¿Cómo controla un módulo de articulación robótica la posición y el par?

Introducción

Un módulo de articulación robótica es más que un motor combinado con una caja de engranajes. En los sistemas robóticos modernos, la articulación debe controlar con precisión la posición, la velocidad y el par, a la vez que responde a las cargas cambiantes y a las órdenes de movimiento.

Por este motivo, un módulo de articulación robótica integrado suele combinar varios componentes clave, entre ellos un servomotor, un reductor de precisión, un codificador, un controlador de motor, una interfaz de control y, en algunos diseños, un sensor de par.

En conjunto, estos componentes crean un sistema de control de movimiento de circuito cerrado.

Un proceso simplificado de control de posición es:

Comando de movimiento → Controlador → Controlador de motor → Servomotor → Reductor de precisión → Articulación del robot → Retroalimentación del codificador

Para el control del par motor, se puede utilizar una vía de retroalimentación adicional:

Comando de par → Controlador del motor → Servomotor → Reductor de precisión → Salida de la junta → Retroalimentación de par → Controlador

La capacidad de comparar continuamente el movimiento ordenado con la retroalimentación real de la articulación permite que un módulo de articulación robótica logre un posicionamiento preciso y una salida de par controlada.

Este artículo explica cómo se controlan la posición y el par dentro de un módulo de articulación de robot, cómo los codificadores y los sensores de par contribuyen al control de bucle cerrado y por qué estas tecnologías son importantes para los robots humanoides, los robots colaborativos, los robots industriales y otros sistemas robóticos avanzados.

¿Qué es un módulo de articulación robótica?

Un módulo de articulación robótica es una unidad de movimiento integrada diseñada para accionar un eje de rotación del robot.

Dependiendo del diseño, un módulo de articulación de robot puede integrar:

• Servomotor

• Reductor de precisión

• Codificador del lado del motor

• Codificador de salida

• conductor del motor

• Sensor de par

• Freno

• Interfaz de comunicación

• Sensores de temperatura y protección

En lugar de diseñar la articulación del robot a partir de componentes separados, un módulo integrado combina múltiples elementos de control de movimiento en un conjunto compacto.

Este enfoque puede reducir el trabajo de integración mecánica, simplificar el cableado, mejorar la compacidad del sistema y proporcionar un rendimiento de control más uniforme.

Para los robots humanoides y los robots colaborativos, este nivel de integración resulta especialmente útil porque el espacio en las articulaciones es limitado y el actuador a menudo debe proporcionar un par motor elevado desde un tamaño relativamente reducido.

¿Cómo controla la posición un módulo de articulación de robot?

El control de posición es una de las funciones fundamentales de un módulo de articulación de robot.

El objetivo es sencillo: lograr que la posición real de la articulación siga la posición deseada con la mayor precisión posible.

Por ejemplo, un controlador de robot puede ordenar a una articulación que gire 45°.

El módulo conjunto debe entonces:

• Reciba la posición objetivo.

• Determina el movimiento motor requerido.

• Acciona el motor.

• Reduzca la velocidad del motor a través de la caja de cambios.

• Mide la posición real.

• Compara la posición actual con la posición objetivo.

• Corrija el comando del motor si existe algún error.

• Este proceso se repite continuamente.

El papel del codificador en el control de posición

El codificador es uno de los componentes de retroalimentación más importantes en un módulo de articulación de robot.

Un codificador convierte la rotación mecánica en una señal de retroalimentación eléctrica que puede ser interpretada por el sistema de control.

Dependiendo de la arquitectura, el codificador puede instalarse en el lado del motor, en el lado de salida o en ambos.

Un codificador del lado del motor proporciona principalmente información sobre:

• Posición del motor

• Velocidad del motor

• Dirección de rotación del motor

• Conmutación

• Retroalimentación de control de alta velocidad

Un codificador de salida mide la posición de rotación real de la articulación del robot después del mecanismo de reducción.

Esta distinción es importante.

El motor puede girar miles de revoluciones, mientras que la articulación del robot gira a una velocidad mucho menor debido a la relación de reducción.

Por lo tanto, medir únicamente el eje del motor no siempre proporciona información completa sobre la posición de salida real.

