Motor de articulación robótica con codificadores dobles: cómo reducir la holgura del reductor armónico y mejorar la precisión de posicionamiento

Introducción

El motor de una articulación robótica no es simplemente un motor combinado con una caja de engranajes. En una articulación robótica de alto rendimiento, el par motor, la transmisión reductora, la retroalimentación del codificador, la rigidez mecánica, los algoritmos de control y la precisión de salida trabajan en conjunto para determinar el rendimiento final del movimiento.

Esto cobra especial importancia cuando se utiliza un reductor armónico dentro del motor de la articulación del robot.

Los reductores armónicos se utilizan ampliamente en articulaciones robóticas debido a su alta relación de reducción, dimensiones compactas, alta densidad de par y juego mínimo. Sin embargo, una afirmación técnica suele malinterpretarse en el mercado: un reductor armónico no tiene, literalmente, juego cero.

Muchos fabricantes describen los reductores armónicos como de "juego cero" con fines de marketing. Desde una perspectiva de ingeniería, es más preciso describirlos como de juego extremadamente bajo o cercano a cero bajo condiciones de funcionamiento específicas.

Incluso cuando la holgura mecánica es extremadamente pequeña, la posición de salida real de una articulación robótica aún puede verse afectada por errores de transmisión, deformación elástica, cumplimiento torsional, variación de carga, deformación de los cojinetes, tolerancia de ensamblaje y otros factores.

Aquí es donde la arquitectura de retroalimentación del motor de la articulación del robot se vuelve fundamental.

Un único codificador en el lado del motor le indica al controlador cómo está girando el motor. Una arquitectura de doble codificador agrega un punto de medición adicional en el lado de salida, lo que permite al controlador comprender lo que realmente sucede después del mecanismo de reducción.

En el caso de robots de alta precisión y alta dinámica, esta diferencia puede tener un impacto significativo en el posicionamiento, el seguimiento de la trayectoria, el control de la fuerza y la estabilidad del movimiento.

La holgura del reductor armónico es extremadamente baja, pero no es literalmente cero.

La popularidad de los reductores armónicos en robótica está estrechamente relacionada con su capacidad para lograr una estructura de transmisión con muy poca holgura en un paquete compacto.

A diferencia de los reductores de engranajes convencionales, la transmisión armónica utiliza un estriado flexible, un estriado circular y un generador de ondas para lograr altas relaciones de reducción mediante una deformación elástica controlada.

Esta arquitectura permite a los fabricantes minimizar la holgura mecánica entre los componentes engranados.

Como resultado, los reductores armónicos pueden lograr niveles de holgura extremadamente pequeños en comparación con muchos mecanismos de reducción convencionales.

Sin embargo, una holgura extremadamente baja no debe describirse automáticamente como una holgura nula.

En los sistemas mecánicos reales, varios factores pueden contribuir a la desviación de la posición de salida. Estos pueden incluir tolerancias de fabricación, condiciones de montaje, precarga, desgaste, temperatura, dirección de la carga, deformación elástica y cambios en las condiciones de funcionamiento.

Por lo tanto, los ingenieros que evalúan un motor de articulación de robot deben distinguir entre tres conceptos diferentes:

Juego mecánico, que se refiere a la holgura mecánica o pérdida de movimiento asociada con la inversión del movimiento.

Error de transmisión, que describe la diferencia entre el comportamiento teórico y el real de la transmisión.

Deformación elástica, que se produce cuando la transmisión y la estructura mecánica se deforman bajo torsión y carga externa.

Estos efectos están relacionados, pero no son idénticos.

Esta distinción es particularmente importante cuando un robot debe mantener una alta precisión de posicionamiento mientras transporta una carga variable.

¿Por qué una baja holgura no implica automáticamente una alta precisión de salida?

Resulta tentador suponer que un reductor armónico con una holgura extremadamente baja producirá automáticamente una articulación robótica igualmente precisa.

En la práctica, la transmisión mecánica es solo una parte de la cadena de movimiento completa.

Consideremos un motor de articulación de robot que consta de un motor, un reductor armónico y un codificador en el lado del motor.

El codificador mide la posición de rotación del eje del motor. De este modo, el controlador puede determinar si el motor ha alcanzado la posición deseada.

Pero el eje del motor no es la salida final de la articulación del robot.

