Robótica, la próxima generación

Por Rich Miron

Colaboración de Digi-Key Electronics

Efectivamente hay un aumento constante en el uso de los robots. Si bien existen algunos rivales que dicen que la automatización generará pérdidas de puestos de trabajo, todas las pruebas hasta ahora indican que la robótica mejora la productividad, la seguridad, la rentabilidad y, en realidad, crea nuevos empleos. Para finales de este año, se prevé que aumentará la cantidad de robots industriales que se implementan a nivel internacional a aproximadamente 2.6 millones de unidades.

Las cifras de la Federación Internacional de Robótica (IFR) que se publicaron el año pasado revelaron que existe un promedio mundial de 74 robots industriales instalados por cada 10,000 empleados. Estas cifras también mostraron que este promedio era notablemente superior en países en los que había un aumento de la medición de la productividad. Alemania, Singapur y la República de Corea, por ejemplo, mostraron la mayor cantidad de robots instalados por cada 10,000 empleados, con cifras de 309, 488 y 631, respectivamente.

Además, en el sector automovilístico de Alemania, por ejemplo, hubo un aumento paralelo en la cantidad de empleados a medida que crecía la automatización robótica. Un estudio que publicó el ZEW (Centro de Investigación Económica Europea) junto con la Universidad de Utrecht confirmó este efecto positivo sobre la cantidad de puestos de trabajo debido al aumento de la automatización. A partir de esto, se puede deducir que la reducción de los costos de producción como consecuencia del aumento de la automatización disminuye los precios de mercado, lo que hace que los productos sean más atractivos para los consumidores y aumente la demanda. Debido a esta creciente demanda, se genera un mayor crecimiento laboral.

Asimismo, la industria y la fabricación no son las únicas áreas en las que los robots provocan un efecto. Están avanzando cada vez más fuera de las fábricas, ya sea, por ejemplo, al aumentar la eficiencia de la compra en línea con respecto a las entregas o al crear más entusiasmo en los estudiantes en relación con las áreas de STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemática).

Con el fin de desarrollar los sistemas robóticos más inteligentes y sofisticados, se necesitan tecnologías innovadoras analógicas e integradas. Para ayudar a desarrollar una comprensión más profunda de cómo funcionan los diseños de sistemas robóticos, Texas Instruments (TI) ofrece paquetes de aprendizaje que ayudan a que los estudiantes cubran la brecha en los planes de estudio actuales de ingeniería. A continuación, se analizan algunas de las herramientas de TI que se encuentran actualmente disponibles:

Robots industriales

TIDA-01600 - Diseño de referencia de diagnóstico y control inteligente de frenos para servomotores y robots: Este diseño de referencia de TI (figura 1) brinda señales de salida de dos canales para controlar un freno de contención externo con el fin de implementar la función de control de freno seguro en servomotores según IEC EN 61800-5-2. De manera funcional, el freno de contención se bloquea cuando se corta la potencia de su bobina de funcionamiento y se libera cuando se aplica voltaje. Para ello, se activan o se desactivan los interruptores de carga electrónicos inteligentes que suministran potencia a la bobina. En este diseño de referencia, también se incluyen las características de diagnóstico para detectar diversas fallas, lo que garantiza un funcionamiento seguro. Con el fin de generar señales de control de freno y desarrollar los diagnósticos, el diseño utiliza la plataforma de lanzamiento C2000.

Imagen del diseño de referencia de freno inteligente para servomotores y robots TIDA-01600 de Texas Instruments

Figura 1: Diseño de referencia de freno inteligente para servomotores y robots TIDA-01600 de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

LMZ14201TZ-ADJ/NOPB - Módulo eléctrico de SIMPLE SWITCHER para voltaje de salida elevado: Los módulos eléctricos de la serie LMZ1420x de TI disponen de un inductor blindado integrado, una disposición sencilla de placa de circuito impreso (PCB) y una secuencia flexible de puesta en marcha mediante arranque suave externo y activación de precisión. Estos módulos eléctricos proporcionan protección contra las corrientes de irrupción y contra los cortocircuitos de salida y de bloqueo de voltaje mínimo (UVLO) de entrada. La reducción de la generación de calor del sistema se debe a su alta eficiencia. Para facilitar el ensamblado y la fabricación, esta serie de módulos eléctricos cuenta cada una con una única placa descubierta y una distribución de terminales estándar.