Codificador del lado del motor frente a codificador del lado de la salida

Codificador del lado del motor

El codificador del lado del motor está ubicado cerca del eje del motor.

Se utiliza comúnmente para:

• Control orientado al campo

• Conmutación del motor

• Retroalimentación de velocidad

• Retroalimentación de la posición del motor

• Control servo

Debido a que el motor gira a alta velocidad, el codificador debe proporcionar una retroalimentación rápida y fiable.

Codificador de salida

Un codificador de salida mide la posición de la articulación real del robot.

Puede ayudar al sistema de control a detectar diferencias entre la posición de salida programada y la posición de salida real.

Esto puede ser especialmente valioso cuando el sistema de transmisión introduce pequeñas cantidades de:

• Deformación elástica

• Error de transmisión

• Reacción

• deflexión del eje

• Cumplimiento mecánico

Por lo tanto, para articulaciones robóticas de alta precisión, la retroalimentación de posición en el lado de salida puede proporcionar una capa adicional de control.

¿Por qué utilizar codificadores duales en un módulo de articulación de robot?

Una arquitectura de doble codificador utiliza retroalimentación tanto del lado del motor como del lado de salida.

El sistema de control puede utilizar el codificador del lado del motor para un control rápido del motor, mientras que utiliza el codificador del lado de salida para monitorizar la posición real de la articulación.

Esta arquitectura puede mejorar la capacidad del módulo conjunto para:

• Mantener un posicionamiento preciso de la salida.

• Detectar errores de transmisión

• Compensar las desviaciones mecánicas

• Monitorear el movimiento articular

• Apoyar estrategias de control avanzadas

Para aplicaciones como robots humanoides, robots colaborativos y manipuladores robóticos de precisión, esta información adicional puede resultar valiosa.

¿Cómo alcanza una articulación robótica la posición deseada?

El control de posición normalmente funciona como un sistema de bucle cerrado.

Una secuencia de control simplificada es:

Posición objetivo → Controlador de posición → Comando del motor → Controlador del motor → Servomotor → Reductor de precisión → Articulación del robot → Retroalimentación del codificador

El controlador evalúa continuamente la diferencia entre la posición objetivo y la posición medida.

Esta diferencia se conoce como error de posición.

Si la posición real está detrás del objetivo, el controlador ajusta la orden del motor.

A medida que la articulación se aproxima al objetivo, el comando se ajusta para reducir el sobreimpulso y mejorar la estabilidad.

El algoritmo de control exacto depende del sistema de servocontrol y de la aplicación, pero el principio sigue siendo el mismo:

Medir → Comparar → Corregir → Repetir

¿Cómo controla el par motor un módulo de articulación de robot?

Para muchos robots modernos, el control de posición por sí solo no es suficiente.

Un robot también debe saber cuánta fuerza está aplicando a su entorno.

Esto cobra especial importancia cuando un robot:

• Agarra un objeto

• Hace contacto físico con una superficie.

• Paseos

• Escaladas

• Realiza el ensamblaje

• Interactúa con los humanos

• Manipula componentes delicados

El control de par permite al robot regular la fuerza de rotación que se produce en una articulación.

En lugar de simplemente dar órdenes:

Mueva la articulación a 30°.

El robot también puede dar órdenes:

Aplique una cantidad controlada de torque mientras mantiene la posición requerida.

Esto transforma al robot, pasando de ser una máquina controlada exclusivamente por la posición a un sistema de movimiento más adaptativo.

¿Cómo se genera el par motor en la articulación de un robot?

El motor genera par motor en su eje.

El reductor de precisión transforma entonces la velocidad y el par motor en función de su relación de reducción.

Una relación simplificada es:

Par motor → Reductor de precisión → Par de salida de la junta

Una mayor relación de reducción puede producir un mayor par motor de salida a la vez que reduce la velocidad de salida.

Sin embargo, el par motor real también depende de la eficiencia de la transmisión y de las condiciones de funcionamiento.

Por lo tanto, la selección de las articulaciones del robot no puede basarse únicamente en el par motor.

