de impedancia. Sin embargo, el método aún no permite la combinación con el control de movimiento, pero aquí el control de fuerza se realiza en todas las direcciones espaciales. Por lo tanto, es necesario conocer la posición de la superficie. Debido al menor rendimiento de los controladores de robots de la época, el control de fuerza solo podía realizarse en computadoras centrales. Así, se logró un ciclo de controlador de ≈100 ms. ^{[ 3 ]}

En 1981, Raibert y Craig presentaron un artículo sobre control híbrido de fuerza/posición que sigue siendo relevante hoy en día. ^{[ 4 ]} En este artículo, describen un método en el que se utiliza una matriz (matriz de separación) para especificar explícitamente, para todas las direcciones espaciales, si se debe utilizar control de movimiento o de fuerza. Raibert y Craig simplemente esbozan los conceptos del controlador y asumen que son factibles.

En 1989, Koivo presentó una exposición ampliada de los conceptos de Raibert y Craig. ^{[ 5 ]} Aquí sigue siendo necesario un conocimiento preciso de la posición de la superficie, lo que aún no permite las tareas típicas de control de fuerza actuales, como el escaneo de superficies.

El control de fuerza ha sido objeto de intensa investigación durante las últimas dos décadas y ha experimentado grandes avances gracias al desarrollo de la tecnología de sensores y los algoritmos de control. Desde hace algunos años, los principales fabricantes de tecnología de automatización ofrecen paquetes de software y hardware para sus controladores que permiten el control de fuerza. Los controladores de máquinas modernos son capaces de controlar la fuerza en una dirección espacial en tiempo real con un tiempo de ciclo inferior a 10 ms. ^{[ 6 ]}

Para cerrar el bucle de control de fuerza, en el sentido de un control de lazo cerrado, es necesario conocer el valor instantáneo de la fuerza de contacto. Esta fuerza puede medirse directamente o estimarse.

Medición directa de la fuerza

El método más sencillo para el control de fuerza consiste en la medición directa de las fuerzas de contacto mediante sensores de fuerza/par en el efector final de la máquina o en la muñeca del robot industrial. Estos sensores miden la deformación que se produce en ellos. La forma más común de medir la deformación es mediante galgas extensométricas .

Además de los extensómetros de resistencia eléctrica variable, ampliamente utilizados, existen otras versiones que emplean principios piezoeléctricos , ópticos o capacitivos para la medición. Sin embargo, en la práctica, solo se utilizan en aplicaciones especiales. Los extensómetros capacitivos, por ejemplo, pueden utilizarse también en rangos de alta temperatura superiores a 1000  °C. ^{[ 1 ]}

Los extensómetros están diseñados para lograr una relación lo más lineal posible entre la deformación y la resistencia eléctrica dentro del espacio de trabajo. Además, existen diversas maneras de reducir los errores de medición y las interferencias. Para excluir la influencia de la temperatura y aumentar la fiabilidad de la medición, se pueden disponer dos extensómetros de forma complementaria.

Los sensores modernos de fuerza/par miden tanto la fuerza como el par en las tres direcciones espaciales y están disponibles en prácticamente cualquier rango de valores. Su precisión suele ser del orden de partes por mil del valor máximo medido. La frecuencia de muestreo de los sensores ronda los 1  kHz. Como extensión de los sensores de fuerza/par de 6 ejes, existen sensores de 12 y 18 ejes que, además de medir los seis componentes de fuerza o par, también son capaces de medir seis componentes de velocidad y aceleración cada uno.

Sensor de fuerza/par de seis ejes

En las aplicaciones modernas, se utilizan con frecuencia los denominados sensores de fuerza/par de seis ejes. Estos se montan entre la mano del robot y el efector final y pueden registrar tanto fuerzas como pares en las tres direcciones espaciales. Para ello, están equipados con seis o más galgas extensométricas (posiblemente puentes de medición de deformación) que registran deformaciones en el rango micrométrico. Estas deformaciones se convierten en tres componentes de fuerza y ​​par mediante una matriz de calibración.

Los sensores de fuerza/par contienen un procesador de señal digital que adquiere y filtra continuamente los datos del sensor (deformación) en paralelo, calcula los datos de medición (fuerzas/pares) y los pone a disposición a través de la interfaz de comunicación del sensor.

