¿Cómo mejora un actuador de articulación armónica con sensor de par el control de fuerza de un robot?

Para los ingenieros que desarrollan robots humanoides, robots colaborativos y sistemas robóticos con control de fuerza, elegir una articulación robótica integrada implica mucho más que comparar el par nominal, la velocidad y las dimensiones. Una distinción fundamental es si la articulación estima el par a partir de la corriente del motor o mide directamente el par real en la salida del reductor.

Muchas servarticulaciones que anuncian compatibilidad con el control de fuerza se basan principalmente en la estimación del par mediante la corriente del motor. Sin embargo, la fricción y las características de transmisión de un reductor armónico pueden afectar a la relación entre el par del lado del motor y el par transmitido al mecanismo externo. Esto puede complicar la detección de colisiones, la estimación de fuerza y el control de movimiento con compliance.

El actuador de articulación armónica TCHL de HONPINE integra un sensor de par en la brida de salida del reductor armónico, lo que permite medir directamente el par de salida. Al proporcionar retroalimentación desde el lado de salida de la articulación, ofrece a los controladores robóticos una señal más directa para aplicaciones sensibles a la fuerza, como la detección de colisiones, la enseñanza por arrastre, el ensamblaje con compliance, la robótica de rehabilitación y la teleoperación con retroalimentación de fuerza.

Este artículo explica la diferencia entre el par estimado y el par medido, y explora aplicaciones prácticas del módulo de articulación armónica TCHL de HONPINE con sensor de par.

Estimación del par basada en la corriente del motor frente a la medición del par real de salida

¿Por qué la corriente del motor no equivale al par de salida?

En muchas servarticulaciones convencionales, el par se estima a partir de la corriente del motor. Este método puede resultar útil para el control del movimiento, pero la corriente del motor refleja principalmente el par electromagnético generado por el motor. No mide directamente el par transmitido a la carga externa.

Tras pasar por un reductor armónico, la relación entre el par del lado del motor y el par de salida puede verse afectada por la fricción de transmisión, la histéresis, el comportamiento relacionado con el juego y las condiciones de funcionamiento.

Pueden surgir varios problemas prácticos:

Lecturas de par durante el movimiento sin carga: la fricción dentro del reductor puede generar un par de resistencia incluso cuando la articulación no soporta una carga externa considerable.

Lecturas distintas en sentidos opuestos: la fricción de transmisión y la histéresis pueden producir valores de par estimado diferentes durante el movimiento de avance y retroceso con cargas externas comparables.

Compromisos en la detección de colisiones: un umbral demasiado alto puede retrasar la detección, mientras que uno demasiado bajo puede activar falsas alarmas durante el movimiento normal.

Por lo tanto, en aplicaciones que requieren una detección sensible de fuerzas, la estimación basada exclusivamente en la corriente del motor puede ser insuficiente.

¿Cómo funciona el sensor de par de salida HONPINE TCHL?

Las versiones HONPINE TCHL-TM / TH equipadas con sensor de par incorporan dicho sensor en la brida de salida del reductor armónico. En lugar de inferir el par únicamente a partir de la corriente del motor, la articulación mide directamente el par en el lado de salida.

Según las especificaciones del producto proporcionadas, la retroalimentación de par se puede leer en la entrada 0x303A del diccionario de objetos, en unidades de 0.01 N·m.

Las prestaciones especificadas del sensor de par de salida incluyen:

• Resolución del sensor de par: 0.5% F.S.

• Precisión de medición del par de salida: 1% F.S.

• Retroalimentación del par desde el lado de salida del reductor.

Aquí, F.S. significa escala completa. Los porcentajes deben interpretarse según el rango de escala completa definido para el sensor y las condiciones de medición del fabricante.

La medición directa del par de salida proporciona una señal más representativa del par transmitido al mecanismo externo. Puede reducir la influencia de la incertidumbre asociada a la estimación del par de salida a partir de la corriente del motor, aunque el propio sensor sigue estando sujeto a ruido de medición, límites de calibración y restricciones de respuesta dinámica.

Aplicaciones reales del actuador de articulación armónica HONPINE TCHL

Las siguientes aplicaciones ilustran cómo puede utilizarse la retroalimentación del par de salida en robots humanoides, robots colaborativos y otros sistemas robóticos sensibles a la fuerza. El modo de control y la arquitectura de seguridad adecuados dependen del diseño del robot, las capacidades del controlador y los requisitos de la aplicación.

1. Detección de fuerzas de cuerpo completo para robots humanoides

Enfoque de control habitual: modo CSP (Cyclic Synchronous Position) con retroalimentación del par de salida.

