El desarrollo de la robótica va más allá de las arquitecturas de robots industriales convencionales. Los robots humanoides, los robots colaborativos, los brazos robóticos ligeros, los robots médicos, los manipuladores móviles y los sistemas robóticos de propósito especial están generando requisitos cada vez más exigentes para las articulaciones de los robots.
En estas aplicaciones, elegir un módulo de articulación para robot no se limita a comparar el par nominal o la relación de reducción. Los ingenieros deben considerar cómo la articulación afectará al robot en su conjunto, incluyendo el peso total, la estructura mecánica, la respuesta dinámica, el enrutamiento de cables, la detección, el control, la seguridad y el espacio de instalación.
Una muñeca robótica ligera puede requerir una masa e inercia extremadamente bajas, mientras que una articulación de hombro puede necesitar un par y una rigidez elevados. Un robot controlado por fuerza puede requerir detección de par integrada, mientras que una articulación vertical puede requerir un freno. Un brazo robótico de propósito especial puede tener una estructura mecánica única que requiere un montaje flexible y un enrutamiento interno de cables.
Estos requisitos pueden dificultar la integración de las combinaciones convencionales de motor y reductor.
Por lo tanto, el desafío no consiste simplemente en encontrar un motor o un reductor armónico con las especificaciones adecuadas. El verdadero desafío reside en encontrar una arquitectura de articulación robótica que satisfaga los requisitos mecánicos, de detección, de control y de integración del sistema robótico completo.
Este artículo analiza 10 desafíos comunes en los módulos de articulaciones de robots y las soluciones de ingeniería que pueden ayudar a los desarrolladores a construir robots más ligeros, compactos, precisos y específicos para cada aplicación.

El peso es uno de los factores más importantes en el diseño de robots ligeros. Esto es especialmente cierto para los robots humanoides, los robots colaborativos, los brazos robóticos ligeros y los manipuladores móviles.
El efecto del peso en las articulaciones se extiende mucho más allá de la propia articulación. Cuando una muñeca se vuelve más pesada, el codo debe generar mayor torque para moverla. Esta mayor carga en el codo puede afectar al hombro. En consecuencia, un pequeño aumento en el peso de una articulación puede generar un incremento mayor en el torque requerido por las articulaciones anteriores del robot.
Por ello, el peso de las juntas debe considerarse a nivel de sistema, en lugar de simplemente como una especificación de un componente individual.
Al mismo tiempo, la reducción de peso no puede ir en detrimento del par motor, la rigidez, la precisión ni la fiabilidad. Si bien la simple elección de un motor más pequeño puede reducir el peso, también puede disminuir la capacidad de carga y el rendimiento dinámico del robot.
Una articulación robótica convencional puede requerir un motor, un reductor armónico, un codificador, un accionamiento, un freno, un sensor, un conector y una estructura mecánica de soporte. Cuando estos componentes se diseñan de forma independiente, las carcasas, los soportes, los acoplamientos y las interfaces adicionales pueden aumentar tanto el peso como el espacio de instalación.
Un módulo de articulación robótica integrado adopta un enfoque diferente al combinar funciones clave en un único conjunto optimizado. Esto permite reducir las interfaces mecánicas innecesarias y, al mismo tiempo, aumentar la densidad de par efectiva de la articulación.
En el caso de sistemas robóticos ligeros, este enfoque puede ser más eficaz que simplemente reducir el tamaño de los componentes individuales.
El módulo de articulación armónica TCHL está diseñado para aplicaciones donde el bajo peso y las dimensiones compactas son importantes. Su arquitectura integrada combina transmisión armónica, motor, retroalimentación y otros elementos funcionales dentro de una estructura de articulación compacta, lo que ayuda a los ingenieros a reducir la carga mecánica sobre el resto del robot.
Las articulaciones de los robots modernos necesitan cada vez más realizar múltiples funciones en un espacio muy reducido. Además de generar movimiento, una articulación puede requerir retroalimentación de posición, detección de par, electrónica de accionamiento, interfaces de comunicación, frenado y conexiones eléctricas.
