Colaboración multirrobot: de la inteligencia de un solo robot a la inteligencia del sistema

Hola, soy Allen Li, fundador de HONPINE.

Durante los últimos años, hemos reflexionado profundamente sobre una pregunta: ¿qué definirá la próxima etapa de la robótica? ¿Se tratará de hacer que un solo robot sea cada vez más capaz o de permitir que varios robots trabajen juntos como un sistema inteligente?

Creo que ambas direcciones son importantes. La inteligencia de los robots individuales seguirá avanzando, pero a medida que los robots se integren en aplicaciones cada vez más complejas, como logística, fabricación, construcción, inspección, operaciones especializadas, robótica humanoide y automatización inteligente, existen límites claros a lo que un robot puede lograr por sí solo.

Lo que me interesa aún más es la transición de robots que trabajan de forma independiente a robots que se convierten en nodos de sistemas conectados, capaces de compartir información, asignar tareas, coordinar movimientos y responder a los cambios de su entorno.

Por ello, creo que la colaboración multirrobot se convertirá en una de las direcciones importantes para el desarrollo futuro de la robótica.

La colaboración multirrobot es más que simplemente añadir más robots

Cuando las personas piensan por primera vez en un sistema multirrobot, es natural asumir que, si un robot puede completar una tarea, diez robots deberían poder completar diez veces más tareas.

En la práctica, es mucho más complicado.

Cuando un solo robot opera de forma independiente, la pregunta fundamental suele ser: “¿Cómo puedo completar mi tarea?”

Cuando varios robots operan en el mismo entorno, la pregunta se vuelve mucho más difícil: “¿Cómo podemos completar nuestras tareas juntos sin interferir unos con otros?”

Pensemos en un almacén automatizado donde varios AGV transportan materiales al mismo tiempo. Si dos robots móviles se aproximan simultáneamente a un pasillo estrecho, ¿qué robot debe tener prioridad? Si hay varios robots disponibles para la misma tarea, ¿cuál debe seleccionarse? Si el robot más cercano a la tarea falla de repente, ¿qué robot debe asumirla? Si varios robots necesitan entrar en el mismo espacio de trabajo, ¿cómo deben coordinarse el acceso y el movimiento?

Estos ya no son simplemente problemas de control de movimiento de un robot individual. Son problemas de coordinación y organización a nivel de sistema.

Por lo tanto, un sistema multirrobot exitoso requiere más que máquinas adicionales. Los robots necesitan una comprensión compartida de su propio estado, del estado de otros robots, de las tareas que se están realizando y de las acciones que pueden ocurrir a continuación.

En una arquitectura multirrobot ROS2 típica, la comunicación distribuida, la gestión de espacios de nombres, la asignación de tareas, el control de formación, la sincronización de estados y la prevención de colisiones trabajan conjuntamente para crear la base de las operaciones robóticas coordinadas.

Esto me lleva a una conclusión importante: la competitividad futura de la robótica no dependerá solo de la capacidad de un robot individual, sino también de la eficacia con la que pueda trabajar conjuntamente todo un sistema robótico.

De la inteligencia de un solo robot a la inteligencia de sistema

Creo que esto representa una transición importante para la industria robótica.

Tradicionalmente, cuando evaluamos un robot, nos centramos en parámetros como carga útil, precisión de posicionamiento, velocidad, repetibilidad, par de las articulaciones, rigidez y fiabilidad. Estas especificaciones seguirán siendo fundamentales.

Sin embargo, una vez que los robots comienzan a operar como sistemas coordinados, debemos plantearnos un conjunto más amplio de preguntas.

¿Puede un robot comprender continuamente dónde se encuentran otros robots? ¿Puede saber qué tareas están realizando otros robots? ¿Puede compartir su propio estado operativo en tiempo real? ¿Puede identificar condiciones anómalas antes de que se conviertan en fallos? ¿Puede el sistema redistribuir rápidamente las tareas cuando cambian las condiciones operativas? ¿Qué ocurre si se interrumpe la comunicación o un robot deja de estar disponible?

Estas preguntas revelan un cambio fundamental en la arquitectura de los robots.

