¿Cómo elegir un motor de articulación robótica para mejorar el rendimiento del efector final?

Introducción

Al diseñar un brazo robótico, seleccionar el motor de articulación robótica adecuado no consiste simplemente en elegir el mayor par, el tamaño más pequeño o la tecnología de transmisión más avanzada. El objetivo final de cada articulación robótica es respaldar el movimiento y el rendimiento del efector final.

Un brazo robótico puede utilizar una pinza, herramienta de vacío, cámara, antorcha de soldadura, dispositivo de inspección, cabezal de dispensación, destornillador u otra herramienta especializada. Cada efector final genera requisitos diferentes en cuanto a capacidad de carga útil, velocidad de movimiento, aceleración, estabilidad de posicionamiento y respuesta dinámica.

Por esta razón, la selección de un motor de articulación robótica debe comenzar con el rendimiento requerido en el extremo del brazo robótico.

La masa, el centro de gravedad, las dimensiones, el ciclo de movimiento, los requisitos de aceleración y la tarea de trabajo del efector final influyen en el rendimiento requerido de las articulaciones del robot. Estos requisitos pueden traducirse después en par del motor, velocidad de salida, relación de reducción, masa de la articulación y características de transmisión.

En muchos sistemas robóticos, tanto unmotor de articulación armónica como un motor de articulación planetaria pueden proporcionar una solución eficaz. La mejor elección depende de cómo debe funcionar el brazo robótico completo, más que de la especificación de un único componente.

Este artículo explica cómo los requisitos del efector final influyen en la selección del motor de articulación robótica y cómo los ingenieros pueden evaluar los motores de articulación armónica y los motores de articulación planetaria según el rendimiento real del brazo robótico.

¿Por qué la selección del motor de articulación robótica debe comenzar con el efector final?

El efector final es donde un brazo robótico realiza su trabajo real.

Un motor de articulación robótica no genera valor simplemente al producir par. Su propósito es mover los eslabones del brazo robótico para que el efector final pueda alcanzar, posicionarse, acelerar, desacelerar e interactuar con una pieza de trabajo o el entorno circundante.

Esto significa que el rendimiento final del robot debe evaluarse en el efector final.

Un robot puede tener un par de articulación suficiente y aun así experimentar un rendimiento deficiente del efector final. El brazo puede vibrar después de un movimiento rápido, acelerar demasiado lentamente, requerir un tiempo excesivo para estabilizarse o experimentar cambios de posición bajo carga externa.

Por lo tanto, el primer paso en la selección de un motor de articulación robótica debe ser definir lo que debe lograr el efector final.

Deben considerarse la carga útil requerida, la masa de la herramienta, el centro de gravedad, el rango de trabajo, la velocidad máxima, la aceleración, la estabilidad de posicionamiento y el ciclo operativo.

Una vez definidos estos requisitos, los ingenieros pueden evaluar el rendimiento requerido del brazo robótico completo y después seleccionar el motor de articulación robótica adecuado para cada eje.

¿Cómo afecta la masa del efector final a los requisitos del motor de articulación robótica?

El conjunto del efector final a menudo incluye más que la propia herramienta.

Un conjunto final robótico completo puede incluir una pinza, cambiador de herramientas, sensor de fuerza, cámara, cables, conectores, componentes de vacío, equipos de proceso y la pieza de trabajo.

Todos estos componentes contribuyen a la carga transportada por el brazo robótico.

Sin embargo, laselección del motor de articulación robótica no debe basarse únicamente en la masa.

La ubicación del centro de gravedad es igualmente importante.

Una herramienta compacta y pesada puede generar un momento de articulación menor que una herramienta más ligera que se extiende a una distancia considerable de la brida del robot.

Para una condición estática simplificada, el momento de carga puede representarse como:

T = m ×g×L

donde T es el par requerido, m es la masa, g es la aceleración gravitacional y L es la distancia efectiva entre el eje de la articulación y el centro de gravedad.

A medida que el brazo robótico cambia de posición, el brazo de palanca efectivo también puede cambiar.

Esto significa que los requisitos del motor de articulación robótica deben calcularse según el rango completo de movimiento, en lugar de una única posición estática.

¿Por qué importa la inercia de la herramienta al seleccionar un motor de articulación robótica?

La masa del efector final es solo una parte de la carga dinámica.

La inercia rotacional de la herramienta puede influir considerablemente en el rendimiento del motor de articulación robótica.

Una herramienta con un gran desplazamiento respecto al eje de rotación puede requerir un par de aceleración significativo incluso cuando su masa total es relativamente baja.

La inercia rotacional puede simplificarse como:

J = m×r²

donde J representa la inercia rotacional, m representa la masa y r representa la distancia entre la masa y el eje de rotación.