Entre el motor y el brazo robótico se encuentran la transmisión armónica, los cojinetes, la carcasa, la brida de salida y la estructura mecánica. Bajo cargas variables, cada componente puede contribuir a la posición final de salida.

Por ejemplo, cuando el robot acelera rápidamente, se detiene de repente, cambia de dirección o aplica una fuerza externa, el par transmitido a través de la articulación cambia significativamente.

El codificador del lado del motor puede indicar que el motor ha alcanzado la posición ordenada, mientras que la brida de salida puede experimentar una pequeña pero medible diferencia causada por la transmisión y la estructura mecánica.

Por eso, la retroalimentación de la posición del motor y la retroalimentación de la posición de salida no son necesariamente lo mismo.

Para aplicaciones robóticas exigentes, los ingenieros necesitan cada vez más tener en cuenta toda la cadena de retroalimentación en lugar de centrarse únicamente en la resolución del codificador del motor.

¿Qué información puede y no puede proporcionarle un solo codificador?

Un motor de articulación de robot convencional puede utilizar un codificador en el lado del motor.

Esta configuración presenta varias ventajas. Es relativamente sencilla, compacta, rentable y suficiente para muchas aplicaciones.

El codificador del motor proporciona al controlador información importante sobre la posición y la velocidad del motor. Permite la conmutación, el control de velocidad, el control de posición y otras funciones de servocontrol.

Sin embargo, no mide directamente la posición angular real del eje de salida.

Esta distinción cobra mayor importancia a medida que aumenta el índice de reducción.

El controlador puede calcular la posición de salida teórica a partir de la posición del motor y la relación de reducción, pero la posición calculada todavía se basa en la suposición de que la transmisión se comporta exactamente como se espera.

En condiciones reales de funcionamiento, la transmisión puede sufrir deformaciones elásticas u otras desviaciones de posición.

Para los robots que solo requieren una precisión moderada, esto puede no representar una limitación significativa.

Sin embargo, para brazos robóticos de alta precisión, robots humanoides, robots médicos, manipuladores controlados por fuerza y otros sistemas que requieren movimientos de gran capacidad de respuesta, la diferencia entre la posición de salida calculada y la posición de salida real se vuelve mucho más importante.

¿Cómo cambian los codificadores duales la arquitectura de retroalimentación?

Un motor de articulación robótica con codificador dual coloca un codificador en el lado del motor y otro en el lado de salida.

Los dos codificadores observan diferentes partes de la cadena de movimiento.

El codificador del lado del motor proporciona principalmente información sobre la posición y la velocidad del motor.

El codificador de salida mide directamente la posición de la salida de la articulación.

A continuación, el controlador puede comparar las dos señales de retroalimentación para comprender cómo se está comportando la transmisión.

Esto no significa que el segundo codificador elimine mágicamente el juego mecánico.

En cambio, proporciona algo que un solo codificador no puede ofrecer: información directa sobre la posición real de la salida.

Esta retroalimentación adicional puede ayudar al sistema de control a identificar y compensar las diferencias de posición causadas por las características de transmisión y la deformación dependiente de la carga.

En el caso del motor de una articulación robótica, esto crea una arquitectura de control de bucle cerrado más completa.

Los codificadores duales ayudan a separar el movimiento del motor del movimiento real de la articulación.

La principal ventaja de los codificadores duales no es simplemente "mayor resolución".

Es una retroalimentación más completa.

Con un solo codificador en el lado del motor, el controlador sabe principalmente:

Cuánto ha girado el motor.

Con un codificador de salida, el controlador también puede determinar:

Cuánto ha girado realmente la articulación de salida del robot.

Esta distinción resulta valiosa cuando el robot experimenta cargas dinámicas.

Durante la aceleración, la desaceleración, el cambio de dirección o el contacto externo, el sistema de transmisión puede comportarse de manera diferente a un modelo mecánico rígido ideal.

La diferencia entre las mediciones del lado del motor y las del lado de salida proporciona información útil sobre este comportamiento.

En el caso de los motores de articulaciones de robots de alto rendimiento, esta información adicional puede contribuir a un control de posición más preciso y a mejores estrategias de compensación.

También puede mejorar la capacidad del sistema para mantener la precisión de la trayectoria cuando cambia la carga en la articulación.

¿Por qué esto es más importante para los robots de alta dinámica?