Los ingenieros también deberían tener en cuenta lo siguiente:

• Relación de reducción

• Par nominal

• par máximo

• Eficiencia de transmisión

• Carga útil del robot

• Velocidad conjunta

• Aceleración

• Ciclo de trabajo

• Fuerzas externas

• inercia articular

¿Cómo se mide el par de torsión en las articulaciones de un robot?

Existen varios métodos para estimar o medir el par motor en un módulo de articulación de un robot.

Estimación del par motor basada en la corriente

En muchos servomotores, el par electromagnético está relacionado con la corriente del motor.

Por lo tanto, el controlador puede estimar el par motor a partir de la corriente medida.

Este método puede resultar útil porque no requiere necesariamente un sensor de par independiente.

Sin embargo, el par motor estimado no siempre coincide con el par real en la salida de la articulación del robot.

Las pérdidas por transmisión mecánica, la fricción, la deformación y otros factores pueden afectar al par motor final.

Retroalimentación del sensor de par

Un sensor de par mide el par directamente en un punto adecuado de la transmisión mecánica o de la estructura de salida.

Un módulo de articulación robótica equipado con un sensor de par integrado puede proporcionar información directa sobre la fuerza aplicada al sistema de control.

Esto puede brindar soporte a:

• Control de par

• Control de fuerza

• Detección de colisiones

• Control de cumplimiento

• Detección de contacto

• Interacción segura entre humanos y robots

• Manipulación precisa

Para los robots que interactúan físicamente con su entorno, la retroalimentación directa del par motor puede resultar especialmente valiosa.

¿Cómo funcionan conjuntamente el control de posición y el control de par?

En los módulos avanzados de articulaciones robóticas, la posición y el par no siempre deben considerarse funciones separadas.

Pueden operar juntos.

Por ejemplo, imaginemos un robot colaborativo que se mueve hacia un objeto.

Durante el movimiento libre, el robot puede priorizar el control de la posición.

Cuando el robot entra en contacto con el objeto, la retroalimentación de torque o fuerza cobra mayor importancia.

El sistema de control puede entonces reducir el movimiento ordenado o ajustar el par aplicado en función de la condición de contacto.

Esto genera un comportamiento más complaciente.

Control de posición

¿Hacia dónde debería moverse la articulación?

Control de velocidad

¿A qué velocidad debe moverse la articulación?

Control de par

¿Cuánta fuerza de rotación debe aplicar la articulación?

Estas capas de control pueden operar conjuntamente dentro de una arquitectura de control de servomotores.

¿Por qué es importante el control de par para los robots humanoides?

Los robots humanoides imponen requisitos particularmente exigentes en cuanto al control de las articulaciones.

Un robot humanoide debe mantener el equilibrio de su cuerpo de forma continua mientras se desplaza por un entorno cambiante.

Por ejemplo, al caminar:

• La articulación de la cadera cambia de posición.

• La rodilla soporta parte de la carga corporal.

• El tobillo interactúa con el suelo.

• Las fuerzas externas cambian continuamente.

• El robot debe mantener el equilibrio.

La información sobre la posición por sí sola puede no describir completamente el estado físico del robot.

La información sobre el par motor y la fuerza puede proporcionar información adicional sobre cómo interactúa el robot con su entorno.

Esta es una de las razones por las que los actuadores de robots humanoides de alto rendimiento combinan cada vez más:

Alta densidad de par + Retroalimentación de posición precisa + Retroalimentación de par

¿Por qué es importante la detección de par para los robots colaborativos?

Los robots colaborativos suelen trabajar cerca de los humanos.

Esto genera requisitos diferentes a los de los robots industriales tradicionales que operan dentro de celdas de trabajo aisladas.

Un robot colaborativo puede necesitar detectar contactos inesperados y responder adecuadamente.

Una articulación robótica sensible al par puede ayudar a identificar condiciones de carga anormales.

Por ejemplo:

• Movimiento normal → Par esperado

• Contacto inesperado → Desviación del par

• Respuesta del controlador → Reducir par / Detener / Cambiar trayectoria

Sin embargo, la detección de par es solo una parte del sistema de seguridad de un robot. La seguridad general también depende del controlador del robot, el software, el diseño mecánico, la arquitectura de detección, la evaluación de riesgos y las normas de seguridad aplicables.

¿Cuál es la función del reductor de precisión en un módulo de articulación robótica?

