Sensor de fuerza y torque: funcionamiento y aplicaciones
Un sensor de fuerza y torque permite que un robot mida las cargas producidas durante el contacto, controle la presión aplicada y reaccione ante resistencia o desalineación.
¿Qué es un sensor de fuerza y torque?
Un sensor de fuerza y torque, también llamado sensor F/T, es un transductor que mide las fuerzas lineales y los momentos de rotación aplicados sobre una herramienta, articulación o componente robótico.
Los modelos de seis ejes pueden medir simultáneamente las fuerzas Fx, Fy y Fz y los torques Tx, Ty y Tz. Esta información permite controlar tareas de ensamblaje, pulido, inserción, manipulación y contacto con el entorno.
Tipos de sensores de fuerza y torque
La cantidad de ejes y el rango de medición dependen del tipo de tarea que realizará el robot.
Sensor de fuerza
Mide una carga lineal sobre una dirección determinada. Puede utilizarse para detectar compresión, tracción, peso o presión aplicada.
Sensor de torque
Mide el momento de giro alrededor de un eje. Es habitual en atornillado, pruebas mecánicas y control de herramientas rotativas.
Sensor de seis ejes
Registra tres componentes de fuerza y tres componentes de torque, proporcionando una medición completa de la interacción.
Sensor de muñeca
Se instala entre la brida del robot y la herramienta para medir las cargas que actúan sobre el punto de trabajo.
Cómo funciona un sensor F/T
Deformación
La fuerza aplicada produce una deformación elástica extremadamente pequeña en la estructura interna del transductor.
Conversión
Los elementos de medición convierten esa deformación en señales eléctricas que representan cada componente de carga.
Respuesta
El controlador interpreta los valores y puede ajustar la trayectoria, mantener una fuerza o detener el movimiento.
Diferencia entre fuerza y torque
| Magnitud | Qué representa | Unidad habitual |
|---|---|---|
| Fuerza | Empuje o tracción en una dirección lineal | Newton, N |
| Torque | Momento que intenta producir una rotación | Newton metro, N·m |
Una fuerza puede desplazar un objeto, mientras que un torque puede hacerlo girar. En robótica ambas magnitudes pueden aparecer al mismo tiempo durante el contacto con una pieza.
¿Qué significa que el sensor tenga seis ejes?
Fx: fuerza aplicada sobre el eje X.
Fy: fuerza aplicada sobre el eje Y.
Fz: fuerza aplicada sobre el eje Z.
Tx: torque alrededor del eje X.
Ty: torque alrededor del eje Y.
Tz: torque alrededor del eje Z.
¿Dónde se coloca el sensor?
Una configuración frecuente consiste en instalar el sensor entre la muñeca del robot y la herramienta. De esta manera puede medir las cargas que actúan sobre una pinza, pulidora, destornillador u otro efector final.
También existen sensores integrados en articulaciones, herramientas, pinzas, plataformas de ensayo o sistemas de rehabilitación. La posición determina qué cargas se miden y desde qué sistema de coordenadas se interpretan.
Componentes de un sistema de fuerza y torque
Transductor: estructura mecánica que se deforma elásticamente cuando recibe una carga.
Elementos sensibles: muchas configuraciones emplean galgas extensométricas para detectar pequeñas deformaciones.
Electrónica: amplifica, acondiciona y convierte las señales para su procesamiento digital.
Interfaz: comunica las mediciones con el controlador, computador o sistema de adquisición.
Software: aplica calibración, filtros, compensaciones y reglas de control.
Parámetros importantes del sensor
| Parámetro | Qué indica |
|---|---|
| Rango | Carga mínima y máxima que puede medir el sensor |
| Resolución | Cambio más pequeño que puede distinguir |
| Exactitud | Cercanía de la lectura respecto del valor real |
| Repetibilidad | Capacidad de producir lecturas similares bajo las mismas condiciones |
| Frecuencia de muestreo | Cantidad de mediciones obtenidas por unidad de tiempo |
| Sobrecarga admisible | Carga que puede soportar sin sufrir daños permanentes |
Puesta a cero y compensación del peso
Antes de medir una interacción puede aplicarse una puesta a cero o bias. Esta operación establece una referencia y elimina de la lectura inicial determinadas cargas constantes.