ISO7842: Se trata de un aislador digital reforzado de 4 canales y 2/2 (certificado de acuerdo con la Federación Alemana de Industrias Electrotécnicas, Electrónicas y de Tecnologías de la Información [VDE], la Asociación Canadiense de Normalización [CSA], el Centro de Certificación de la Calidad de China [CQC] y el organismo certificador alemán [TUV]) que tiene un voltaje de aislamiento de 8000 VPK. El aislador ISO7842 separa las E/S digitales de semiconductores de metal-óxido complementario (CMOS) y semiconductores de metal-óxido complementario de bajo voltaje (LVCMOS) a la vez que proporciona una elevada inmunidad electromagnética y escasas emisiones con un bajo consumo energético. Cada canal de aislamiento tiene un búfer lógico de entrada y salida separado por una barrera de aislamiento compuesta por un material de dióxido de silicio (SiO2).

TPS7B6933QDBVRQ1: Los dispositivos TPS7B69xx-Q1 son reguladores lineales de caída baja (LDO) que están diseñados para ejecutar operaciones de hasta 40 V VI. El dispositivo TPS7B6933QDBVRQ1 cuenta con una corriente en reposo de 15 µA (normal) a cargas ligeras, lo que hace que sea adecuado para ejecutar los sistemas de unidades de microcontroladores de reserva, en especial en aplicaciones automovilísticas. Estos dispositivos disponen de una protección integrada contra cortocircuitos y sobrecorrientes, y un intervalo de temperatura de funcionamiento de –40 °C a +125 °C. Estas características hacen que el TPS7B6925-Q1, el TPS7B6933-Q1y el TPS7B6950-Q1 sean ideales para utilizar en distintas aplicaciones de fuentes de alimentación automotrices.

TPS27S100APWPR: los interruptores inteligentes de lado alto TPS27S100x de TI son interruptores de un solo canal, totalmente protegidos, con semiconductores de óxido-metal de canal negativo (NMOS) integrados y una bomba de carga. El TPS27S100APWPR presenta diagnósticos completos y una monitorización de corriente de alta precisión que permite que se realice un control inteligente de la carga. También tiene una función de límite de corriente ajustable que puede mejorar en gran medida la fiabilidad del sistema. Las características de monitorización de corriente precisa y el límite de corriente ajustable hacen que este dispositivo sea diferente a otros que se encuentran actualmente en el mercado.

ULN2003APWR: Este dispositivo de TI consiste en una matriz de transistores de alta corriente. El ULN2003APWR consta de siete pares de transistores Darlington NPN. Cada uno de ellos dispone de salidas de alto voltaje con diodos de fijación de cátodo común para conmutar cargas inductivas. Cada par de Darlington que se encuentra en este dispositivo tiene un valor nominal de corriente colector de 500 mA. Se pueden asimilar estos pares de Darlington para soportar mayores exigencias de corriente. Algunos ejemplos de aplicaciones incluyen controladores de lámparas, de pantallas (LED y descarga de gas), de martillos, de línea, de relés, así como también búferes lógicos.