La necesidad de retroalimentación en el lado de salida se vuelve cada vez más importante a medida que el movimiento del robot se vuelve más rápido y dinámico.

Un robot de movimiento lento que realiza movimientos relativamente simples puede tolerar pequeñas desviaciones en la transmisión.

Un robot de alta velocidad que realiza un seguimiento continuo de la trayectoria tiene mucha menos tolerancia.

Lo mismo ocurre con los robots que cambian de dirección con frecuencia o interactúan con su entorno.

Los robots humanoides constituyen un ejemplo especialmente bueno.

Los robots con apariencia humana modifican continuamente las cargas en sus articulaciones mientras caminan, mantienen el equilibrio, alcanzan objetos, manipulan objetos e interactúan con el entorno.

La rodilla, el tobillo, la cadera, el hombro, el codo y la muñeca no funcionan bajo cargas constantes.

El motor de la articulación debe responder a los requisitos de par y posición que cambian continuamente.

En este tipo de sistemas, basarse exclusivamente en la retroalimentación del motor puede no proporcionar información suficiente sobre el estado real de la salida.

Una arquitectura de doble codificador proporciona al controlador otro punto de medición más cercano a la salida mecánica real.

Los codificadores duales son particularmente valiosos cuando la precisión y la carga cambian al mismo tiempo.

La precisión en el posicionamiento se vuelve más compleja cuando el robot debe mantener la exactitud bajo cargas variables.

Imagina un brazo robótico que pasa de estar descargado a sostener un componente pesado.

La posición articular deseada puede permanecer inalterada, pero el par aplicado a la transmisión cambia sustancialmente.

El sistema mecánico responde a este par.

Aunque el reductor armónico tenga una holgura extremadamente baja, los componentes de transmisión y estructurales no son infinitamente rígidos.

Por lo tanto, una pequeña deformación elástica puede influir en la posición de salida real.

Un codificador del lado del motor por sí solo no puede observar directamente esta desviación del lado de salida.

Un sistema de doble codificador puede.

Esto hace que la retroalimentación dual sea especialmente valiosa para aplicaciones como el ensamblaje de precisión, el pulido robótico, la manipulación médica, los robots de investigación avanzados y los robots colaborativos de alto rendimiento.

¿Por qué la resolución del codificador no es lo mismo que la precisión de las articulaciones del robot?

Otro error común en la selección de motores para articulaciones de robots es creer que un mayor número de bits del codificador produce automáticamente una articulación más precisa.

No lo hace.

La resolución del codificador describe con qué precisión puede dividir la posición de rotación.

La precisión real del sistema depende de una combinación mucho mayor de factores.

Estos factores incluyen la precisión del codificador, la tolerancia de instalación, la excentricidad, la variación de temperatura, el error de transmisión mecánica, la rigidez estructural, la calibración, los algoritmos de control y las condiciones de carga.

Por ejemplo, aumentar la resolución del codificador en el lado del motor no elimina necesariamente la deformación en el lado de salida.

Por eso, simplemente sustituir un codificador de 17 bits por uno de mayor resolución puede no producir la mejora esperada en la precisión real de las articulaciones del robot.

Para aplicaciones exigentes, los ingenieros deberían evaluar la arquitectura de retroalimentación completa en lugar de centrarse únicamente en la resolución del codificador.

Los codificadores absolutos y los codificadores duales resuelven problemas diferentes.

En ocasiones, se habla de codificadores absolutos y codificadores duales como si fueran tecnologías que compiten entre sí.

En realidad, resuelven problemas diferentes.

Un codificador absoluto determina la posición angular absoluta del eje.

Una arquitectura de doble codificador determina la posición de dos puntos diferentes dentro de la transmisión mecánica.

Por lo tanto, un motor de articulación de robot puede utilizar codificadores absolutos y retroalimentación dual al mismo tiempo.

Por ejemplo, un codificador absoluto del lado del motor puede proporcionar información precisa sobre la posición del motor después del encendido, mientras que un codificador del lado de salida proporciona retroalimentación directa desde la salida de la articulación del robot.

Esta combinación puede reducir la necesidad de posicionamiento mecánico y, al mismo tiempo, mejorar la exhaustividad del sistema de retroalimentación de posición.

Para los robots humanoides y colaborativos, donde el posicionamiento mecánico frecuente puede resultar inconveniente o indeseable, esta arquitectura puede ser particularmente útil.

