Motor DD vs. reductor armónico para articulaciones de robots colaborativos: ¿cuál es mejor?

Introducción

Los robots colaborativos están diseñados para trabajar en entornos donde humanos y robots comparten el mismo espacio de trabajo. Esto genera requisitos diferentes para el diseño de las articulaciones del robot en comparación con los robots industriales convencionales.

Una articulación robótica colaborativa debe proporcionar suficiente par motor y precisión de posicionamiento, al tiempo que mantiene dimensiones compactas, bajo peso, movimiento suave, control sensible e interacción de fuerzas adecuada.

Esto hace que la elección de la transmisión de las articulaciones del robot sea particularmente importante.

Dos tecnologías que se pueden considerar para las articulaciones de robots colaborativos son el motor DD (motor de accionamiento directo) y el reductor armónico . Un motor DD acciona la articulación directamente sin una etapa de reducción mecánica, mientras que un reductor armónico combina un servomotor de alta velocidad con una transmisión de precisión de alta relación.

Ninguna tecnología es universalmente mejor. La cuestión más práctica es qué solución proporciona el equilibrio adecuado entre densidad de par, capacidad de reversa, respuesta dinámica, tamaño de las articulaciones, rigidez, rendimiento térmico y requisitos de control para un robot colaborativo en particular.

Este artículo compara los motores de transmisión directa (DD) y los reductores armónicos para las articulaciones de robots colaborativos y explica cuándo cada tecnología puede ser una mejor opción.

¿Qué necesita una articulación robótica colaborativa?

Antes de comparar los motores DD y los reductores armónicos, es importante comprender los requisitos de una articulación de robot colaborativo.

A diferencia de un mecanismo rotatorio simple, una articulación robótica debe acelerar, desacelerar, invertir la dirección y mantener una posición precisa repetidamente mientras transporta un eslabón móvil y una carga útil.

Por lo tanto, la articulación debe cumplir varios requisitos simultáneamente.

La densidad de par es importante porque el actuador necesita generar suficiente par sin que el brazo del robot se vuelva excesivamente pesado.

Un juego mínimo es fundamental para mantener la precisión de posicionamiento y un movimiento predecible.

La capacidad de reversa cobra importancia cuando el robot necesita responder de forma natural a fuerzas externas.

La respuesta dinámica afecta a la rapidez con la que el robot puede acelerar, desacelerar y reaccionar a los cambios de movimiento.

La rigidez influye en la capacidad del robot para mantener la posición deseada bajo carga.

El rendimiento térmico también es importante porque los robots colaborativos suelen funcionar durante largos períodos en carcasas de articulaciones compactas.

Estos requisitos pueden dar lugar a diferentes opciones de transmisión dependiendo de la arquitectura del robot.

¿Cómo funciona un reductor armónico en una articulación de robot colaborativo?

Un reductor armónico se suele combinar con un servomotor para formar un sistema de accionamiento de alto rendimiento para las articulaciones de un robot.

El motor funciona a una velocidad relativamente alta, mientras que la transmisión armónica proporciona una alta relación de reducción y convierte la salida del motor en el movimiento de menor velocidad y mayor par que requiere la articulación del robot.

La estructura de transmisión compacta permite que un motor relativamente pequeño genere un par de salida mucho mayor en la articulación.

Esta es una de las principales razones por las que los reductores armónicos se consideran ampliamente para las articulaciones robóticas.

Un reductor armónico también puede proporcionar una holgura muy baja, lo cual es valioso para aplicaciones que requieren un posicionamiento preciso y un movimiento multieje coordinado.

En el caso de los robots colaborativos, esta combinación de alta relación de reducción, tamaño compacto, baja holgura y alta densidad de par puede resultar especialmente útil para las articulaciones del hombro, el codo y otras articulaciones que soportan carga.

Sin embargo, un reductor armónico sigue siendo una transmisión mecánica.

Su comportamiento dinámico, eficiencia, características torsionales y capacidad de reversa dependen del diseño específico del reductor, la relación de reducción, la carga y las condiciones de funcionamiento.

Por lo tanto, los ingenieros deben evaluar la junta completa en lugar de asumir que todos los reductores armónicos ofrecen el mismo rendimiento.

¿Cómo funciona un motor DD en una articulación de un robot colaborativo?

Un motor DD adopta un enfoque diferente.

En lugar de colocar un mecanismo reductor entre el motor y la articulación del robot, el motor acciona directamente la salida.

Al no existir una etapa de reducción mecánica convencional, el sistema puede tener menos componentes de transmisión.

Esto puede proporcionar varios beneficios.

La ausencia de una etapa de reducción mecánica elimina el juego de engranajes asociado a la transmisión y puede proporcionar una relación directa entre el par motor y el movimiento de la articulación.