TVS3300DRVR: El TVS3300 ofrece protección a los sistemas contra transitorios de alta potencia o rayos al derivar hasta 35 A de corriente de falla IEC 61000-4-5 y brinda soluciones a los requisitos comunes de compatibilidad electromagnética (EMC) de la línea de señal industrial para soportar hasta 1 kV de voltaje de circuito abierto IEC 61000-4-5 acoplado a través de una impedancia de 42 Ω. Este dispositivo asegura una sujeción plana y precisa durante una falla con un mecanismo exclusivo de retroalimentación que garantiza que la exposición del sistema será inferior a los 40 V. Este ajuste de regulación del voltaje les brinda a los diseñadores la capacidad de seleccionar con confianza los componentes del sistema con tolerancias de menor voltaje, lo que reduce los costos y la complejidad del sistema en general sin dejar de lado la robustez.

Robots de logística y de servicio

Sensor de distancia ultrasónico con diseño de referencia IO-Link - Diseño de referencia de TI: Este diseño (figura 2) cuenta con un sensor de distancia ultrasónico que se adapta a un receptáculo M12 debido a su óptima disposición y alto nivel de integración. Gracias a su diseño de interfaz IO-Link para garantizar la comunicación con el control del sistema, este dispositivo está listo para la industria 4.0. Los sensores ultrasónicos se utilizan para detectar o medir distancias de objetos, independientemente del color, la transparencia o las características de la superficie. Este dispositivo puede funcionar en entornos industriales hostiles, tales como fábricas y plantas procesadoras.

Imagen del diseño de referencia TIDA-01386 de Texas Instruments

Figura 2: Diseño de referencia TIDA-01386 de Texas Instruments para un sensor de distancia ultrasónico con IO-Link. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Cable EtherCAT P® para la potencia y diseño de referencia EtherCAT® - Diseño de referencia de TI: En este diseño de referencia se muestra la combinación de potencia en los circuitos de aplicación física de un dispositivo de alimentación eléctrica. Cumple con todos los requisitos de la guía de aplicación oficial de EtherCAT P, incluidas las características como el límite de corriente continua y de entrada y la protección de polaridad inversa.

Diseño de referencia de protección contra sobrevoltajes para módulo de entrada analógica de los controladores lógicos programables (PLC) - Diseño de referencia de TI: El objetivo de este diseño es mostrar las capacidades de protección de los dispositivos de protección de 33 V de TI (como el TVS3300 antes descrito) destinados a la automatización y el control de la fábrica. Este diseño tiene la precisión que se necesita para medir el comportamiento del dispositivo de protección antes y después de una tensión de interferencia electromagnética (EMI) con respecto a la fuga y el voltaje de sujeción.

TVS3300DRV-EVM: El TVS3300DRV-EVM de TI ayuda a los diseñadores a evaluar el funcionamiento y rendimiento del TVS3300 (antes descrito), una sujeción de precisión que mantiene el voltaje de sujeción ultra bajo y plano durante eventos de sobrevoltaje transitorio. Gracias a esta tecnología de sobrevoltaje de precisión de TI, el voltaje de sujeción del TVS3300 presenta cambios mínimos, independientemente de la amplitud de corriente de sobrevoltaje. También tiene una función de respuesta rápida a los sobrevoltajes, lo que limita el exceso del voltaje cuando se produce la sujeción. En el módulo de evaluación de TVS3300DRV-EVM, se incluyen dos conjuntos de cabezales de terminales de tornillo para realizar pruebas en línea de propósito general de distintas configuraciones de conectores. Además, se incorporan dos puertos de entrada de enchufe tipo banana para facilitar la prueba y cuatro conectores SMA de 50 Ω en la placa para lograr una conexión conveniente a un osciloscopio.