¿Cuándo debería un motor de articulación de robot utilizar codificadores duales?

No todas las articulaciones de un robot requieren codificadores duales.

La decisión debe basarse en los requisitos de rendimiento reales del robot.

Si la aplicación requiere una velocidad relativamente baja, una carga baja y tolera errores de posicionamiento moderados, un único codificador en el lado del motor puede proporcionar un equilibrio adecuado entre rendimiento, complejidad y coste.

Sin embargo, los codificadores duales resultan cada vez más atractivos cuando el robot requiere una alta precisión de posicionamiento bajo cargas dinámicas.

Son especialmente relevantes cuando la articulación debe soportar un seguimiento preciso de la trayectoria, cambios frecuentes de dirección, cargas variables, interacción de fuerzas o un control avanzado de bucle cerrado.

Por lo tanto, la pregunta importante no es:

"¿Todos los robots necesitan codificadores duales?"

La pregunta más pertinente es:

"¿Este robot necesita retroalimentación directa de la salida real de la articulación?"

Si la respuesta es afirmativa, un motor de articulación robótica de doble codificador merece ser considerado seriamente.

El papel de los motores integrados en las articulaciones de los robots

La arquitectura del codificador es solo una parte de una articulación robótica moderna.

Los diseños de robots tradicionales suelen combinar un servomotor, un reductor armónico independiente, un codificador externo, un controlador externo, un freno y varios cables.

Este enfoque proporciona flexibilidad, pero también puede aumentar el tamaño, el peso, la complejidad del cableado y la carga de trabajo de integración de la unión completa.

Un motor de articulación robótica integrado combina varios de estos componentes en un único módulo compacto.

Dependiendo de la arquitectura, el módulo puede integrar el motor, el reductor armónico, el sistema de codificación, el controlador, el freno, el sensor de par y las interfaces de comunicación.

Esto transforma la tarea de ingeniería, pasando de diseñar cada componente de la articulación por separado a seleccionar una arquitectura de articulación integrada adecuada para el robot.

Para los fabricantes de robots que desarrollan brazos robóticos especializados, robots humanoides, robots colaborativos, equipos médicos y sistemas de automatización de precisión, esto puede simplificar significativamente la integración mecánica y eléctrica.

¿Cómo aborda HONPINE el diseño de motores para articulaciones de robots con codificador dual?

HONPINE desarrolla módulos integrados de articulaciones robóticas para aplicaciones en las que el rendimiento del motor, la transmisión, la retroalimentación, la integración mecánica y el control deben funcionar como un solo sistema.

En lugar de tratar el reductor armónico como un componente de transmisión aislado, HONPINE integra el reductor con el motor, el codificador, el accionamiento y otros elementos funcionales según los requisitos de las diferentes arquitecturas de robots.

La serie TCHL se centra en articulaciones robóticas altamente compactas donde el peso, el espacio de instalación, la retroalimentación de salida y la detección de par son particularmente importantes. Su sensor de par integrado y su arquitectura de conexión flexible la hacen idónea para aplicaciones que requieren articulaciones compactas con capacidad de detección de fuerza.

La serie HAG ofrece una gama más amplia de opciones de par y configuración, con codificadores absolutos de alta resolución, retroalimentación de doble codificador opcional, detección de par, frenado y opciones de comunicación industrial. Esto la hace idónea para aplicaciones que van desde robots colaborativos y articulaciones humanoides hasta brazos robóticos industriales y automatización de precisión.

La serie HPJM-PRO está diseñada para aplicaciones de robótica y automatización de alto rendimiento que requieren una alta densidad de par, electrónica de accionamiento integrada, retroalimentación precisa e integración mecánica compacta.

Lo importante es que estas plataformas no pretenden obligar a todos los robots a adoptar la misma arquitectura de articulaciones.

Los distintos sistemas robóticos tienen diferentes requisitos en cuanto a par motor, velocidad, peso, precisión, detección, frenado, comunicación e instalación.

Por lo tanto, la arquitectura adecuada del motor de la articulación debe seleccionarse de acuerdo con los requisitos mecánicos y de control reales del robot.

Desde una baja holgura hasta una retroalimentación de salida completa

El desarrollo de la tecnología de articulaciones robóticas va más allá de la simple cuestión de si un reductor tiene poca holgura.