Los valores medidos corresponden a las fuerzas en el sensor y, por lo general, aún deben convertirse en fuerzas y pares en el efector final o la herramienta mediante una transformación adecuada.

Dado que los sensores de fuerza/par siguen siendo relativamente caros (entre 4000 € y 15 000 €) y muy sensibles a sobrecargas y perturbaciones, su uso en la industria ha sido, por lo tanto, reticente, al igual que el control de fuerza. ^{[ 3 ]} La medición o estimación indirecta de la fuerza es una solución que permite el control de fuerza sin necesidad de sensores costosos y propensos a las perturbaciones.

Se utilizan diversos conceptos de control para el control de fuerza. Según el comportamiento deseado del sistema, se distingue entre el control directo de fuerza y ​​el control indirecto mediante la especificación de la compliancia o la impedancia mecánica. ^{[ 10 ]} Por regla general, el control de fuerza se combina con el control de movimiento. Los conceptos de control de fuerza deben considerar el problema del acoplamiento entre fuerza y ​​posición: si el manipulador está en contacto con el entorno, un cambio de posición también implica un cambio en la fuerza de contacto.

Control de impedancia

El control de impedancia , o control de cumplimiento, regula la adaptabilidad del sistema, es decir, la relación entre fuerza y ​​posición al entrar en contacto con un objeto. En la literatura, el cumplimiento se define como una medida de la capacidad del robot para contrarrestar las fuerzas de contacto. Existen enfoques pasivos y activos para abordarlo. En este caso, el cumplimiento del sistema robótico se modela como una impedancia mecánica, que describe la relación entre la fuerza aplicada y la velocidad resultante. Aquí, la máquina o manipulador del robot se considera una resistencia mecánica con restricciones de posición impuestas por el entorno. En consecuencia, la causalidad de la impedancia mecánica describe que un movimiento del robot produce una fuerza. En la admitancia mecánica, por otro lado, una fuerza aplicada al robot produce un movimiento resultante.

Control de impedancia pasiva

El control de cumplimiento pasivo (también conocido como control de cumplimiento) no requiere medición de fuerza, ya que no existe un control de fuerza explícito. En cambio, el manipulador y/o el efector final se diseñan de forma flexible para minimizar las fuerzas de contacto que se producen durante la tarea a realizar. Las aplicaciones típicas incluyen operaciones de inserción y agarre. El efector final se diseña de tal manera que permite desviaciones de traslación y rotación ortogonales a la dirección de agarre o inserción, pero presenta una alta rigidez en dicha dirección. La figura adjunta muestra un denominado Centro de Cumplimiento Remoto (RCC) que lo posibilita. Como alternativa al RCC, toda la máquina también puede ser estructuralmente elástica.

El control de impedancia pasiva es una muy buena solución en términos de dinámica del sistema , ya que no hay latencia debida al control. Sin embargo, el control de cumplimiento pasivo suele estar limitado por las especificaciones mecánicas del efector final en la tarea y no se puede aplicar fácilmente a tareas o condiciones ambientales diferentes y cambiantes. ^{[ 11 ]}

Control de impedancia activa

El control de cumplimiento activo se refiere al control del manipulador en función de la desviación del efector final. Esto resulta especialmente adecuado para guiar robots mediante un operador, por ejemplo, como parte de un proceso de aprendizaje .

El control de cumplimiento activo se basa en la idea de representar el sistema máquina-entorno como un sistema masa-resorte-amortiguador. La fuerza${\displaystyle F}$y el movimiento (posición${\displaystyle x(t)\!\,}$, velocidad${\displaystyle {\dot {x}}(t)}$y aceleración${\displaystyle {\ddot {x}}(t)}$están directamente relacionados a través de la ecuación masa-resorte-amortiguador:

${\displaystyle F(t)=c\cdot x(t)+d\cdot {\dot {x}}(t)+m\cdot {\ddot {x}}(t)}$

La compliancia o impedancia mecánica del sistema está determinada por la rigidez.${\displaystyle c}$, la amortiguación${\displaystyle d}$y la inercia${\displaystyle m}$y puede verse influenciada por estas tres variables. Al control se le proporciona una impedancia mecánica objetivo mediante estas tres variables, la cual se logra mediante el control de la máquina.