La relación cuadrática con la distancia significa que aumentar la distancia entre la masa de la herramienta y el eje de rotación puede incrementar significativamente la inercia.

Durante la aceleración y desaceleración, el motor de articulación robótica debe generar par adicional.

Este par dinámico puede representarse como:

T = J× α

donde αes la aceleración angular.

Por lo tanto, para brazos robóticos equipados con pinzas largas, herramientas de inspección, cámaras, cabezales de proceso o cambiadores de herramientas extendidos, la inercia debe evaluarse junto con la capacidad de carga útil.

Un motor de articulación robótica que parece suficiente según el par estático puede no proporcionar el rendimiento dinámico requerido durante movimientos rápidos.

¿Cómo influye la masa del motor de articulación robótica en la dinámica del brazo robótico?

La masa de un motor de articulación robótica pasa a formar parte del propio brazo robótico.

Esto es particularmente importante para las articulaciones situadas más lejos de la base del robot.

Una articulación pesada cerca del extremo del brazo se convierte en una carga aguas abajo para las demás articulaciones del robot. Esta masa adicional debe acelerarse y desacelerarse durante cada ciclo de movimiento.

Como resultado, seleccionar un motor de articulación innecesariamente grande para un eje puede aumentar los requisitos de par de otros ejes.

El efecto puede volverse acumulativo.

Un motor de articulación más grande puede aumentar la masa aguas abajo. Una mayor masa aguas abajo puede requerir un motor aguas arriba más grande. El motor aguas arriba más grande añade entonces más masa a la estructura robótica.

Por ello, la selección del motor de articulación robótica debe considerar la distribución de masa del brazo robótico completo.

Para aplicaciones de alta velocidad, reducir la masa distal innecesaria puede ayudar a mejorar la aceleración del efector final y reducir la carga mecánica de todo el robot.

¿Por qué es importante la densidad de par para el rendimiento del efector final?

La densidad de par es un parámetro importante al seleccionar un motor de articulación robótica, ya que los sistemas robóticos deben equilibrar la capacidad de salida con el tamaño y la masa.

Un motor de articulación compacto con par suficiente puede ayudar a reducir las dimensiones del brazo robótico. Una articulación ligera puede reducir la masa aguas abajo. Una menor masa aguas abajo puede reducir el par requerido de otras articulaciones.

Estos beneficios pueden mejorar el rendimiento dinámico del efector final.

Sin embargo, el objetivo no es simplemente elegir el motor de articulación robótica más pequeño posible.

Un motor subdimensionado puede tener un par continuo insuficiente, una capacidad térmica limitada o una baja capacidad de sobrecarga.

El objetivo es seleccionar un motor de articulación robótica que proporcione un equilibrio adecuado entre el par de salida, la masa de la articulación, las dimensiones de instalación y los requisitos dinámicos.

Esto es particularmente importante al diseñar brazos robóticos para manipulación de alta velocidad, inspección, alimentación de máquinas y montaje automatizado.

Motor de articulación armónica y rendimiento del efector final

Un motor de articulación armónica suele diseñarse combinando un motor con un sistema de transmisión armónica y otros componentes de movimiento dentro de una estructura de articulación compacta.

Este tipo de solución puede ser ventajosa cuando un brazo robótico requiere una alta relación de reducción dentro de un espacio de instalación compacto.

Para los sistemas robóticos, un motor de articulación armónica puede respaldar una arquitectura mecánica compacta al tiempo que proporciona un elevado par de salida en relación con su tamaño.

Esto puede ser valioso cuando el espacio de instalación es limitado o cuando reducir las dimensiones de las articulaciones ayuda a mejorar el diseño global del brazo robótico.

La tecnología de transmisión armónica también puede ser adecuada para aplicaciones en las que es importante el posicionamiento rotativo controlado.

Por ejemplo, los brazos robóticos utilizados para montaje de precisión, inspección, equipos de automatización compactos y manipulación controlada de materiales pueden beneficiarse de unmotor de articulación armónica cuando la combinación requerida de par, dimensiones y rendimiento de posicionamiento coincide con las características del sistema.

Sin embargo, un motor de articulación armónica debe seguir evaluándose de acuerdo con la aplicación robótica completa.

Antes de la selección final deben considerarse la velocidad de salida requerida, el ciclo de trabajo, la carga externa, la aceleración, la rigidez mecánica y la inercia del efector final.

Motor de articulación planetaria y rendimiento del efector final

Un motor de articulación planetaria utiliza un sistema de reducción planetaria para proporcionar conversión de velocidad y par dentro de la articulación del robot.

Los sistemas de transmisión planetaria se utilizan ampliamente en aplicaciones de movimiento industrial y pueden ofrecer un enfoque flexible para la relación de reducción y la configuración de rendimiento.