Esto se vuelve particularmente complejo en muñecas humanoides, brazos robóticos compactos, sistemas robóticos diestros, robots médicos y otras máquinas de propósito especial. El espacio de instalación disponible puede estar ocupado por componentes estructurales, cojinetes, cables, sensores u otros mecanismos.
Agregar cada función como un componente independiente puede aumentar el diámetro o la longitud axial de la unión. También puede generar más interfaces mecánicas y eléctricas que requieren diseño y pruebas.
En lugar de diseñar el motor, el reductor, el codificador, el sistema de accionamiento y el sistema de detección de forma independiente, los ingenieros pueden tratar la junta completa como un subsistema funcional.
Esto permite considerar múltiples funciones simultáneamente durante el diseño mecánico y eléctrico. El objetivo no es simplemente reducir el tamaño de cada componente individual, sino disminuir el tamaño total de la articulación completa manteniendo el rendimiento requerido por el robot.
Este enfoque también puede reducir la complejidad del desarrollo. Los fabricantes de robots pueden concentrar una mayor parte de sus recursos de ingeniería en sus propias tecnologías competitivas, como la mecánica robótica, la planificación de movimientos, la percepción, la IA, los efectores finales y el software de aplicación.
Para una empresa que desarrolla una nueva plataforma robótica, una articulación integrada puede convertirse en un atajo de ingeniería sin comprometer la funcionalidad.

La gestión del cableado se vuelve cada vez más difícil a medida que los sistemas robóticos se hacen más pequeños y articulados.
Un robot multieje puede requerir cables de alimentación, cableado para el codificador, líneas de comunicación, conexiones para sensores y tubos neumáticos. Si estos cables se instalan externamente, pueden interferir con el movimiento de las articulaciones, aumentar el tamaño de la estructura mecánica y generar necesidades de mantenimiento adicionales.
El problema se vuelve aún más importante en los robots humanoides y los brazos robóticos de propósito especial, donde las articulaciones pueden necesitar girar en un amplio rango manteniendo una estructura mecánica limpia y compacta.
Una articulación robótica de eje hueco proporciona espacio interno para cables, tubos y otras conexiones funcionales. En lugar de canalizar estos componentes alrededor del exterior de la articulación, los ingenieros pueden integrarlos en la arquitectura mecánica.
Esto puede simplificar la estructura del robot circundante y reducir la exposición de los cables. También puede ayudar a los ingenieros a crear rutas de cableado más limpias entre las articulaciones adyacentes.
Por lo tanto, para muñecas robóticas compactas, manipuladores médicos, brazos robóticos ligeros y equipos de automatización especializados, la arquitectura de eje hueco puede ser una consideración de diseño importante a la hora de seleccionar un módulo de articulación.
La cuestión clave no es solo si el actuador puede generar el par motor necesario. Los ingenieros también deberían preguntarse si la articulación puede integrarse físicamente en el robot sin generar problemas adicionales de gestión de cables.
La retroalimentación de posición es suficiente para muchas aplicaciones convencionales de control de movimiento. Sin embargo, cada vez se requiere más que los robots interactúen físicamente con su entorno.
Un robot que realiza inserciones de precisión necesita detectar el contacto. Un robot pulidor necesita controlar la fuerza de contacto. Un robot colaborativo puede necesitar detectar cargas externas inesperadas. Un robot diestro puede necesitar regular la fuerza aplicada a un objeto.
En estas aplicaciones, conocer la posición de la articulación no es suficiente. El sistema de control también necesita información sobre el par que se genera en la articulación.
Un sensor de par integrado puede proporcionar información sobre la condición de carga real de la articulación y admitir el control de fuerza y posición en bucle cerrado.
Esto puede resultar valioso para el ensamblaje controlado por fuerza, la detección de colisiones, la detección de contactos, el control de cumplimiento, el rectificado, el pulido y la interacción humano-robot.
Sin embargo, añadir un sensor de par como componente externo independiente puede suponer otro reto de diseño. El sensor en sí requiere espacio, añade peso e introduce interfaces mecánicas y eléctricas adicionales.
Es aquí donde una solución integrada se vuelve particularmente valiosa.