Para la próxima generación de sistemas robóticos, los ingenieros deben tener en cuenta toda la cadena de movimiento.

Un reductor armónico puede proporcionar una holgura extremadamente baja y altas relaciones de reducción.

Un codificador de alta resolución puede proporcionar una medición angular precisa.

Un motor potente puede generar un par motor elevado y una aceleración dinámica.

Pero estos componentes solo alcanzan su máximo potencial cuando la transmisión mecánica, el sistema de retroalimentación, la arquitectura de control y el diseño estructural están correctamente combinados.

Por este motivo, los motores de articulación robótica con doble codificador se están convirtiendo en una solución importante para aplicaciones en las que la posición de salida real es tan importante como la posición del motor.

El objetivo no es afirmar que un codificador dual "elimina" el juego armónico del reductor.

El objetivo es medir con mayor precisión la salida real de la articulación y proporcionar al controlador la información necesaria para compensar los errores relacionados con la transmisión y la deformación dependiente de la carga.

Esa es una ventaja de ingeniería mucho más significativa.

Cómo elegir la arquitectura adecuada del motor de la articulación del robot

Al seleccionar un motor para las articulaciones de un robot, los ingenieros deben evaluar más que el par nominal y la relación de reducción.

La arquitectura de retroalimentación debe considerarse al mismo tiempo que la transmisión mecánica.

Para aplicaciones que requieren dimensiones compactas y poco peso, un motor con junta integrada puede reducir el espacio que ocupan los componentes separados del motor, el reductor, el controlador y el cableado.

Para aplicaciones que requieren una alta precisión de posicionamiento, la retroalimentación en el lado de salida puede ser más importante que simplemente aumentar la resolución del codificador del motor.

Para aplicaciones que implican contacto físico, ensamblaje controlado por fuerza, pulido o interacción humano-robot, la detección de par integrada puede proporcionar otra capa importante de retroalimentación.

En las juntas verticales, un freno integrado puede mejorar la seguridad durante una pérdida de energía.

En arquitecturas de robots distribuidos, la integración de interfaces de comunicación como EtherCAT, CANopen u otras puede simplificar la integración a nivel de sistema.

Por lo tanto, el mejor motor para las articulaciones de un robot no es necesariamente el que tiene las especificaciones más altas en una categoría determinada.

Es aquel cuya transmisión mecánica, arquitectura de retroalimentación, capacidad de detección, sistema de accionamiento y dimensiones físicas se ajustan a los requisitos reales del robot.

Conclusión

Los reductores armónicos siguen siendo una de las tecnologías de transmisión más importantes para las articulaciones de robots de alto rendimiento, ya que combinan dimensiones compactas, altas relaciones de reducción, alta densidad de par y una holgura extremadamente baja.

Sin embargo, una reacción extremadamente baja no debe confundirse con una reacción literalmente nula.

Más importante aún, una baja holgura mecánica por sí sola no garantiza un posicionamiento perfecto de la salida bajo cargas dinámicas.

A medida que los robots se vuelven más rápidos, ligeros, flexibles e interactivos, la relación entre la posición del motor y el movimiento real de las articulaciones adquiere una importancia cada vez mayor.

Un único codificador mide el lado del motor.

Una arquitectura de doble codificador añade retroalimentación directa desde el lado de salida.

Esta información adicional permite al sistema de control comprender mejor el comportamiento de la transmisión y compensar las desviaciones de posición causadas por las características mecánicas y las cargas variables.

Por este motivo, los motores de las articulaciones de los robots con codificadores duales son especialmente valiosos en aplicaciones robóticas de alta precisión y alta dinámica.

HONPINE ofrece múltiples plataformas integradas de motores para articulaciones de robots, incluyendo TCHL, HAG y HPJM-PRO, lo que permite a los fabricantes de robots seleccionar diferentes combinaciones de rendimiento del motor, transmisión armónica, retroalimentación del codificador, detección de par, integración de accionamiento, frenado y comunicación según los requisitos de su aplicación.

El futuro del diseño de articulaciones robóticas no se trata simplemente de lograr "cero holgura" en una hoja de especificaciones.

Se trata de construir un sistema de movimiento medible, controlable e integrado que ofrezca el rendimiento requerido en condiciones de funcionamiento reales.