Si la herramienta cambia de orientación, su peso puede proyectarse de manera diferente sobre cada eje. En esos casos se necesita una compensación basada en la masa, el centro de gravedad y la postura del robot.
Control de posición y control de fuerza
| Control | Objetivo principal | Ejemplo |
|---|---|---|
| Posición | Alcanzar coordenadas o seguir una trayectoria | Mover una pieza entre dos puntos conocidos |
| Fuerza | Mantener una carga o presión determinada | Pulir una superficie sin ejercer presión excesiva |
| Híbrido | Combinar trayectoria y respuesta al contacto | Insertar un componente corrigiendo la alineación |
¿Para qué se utiliza un sensor F/T?
- Ensamblaje e inserción de componentes.
- Pulido, lijado y acabado de superficies.
- Atornillado y control del torque aplicado.
- Manipulación de objetos delicados.
- Detección de contacto o resistencia inesperada.
- Pruebas mecánicas y control de calidad.
- Teleoperación y sistemas hápticos.
- Robótica médica y de rehabilitación.
Sensor F/T, sensor táctil y corriente del motor
| Sistema | Información principal | Ubicación habitual |
|---|---|---|
| Sensor F/T | Fuerza y torque resultantes en varios ejes | Muñeca, herramienta o articulación |
| Sensor táctil | Distribución local de contacto o presión | Superficie de una pinza o piel robótica |
| Corriente del motor | Estimación indirecta del esfuerzo del actuador | Controlador o accionamiento del motor |
Estos métodos pueden complementarse. Una lectura de corriente puede estimar esfuerzo, pero normalmente no entrega la misma información multieje que un transductor dedicado.
Ventajas y limitaciones
| Ventajas | Limitaciones |
|---|---|
| Permite controlar el contacto directamente | Puede requerir calibración y compensación |
| Detecta fuerzas en tiempo real | El ruido puede afectar mediciones pequeñas |
| Mejora tareas sensibles a la presión | Una sobrecarga excesiva puede dañar el transductor |
| Ayuda a adaptarse a variaciones físicas | Añade costo, cableado y procesamiento |
Cómo elegir un sensor de fuerza y torque
Deben compararse las fuerzas y torques máximos de la aplicación con el rango nominal y la capacidad de sobrecarga del sensor. Un rango excesivamente grande puede dificultar la detección de cargas pequeñas.
También deben considerarse la resolución, frecuencia de muestreo, rigidez, peso, dimensiones, protección ambiental, interfaz de comunicación y compatibilidad con el robot.
Calibración, pruebas y seguridad
Las lecturas deben verificarse periódicamente y después de golpes, sobrecargas o modificaciones en la herramienta. La frecuencia de calibración depende del fabricante, la aplicación y la precisión requerida.
Detectar contacto no convierte automáticamente al sensor en un sistema de seguridad certificado. Las funciones de protección deben diseñarse y validarse según el robot, la instalación y las normas aplicables.
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Fuentes consultadas
Preguntas sobre sensores de fuerza y torque
Es un transductor que mide fuerzas lineales y momentos de rotación aplicados sobre un robot, herramienta o componente mecánico.
La fuerza representa un empuje o tracción lineal. El torque representa un momento que intenta hacer girar un objeto alrededor de un eje.
Significa que puede medir tres fuerzas, Fx, Fy y Fz, y tres torques, Tx, Ty y Tz, correspondientes a los tres ejes espaciales.
Suele instalarse entre la muñeca del robot y la herramienta, aunque también puede integrarse en articulaciones, pinzas o equipos de ensayo.
Significa establecer una lectura de referencia para descontar determinadas cargas iniciales antes de comenzar la medición.
No necesariamente. Puede ayudar a detectar contactos, pero las funciones de seguridad deben diseñarse y validarse específicamente para cada instalación.
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