En un robot humanoide, la información de fuerza de varias articulaciones puede contribuir al control coordinado del movimiento, la detección de contacto y la interacción con el entorno.

Control adaptativo de la marcha y la locomoción

Las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo pueden proporcionar retroalimentación del par de salida para ayudar al controlador a estimar las condiciones de contacto y ajustar las órdenes de las articulaciones durante la marcha. Esta información puede facilitar la adaptación a pendientes, terrenos irregulares y cambios en el contacto con el suelo, lo que contribuye a mejorar la estabilidad de la marcha.

Detección de colisiones de cuerpo completo

Cuando se dispone de retroalimentación de par en varias articulaciones, el controlador puede supervisar interacciones externas inesperadas en los brazos, el torso y las piernas, en lugar de depender únicamente de un sensor de fuerza en el efector final. Esto puede ampliar la cobertura de detección de colisiones, siempre que los algoritmos tengan en cuenta la gravedad, la inercia, la aceleración y las fuerzas de contacto normales.

Enseñanza por arrastre y registro de trayectorias

Un operador puede guiar manualmente determinadas articulaciones del robot mientras el controlador utiliza la retroalimentación de par para ayudar a identificar fuerzas externas. El sistema puede registrar la trayectoria resultante para reproducirla posteriormente. En algunas aplicaciones de enseñanza, esto puede reducir la necesidad de un sensor de fuerza externo adicional.

Supervisión del estado de las articulaciones

Las formas de onda del par recogidas durante la marcha y otros movimientos pueden ayudar a identificar cambios en la fricción, resistencia anormal, atascos u otras desviaciones respecto al comportamiento esperado de la articulación. Estas señales pueden contribuir a la supervisión del estado y a la planificación del mantenimiento, pero no demuestran por sí solas que un reductor armónico esté desgastado o dañado.

2. Exoesqueletos robóticos de rehabilitación y asistencia

Enfoque de control habitual: control de posición CSP, con control de par en lazo cerrado cuando sea compatible y adecuado.

Los exoesqueletos de rehabilitación y asistencia deben coordinar el par generado por el robot con el movimiento humano. La retroalimentación del par de salida puede ayudar al controlador a responder al esfuerzo del usuario y a los cambios en la carga externa.

Exoesqueletos de rehabilitación para las extremidades inferiores

La retroalimentación del par de las articulaciones puede contribuir a estimar la intención de movimiento del usuario y a coordinar la asistencia durante la bipedestación, la marcha y los ejercicios de rehabilitación. El controlador puede ajustar la asistencia según la estrategia de rehabilitación seleccionada y el comportamiento medido de las articulaciones.

Exoesqueletos de asistencia para las extremidades superiores

La retroalimentación del par de salida puede facilitar la asistencia de fuerza cuando los usuarios levantan o manipulan cargas. El controlador puede regular la asistencia y reducir el par ordenado cuando se aproximen a los límites de fuerza o carga predefinidos.

Consideración importante de seguridad: los equipos de rehabilitación interactúan directamente con el cuerpo humano. Si la aplicación utiliza el modo de control de par en lazo cerrado 0xFF del TCHL, el parámetro de límite de velocidad identificado como 3401h en la documentación de control proporcionada debe configurarse y validarse según las instrucciones del fabricante. La definición exacta y las unidades del parámetro deben confirmarse en el firmware y el diccionario de objetos aplicables. También son necesarios límites mecánicos adecuados, paradas de emergencia, gestión de fallos y medidas de seguridad independientes.

3. Operación flexible de brazos robóticos colaborativos

Enfoque de control habitual: modo CSP con retroalimentación del par de las articulaciones.

Los robots colaborativos suelen tener que trabajar cerca de personas realizando tareas que requieren contacto controlado, compliance o movimientos sensibles a la fuerza.

Detección de colisiones y respuesta con compliance

La retroalimentación del par de varias articulaciones puede ayudar al robot a detectar contactos inesperados en distintos puntos de su estructura. En función de la arquitectura de seguridad, el robot puede responder reduciendo la velocidad, cediendo o deteniéndose.

Sin embargo, un sensor de par integrado por sí solo no garantiza la seguridad colaborativa. La aplicación robótica completa debe someterse a una evaluación de riesgos y validarse con arreglo a los requisitos de seguridad aplicables.

Ensamblaje de precisión

Durante el apriete de tornillos, el ensamblaje a presión y la inserción de componentes, la retroalimentación del par de las articulaciones puede ayudar al controlador a detectar un aumento de la resistencia o un contacto inesperado. Si se detecta un atasco o una carga anormal, el robot puede detenerse o ajustar su movimiento para reducir el riesgo de dañar piezas plásticas delicadas y componentes electrónicos.