Para los brazos robóticos, un motor de articulación planetaria puede ser adecuado cuando la velocidad de salida, el par, la eficiencia y la configuración del sistema requeridos se alinean con las características de la aplicación.

Las diferentes relaciones de reducción pueden permitir diferentes relaciones entre la velocidad del motor y la velocidad de salida.

Esto puede resultar útil cuando el brazo robótico requiere un equilibrio particular entre movimiento rápido y par de salida.

Un motor de articulación planetaria no debe considerarse simplemente como una alternativa de menor rendimiento a un motor de articulación armónica.

Las dos tecnologías tienen características mecánicas diferentes.

La elección adecuada depende de la tarea del efector final, el perfil de movimiento requerido, el espacio de instalación disponible, el par de salida, los requisitos de velocidad y la arquitectura completa del brazo robótico.Motor de articulación armónica frente a motor de articulación planetaria

La comparación entre un motor de articulación armónica y un motor de articulación planetaria debe comenzar con la tarea robótica, en lugar de una afirmación general sobre qué tecnología es mejor.

Un motor de articulación armónica puede ser más adecuado cuando el brazo robótico requiere una estructura compacta, una alta relación de reducción, una elevada densidad de par y un movimiento rotativo preciso dentro de un espacio de instalación limitado.

Un motor de articulación planetaria puede ser apropiado cuando la aplicación requiere un equilibrio diferente entre velocidad de salida, eficiencia de transmisión, relación de reducción y configuración mecánica.

La decisión final debe considerar la condición operativa completa.

Esto incluye la masa del efector final, la carga útil, el centro de gravedad, la inercia de la herramienta, la velocidad requerida, la aceleración, el ciclo de trabajo, las dimensiones del brazo robótico y los requisitos de instalación.

El mejor motor de articulación robótica no es necesariamente el que tiene el mayor par o la tecnología de transmisión más compleja.

Es el motor de articulación que permite al brazo robótico completo lograr el rendimiento requerido del efector final de forma eficiente y fiable.

¿Cómo afecta la rigidez de la articulación a la estabilidad del efector final?

La estabilidad del efector final está influida por la estructura mecánica completa del brazo robótico.

Las articulaciones, los sistemas de transmisión, los rodamientos, las carcasas, las interfaces de montaje y los eslabones del robot pueden experimentar pequeñas deformaciones mecánicas bajo carga.

Estos efectos pueden acumularse a lo largo de todo el brazo robótico.

En un robot de largo alcance, un pequeño desplazamiento angular cerca de la base puede producir un cambio de posición mayor en el efector final.

Esto significa que el par de salida por sí solo no es suficiente para evaluar un motor de articulación robótica.

La rigidez mecánica también debe considerarse cuando la aplicación requiere un posicionamiento estable de la herramienta.

Esto es particularmente relevante para aplicaciones robóticas que implican montaje de precisión, inspección, inserción, dispensación, pulido y otras tareas en las que la relación entre el efector final y la pieza de trabajo debe mantenerse estable.

El objetivo es evaluar el motor de articulación como parte del sistema mecánico completo.

Respuesta dinámica y tiempo de estabilización del efector final

Un robot puede ser capaz de alcanzar rápidamente una posición objetivo mientras que el efector final aún requiere tiempo adicional para estabilizarse.

Después de la aceleración y la desaceleración, la vibración dentro del brazo robótico puede afectar el comportamiento de estabilización del efector final.

Este tiempo de estabilización puede influir directamente en el ciclo de producción real.

Por ejemplo, aumentar la velocidad máxima del robot no siempre incrementa la productividad si el robot debe esperar a que disminuya la vibración antes de que el efector final pueda iniciar su siguiente operación.

La selección del motor de articulación robótica puede influir en este comportamiento mediante factores como la masa de la articulación, la inercia de salida, la rigidez mecánica, las características de transmisión y la interacción dinámica entre los ejes del robot.

Por lo tanto, para la automatización de alta velocidad, los ingenieros deben considerar la rapidez con que el efector final puede moverse, detenerse y estabilizarse.

El objetivo no debe ser únicamente una alta velocidad máxima.

El objetivo debe ser un rendimiento de movimiento efectivo durante todo el ciclo operativo.

Selección de un motor de articulación robótica para distintas tareas del efector final

Los distintos efectores finales generan requisitos diferentes para el motor de articulación robótica.

Una pinza de manipulación de materiales puede requerir una elevada capacidad de carga útil y un movimiento repetitivo eficiente. Una herramienta de montaje de precisión puede requerir posicionamiento controlado y movimiento estable. Un sistema de visión puede requerir baja vibración y una rápida estabilización. Una herramienta de proceso puede requerir funcionamiento continuo bajo cargas externas cambiantes.

Por esta razón, la selección del motor de articulación robótica debe basarse en la tarea de trabajo real.

La tarea define los requisitos del efector final.