LM5166DRCT: Este dispositivo es un convertidor reductor síncrono de 3 V a 65 V de IQ ultra bajo, compacto y fácil de usar. Presenta una alta eficiencia sobre una amplia gama de voltaje de entrada y corriente de carga. La incorporación de transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) de potencia de lado alto y bajo permite el envío de hasta 500 mA de corriente de salida a los voltajes fijos de salida de 3.3 V o 5 V, o a una salida ajustable. El diseño de este convertidor simplifica la implementación a la vez que proporciona opciones para optimizar el rendimiento de la aplicación destino. Se puede seleccionar la opción de modo de la modulación de frecuencia de pulso (PFM) del LM5166DRCT para obtener una eficiencia óptima de carga ligera o un control de tiempo constante (COT) para lograr una frecuencia de funcionamiento que sea casi continua. Es importante señalar que ninguno de los esquemas de control necesita una compensación de bucle para poder proporcionar una excelente respuesta transitoria de línea y carga y una modulación por ancho de pulsos (PWM) a tiempo para obtener grandes radios de conversión de reducción.

PGA460TPWRQ1: El PGA460-Q1 de TI cuenta con un avanzado núcleo procesador de señal digital (DSP) en este sistema en chip altamente integrado de controladores transductores ultrasónicos y acondicionamiento de señales. El dispositivo incluye un par de controladores complementarios de lado bajo que le permite controlar un transductor en una topología de transformador que utiliza un transformador elevador o en una topología de transmisión directa con transistores de efecto de campo (TEC) externos de lado alto. Este dispositivo puede recibir y condicionar el reflejo de la señal de eco ultrasónica para detectar objetos de manera confiable. Esto se logra mediante el uso de un Front End analógico (AFE) que consta de un amplificador de bajo ruido seguido de una etapa de ganancia programable con variación de tiempo que alimenta un convertidor de analógico a digital (ADC). Luego se procesa la señal digitalizada del ADC en el núcleo DSP. Tanto la detección de objetos de campo lejano como de campo cercano se calculan utilizando umbrales con variaciones de tiempo.

MSP430FR5959IRHAR: La plataforma FRAM de MSP430 de potencia ultra baja (ULP) combina una FRAM integrada y una arquitectura de sistema de potencia ultra baja para permitir un mayor rendimiento con menores presupuestos energéticos TI utiliza la tecnología FRAM en estos dispositivos, ya que combina la velocidad, la flexibilidad y la resistencia de SRAM con la estabilidad y la confiabilidad de Flash, todo con un menor consumo energético. La cartera de productos de FRAM de ULP de MSP430 presenta un conjunto variado de dispositivos que incorporan FRAM, la unidad central de procesamiento (CPU) de 16 bits de ULP de MSP430 y periféricos inteligentes que se destinan a distintas aplicaciones. La arquitectura de ULP cuenta con siete modos de baja potencia, optimizados para lograr una mayor duración de la batería en diversas aplicaciones con problemas de energía.

TIOL111: Esta familia de transceptores presenta una interfaz IO-Link para lograr la comunicación industrial bidireccional punto a punto. Cuando se conecta a un maestro IO-Link a través de una interfaz de tres hilos, el TIOL111 funciona como una capa física completa para lograr la comunicación. En este caso, el maestro puede iniciar la comunicación e intercambiar datos con el nodo remoto. Las características de protección de estos dispositivos incluyen la capacidad de soportar hasta 1.2 kV (500 Ω) de sobrevoltaje IEC 61000-4-5 y la protección de polaridad inversa integrada.

Diseño de referencia de la etapa de potencia de 10.8 V/15 W, eficiencia de >90 % y 2.4 cm2 para los servomotores de CC con escobillas - Diseño de referencia de TI: Este diseño de referencia de la etapa de potencia de 15 W (Figura 3) mide solo 12 mm x 20 mm. Tiene la intención de controlar y dirigir la posición de un motor de CC con escobillas (BDC) que funciona con una batería de iones de litio de tres a seis celdas. Al proporcionar una solución altamente eficiente, este diseño está optimizado con un factor de forma muy pequeño que puede adaptarse con facilidad en la carcasa de un motor y también es compatible con un control preciso de la posición de este. Además, este diseño de referencia también puede impulsar un motor a alta velocidad sin retroalimentación de posición y demuestra una detección de corriente rápida y precisa para lograr un control de par de calidad. Por último, el microcontrolador (MCU) integrado proporciona conectividad de Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART), lo que permite la capacidad de control con todos los controladores externos.