La figura muestra el diagrama de bloques de un control de impedancia basado en fuerza. La impedancia en el diagrama de bloques representa los componentes L, A y . Un control de impedancia basado en posición puede diseñarse de forma análoga a un control de posición o movimiento interno.

De forma alternativa y análoga, se puede controlar la admitancia en lugar de la resistencia. A diferencia del control de impedancia, la admitancia aparece en la ley de control como la recíproca de la impedancia.

Control directo de la fuerza

Los conceptos anteriores se denominan control de fuerza indirecto, ya que la fuerza de contacto no se especifica explícitamente como una variable de comando, sino que se determina indirectamente a través de los parámetros del controlador: amortiguación , rigidez y masa (virtual) . El control de fuerza directo se presenta a continuación.

El control directo de fuerza utiliza la fuerza deseada como punto de consigna dentro de un bucle de control cerrado . Se implementa como un control de fuerza/posición paralelo en forma de control en cascada o como un control híbrido de fuerza/posición en el que se alterna entre el control de posición y el de fuerza.

Control de fuerza/posición paralelo

Una posibilidad para el control de fuerza es el control de fuerza/posición en paralelo. El control está diseñado como un control en cascada y tiene un bucle de control de fuerza externo y un bucle de control de posición interno. Como se muestra en la siguiente figura, se calcula una corrección de avance correspondiente a partir de la diferencia entre la fuerza nominal y la fuerza real. Esta corrección de avance se compensa con los valores de comando de posición, por lo que en el caso de la fusión de${\displaystyle X_{sol}}$y${\displaystyle X_{korr}}$, el comando de posición del control de fuerza (${\displaystyle X_{korr}}$)tiene mayor prioridad, es decir, se tolera un error de posición en favor del control de fuerza correcto. El valor de desplazamiento es la variable de entrada para el bucle de control de posición interno.

De forma análoga a un control de posición interno, también puede darse un control de velocidad interno, que tiene una dinámica más elevada. ^{[ 12 ]} En este caso, el bucle de control interno debe tener una saturación para no generar una velocidad que aumente (teóricamente) arbitrariamente en el movimiento libre hasta que se produzca el contacto.

Control híbrido de fuerza/posición

El control híbrido de fuerza/posición ofrece una mejora con respecto a los conceptos anteriores, ya que funciona con dos sistemas de control independientes y puede utilizarse incluso con superficies de contacto rígidas e inflexibles. En este control, el espacio se divide en un espacio restringido y otro no restringido. El espacio restringido contiene limitaciones, por ejemplo, en forma de obstáculos, y no permite el libre movimiento; el espacio no restringido sí lo permite. Cada dimensión del espacio es restringida o no restringida.

En el control de fuerza híbrido, se utiliza el control de fuerza para el espacio restringido y el control de posición para el espacio no restringido. La figura muestra dicho control. La matriz Σ indica qué direcciones espaciales están restringidas y es una matriz diagonal compuesta por ceros y unos.

Por ejemplo, se puede especificar estáticamente qué dirección espacial está restringida y cuál no. El control de fuerza y ​​posición se especifica explícitamente para cada dirección espacial; la matriz Σ es entonces estática. Otra posibilidad es cambiar la matriz Σ dinámicamente en función de la medición de fuerza. De esta forma, es posible cambiar del control de posición al control de fuerza para direcciones espaciales individuales cuando se establece contacto o colisión. En el caso de tareas de contacto, todas las direcciones espaciales estarían controladas por movimiento en caso de movimiento libre, y después de que se establezca el contacto, la dirección de contacto cambiaría al control de fuerza seleccionando la matriz Σ adecuada.

En los últimos años, el tema de investigación se ha centrado cada vez más en los conceptos adaptativos, el uso de sistemas de control difuso y aprendizaje automático , y el control de cuerpo completo basado en fuerzas.

• Bruno Siciliano , Luigi Villani (2000), Robot Force Control , Springer, ISBN 0-7923-7733-8
• Wolfgang Weber (2002), Industrierobot. Methoden der Steuerung und Regelung , Fachbuchverlag Leipzig, ISBN 3-446-21604-9
• Lorenzo Sciavicco , Bruno Siciliano (1999), Modelado y control de manipuladores robóticos , Springer, ISBN 1-85233-221-2
• Klaus Richter (1991), Kraftregelung elastischer Roboter , VDI-Verlag, ISBN 3-18-145908-9