Un robot ya no es simplemente una máquina que ejecuta una tarea predefinida. Se está convirtiendo en un nodo inteligente conectado en red, consciente de su estado y colaborativo.

El desarrollo de sistemas multirrobot ya implica comunicación distribuida, asignación de tareas, sincronización de estados, control de formación y prevención de colisiones. A medida que estas tecnologías maduren, el límite entre un robot individual y el sistema robótico más amplio estará cada vez más interconectado.

Esto me hace pensar en otra pregunta especialmente importante para nosotros en HONPINE:

Si la inteligencia de los robots se eleva al sistema, ¿qué debería ocurrir con las articulaciones que generan físicamente el movimiento del robot?

Las articulaciones robóticas deben ser más que los "músculos" de un robot

Esta es una de las cuestiones que hemos estado explorando en HONPINE.

En la definición tradicional de una articulación robótica, la responsabilidad principal es sencilla: convertir la orden de movimiento del controlador en movimiento mecánico.

Por lo tanto, un módulo de articulación robótica integrada típico puede estar compuesto por un reductor de precisión, motor, codificador, freno y sistema de accionamiento. Esta arquitectura ha demostrado ser muy eficaz para los robots industriales convencionales.

Pero creo que los robots del futuro requerirán algo más.

Si se espera que un robot participe en una colaboración multirrobot, sus articulaciones no pueden limitarse a saber cuánto se les ha ordenado girar. También necesitan comprender su propia condición operativa.

¿Cuál es la posición de salida real? ¿Cuál es la velocidad actual? ¿Qué carga soporta la articulación? ¿Está la temperatura dentro de un rango seguro? ¿Funciona correctamente el enlace de comunicación? ¿Funciona normalmente el freno? ¿Existe una diferencia anómala entre la posición del lado del motor y la del lado de salida? ¿La articulación experimenta un par anómalo o una condición de sobrecarga?

Cuando esta información puede recopilarse y transmitirse continuamente al sistema de control del robot, la articulación se convierte en algo más que un actuador pasivo.

Se convierte en una fuente importante de información sobre el estado de movimiento del robot.

Así es como entiendo la siguiente generación de articulaciones robóticas inteligentes.

¿Por qué los codificadores duales son cada vez más importantes?

Esta es también la razón por la que HONPINE concede gran importancia a la tecnología de codificador dual.

En una configuración convencional de codificador único, el sistema puede obtener retroalimentación del lado del motor. Sin embargo, el movimiento mecánico real del robot se produce en el lado de salida del mecanismo de reducción.

La cantidad de rotación del motor no representa necesariamente el movimiento exacto que tiene lugar en la salida final.

Por esta razón, los codificadores del lado del motor y del lado de salida pueden desempeñar funciones diferentes pero complementarias.

El codificador del lado del motor puede proporcionar retroalimentación para la conmutación del motor, el control de velocidad y la posición del motor. El codificador del lado de salida puede medir directamente la posición real de la articulación robótica después de la etapa de transmisión.

A medida que los robots se vuelven más exigentes en cuanto a precisión de movimiento, respuesta dinámica y supervisión de estado, la retroalimentación del lado de salida adquiere un valor cada vez mayor.

Para la colaboración multirrobot, esto es aún más importante. Si cada articulación puede determinar con precisión su propio estado real de movimiento, el controlador del robot puede construir un modelo en tiempo real más fiable del robot.

Desde esta perspectiva, los codificadores duales no son simplemente una forma de mejorar la precisión de posicionamiento de las articulaciones. Proporcionan un mecanismo de retroalimentación más completo para comprender el estado real de movimiento del robot.

De la retroalimentación de posición a la detección de par y fuerza

Sin embargo, saber dónde se posiciona una articulación no es suficiente para muchas aplicaciones robóticas futuras.

Para robots colaborativos, robots humanoides, sistemas controlados por fuerza y manipulación multirrobot, otra cuestión se vuelve esencial:

¿Cuánta fuerza o par está experimentando el robot?