Los requisitos del efector final definen el rendimiento requerido del brazo robótico.

Los requisitos de rendimiento del brazo robótico definen entonces los requisitos de par, velocidad, masa, rigidez y transmisión de cada motor de articulación robótica.

Este enfoque a nivel de sistema ayuda a evitar seleccionar articulaciones robóticas basándose únicamente en las especificaciones del catálogo.

Un método a nivel de sistema para la selección del motor de articulación robótica

Un proceso práctico de selección de motores de articulación robótica comienza definiendo el efector final y la tarea.

El conjunto final completo debe incluir la masa de la herramienta, la carga útil, los sensores, los conectores, los cables y otros equipos instalados.

A continuación, deben evaluarse el centro de gravedad y la inercia rotacional.

El rango de movimiento, la velocidad, la aceleración y el tiempo de ciclo requeridos pueden utilizarse para establecer los requisitos de rendimiento dinámico del brazo robótico.

A continuación, puede utilizarse un modelo mecánico para estimar las cargas estáticas y dinámicas que experimenta cada articulación a lo largo del rango de trabajo.

Las características requeridas de la articulación pueden evaluarse después según el par de salida, los requisitos de funcionamiento continuo, la velocidad, la masa, las dimensiones, la configuración de transmisión y las condiciones de instalación.

Después de seleccionar motores de articulación preliminares, su masa y dimensiones reales deben incorporarse al modelo completo del brazo robótico.

A continuación, el sistema puede evaluarse de nuevo para determinar cómo los motores de articulación robótica seleccionados influyen en el rendimiento final del efector final.

Este enfoque iterativo puede ayudar a los ingenieros a evitar un sobredimensionamiento innecesario, manteniendo al mismo tiempo un rendimiento y una fiabilidad suficientes.

Soluciones de motor de articulación armónica y motor de articulación planetaria de HONPINE

HONPINE proporciona productos de movimiento integrados para aplicaciones de robótica y automatización industrial, incluidas soluciones de motores de articulación armónica y motores de articulación planetaria.

Las diferentes aplicaciones robóticas pueden requerir combinaciones distintas de par de salida, relación de reducción, velocidad, dimensiones y masa de la articulación.

Por esta razón, la selección del motor de articulación robótica debe considerar el sistema robótico completo en lugar de una especificación individual.

La información importante de la aplicación puede incluir el tipo de efector final, la carga útil, la masa de la herramienta, el centro de gravedad, el alcance del brazo robótico, la masa de los eslabones, la velocidad de salida requerida, la aceleración, el ciclo operativo y el espacio de instalación disponible.

Estos parámetros pueden proporcionar una base para evaluar los requisitos de rendimiento de cada articulación.

Dependiendo de la aplicación, un motor de articulación armónica puede proporcionar ventajas para arquitecturas robóticas compactas que requieren altas relaciones de reducción y una elevada densidad de par.

Un motor de articulación planetaria puede proporcionar una solución alternativa cuando se necesita un equilibrio diferente entre velocidad de salida, configuración de transmisión y requisitos mecánicos.

Al evaluar el brazo robótico completo y el rendimiento requerido en el efector final, los diseñadores pueden seleccionar una arquitectura de motor de articulación más equilibrada para la aplicación.

Conclusión

El rendimiento de un brazo robótico se mide en última instancia en el efector final.

Por esta razón, la selección del motor de articulación robótica debe comenzar con la tarea final, en lugar de con una especificación de producto.

La masa y el centro de gravedad del efector final influyen en la carga de la articulación. La inercia de la herramienta influye en los requisitos de aceleración. La masa de la articulación afecta el rendimiento dinámico del brazo robótico completo. La rigidez mecánica influye en la estabilidad del efector final. El rendimiento combinado de todas las articulaciones del robot afecta la rapidez con la que el efector final puede moverse y estabilizarse.

Un motor de articulación armónica y un motor de articulación planetaria pueden proporcionar soluciones eficaces para sistemas robóticos, pero deben seleccionarse según los requisitos reales de la aplicación.

El mejor motor de articulación robótica no es simplemente la solución más potente, más pequeña o con mayor relación de reducción.

Es el motor de articulación que proporciona el equilibrio adecuado entre par, velocidad, masa, dimensiones, rendimiento dinámico y fiabilidad para el brazo robótico completo.

Al comenzar con los requisitos del efector final y trabajar hacia atrás a través del brazo robótico, los ingenieros pueden desarrollar una arquitectura de motor de articulación más eficiente y orientada a la aplicación.

HONPINE proporciona soluciones de motores de articulación armónica y motores de articulación planetaria para aplicaciones robóticas y de automatización, ayudando a los diseñadores de sistemas a evaluar soluciones integradas de movimiento rotativo según los requisitos de rendimiento de sus sistemas robóticos completos.