¿Cómo elegir actuadores articulares armónicos para un brazo robótico de 7 GDL?

Hola, soy Theodore Li, Director Técnico de HONPINE. En este artículo, explicaré cómo seleccionaractuadores de articulación armónicapara un brazo robótico de siete grados de libertad.

Un brazo robótico de siete grados de libertad, o 7-DOF, cuenta con un grado de libertad adicional respecto a los seis que generalmente se requieren para controlar la posición y orientación de un efector final en el espacio tridimensional. Este grado de libertad adicional se conoce como redundancia cinemática.

Con un diseño mecánico y algoritmos de control adecuados, esta redundancia proporciona mayor flexibilidad de movimiento, permite evitar obstáculos y singularidades, y posibilita movimientos adaptables similares a los de un brazo humano.

Estas capacidades hacen que los brazos robóticos de 7-DOF sean valiosos para la investigación y el desarrollo en robótica médica, ensamblaje de precisión, procesamiento flexible y operaciones en entornos exigentes.

Entonces, ¿cómo se deben elegir los módulos de articulación para un brazo robótico de 7-DOF?

¿Cómo seleccionar actuadores de articulación armónica para un brazo robótico de 7-DOF？

Adapte cada actuador a los requisitos de carga de la articulación

Dentro de la misma serie de actuadores, un tamaño de bastidor mayor generalmente ofrece un par de salida superior y puede soportar cargas de articulación más altas. Sin embargo, el actuador debe seleccionarse de acuerdo con los requisitos de cada articulación, y no únicamente según su número de modelo.

En muchas configuraciones de brazos robóticos, las articulaciones más alejadas del efector final deben soportar la carga útil junto con una mayor cantidad de componentes posteriores del brazo. Como resultado, estas articulaciones suelen requerir un mayor par de salida.

La articulación del hombro es un ejemplo típico. Dado que soporta gran parte del brazo y funciona a una distancia considerable de la carga del efector final, suele seleccionarse un actuador de articulación armónica más grande para esta posición.

Por el contrario, las articulaciones de la muñeca requieren una consideración cuidadosa de la flexión y rotación de la muñeca, las cargas de las herramientas y la masa total del conjunto distal. Los módulos de articulación más pequeños y ligeros suelen ser adecuados cuando pueden cumplir las especificaciones requeridas de par y movimiento.

El principio de selección consiste en calcular los requisitos de carga de cada articulación y adaptar el actuador en consecuencia, no simplemente utilizar el mismo módulo en todo el brazo.

Ejemplo: actuadores robóticos armónicos HONPINE TCHL

Para ilustrar este enfoque, considere una configuración de brazo robótico de 7-DOF que utiliza actuadores robóticos armónicos de la serie TCHL de HONPINE.

En este ejemplo, el hombro utiliza unmódulo de articulación TCHL 20, mientras que la muñeca utiliza un módulo de articulación TCHL 14.

El TCHL 14 presenta un diseño compacto y ligero con una estructura hueca y un paso para el tendido de cables. Estas características lo convierten en una opción para conjuntos de muñeca y cuello robótico con espacio limitado, donde reducir la masa distal es un objetivo de diseño importante.

Esta configuración ilustra el enfoque de selección; no es una recomendación universal para todos los brazos robóticos de 7-DOF.

¿Por qué los brazos robóticos quirúrgicos de 7-DOF requieren módulos de articulación armónica más avanzados?

Un diseño redundante de siete grados de libertad, combinado con técnicas adecuadas de planificación de movimiento y evitación de obstáculos, proporciona a un brazo robótico quirúrgico mayor libertad para maniobrar dentro de un espacio de trabajo limitado.

Esta flexibilidad ayuda al sistema a responder a los requisitos de posicionamiento y acceso de procedimientos quirúrgicos complejos.

Las capacidades del brazo robótico tratadas aquí también incluyen movimiento guiado manualmente, funcionamiento accionado por motor, control remoto basado en API e identificación y compensación automáticas de carga útil.