El reductor de precisión es otro componente fundamental dentro del módulo de articulación de un robot.

El motor de un robot suele funcionar a una velocidad relativamente alta.

Sin embargo, la articulación del robot a menudo requiere:

• Menor velocidad de rotación

• Par motor de salida más elevado

• Alta precisión posicional

• Bajo error de transmisión

• Dimensiones mecánicas compactas

• El reductor salva esta diferencia.

Los reductores armónicos pueden proporcionar altas relaciones de reducción en paquetes compactos, lo que los hace adecuados para muchas articulaciones robóticas.

Los reductores planetarios también pueden utilizarse cuando la aplicación requiere una combinación diferente de par, velocidad, eficiencia, rigidez y coste.

Por lo tanto, la arquitectura de transmisión influye directamente en el rendimiento general del módulo de articulación del robot.

¿Cómo afecta el juego mecánico a la posición de las articulaciones del robot y al control del par?

El juego mecánico es un factor importante a considerar en los sistemas de transmisión robótica.

Si existe una holgura mecánica excesiva entre los componentes de la transmisión, el motor puede moverse sin producir inmediatamente el movimiento de salida esperado.

Esto puede reducir la precisión del posicionamiento.

También puede complicar el control del par motor, ya que la relación entre el movimiento del motor y el movimiento de salida se vuelve menos predecible.

Por lo tanto, los reductores de precisión de baja holgura se utilizan ampliamente en aplicaciones robóticas que requieren un movimiento preciso.

Para aplicaciones como brazos robóticos, robots humanoides, ejes rotativos CNC y automatización de precisión, un bajo error de transmisión puede ser un criterio de selección importante.

Control de bucle cerrado: El núcleo de un módulo de articulación de robot moderno

El concepto más importante detrás del control de las articulaciones de los robots modernos es el bucle cerrado.

Un sistema de circuito cerrado no se limita a enviar una orden y asumir que la articulación se ha movido correctamente.

En cambio, mide continuamente el estado real de la articulación.

Una arquitectura simplificada es:

Comando → Controlador → Controlador → Motor → Reductor → Salida de la junta → Codificador / Sensor de par → Retroalimentación → Controlador

Este ciclo de retroalimentación permite que el sistema detecte diferencias entre el comportamiento esperado y el real.

Sin retroalimentación, el sistema funciona más como un mecanismo de bucle abierto.

Gracias a la retroalimentación, el controlador puede corregir continuamente sus comandos.

¿Qué interfaces de comunicación se utilizan en los módulos de articulaciones de los robots?

Los módulos de articulación de los robots a menudo necesitan comunicarse con un controlador de robot de nivel superior.

Las tecnologías de comunicación industrial más comunes incluyen:

• PODER

• CANopen

• EtherCAT

• RS-485

• Protocolos Ethernet industriales

La interfaz de comunicación permite al controlador del robot enviar comandos y recibir información de la articulación.

Dependiendo de la arquitectura, el módulo conjunto puede intercambiar información como:

• Posición objetivo

• Velocidad objetivo

• par objetivo

• Posición actual

• velocidad real

• par real

• Temperatura del motor

• Estado de falla

• Estado del codificador

EtherCAT se suele elegir para sistemas robóticos que requieren control multieje sincronizado y comunicación rápida.

CAN y CANopen también pueden ser soluciones prácticas para articulaciones robóticas distribuidas, donde es necesario equilibrar la arquitectura del sistema, el coste y los requisitos de comunicación.

¿Por qué es importante la integración en un módulo de articulación de robot?

La integración del motor, el reductor, el codificador y la electrónica en un único módulo conjunto ofrece varias ventajas potenciales.

H3: Diseño mecánico compacto

Un actuador altamente integrado puede reducir el espacio necesario para los componentes separados.

Esto es especialmente útil en:

• articulaciones de robots humanoides

• Muñecas robóticas

• Manos diestras

• Robots colaborativos

• Brazos robóticos compactos

Cableado reducido

Cuando el controlador y los componentes de retroalimentación están integrados en la articulación, es posible que se requieran menos conexiones externas.

Esto puede simplificar el montaje de robots y la gestión de cables.