Los motores de transmisión directa también pueden proporcionar una excelente respuesta dinámica.

Cuando la articulación necesita una aceleración o desaceleración rápidas, o cambios frecuentes de dirección, la transmisión directa puede resultar atractiva porque hay menos elementos de transmisión mecánica entre el motor y la carga.

Otra característica importante es la capacidad de conducir en sentido inverso.

En general, una junta de accionamiento directo puede ser más fácil de accionar en sentido inverso que una junta con engranajes muy grandes, lo que hace que los motores de accionamiento directo sean interesantes para aplicaciones donde la interacción de fuerzas y el movimiento flexible son importantes.

La limitación es el par motor.

Dado que no existe ningún mecanismo de reducción que multiplique el par motor, el propio motor DD debe generar el par articular necesario.

Para una articulación de robot colaborativo de alto par, esto puede requerir un motor más grande con un diámetro activo mayor y una mayor capacidad térmica.

Reductor armónico frente a motor DD para par articular de robot colaborativo

La densidad de par es una de las diferencias más importantes entre ambos enfoques.

Con un reductor armónico, el motor no necesita generar directamente el par final en la articulación. El mecanismo de reducción aumenta el par de salida a la vez que disminuye la velocidad de rotación.

Esto facilita la creación de una junta compacta de alto par.

Un motor de transmisión directa debe producir directamente el par de salida requerido.

Para juntas de bajo par, esto puede no ser una limitación significativa.

Sin embargo, a medida que aumenta el par motor requerido en la articulación, el tamaño del motor, la corriente y los requisitos térmicos pueden aumentar significativamente.

Por este motivo, la transmisión armónica puede resultar atractiva para las articulaciones de robots colaborativos que necesitan un par motor elevado dentro de un espacio mecánico limitado.

Los motores de transmisión directa (DD) resultan más interesantes cuando el par requerido es moderado y el diseño pone mayor énfasis en la transmisión directa, la alta respuesta dinámica y la capacidad de inversión de giro.

¿Qué ofrece mejor capacidad de reversa: un motor de transmisión directa o un reductor armónico?

La capacidad de reversa es particularmente importante en la robótica colaborativa.

Un robot puede necesitar detectar fuerzas externas, reaccionar al contacto y operar de forma segura cerca de las personas.

Una transmisión con engranajes de alta relación puede resistir el movimiento externo porque la carga debe impulsar el motor a través de la transmisión.

Un motor DD no tiene este mismo mecanismo de reducción.

La carga está conectada directamente al motor, lo que permite que la articulación responda de forma natural a las fuerzas externas.

Este es uno de los argumentos más sólidos a favor de los motores DD en aplicaciones robóticas sensibles a la fuerza.

Sin embargo, esto no significa que las articulaciones armónicas de los robots no puedan soportar el control de fuerza.

Una junta armónica puede utilizar la retroalimentación de un codificador de alta resolución, información sobre la corriente del motor o un sensor de par integrado para controlar la fuerza y el par.

Por lo tanto, el rendimiento real depende de la arquitectura conjunta completa.

Para aplicaciones que requieren una interacción de fuerzas altamente sensible, los ingenieros deben evaluar no solo el tipo de transmisión, sino también la configuración del codificador, la detección de par, el algoritmo de control y la fricción mecánica.

¿Cuál es la opción más compacta para las articulaciones de robots colaborativos?

La compacidad es otra área donde los reductores armónicos pueden tener una ventaja.

Un reductor armónico puede proporcionar una alta relación de reducción en un paquete relativamente pequeño.

Esto permite integrar el motor y la transmisión en una carcasa compacta.

En el caso de un robot colaborativo de seis ejes, esto puede ser importante porque cada articulación contribuye al tamaño y peso total del robot.

Reducir la masa de las articulaciones anteriores también puede disminuir el par motor requerido por las articulaciones situadas más abajo en el brazo del robot.

Un motor de transmisión directa puede eliminar el reductor, pero esto no significa necesariamente que la junta completa vaya a ser más pequeña.

El motor necesita producir el par motor requerido directamente, por lo que un motor de transmisión directa de alto par puede requerir un diámetro relativamente grande.

Por lo tanto, la eliminación del reductor no conlleva automáticamente a una articulación robótica más pequeña.

La comparación correcta debe basarse en el conjunto completo del actuador, incluyendo el motor, los cojinetes, la carcasa, el codificador y la estructura de refrigeración.

Reductor armónico frente a motor DD para la precisión de las articulaciones del robot

Ambas tecnologías pueden soportar articulaciones robóticas de alta precisión, pero lo logran de manera diferente.