Imagen del diseño de referencia TIDA-01588 de Texas Instruments

Figura 3: Diseño de referencia TIDA-01588 de Texas Instruments para una etapa de potencia para servomotores de CC con escobillas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Interfaz de sensor de vibración piezoeléctrico electrónico integrado (IEPE) para diseño de referencia de entrada analógica de controladores lógicos programables (PLC) - Diseño de referencia de TI: Un componente fundamental en la monitorización de condición industrial y una necesidad para el mantenimiento predictivo es el sensor de vibraciones. El sensor de vibraciones más común que se utiliza en el entorno industrial es el sensor piezoeléctrico electrónico integrado (IEPE). El núcleo de este diseño de referencia (figura 4) es un Front End analógico completo para una interfaz de sensor IEPE. Este diseño demuestra la conversión de alta resolución, flexible, de bajo consumo y alta velocidad de los datos del sensor IEPE, posible en una aplicación de espacio reducido.

Imagen del diseño de referencia de la interfaz del sensor de vibración TIDA-01471 de Texas Instruments

Figura 4: Diseño de referencia de la interfaz del sensor de vibración TIDA-01471 de Texas Instruments para entradas analógicas de PLC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

MSP430FR2433IRGER: Esta familia de microcontroladores que se basan en FRAM MSP430FRx de ultra baja potencia de TI ofrece el menor consumo energético y una gran variedad de periféricos integrados para una amplia gama de aplicaciones portátiles y de baja potencia. Estos MCU son perfectos para aplicaciones en las que funcionan principalmente en modo de espera. Además, la familia de MCU basados en FRAM MSP430FRx agregó, hace poco, opciones para lograr la extensión del registro de datos y las capacidades de seguridad. El MSP43FR2433 viene dentro de un paquete pequeño plano y sin cables (VQFN) (4 mm × 4 mm), ideal para sensores industriales de factor de forma pequeños, y se combina con una variedad de periféricos integrados para complementar su consumo energético ultra bajo.

TPS70933DRVR: La serie TPS709xx de reguladores lineales de TI presenta una corriente de reposo ultra baja, ideal para aplicaciones que son sensibles a la potencia. Estos dispositivos tienen una precisión del dos por ciento sobre el intervalo de temperatura de funcionamiento mediante el uso de un salto energético de precisión y un amplificador de error. La baja corriente en reposo de 1 µA hace que estos dispositivos sean soluciones perfectas para aplicaciones que funcionan con baterías y están siempre encendidas con muy poca disipación de potencia en estado inactivo. Esta familia de dispositivos tiene características adicionales de seguridad que incluyen protecciones contra apagado térmico, límite de corriente y corriente inversa.

DRV8870DDAR: El DRV8870 de TI es un impulsor de motor de CC de 3.6 A que se puede usar en aplicaciones como equipos industriales, electrodomésticos, impresoras y otras máquinas pequeñas. Las dos entradas lógicas dominan los cuatro controladores de motor de puente H de MOSFET de canal N que pueden controlar motores de manera bidireccional con una corriente máxima de 3.6 A. Con el fin de manejar la velocidad del motor, las entradas pueden ser moduladas por ancho de pulso al utilizar modos de selección de disminución de corriente. Cuando se configuran ambas entradas en un nivel bajo, los dispositivos entran en un modo de reposo de baja potencia. El DRV8870 también cuenta con una regulación de corriente integrada que se basa en la entrada analógica de voltaje de referencia (VREF) y en el voltaje ISEN del pin, que proviene de una resistencia de detección externa a través de la que fluye la corriente del motor. La capacidad del dispositivo para limitar la corriente a un nivel conocido puede reducir de forma significativa los requisitos de sistema de alimentación y la capacitancia a granel necesaria para mantener el voltaje estable en especial para el arranque del motor y las condiciones de bloqueo.