Integración del sistema más sencilla

Un módulo de articulación robótica preintegrado puede reducir el trabajo de ingeniería necesario para lograr la coincidencia:

• Motor

• Caja de cambios

• Codificador

• Conductor

• Controlador

En cambio, el módulo puede tratarse como una unidad de movimiento estandarizada.

Arquitectura de control más compacta

La integración de los sensores y la electrónica de control más cerca de la transmisión mecánica también puede ayudar a reducir la distancia física entre el actuador y sus componentes de retroalimentación.

Esto resulta valioso para sistemas robóticos compactos.

¿Qué deben tener en cuenta los ingenieros al seleccionar un módulo de articulación para un robot?

La selección de un módulo de articulación robótica no debe basarse únicamente en el par nominal.

Los ingenieros deben evaluar todos los requisitos operativos.

1. Par nominal

Determinar el par motor continuo necesario durante el funcionamiento normal.

2. Par máximo

Considere el par máximo requerido durante la aceleración, el impacto o el movimiento dinámico de corta duración.

3. Velocidad de salida

La articulación debe alcanzar la velocidad de rotación requerida manteniendo el par necesario.

4. Relación de reducción

La relación de reducción afecta a la velocidad de salida, el par de salida, el punto de funcionamiento del motor, la capacidad de reversa y la respuesta dinámica.

5. Precisión de posicionamiento

Considere la resolución del codificador, la precisión de la transmisión, el juego mecánico y el rendimiento general del servomotor.

6. Retroalimentación de par

Determinar si la estimación del par basada en la corriente es suficiente o si se requiere la detección directa del par.

7. Peso

En el caso de los robots móviles y los robots humanoides, el peso de las articulaciones tiene un impacto directo en la dinámica del sistema y el consumo de energía.

8. Interfaz de comunicación

Asegúrese de que el módulo de unión sea compatible con la arquitectura de control requerida, como CAN/CANopen o EtherCAT.

9. Rendimiento térmico

El actuador debe disipar el calor durante su funcionamiento continuo.

10. Dimensiones mecánicas

El módulo debe encajar dentro del espacio de unión disponible sin comprometer la resistencia estructural.

Control del módulo de articulación del robot para diferentes aplicaciones

Los diferentes robots priorizan diferentes características de control.

Robots humanoides

Los robots humanoides generalmente requieren:

• Alta densidad de par

• Peso ligero

• Dimensiones compactas

• Alta precisión de posicionamiento

• Control dinámico del par

• Retroalimentación confiable

Los requisitos pueden variar significativamente entre las articulaciones de la cadera, la rodilla, el tobillo, el hombro, el codo y la muñeca.

Robots colaborativos

Los cobots suelen priorizar:

• Baja reacción

• Movimiento suave

• Detección de par

• Cumplimiento

• Detección de colisiones

• Bajo nivel de ruido

Brazos robóticos industriales

Los robots industriales generalmente hacen mucho hincapié en:

• Alta repetibilidad

• Alta rigidez

• Larga vida útil

• Salida de par estable

• Control de posición preciso

Manos robóticas diestras

Las manos robóticas requieren un equilibrio diferente:

• Tamaño pequeño

• Baja inercia

• Control de posición preciso

• Control preciso del par

• Respuesta rápida

Por eso no existe un único módulo de articulación robótica ideal para todas las aplicaciones robóticas.

¿Cómo permiten los módulos articulares de los robots HONPINE el control de movimiento integrado?

HONPINE desarrolla módulos robóticos articulados integrados basados en tecnologías de transmisión de precisión y control de movimiento servo.

Dependiendo del modelo y la aplicación, un módulo de articulación de robot integrado puede combinar componentes como:

• Reductor de precisión

• Servomotor

• Codificador de alta resolución

• Electrónica de accionamiento

• Detección de par

• Interfaces de comunicación industrial

En el caso de robots humanoides, robots colaborativos, brazos robóticos y otros sistemas robóticos compactos, esta arquitectura integrada puede reducir la complejidad de la integración mecánica al tiempo que proporciona la retroalimentación necesaria para el control de movimiento en bucle cerrado.

El módulo de junta armónica TCHL de HONPINE, por ejemplo, integra un sensor de par en la arquitectura de la junta y admite aplicaciones de control de par y posición en bucle cerrado.