Los reductores armónicos resultan atractivos porque pueden proporcionar una holgura extremadamente baja y una alta relación de reducción.

Esto las hace idóneas para aplicaciones donde el posicionamiento angular preciso es importante.

Los motores DD eliminan por completo el juego mecánico de reducción.

Sin embargo, la ausencia de holgura en la caja de engranajes no garantiza una mayor precisión del sistema.

La precisión final de las articulaciones del robot también se ve afectada por:

• Resolución del codificador

• Precisión de los rodamientos

• Control del motor

• Deformación estructural

• Expansión térmica

• rigidez mecánica

En el caso de un robot colaborativo, estos factores deben evaluarse conjuntamente.

Un motor DD con una excelente retroalimentación del codificador, pero con una rigidez estructural insuficiente, puede no superar el rendimiento de una junta armónica bien diseñada.

Del mismo modo, un reductor armónico con poca holgura no puede compensar una retroalimentación deficiente del codificador ni una deformación estructural excesiva.

¿Cuál es la mejor opción para el movimiento colaborativo de robots a alta velocidad?

Los motores de transmisión directa (DD) tienen una ventaja natural cuando se requiere un movimiento rotatorio continuo de alta velocidad y una respuesta dinámica rápida.

Como el motor acciona directamente la carga, no hay ninguna etapa reductora que deba transmitir el movimiento.

Esto puede resultar valioso en aplicaciones que requieren aceleraciones y desaceleraciones frecuentes.

Los reductores armónicos también pueden soportar movimientos rápidos del robot, pero la velocidad de salida máxima está limitada por la transmisión y la relación de reducción seleccionada.

Por lo tanto, para las articulaciones de robots colaborativos que necesitan una alta velocidad de salida pero un par relativamente bajo, los motores DD pueden ser una opción atractiva.

Para juntas que requieren un par motor elevado a una velocidad de salida relativamente baja, la transmisión armónica puede ofrecer una solución más práctica.

Reductor armónico frente a motor DD para el control de fuerza de robots colaborativos

El control de la fuerza está adquiriendo cada vez más importancia en la robótica colaborativa.

Aplicaciones como el ensamblaje, el pulido, la inserción, la inspección y la interacción humano-robot requieren que el robot responda a las fuerzas de contacto en lugar de simplemente seguir una trayectoria de posición predefinida.

Los motores de transmisión directa (DD) resultan especialmente atractivos para estas aplicaciones porque el motor está conectado directamente a la salida.

La relación mecánica entre el par motor y el par articular es relativamente directa.

Sin embargo, una junta armónica también puede diseñarse para aplicaciones con control de fuerza.

Por ejemplo, una articulación robótica integrada puede utilizar un codificador o un sensor de par en la salida para obtener información más directa sobre el movimiento o el par de la articulación.

Esto puede mejorar significativamente la capacidad del sistema de control para distinguir entre el movimiento del motor y el movimiento de salida real.

Por lo tanto, para las articulaciones de robots colaborativos de alto rendimiento, la pregunta no debería ser simplemente:

¿Motor de transmisión directa o reductor armónico?

Una pregunta mejor sería:

¿Con qué precisión puede la articulación completa medir y controlar el par de salida?

Los módulos de junta armónica pueden integrar más que el reductor.

Un módulo de articulación de robot moderno no es simplemente un reductor armónico.

Un módulo conjunto completo puede integrar:

• Servomotor

• Reductor armónico

• Codificador

• Conductor

• Freno

• Sensor de par

• Alojamiento

• Aspectos

Este nivel de integración puede reducir el trabajo de ingeniería necesario para construir una articulación robótica.

Para los fabricantes de robots colaborativos, un módulo de articulación armónica integrado también puede proporcionar una interfaz mecánica y eléctrica más estandarizada.

Esto puede resultar útil al desarrollar varios modelos de robots con diferentes capacidades de carga útil.

La principal ventaja no reside simplemente en el reductor armónico en sí, sino en la capacidad de integrar los componentes de transmisión, motor, detección y control en un actuador compacto.

¿Cuándo conviene elegir un reductor armónico para un robot colaborativo?

Vale la pena considerar un reductor armónico cuando la articulación del robot colaborativo requiere una combinación de alto par, dimensiones compactas y baja holgura.

Puede resultar especialmente adecuado para juntas en las que el actuador necesita soportar una carga significativa sin dejar de ser relativamente ligero.

Las aplicaciones típicas pueden incluir:

• Brazos robóticos colaborativos

• Robots colaborativos de seis ejes

• articulaciones de robots humanoides

• manipuladores móviles

• Brazos robóticos de precisión

Para estas aplicaciones, la transmisión armónica puede proporcionar un equilibrio práctico entre densidad de par, precisión y tamaño del paquete.

