El diseño de articulaciones robóticas es un problema de compensación multiobjetivo. Dentro de un espacio limitado, debe cumplir simultáneamente con los requisitos de par, precisión, velocidad, fiabilidad y control de costes. Un módulo de articulación robóticamaduro es un sistema electromecánico integrado que ya tiene en cuenta la alta densidad de par, la alta integración, el diseño ligero y la gestión térmica.

Fuente de potencia del módulo de articulación

Para lograr la máxima salida de par y una disipación de calor eficiente dentro de un volumen compacto, las articulaciones robóticas modernas normalmente no utilizan motores tradicionales con bastidor. En su lugar, se adoptan ampliamente motores de par sin bastidor.

Un motor sin bastidor consta únicamente de un estator y un rotor, que se integran directamente en la carcasa mecánica de la articulación. La razón para elegir este diseño es que proporciona una densidad de potencia extremadamente alta y una excelente respuesta dinámica.

Sistema de transmisión del módulo de articulación

El motor suele funcionar a alta velocidad pero produce un par insuficiente, por lo que se requiere un reductor para amplificar el par. La elección del reductor determina directamente la resistencia al impacto y el rendimiento de holgura de la articulación.

Los tipos comunes incluyen:

(1) Reductor armónico

Los reductores armónicos se caracterizan por holgura cero, tamaño compacto y altas relaciones de reducción (normalmente 50:1 to 160:1). Actualmente son la solución estándar para articulaciones robóticas de alta precisión. Sin embargo, su resistencia al impacto es relativamente limitada.

(2) Reductor planetario / Reductor cicloidal

Para diseños como los robots cuasi-direct-drive inspirados en guepardos, a menudo se utilizan reductores planetarios de baja relación. Estos proporcionan una excelente resistencia al impacto y una alta transparencia de par.

Codificadores y sensores en módulos de articulación

El control de articulaciones de alta calidad depende de una retroalimentación precisa en lazo cerrado. La mayoría de los diseños convencionales adoptan una arquitectura de doble codificador:

(1) Codificador del lado del motor

Montado en el lado del rotor del motor, normalmente es un codificador óptico o magnético de alta resolución. Se utiliza para la conmutación del motor y el control del lazo de velocidad.

(2) Codificador absoluto del lado de salida

Instalado en la salida del reductor, mide directamente la posición física real de la articulación, eliminando los errores de posición causados por la flexibilidad de la transmisión.

(3) Sensor de par de la articulación

Normalmente integrado entre la salida del reductor y el eslabón del robot. Es esencial para el control de impedancia, el control híbrido fuerza-posición y para garantizar la seguridad en la interacción humano-robot.

Sistema de accionamiento y control del módulo de articulación

Para reducir la complejidad del cableado en el robot, la mayoría de los diseños modernos integran el controlador del motor directamente en la articulación.

(1) Accionamiento altamente integrado / Placa de control del motor

Esta placa procesa señales de sensores y ejecuta algoritmos de control como control de lazo de corriente, lazo de velocidad y lazo de posición. A menudo se implementa como una PCB en forma de anillo montada alrededor del eje del motor o de la carcasa trasera.

(2) Interfaz de bus de comunicación

Se utilizan protocolos como EtherCAT o CANopen para el intercambio de datos de alta velocidad con el controlador central del robot.

Mecanismos de seguridad y auxiliares

Un componente de seguridad clave de uso común es el freno (freno de retención en caso de corte de energía). Cuando el robot pierde energía o se produce una falla, el freno bloquea inmediatamente el eje del motor para evitar que el robot colapse por su propio peso.

Estructura mecánica y gestión térmica del módulo de articulación

(1) Rodamiento de rodillos cruzados

Este componente proporciona soporte y protección y normalmente se utiliza como el rodamiento principal de salida de la articulación. Puede soportar simultáneamente cargas radiales, cargas axiales y momentos de vuelco, lo que lo hace ideal para las complejas fuerzas de las articulaciones robóticas.

(2) Carcasa ligera y diseño térmico

Las carcasas de robots humanoides suelen estar hechas de aleaciones de aluminio de grado aeroespacial (como aluminio 7075). Dado que el motor sin bastidor está acoplado directamente a la carcasa, la propia estructura actúa como un disipador térmico principal. Por lo tanto, se requiere una topología estructural bien diseñada para guiar eficazmente la disipación del calor.