El módulo de articulación armónica TCHL integra una función de detección de fuerza/par en la salida de la arquitectura de la articulación. Para robots compactos que requieren bajo peso y retroalimentación de fuerza, esto puede eliminar la necesidad de añadir un conjunto de sensores grande y separado alrededor de la articulación.
El resultado no es simplemente una mayor capacidad de detección. Es una vía más compacta hacia el movimiento robótico sensible a las fuerzas.
La detección de par puede mejorar la interacción con los robots, pero también puede plantear una difícil disyuntiva entre la capacidad de detección y la compacidad mecánica.
Un sensor de par independiente puede requerir espacio de montaje adicional entre el reductor y la estructura de salida del robot. También puede aumentar el peso de la articulación e introducir conectores y cableado adicionales.
Para robots industriales de gran tamaño, estos factores pueden ser manejables. Sin embargo, para una muñeca ligera, una mano humanoide o un brazo robótico compacto, pueden tener un impacto mucho mayor.
La integración de la detección de par en la arquitectura de la articulación permite que la función de detección pase a formar parte del actuador en lugar de ser otro componente externo.
Esto resulta especialmente útil cuando el robot necesita una combinación de bajo peso, dimensiones compactas y retroalimentación de fuerza.
El módulo de articulación armónica TCHL es un ejemplo de este enfoque. Al combinar la transmisión armónica con la detección de par integrada, permite a los ingenieros considerar la actuación, la transmisión y la retroalimentación de fuerza como una única solución a nivel de articulación.
Esto puede resultar especialmente valioso para robots humanoides ligeros, robots colaborativos, manipuladores médicos y brazos robóticos de propósito especial, donde añadir otro componente podría comprometer el diseño mecánico original.
Utilizar la misma configuración de actuadores en todo un robot puede simplificar la adquisición de componentes y el desarrollo mecánico. Sin embargo, esto no garantiza necesariamente el robot con el mejor rendimiento.
Las diferentes articulaciones desempeñan diferentes funciones.
La articulación del hombro puede requerir un par motor y una rigidez elevados. El codo puede necesitar un equilibrio entre par motor y respuesta dinámica. La muñeca puede priorizar un peso y una inercia reducidos. Una articulación vertical puede requerir un freno, mientras que una articulación sensible a la fuerza puede requerir retroalimentación de par motor integrada.
Por lo tanto, intentar utilizar un actuador para cada articulación puede generar compromisos innecesarios.
Un enfoque más adecuado consiste en clasificar las juntas según sus requisitos operativos reales.
Las uniones de alta carga deben priorizar la capacidad de torsión, la rigidez, el rendimiento térmico y la fiabilidad. Las uniones ligeras deben priorizar la masa, la inercia, la compacidad y la respuesta dinámica. Las uniones de precisión requieren una transmisión exacta y una retroalimentación de alta calidad. Las uniones controladas por fuerza requieren una medición de torsión fiable y una integración de control. Las uniones verticales críticas para la seguridad pueden requerir frenado y funciones de protección adicionales.
Por este motivo, los fabricantes de robots pueden necesitar más de un tipo de módulo de articulación dentro de la misma plataforma robótica.
Las plataformas HPJM-PRO, TCHL y HAG de HONPINE se pueden evaluar según diferentes combinaciones de par, tamaño, peso, retroalimentación, control y requisitos de seguridad, en lugar de tratar una sola junta como una solución universal.
No todos los sistemas robóticos siguen la arquitectura mecánica de un robot industrial convencional de seis ejes.
Los brazos robóticos de propósito especial, los manipuladores médicos, las plataformas de investigación, los robots humanoides y los equipos de automatización personalizados pueden tener estructuras mecánicas muy diferentes. Es posible que el actuador deba instalarse desde una dirección específica o integrarse en una articulación de forma inusual.
Un actuador convencional con una sola configuración de montaje puede obligar a los ingenieros a añadir soportes o a rediseñar la estructura circundante. Esto puede aumentar el peso, reducir la rigidez, consumir un valioso espacio de instalación y complicar el montaje.