Sin embargo, el reductor debe seleccionarse en función del par real, la velocidad, la inercia de la carga, el ciclo de trabajo y las condiciones térmicas, en lugar de simplemente elegir la relación de reducción más alta disponible.

¿Cuándo se debe elegir un motor de transmisión directa (DD) para un robot colaborativo?

Un motor de transmisión directa (DD) puede ser más adecuado cuando la transmisión directa y una alta respuesta dinámica son los requisitos de diseño principales.

Las consideraciones típicas incluyen:

• Alta capacidad de reversa

• Aceleración y desaceleración rápidas

• Rotación continua

• Control directo del par

• Baja complejidad de la transmisión mecánica

Los motores DD pueden resultar especialmente atractivos para determinadas articulaciones de muñeca, mecanismos sensibles a la fuerza y arquitecturas especializadas de robots colaborativos.

Pueden resultar menos atractivas cuando la articulación requiere un par de torsión muy elevado dentro de una carcasa extremadamente compacta.

En esos casos, el tamaño adicional del motor necesario para generar el par directamente puede convertirse en una limitación de diseño importante.

Motor DD vs. Reductor armónico: ¿Cuál es mejor para las diferentes articulaciones del robot?

La mejor tecnología también puede variar entre los diferentes ejes del mismo robot.

Una articulación de hombro o de base generalmente necesita un par de torsión elevado porque soporta una gran parte de la estructura y la carga útil del robot.

Por lo tanto, un módulo de unión armónica puede resultar atractivo para estas posiciones.

Una articulación de codo también requiere un par motor significativo y un tamaño compacto, lo que convierte la transmisión armónica en una opción práctica en muchos diseños.

Las articulaciones de la muñeca suelen tener requisitos diferentes.

Un menor peso, una alta velocidad y una respuesta dinámica pueden adquirir mayor importancia, por lo que un motor DD podría ser una opción a considerar dependiendo de la arquitectura del robot.

Esto significa que un fabricante de robots no necesita necesariamente utilizar exactamente la misma arquitectura de actuador para cada articulación.

Las distintas posiciones de las articulaciones pueden tener diferentes requisitos de par, velocidad, inercia y control de fuerza.

Cómo elegir entre un motor DD y un reductor armónico para un cobot

La selección se puede simplificar evaluando las prioridades de diseño reales.

Si la junta requiere una alta densidad de par, dimensiones compactas, una alta relación de reducción y una holgura muy baja, un reductor armónico suele ser una opción muy adecuada.

Si la junta prioriza la transmisión directa, la capacidad de inversión de giro, una alta respuesta dinámica y una baja complejidad de la transmisión mecánica, un motor DD puede resultar más atractivo.

Si la aplicación requiere un control de fuerza de alta capacidad de respuesta, ambas tecnologías deben evaluarse junto con la arquitectura de sensores.

Un sensor de par, una configuración de doble codificador y un control servo adecuado pueden influir significativamente en el rendimiento final de la articulación del robot.

Conclusión: ¿Motor DD o reductor armónico para robots colaborativos?

No existe un ganador universal entre un motor de transmisión directa y un reductor armónico.

Un reductor armónico suele ser más atractivo cuando una articulación de un robot colaborativo requiere una alta densidad de par, dimensiones compactas, poca holgura y una alta relación de reducción.

Un motor de transmisión directa (DD) resulta más atractivo cuando los requisitos principales son la transmisión directa, la capacidad de inversión de giro, una alta respuesta dinámica y el movimiento rotatorio continuo.

Para muchos brazos robóticos colaborativos compactos, los módulos de articulación armónica ofrecen una combinación práctica de par, precisión e integración. Para articulaciones especializadas que priorizan la interacción directa de fuerzas y la respuesta dinámica, los motores DD pueden proporcionar ventajas importantes.

Lo más importante es evaluar la articulación completa del robot, no solo el motor o el reductor.

El par motor, la relación de reducción, la retroalimentación del codificador, la capacidad de carga, la rigidez estructural, el rendimiento térmico, la detección de fuerza y la arquitectura de control contribuyen al rendimiento final.

Para los fabricantes de robots que desarrollan robots colaborativos, la solución adecuada puede ser un módulo de articulación armónica para ejes de alto par y una arquitectura de accionamiento directo para articulaciones de alta velocidad o sensibles a la fuerza, según los requisitos mecánicos y de control del robot.

HONPINE proporciona reductores armónicos, actuadores rotativos armónicos, módulos de articulación para robots y soluciones de motores DD para diferentes requisitos de movimiento robótico, lo que permite a los ingenieros seleccionar la arquitectura de transmisión adecuada según la aplicación real.