ESD122DMXR: Esta matriz bidireccional de diodos de protección de descarga electrostática (ESD) de voltaje transitorio (TVS) de TI está diseñada para proteger el circuito USB Type-C™ y HDMI 2.0 y está clasificada para disipar golpes de ESD de contacto al nivel máximo especificado en IEC 61000-4-2 (contacto de 17 kV, entrehierro de 17 kV). La ESD122 cuenta con una capacitancia baja de ES por canal y una distribución de terminales para adaptarse a la señal de alta velocidad diferencial simétrica, lo que la hace ideal para proteger las necesidades de interfaces de alta velocidad de hasta 10 Gbps en aplicaciones tales como USB 3.1 Gen2 y HDMI 2.0. La baja resistencia dinámica y el bajo voltaje de sujeción del dispositivo aseguran una mayor protección del sistema contra eventos transitorios. Además, el ESD122 es una solución ideal de ESD para las líneas USB de tipo C y Tx/Rx. Debido a que el conector USB de tipo C tiene dos capas, el uso de dispositivos ESD de 4 canales necesita arquitecturas de interfaz visual (VIA), que degradan la integridad de la señal. No obstante, con cuatro dispositivos de ESD122 (de 2 canales) se reduce al mínimo el número de VIA y se simplifica el diseño.

TLV9061IDPWR:Los amplificadores TLV9061, TLV9062 y TLV9064 son operacionales, simples, duales y cuádruples, de bajo voltaje (1.8 V a 5.5 V), respectivamente, con capacidades de oscilación de entrada y salida de riel a riel. Estos dispositivos brindan soluciones muy rentables para aplicaciones con voltaje bajo, espacio pequeño y controlador con carga capacitiva alta. Aunque el controlador con carga capacitiva de TLV906x sea de 100 pF, la impedancia de salida de bucle abierto simplifica la estabilidad con cargas capacitivas más altas. Como se señaló antes, estos amplificadores operacionales tienen como finalidad específica realizar operaciones de bajo voltaje (1.8 V a 5.5 V) y presentan especificaciones de rendimiento similares a las de los dispositivos TLVx316 y OPAx316 de TI.

TVS3300DRVR: Consulte la descripción en la sección “Robots industriales” anterior.

IWR1642: Este dispositivo, que se basa en la tecnología de radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW), es un sensor integrado de un solo chip mmWave que puede funcionar en la banda de 76 a 81 GHz con un chirrido continuo de hasta 4 GHz. Construida con el proceso de semiconductores de óxido metálico complementario de radiofrecuencia (RFCMOS) de 45 nm de baja potencia de TI, esta solución permite que se generen niveles de integración sin precedentes con un factor de forma sumamente pequeño. Las soluciones ideales para el IWR1642 incluyen sistemas de radar ultra precisos, autocontrolados y de bajo consumo de energía en aplicaciones industriales, tales como vigilancia, automatización de fábricas, manejo de materiales, monitoreo de tráfico, automatización de edificios y drones.

Conclusión

Las tecnologías industriales actuales necesitan sistemas robóticos más inteligentes y sofisticados, junto con tecnologías innovadoras analógicas e integradas. Para satisfacer esto, TI ofrece una amplia variedad de soluciones y diseños de referencia que pueden acelerar e incluso simplificar el desarrollo.

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Información sobre el autor

Rich Miron

Rich Miron, desarrollador sénior de contenido técnico de Digi-Key Electronics, ha trabajado en el grupo de Contenido técnico desde 2007 y su principal tarea ha girado en torno de la escritura y edición de artículos, blogs y módulos de capacitación sobre productos. Antes de trabajar en Digi-Key, probó y calificó sistemas de control e instrumentación para submarinos nucleares. Rich es ingeniero eléctrico y electrónico de la Universidad Estatal de Dakota del Norte, Fargo, ND.

Información sobre la editorial

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