La articulación de un robot debe adaptarse a la arquitectura del robot, en lugar de obligar al robot a adaptarse al actuador.
Las diversas configuraciones de montaje ofrecen mayor libertad durante el diseño mecánico. Esto resulta especialmente útil cuando el robot dispone de un espacio de instalación limitado o una estructura de articulación poco convencional.
El módulo de articulación armónica TCHL admite múltiples configuraciones de conexión, lo que permite a los ingenieros evaluar el actuador como parte de la estructura mecánica completa. Para robots de propósito especial, esta flexibilidad puede ser tan importante como el par y la precisión, ya que puede reducir la cantidad de estructura mecánica adicional necesaria alrededor de la articulación.
El desarrollo de una articulación robótica a partir de componentes individuales requiere un importante trabajo de ingeniería.
El motor debe ser compatible con el reductor armónico. El codificador debe integrarse con el sistema de control. El variador debe comunicarse con el controlador del robot. Los cables y conectores deben tenderse a través de la estructura mecánica. Los frenos y sensores también pueden requerir interfaces de control y alimentación independientes.
Cada componente adicional crea otra interfaz.
Es necesario probar todas las interfaces.
Para las empresas que desarrollan una nueva plataforma robótica, esto puede consumir una cantidad considerable de recursos de ingeniería incluso antes de que se haya validado la aplicación real del robot.
Un módulo conjunto integrado combina múltiples funciones en un subsistema estandarizado.
Esto puede simplificar la integración mecánica, el cableado eléctrico, la comunicación, la depuración, el mantenimiento y la validación del sistema.
Y lo que es más importante, permite a los fabricantes de robots concentrarse en sus propias áreas de especialización.
Un desarrollador de robots humanoides puede centrarse en la IA, la percepción, la planificación de movimientos y la manipulación diestra. Una empresa de automatización industrial puede centrarse en el proceso de producción y la arquitectura de las máquinas. Una empresa de robótica médica puede centrarse en el movimiento de precisión y los requisitos clínicos.
El módulo de articulación se convierte en una tecnología facilitadora en lugar de otro subsistema que el fabricante del robot tenga que desarrollar desde cero.
Una articulación robótica no es un componente independiente. Forma parte del sistema completo de control de movimiento del robot.
El protocolo de comunicación, la retroalimentación del codificador, los modos de control, las interfaces digitales y las funciones de seguridad deben ser compatibles con el controlador del robot.
Según la aplicación, un robot puede utilizar CAN, CANopen, EtherCAT, CAN-FD u otras arquitecturas de comunicación. La elección adecuada depende del sistema de control, los requisitos de sincronización y la arquitectura general del robot.
Antes de seleccionar un módulo conjunto, los ingenieros deben definir la arquitectura de control necesaria.
Entre las consideraciones importantes se incluyen el protocolo de comunicación, la retroalimentación del codificador, el control de posición y velocidad, el control de par, la sincronización, las E/S digitales, las funciones de seguridad y la compatibilidad del controlador.
Una articulación robótica integrada con la arquitectura de comunicación y retroalimentación adecuada puede reducir el desarrollo de interfaces y simplificar la sincronización multieje.
Para los fabricantes de robots, esto puede ser especialmente importante cuando docenas de articulaciones necesitan comunicarse de forma fiable con el controlador central.
El objetivo no debe ser elegir una articulación con el mayor número de opciones de comunicación. En cambio, la articulación debe proporcionar las interfaces y capacidades de control que requiere el robot en sí.
Muchos proyectos de desarrollo robótico llegan finalmente a un punto en el que los componentes individuales parecen adecuados, pero la combinación completa no funciona.
Un motor puede proporcionar el par suficiente, pero ocupa demasiado espacio. Un reductor armónico puede ofrecer la precisión necesaria, pero requiere componentes adicionales para formar una articulación completa. Un sensor de par independiente puede proporcionar la retroalimentación necesaria, pero hace que la articulación sea demasiado pesada. Un actuador puede encajar mecánicamente, pero carece de la arquitectura de comunicación requerida por el controlador del robot.
En estos casos, el problema no reside necesariamente en el rendimiento de un componente individual.