Pensemos en dos robots que trabajan juntos para transportar el mismo objeto. Si cada robot solo conoce su propia posición pero no dispone de información sobre la fuerza o el par aplicado al objeto, mantener un movimiento coordinado estable se vuelve mucho más difícil.

Los robots humanoides afrontan un desafío similar cuando interactúan físicamente con personas o con su entorno. La información de posición por sí sola no puede describir completamente la interacción entre el robot y el mundo exterior.

Por ello, creo que el desarrollo de los módulos de articulación robótica se desplazará gradualmente de la retroalimentación de posición hacia una combinación de información de posición, par, fuerza y estado integral de la articulación.

La cuestión ya no es simplemente si una articulación puede moverse con precisión. También debemos comprender si la articulación puede detectar con precisión lo que ocurre durante ese movimiento.

Para HONPINE, esto convierte las articulaciones robóticas integradas con detección de par en un área importante de investigación y desarrollo continuos.

Las articulaciones robóticas se están convirtiendo en nodos de movimiento conectados en red

Otra tendencia importante es la creciente conectividad de las articulaciones robóticas.

En las arquitecturas robóticas tradicionales, la relación entre el controlador y la articulación puede ser relativamente simple: el controlador envía una orden y la articulación la ejecuta.

Es probable que los futuros sistemas robóticos requieran una interacción mucho más rica.

Cada articulación puede convertirse en un nodo dentro de la red de control en tiempo real del robot. Puede recibir órdenes de movimiento mientras informa simultáneamente de datos como posición, velocidad, par, temperatura, corriente, estado de fallo, estado del freno y estado de seguridad.

Este concepto encaja naturalmente con el desarrollo de sistemas multirrobot distribuidos, donde la comunicación en tiempo real y la sincronización de estados son esenciales para una operación coordinada.

Desde la perspectiva de HONPINE, esto significa que el desarrollo de un módulo de articulación robótica no puede centrarse únicamente en el rendimiento mecánico.

Debemos considerar la arquitectura completa de transmisión mecánica, integración eléctrica, detección, comunicación y seguridad.

El reductor de precisión sigue siendo fundamental, pero el valor de la articulación completa procede cada vez más de la eficacia con la que estas tecnologías trabajan juntas.

La seguridad se convertirá en una capacidad fundamental de las articulaciones robóticas inteligentes

A medida que los robots se acerquen a las personas, la seguridad será cada vez más importante.

Esto es especialmente cierto para robots colaborativos, robots humanoides, robots móviles, robots de ingeniería y otros sistemas que operan en entornos dinámicos. Un fallo en una articulación puede afectar no solo al propio robot, sino también al funcionamiento de todo el sistema robótico.

Por lo tanto, los futuros módulos de articulación robótica necesitarán mecanismos de seguridad más completos, incluidos protección contra sobrecorriente, protección contra sobretemperatura, detección de errores de codificador, supervisión de desviación de posición, detección de par anómalo, detección de fallos de comunicación y control seguro de par.

Por ejemplo, laserie HAG de HONPINE integra STO (Safe Torque Off) como parte de su arquitectura de seguridad, además de la funcionalidad de frenado.

Un freno y STO tienen finalidades diferentes. Un freno puede ayudar a mantener la posición mecánica de una articulación en condiciones específicas, mientras que STO proporciona una función de seguridad a nivel de accionamiento que impide que el motor genere par.

Desde mi perspectiva, estas funciones no deben considerarse sustitutas entre sí. Pueden formar capas complementarias dentro de una arquitectura de seguridad robótica más completa.

Creo que las funciones de seguridad pasarán gradualmente de ser características opcionales a convertirse en capacidades fundamentales de las articulaciones robóticas inteligentes.

¿Por qué HONPINE está replanteando el módulo de articulación robótica?

Cuando reunimos todos estos desarrollos, queda claro que la articulación robótica del futuro probablemente será mucho más que una combinación de reductor armónico, motor, codificador y freno.

Una articulación robótica integrada avanzada puede combinar transmisión de precisión, tecnología de motores, retroalimentación de codificador dual, detección de par, electrónica de accionamiento integrada, comunicación en tiempo real, funciones de seguridad y supervisión del estado de la articulación dentro de una arquitectura compacta.