Cuándo sigue siendo recomendable un sensor de fuerza en el efector final

Para el rectificado o pulido de precisión que implique fuerzas laterales muy pequeñas en la punta de la herramienta, puede seguir siendo preferible utilizar un sensor de fuerza/par de seis ejes cerca del efector final. La detección del par de las articulaciones es especialmente útil para supervisar las cargas a nivel de articulación y facilitar el movimiento con compliance, mientras que un sensor montado en la herramienta mide fuerzas y momentos más cerca del punto de trabajo real.

4. Aplicaciones de ajuste a presión y sujeción

En aplicaciones de ajuste a presión, sujeción y utillajes de prueba, la señal de par de salida del TCHL puede facilitar el control del contacto y la supervisión de procesos relacionados con la fuerza.

El controlador puede utilizar la retroalimentación de par para detectar cuándo una pieza entra en contacto con un utillaje, identificar un aumento de resistencia y ajustar el movimiento para compensar pequeñas desviaciones de posición. Con un modelo mecánico adecuado y herramientas calibradas, el par de las articulaciones puede ayudar a regular el proceso de prensado.

Es importante distinguir el par de la articulación de la fuerza lineal real de prensado. Para convertir el par de salida en fuerza de contacto, hay que tener en cuenta la geometría del mecanismo, el brazo de palanca, la fricción y otras características de la trayectoria de carga.

5. Control de tensión para el bobinado y desbobinado

Los sistemas de manipulación de alambre, película y material de bobina a bobina suelen requerir una tensión estable para evitar que el material se rompa, se estire o se deforme.

Una articulación equipada con sensor de par puede proporcionar retroalimentación del par de salida a un controlador que regule el par de bobinado o desbobinado. Cuando la configuración mecánica lo permite, esta retroalimentación puede facilitar la regulación de la tensión y ayudar al sistema a responder a los cambios en las cargas del material.

La velocidad de rotación máxima y la aceleración también deben limitarse según el material, el diámetro de la bobina, la inercia y el diseño del equipo. El par de salida no mide directamente la tensión de la banda; la relación depende del radio de bobinado y del mecanismo de transmisión.

6. Rectificado y desbarbado

Durante el rectificado y el desbarbado, el robot debe mantener un contacto adecuado con la pieza a pesar de los pequeños errores de posición y las variaciones de la geometría de la superficie.

La retroalimentación del par de salida puede ayudar al controlador a supervisar la carga de las articulaciones y ajustar el movimiento para mantener una interacción más adaptable. Esto puede facilitar el desbarbado de piezas fundidas y componentes mecanizados, reduciendo las cargas de contacto excesivas.

En aplicaciones que requieren una regulación precisa de la fuerza de contacto en la punta de la herramienta, el sistema de control también puede necesitar un sensor de fuerza en el efector final, un modelo de fuerza calibrado o retroalimentación adicional del proceso.

7. Teleoperación bilateral con retroalimentación de fuerza

Enfoque de control habitual: modo de control de par en lazo cerrado 0xFF, sujeto a la compatibilidad del controlador y el firmware.

La teleoperación con retroalimentación de fuerza permite que un operador controle un robot remoto y reciba información sobre las fuerzas que encuentra en el emplazamiento remoto.

Lado maestro: los sensores de par de las articulaciones del lado del operador miden la interacción entre este y el dispositivo maestro.

Lado esclavo: el robot remoto utiliza el modo de control de par en lazo cerrado compatible para reproducir el par ordenado o el comportamiento de interacción dentro de los límites configurados.

Con una arquitectura de control bilateral adecuada, el sistema puede devolver al operador información sobre las fuerzas de contacto remotas, lo que le ayuda a percibir la resistencia del entorno durante la manipulación a distancia.

Entre las aplicaciones potenciales se incluyen la inspección en entornos peligrosos, operaciones especializadas de respuesta a emergencias y la manipulación a distancia en zonas de difícil acceso o peligrosas para las personas.

Las señales maestra y esclava deben escalarse y estabilizarse adecuadamente. Es necesario abordar el retardo de comunicación, los contactos inesperados y la pérdida de conexión para evitar una retroalimentación de fuerza inestable o insegura.

8. Investigación de laboratorio y utillajes de prueba

El actuador de articulación armónica TCHL también puede utilizarse como actuador y componente de medición en investigación robótica y ensayos mecánicos.