El problema es que la arquitectura completa del actuador no coincide con la del robot.
Antes de seleccionar un módulo de articulación para el robot, los ingenieros deben definir qué función debe cumplir realmente dicha articulación.
El par motor y la velocidad determinan los requisitos básicos de actuación, mientras que el peso y las dimensiones de instalación determinan si la articulación puede encajar físicamente en el robot. La precisión y la rigidez afectan al rendimiento del movimiento, mientras que la retroalimentación del codificador y del par motor determina la información que puede obtener el controlador.
La arquitectura de comunicación determina cómo se integra la articulación con el controlador del robot. La configuración de montaje y el diseño del eje hueco influyen en la integración mecánica y el enrutamiento de los cables. Las funciones de frenado y seguridad cobran especial importancia en aplicaciones verticales o colaborativas.
También deben tenerse en cuenta las condiciones ambientales, especialmente para los robots que operan en entornos industriales exigentes o en aplicaciones especializadas.
Una vez definidos estos requisitos, la junta se puede seleccionar en función de la aplicación completa en lugar de una única especificación, como el par nominal.
Idealmente, la selección de un módulo de articulación robótica debería comenzar durante la fase inicial de la arquitectura mecánica.
Primero, calcule la carga real en la articulación. La carga estática por sí sola no es suficiente. La aceleración, la desaceleración, la postura del robot, la inercia, las fuerzas externas, las paradas de emergencia y las posibles cargas de impacto pueden influir en el par motor continuo y máximo requerido.
A continuación, determine el espacio de instalación disponible. Antes de comparar diferentes soluciones de actuadores, debe definir el diámetro máximo, la longitud axial, el peso de la junta, los requisitos del eje hueco y la configuración de montaje.
Posteriormente, se deben establecer los requisitos de retroalimentación. Un eje de posicionamiento convencional puede requerir únicamente retroalimentación de posición de alta resolución, mientras que un robot que realiza interacción física puede requerir detección de par integrada.
La arquitectura de control también debe considerarse desde el principio. Los protocolos de comunicación, la compatibilidad del controlador, la retroalimentación del codificador, los modos de control y las funciones de seguridad pueden influir directamente en la idoneidad de la articulación.
Finalmente, evalúe la articulación seleccionada a nivel de sistema. Una articulación que parezca excelente en la hoja de especificaciones puede resultar inadecuada si aumenta el peso total del robot, complica el tendido de cables, reduce el espacio disponible o requiere un rediseño mecánico importante.
Los módulos articulados integrados para robots resultan especialmente valiosos cuando existen varias limitaciones de ingeniería al mismo tiempo.
Los robots humanoides requieren una compleja combinación de bajo peso, alta densidad de torsión, dimensiones compactas, respuesta dinámica, retroalimentación precisa e interacción física cada vez más sofisticada. Además, las distintas articulaciones pueden tener requisitos muy diferentes, lo que hace que una plataforma de articulaciones flexible sea fundamental durante el desarrollo de la arquitectura del robot.
Los robots colaborativos necesitan equilibrar la carga útil, el peso, la seguridad, la precisión y la respuesta dinámica. Una articulación integrada puede reducir la complejidad mecánica y eléctrica, a la vez que proporciona la retroalimentación y las capacidades de comunicación necesarias para el sistema de control.
Los brazos robóticos de propósito especial suelen tener estructuras mecánicas que difieren significativamente de las de los robots industriales convencionales. Pueden requerir configuraciones de montaje inusuales, cableado interno, detección de par integrada, dimensiones compactas o interfaces personalizadas.
Para estos sistemas, la flexibilidad mecánica y la integración del sistema pueden ser más importantes que simplemente seleccionar el actuador con el par motor más alto.
Los robots médicos y los equipos de automatización de precisión suelen requerir dimensiones compactas, movimientos suaves, retroalimentación precisa y alta precisión mecánica. En estas aplicaciones, la articulación debe considerarse como parte integral del sistema de movimiento de precisión, en lugar de como una combinación aislada de motor y reductor.