Más importante aún, estas funciones no deben existir como componentes aislados. Deben trabajar juntas como un nodo de movimiento inteligente integrado.

Esta es una dirección importante para la investigación y el desarrollo delmódulo de articulación robótica de HONPINE.

No solo nos interesa hacer las articulaciones robóticas más pequeñas, ligeras o capaces de proporcionar un par más elevado. Estos siguen siendo objetivos de ingeniería importantes, pero no son el panorama completo.

También nos preguntamos cómo puede una articulación robótica proporcionar capacidades más completas de detección del estado de movimiento, comunicación, seguridad y ejecución.

Eso es lo que creo que distinguirá a la próxima generación de actuadores inteligentes de los actuadores robóticos convencionales.

La dirección de HONPINE para la próxima generación de módulos de articulación robótica

Desde la perspectiva de producto y tecnología, creo que HONPINE debe desarrollar varias plataformas complementarias de articulaciones robóticas para diferentes aplicaciones robóticas.

HPJM: articulaciones robóticas de alta fiabilidad y alto par

HPJM está orientada a aplicaciones en las que el alto par, la rigidez, la fiabilidad y la estabilidad a largo plazo son fundamentales.

Los robots industriales, robots de ingeniería, robots móviles y sistemas robóticos de servicio pesado a menudo requieren más que precisión de posicionamiento. Sus módulos de articulación deben soportar cargas exigentes y mantener un rendimiento de movimiento fiable durante periodos prolongados de operación.

Para estas aplicaciones, las prioridades de desarrollo siguen siendo alto par, alta rigidez, transmisión de precisión y alta fiabilidad.

HAG: accionamiento, seguridad y comunicación integrados

HAG representa otra dirección hacia una articulación robótica inteligente más altamente integrada.

Al integrar el reductor de precisión, el motor, los codificadores, la electrónica de accionamiento, las interfaces de comunicación y las funciones de seguridad en una arquitectura de articulación compacta, podemos reducir la complejidad de integración del sistema y facilitar la integración de la articulación en plataformas robóticas completas.

Esta arquitectura es especialmente relevante para robots humanoides, robots colaborativos, robots móviles y otras aplicaciones en las que el espacio, el cableado, la integración de sistemas y el control distribuido son consideraciones importantes.

TCHL: articulaciones robóticas para control de fuerza e interacción dinámica

Para robots colaborativos, robots humanoides y sistemas robóticos que requieren interacción física controlada, la información de par se vuelve cada vez más importante.

La detección de par integrada permite al robot comprender no solo la posición y el movimiento de sus articulaciones, sino también las fuerzas y pares asociados a esos movimientos.

Desde mi punto de vista, la pregunta para una articulación robótica futura ya no es simplemente:

¿Puede esta articulación moverse con precisión?

También es:

¿Puede esta articulación comprender con precisión lo que está experimentando mientras se mueve?

Por ello, las articulaciones robóticas con detección de par serán una parte importante de la futura hoja de ruta tecnológica de HONPINE.

La verdadera oportunidad es la inteligencia de las articulaciones

Si tuviera que resumir la comprensión de HONPINE sobre la próxima generación de módulos de articulación robótica, no me centraría en una especificación de hardware individual.

El concepto que creo que merece mayor atención es la Inteligencia de las Articulaciones.

Una articulación robótica inteligente debe tener la capacidad de supervisar su propia condición operativa y proporcionar información útil al controlador del robot.

Por ejemplo, debe poder identificar condiciones anómalas de temperatura, reconocer diferencias inusuales entre la retroalimentación de los codificadores del lado del motor y del lado de salida, detectar par anómalo, responder adecuadamente a interrupciones de comunicación y entrar en un estado seguro predefinido cuando sea necesario.

A medida que se acumulen datos operativos, la articulación también puede respaldar la supervisión de su estado y la detección temprana de fallos.

En otras palabras, la articulación debe evolucionar desde la simple ejecución de órdenes hacia una capacidad más completa que incluya detección, supervisión, retroalimentación, protección y ejecución de movimiento.