El soporte de estas funciones plantea requisitos exigentes en cuanto a detección de las articulaciones, respuesta de control e integración del sistema.

Detección de par y control de fuerza con respuesta rápida

Para la configuración de brazo quirúrgico con control de fuerza tratada aquí, los sensores de par integrados de alta precisión constituyen una parte importante del diseño del módulo de articulación.

Estos sensores proporcionan retroalimentación para el control sensible a la fuerza y la detección de colisiones. Las cifras de rendimiento descritas para esta aplicación incluyen una precisión de control de fuerza de 0.5 N y una frecuencia de actualización de control superior a 1,000 Hz.

La capacidad prevista es una respuesta a escala de milisegundos ante fuerzas de contacto, lo que permite realizar tareas delicadas como la inserción y el atornillado controlado.

Estas cifras deben asociarse a una configuración y un método de prueba definidos. No deben considerarse especificaciones compartidas por todos los módulos de articulación o todos los brazos robóticos completos.

Control de par de gran ancho de banda y movimiento adaptable

El control de fuerza de gran ancho de banda puede resumirse como:

Control de par de bucle cerrado de gran ancho de banda + algoritmos de control adaptable

El objetivo es lograr que la respuesta de par o fuerza del sistema sea lo suficientemente rápida y precisa para la tarea prevista.

Un sensor de par integrado de alta resolución proporciona la retroalimentación necesaria para este enfoque de control. La respuesta completa también depende de cómo se integren la detección, la actuación y los algoritmos de control.

Planificación de movimiento y evitación de obstáculos basadas en redundancia

La evitación de obstáculos basada en redundancia puede describirse mediante tres elementos clave:

Redundancia cinemática + proyección en espacio nulo + optimización jerárquica de prioridad de tareas

El grado de libertad adicional ofrece al brazo más opciones para ajustar su configuración mientras mantiene la tarea requerida del efector final.

La planificación de movimiento puede coordinar varios objetivos con distintas prioridades, tales como:

1. Respetar los límites de las articulaciones para favorecer un funcionamiento seguro.

2. Minimizar los movimientos y velocidades innecesarios de las articulaciones, considerando la eficiencia energética como objetivo de optimización.

3. Mantener una configuración adecuada del brazo y gestionar la proximidad a las singularidades.

Cuando se dispone de suficiente movimiento redundante, el controlador tiene mayor libertad para abordar tareas secundarias como la evitación de obstáculos. La posibilidad de satisfacer todos los objetivos sigue dependiendo del espacio de trabajo disponible, los límites de las articulaciones y las restricciones de la tarea.

Módulos de articulación armónica de la serie HAG de HONPINE

Para aplicaciones exigentes de control de movimiento, HONPINE ofrece los módulos de articulación armónica de la serie HAG.

La serie HAG está destinada a aplicaciones que requieren un control de movimiento preciso y capacidades avanzadas de detección de fuerza. Safe Torque Off (STO) está disponible como función opcional, según el modelo y la configuración seleccionados.

Esta opción puede considerarse como parte del diseño de seguridad del sistema robótico completo. No debe interpretarse por sí sola como confirmación de que un módulo de articulación o brazo robótico está aprobado para una aplicación médica específica.

Al evaluar unmódulo de articulación armónica HAG, confirme el rendimiento de detección requerido, las interfaces de control y las funciones de seguridad disponibles para la configuración específica.

Más información sobre actuadores armónicos para brazos robóticos de 7-DOF

La elección de unactuador de articulación armónicacomienza por comprender qué debe hacer cada articulación. Las articulaciones del hombro, codo y muñeca pueden tener diferentes requisitos de par, peso, espacio de instalación, detección y control.

Póngase en contacto con HONPINE para obtener más información sobre actuadores rotativos armónicos y módulos de articulación para brazos robóticos de 7-DOF.