Se pueden configurar otras arquitecturas de actuadores integrados en torno a diferentes combinaciones de transmisión armónica o planetaria, retroalimentación del codificador, accionamiento del motor y requisitos de comunicación.

Preguntas frecuentes sobre el control del módulo de articulación del robot

¿Qué es un módulo de articulación de robot?

Un módulo de articulación robótica es una unidad de movimiento robótico integrada que normalmente combina un motor, un reductor de precisión, un codificador y otros componentes necesarios para accionar una articulación del robot.

¿Cómo controla la posición un módulo de articulación de robot?

El controlador envía una posición objetivo al módulo de articulación. El controlador del motor acciona el motor, mientras que un codificador mide la posición real. El controlador compara continuamente la posición objetivo con la real y ajusta la señal de control del motor para reducir el error de posición.

¿Cómo controla el par motor un módulo de articulación de un robot?

El par motor se puede controlar mediante la estimación del par basada en la corriente del motor o mediante la retroalimentación directa del par a través de un sensor de par integrado. El sistema de control ajusta la orden del motor según el par requerido.

¿Por qué se utilizan dos codificadores en una articulación robótica?

Una arquitectura de doble codificador puede proporcionar retroalimentación tanto del lado del motor como del lado de salida. Esto permite que el sistema de control supervise tanto el movimiento del motor como la posición real de salida de la articulación.

¿Cada articulación del robot necesita un sensor de par?

No. Algunas aplicaciones pueden usar la corriente del motor para estimar el par. La detección directa del par resulta más valiosa cuando se requiere un control preciso de la fuerza, cumplimiento, detección de contacto o interacción física entre humanos y robots.

¿Cuál es la diferencia entre control de posición y control de par?

El control de posición determina hacia dónde debe moverse la articulación del robot. El control de par determina cuánta fuerza de rotación debe aplicar la articulación. Los robots avanzados pueden combinar ambos métodos de control según la tarea.

¿Por qué es importante un codificador en un actuador robótico?

Un codificador proporciona información sobre la posición de rotación y, según el sistema, sobre la velocidad y la dirección. Esta información permite al controlador realizar un control de movimiento en bucle cerrado.

¿Son adecuados los reductores armónicos para los módulos de articulación de robots?

Los reductores armónicos se utilizan ampliamente en articulaciones robóticas debido a sus altas relaciones de reducción, dimensiones compactas, baja holgura y alta precisión de posicionamiento. Sin embargo, la transmisión adecuada depende de los requisitos de par, velocidad, eficiencia, rigidez, capacidad de reversa y costo de la aplicación.

Conclusión

Un módulo de articulación robótica moderno controla la posición y el par mediante el funcionamiento coordinado del motor, el reductor de precisión, el codificador, el controlador y, cuando sea necesario, un sensor de par.

El control de posición depende en gran medida de una retroalimentación precisa. El codificador le indica al sistema de control dónde se encuentra realmente la salida del motor o de la articulación, lo que permite al controlador corregir el movimiento de forma continua.

El control de par añade una capa adicional de inteligencia. Al estimar el par a partir de la corriente del motor o medirlo directamente con un sensor de par, el robot puede regular la fuerza producida en la articulación y responder de manera más eficaz a las cargas externas.

Por lo tanto, la combinación de transmisión de precisión, retroalimentación de alta resolución, tecnología de servoaccionamiento y control de bucle cerrado es fundamental para el diseño moderno de articulaciones robóticas.

A medida que los robots humanoides, los robots colaborativos y los sistemas robóticos diestros se vuelven más dinámicos y compactos, los módulos de articulación robótica integrados son cada vez más importantes para lograr el equilibrio necesario entre par, precisión, peso, detección y control.

Para los fabricantes de robots e integradores de sistemas, seleccionar el módulo de articulación adecuado implica considerar más que solo la potencia del motor o la relación de la caja de engranajes. La arquitectura completa de control de movimiento —que incluye retroalimentación, detección de par, comunicación, rendimiento térmico, dimensiones mecánicas y requisitos de control— determina la eficacia con la que una articulación robótica funciona en una aplicación real.