Ensayos de resistencia de articulaciones y carga de par

En un utillaje de prueba, una articulación que funcione en un modo de control de par en lazo cerrado compatible puede aplicar perfiles de par controlados a un componente o conjunto de prueba. El sensor de par de salida integrado puede proporcionar retroalimentación para supervisar el par aplicado y comparar los valores ordenados y medidos.

La precisión del ensayo depende de la rigidez, la alineación, la calibración, el ancho de banda de control y la incertidumbre de medición del utillaje.

Plataformas universitarias y de investigación

En la investigación sobre robótica humanoide y control de fuerza, la retroalimentación del par de salida puede facilitar:

• El desarrollo de algoritmos de control de impedancia mediante control de posición CSP y retroalimentación de par.

• Experimentos de guiado manual y enseñanza por arrastre.

• Investigación sobre detección de contacto a nivel de articulación y movimiento con compliance.

• Experimentos de control de par en lazo cerrado mediante el modo 0xFF compatible.

Estas capacidades permiten a los investigadores explorar distintas estrategias de control de fuerza sin tener que añadir necesariamente un sensor de par independiente a cada articulación, según los requisitos del experimento.

Actuador de articulación armónica HONPINE TCHL — especificaciones técnicas

La siguiente tabla resume las especificaciones de detección de par y salida de par proporcionadas para la serie TCHL.

Los valores de par anteriores se reproducen a partir de las especificaciones proporcionadas. Confirme la unidad de par, que se supone que es N·m, antes de publicar.

Confirme si “2000 rpm” se refiere a la velocidad del motor o a la velocidad de salida, y si todos los valores de par continuo indicados se aplican en las mismas condiciones de funcionamiento.

El guion indica que no se proporcionó la especificación correspondiente para TCHL-11; no significa necesariamente que la función no esté disponible.

Confirme la definición y las condiciones de medición del nivel de ruido indicado de ±3% F.S., así como el método utilizado para determinar la resolución y la precisión del sensor.

Cómo elegir una articulación robótica equipada con sensor de par

Al evaluar una articulación integrada para robots humanoides o colaborativos, los ingenieros deben ir más allá de comprobar si el producto se describe como compatible con el control de fuerza.

En primer lugar, determine de dónde procede la señal de par. La estimación basada en la corriente del motor y la medición directa del par de salida son métodos diferentes, cada uno con sus propias limitaciones.

A continuación, compruebe el rango de medición, la resolución, la precisión, el ruido, las características de respuesta y las condiciones de calibración del sensor. Estas especificaciones influyen en la eficacia con la que puede utilizarse la retroalimentación para detectar colisiones, permitir movimientos con compliance y regular el par.

La interfaz de control y los modos de funcionamiento son igualmente importantes. Confirme la compatibilidad con el protocolo de comunicación requerido, las entradas del diccionario de objetos, las unidades de retroalimentación, el funcionamiento CSP y las funciones de control de par en lazo cerrado. Verifique también el comportamiento de los límites de velocidad, la gestión de sobrecargas, los fallos de comunicación y la lógica de parada de emergencia.

Por último, adapte el par continuo y máximo, la velocidad, el tamaño, la masa y las características térmicas de la articulación a la aplicación. Una articulación equipada con sensor es solo una parte de un sistema de control de fuerza; la dinámica del robot, los algoritmos de control, el diseño mecánico y la validación de seguridad a nivel de sistema siguen siendo esenciales.

Conclusión — Desarrolle mejores robots con detección de fuerza con HONPINE TCHL

A medida que avanza la robótica humanoide y colaborativa, la retroalimentación fiable de fuerza cobra cada vez más importancia para el movimiento con compliance, la detección de contacto, el ensamblaje, la rehabilitación y la manipulación remota.

El actuador de articulación armónica HONPINE TCHL integra la detección de par en el lado de salida del reductor y proporciona retroalimentación directa del par de salida, en lugar de depender exclusivamente de la estimación basada en la corriente del motor. Combinada con algoritmos de control adecuados y medidas de protección validadas a nivel de sistema, esta retroalimentación puede facilitar una amplia variedad de aplicaciones robóticas sensibles a la fuerza.

Para los ingenieros que eligen una articulación robótica integrada, la pregunta clave no es simplemente si la articulación permite el control de fuerza, sino cómo se mide el par, cómo se utiliza la retroalimentación y cómo responde el sistema completo ante contactos inesperados y fallos.

Póngase en contacto con HONPINE para obtener más información sobre los actuadores de articulación armónica TCHL equipados con sensor de par, la documentación técnica y las opciones de integración para robots humanoides, brazos robóticos colaborativos, exoesqueletos y plataformas de investigación.