La tecnología de articulaciones robóticas también es relevante fuera de los brazos robóticos tradicionales. Los equipos de semiconductores, los equipos ópticos, los sistemas de inspección automatizados, los mecanismos de posicionamiento de precisión y otras máquinas especializadas pueden requerir una actuación rotativa compacta con alta precisión, movimiento controlado e integración flexible.
Los distintos sistemas robóticos requieren distintas combinaciones de rendimiento.
Una muñeca ligera no requiere necesariamente el mismo actuador que una articulación de hombro pesada. Una articulación controlada por fuerza no necesita necesariamente la misma configuración que un eje de posicionamiento convencional. Una articulación vertical puede requerir un freno, mientras que un robot compacto puede priorizar el bajo peso y el cableado interno.
Por este motivo, HONPINE aborda la selección de articulaciones del robot desde la aplicación, en lugar de simplemente recomendar un actuador estándar.
El módulo de junta armónica TCHL es especialmente adecuado cuando el proyecto hace hincapié en la construcción ligera, la integración compacta, el montaje flexible, el enrutamiento interno de cables y la detección de par integrada.
Para aplicaciones que requieren una mayor cobertura de par, un alto rendimiento dinámico y una configuración altamente integrada, HPJM-PRO proporciona otra plataforma para evaluar la combinación necesaria de transmisión armónica, motor, codificador, variador y funciones de seguridad opcionales.
Para robots industriales, robots colaborativos, robots humanoides y equipos de automatización de precisión que requieren diferentes combinaciones de par, rigidez, retroalimentación, frenado y comunicación, la serie HAG ofrece otra opción para la selección de articulaciones específicas para cada aplicación.
El objetivo no es seleccionar el producto con las mejores especificaciones.
El objetivo es encontrar la arquitectura de articulación que mejor se adapte al robot.
La tecnología de articulaciones robóticas está yendo más allá de la combinación tradicional de un motor y un reductor.
Los sistemas robóticos modernos requieren cada vez más que la articulación integre funciones de actuación, transmisión, retroalimentación, detección, control, comunicación, gestión de cables y seguridad dentro de una estructura mecánica compacta.
Esta tendencia es particularmente importante para los robots humanoides, los brazos robóticos ligeros, los robots colaborativos, los robots médicos, los manipuladores de propósito especial y los sistemas de automatización compactos.
Para estas aplicaciones, los ingenieros no deberían preguntarse solo:
“¿Qué articulación robótica tiene el mayor par motor?”
Una pregunta mejor sería:
“¿Qué arquitectura de articulación robótica puede satisfacer los requisitos mecánicos, de detección, de control y de integración de nuestro robot?”
Este cambio de perspectiva puede hacer que la selección de articulaciones sea más eficaz. Permite a los ingenieros evaluar el actuador como parte del sistema robótico completo y reducir el riesgo de costosos rediseños mecánicos en etapas posteriores del proceso de desarrollo.
Cada sistema robótico tiene requisitos de ingeniería diferentes.
La junta adecuada depende de la relación entre par, velocidad, peso, tamaño, rigidez, precisión, sensores, comunicación, instalación, seguridad y entorno operativo.
HONPINE ofrece múltiples plataformas de articulaciones armónicas para robots y puede evaluar estos requisitos de forma conjunta a la hora de seleccionar la solución adecuada.
Para sistemas robóticos ligeros y compactos que requieren detección de par integrada, instalación flexible y enrutamiento interno de cables, TCHL puede considerarse una solución compacta de junta armónica.
Para aplicaciones que requieren un mayor rendimiento y una cobertura de par más amplia, HPJM-PRO proporciona otra plataforma integrada de articulaciones robóticas.
Para robots industriales, robots colaborativos, robots humanoides y aplicaciones de automatización de precisión con diferentes requisitos de par, rigidez, retroalimentación y seguridad, HAG también puede evaluarse como parte de la arquitectura general de la articulación.
La clave está en seleccionar la articulación en función de lo que el robot necesite lograr, en lugar de forzar el diseño del robot a adaptarse a un actuador estándar.
El módulo de articulación robótica adecuado no es simplemente un componente con las mejores especificaciones. Es una solución que se adapta al robot completo.
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