Aquí es donde creo que los actuadores inteligentes crearán un valor significativo para los futuros sistemas robóticos.

¿Qué ocurrirá con los módulos de articulación robótica en la era de la colaboración multirrobot?

Volvamos a la pregunta con la que empezamos.

¿Por qué la colaboración multirrobot será cada vez más importante?

Porque los robots están evolucionando gradualmente de máquinas independientes a sistemas conectados que pueden compartir información, asignar tareas, coordinar movimientos y responder colectivamente a condiciones cambiantes.

Dentro de este sistema, el software de nivel superior es responsable de la planificación de tareas, la planificación de rutas, la asignación de tareas, la coordinación de robots y la toma de decisiones a nivel de sistema.

La articulación robótica es responsable de convertir esas decisiones en movimiento físico preciso, fiable y seguro.

Esto convierte al módulo de articulación robótica en una interfaz crítica entre la inteligencia del robot y su movimiento.

A medida que evolucionen las arquitecturas robóticas, el sistema de nivel superior puede volverse cada vez más inteligente, mientras que la articulación necesita proporcionar una detección, comunicación, seguridad y ejecución de movimiento cada vez más precisas.

Por lo tanto, la articulación se convierte en una parte importante de la capa de movimiento inteligente del robot.

HONPINE no debe limitarse a fabricar un reductor mejor

Esta es una de las preguntas que considero con frecuencia como fundador de HONPINE.

Si nos definimos únicamente como fabricante de reductores, nuestra investigación y desarrollo se centra naturalmente en la eficiencia de transmisión, la precisión, la vida útil, la capacidad de par, la rigidez, el tamaño y el peso.

Estas son tecnologías fundamentales, y HONPINE seguirá invirtiendo en ellas.

Sin embargo, cuando observo el desarrollo más amplio de la robótica, creo que nuestra ambición debe ir más allá.

Debemos continuar avanzando de los reductores de precisión a los actuadores, de los actuadores a los módulos de articulación robótica integrados y de los módulos de articulación integrados hacia nodos de movimiento inteligentes.

No se trata simplemente de añadir más productos a nuestra cartera.

Representa un cambio en nuestra forma de entender el papel de los componentes de movimiento esenciales en la robótica.

Un reductor armónico de precisión proporciona la base para una transmisión precisa.

Un actuador integrado combina tecnologías de transmisión y motor.

Una articulación robótica inteligente añade detección, control, comunicación y seguridad.

Juntas, estas tecnologías pueden formar una capa de movimiento crítica entre la inteligencia del robot y su interacción física con el mundo real.

El robot del futuro puede no ser un solo robot

Creo que la industria robótica avanza hacia un cambio estructural significativo.

En el pasado, hablábamos principalmente de lo que podía hacer un robot.

En el futuro, puede que hablemos cada vez más de lo que puede lograr un sistema robótico.

Antes nos centramos en hasta qué punto podía llegar la capacidad de un robot individual.

La siguiente pregunta es cómo varios robots pueden trabajar juntos para completar tareas que serían difíciles o imposibles para una sola máquina.

A medida que la robótica avanza de máquinas individuales a sistemas coordinados, y de la inteligencia de un solo robot a la inteligencia de sistema, los módulos de articulación robótica también deben evolucionar.

No pueden seguir siendo simplemente los "músculos" mecánicos de un robot.

Deben convertirse en componentes de movimiento inteligentes que puedan detectar condiciones operativas, ejecutar movimientos precisos, comunicarse con el sistema de control del robot y contribuir a la seguridad y fiabilidad generales del sistema.

Esta es la dirección en la que creo que HONPINE debe seguir invirtiendo.

Nuestro objetivo no es simplemente fabricar un reductor armónico mejor o una articulación robótica de mayor rendimiento.

Queremos ayudar a construir la capa de movimiento inteligente para los robots del futuro.

Así es como veo el papel de HONPINE en la próxima etapa de la robótica.

Impulsando el futuro de la automatización inteligente.

— Allen Li

Fundador, HONPINE