Articulaciones rotativas para robots: ¿Qué arquitectura de articulación se adapta al diseño de su robot?

Introducción: Por qué las articulaciones rotatorias de los robots están adquiriendo mayor importancia

Los robots no pueden moverse sin articulaciones, pero el papel de una articulación robótica ha cambiado significativamente a medida que los sistemas robóticos se han vuelto más compactos, inteligentes y específicos para cada aplicación.

En un robot tradicional, una articulación rotatoria suele construirse combinando varios componentes independientes, como un motor, un reductor de engranajes, un codificador, un servomotor, un freno y, a veces, un sensor de par. Cada componente realiza una función específica, mientras que el fabricante del robot es responsable de integrarlos para formar una articulación completa.

Este enfoque sigue siendo práctico para muchos robots industriales convencionales. Sin embargo, los requisitos de los robots modernos son cada vez más exigentes. Los robots humanoides necesitan actuadores compactos y ligeros. Los robots colaborativos requieren un control de movimiento seguro y preciso. Los robots médicos suelen tener requisitos estrictos de tamaño, precisión y limpieza. Los brazos robóticos de propósito especial pueden requerir interfaces mecánicas inusuales, cableado interno o dimensiones de articulación personalizadas.

En consecuencia, la pregunta a la que se enfrentan los fabricantes de robots ya no es simplemente qué motor o caja de engranajes elegir.

La pregunta más importante es:

¿Qué tipo de arquitectura de articulaciones robóticas se debe utilizar para cada eje del robot?

Es aquí donde los módulos integrados de articulación robótica están adquiriendo cada vez más valor.

¿Qué es una articulación rotativa para un robot?

Una articulación rotativa permite que un eslabón del robot gire con respecto a otro. Desde una perspectiva mecánica, esto parece sencillo. Sin embargo, en un sistema robótico moderno, la articulación a menudo debe realizar varias funciones simultáneamente.

La articulación debe generar par, transmitir movimiento, proporcionar información precisa sobre la posición, comunicarse con el controlador del robot y responder dinámicamente a las cargas cambiantes. Según la aplicación, también puede requerir frenado, detección de par, monitorización de temperatura u otras funciones de seguridad.

Por este motivo, una articulación rotativa de un robot moderno debería considerarse cada vez más como una unidad de movimiento mecatrónica completa, en lugar de simplemente un motor o una caja de engranajes.

Esta distinción cobra especial importancia al diseñar robots con múltiples ejes. Cada componente adicional instalado alrededor de una articulación afecta el espacio disponible, el peso total, la disposición del cableado, la estructura mecánica y la arquitectura de control del robot.

Por lo tanto, la articulación se convierte en una parte importante del diseño general del robot, en lugar de un componente aislado.

El enfoque tradicional: construir una articulación robótica a partir de componentes individuales.

Durante muchos años, los fabricantes de robots han diseñado articulaciones rotatorias seleccionando componentes individuales e integrándolos internamente.

Se selecciona un motor según la velocidad y el par requeridos. A continuación, se elige un reductor de engranajes compatible con el motor y el rendimiento de salida necesario. Se añade un codificador para la retroalimentación de posición, mientras que el servomotor suele instalarse fuera de la articulación. Dependiendo de la aplicación, el diseño también puede requerir un freno, un sensor de par, conectores adicionales y otros componentes electrónicos.

Esta arquitectura proporciona flexibilidad porque los ingenieros pueden seleccionar cada componente de forma independiente.

Sin embargo, esta flexibilidad también genera trabajo de ingeniería adicional.

El motor y el reductor deben estar correctamente acoplados. Es necesario diseñar las interfaces mecánicas. Las señales del codificador deben conectarse al sistema de control. El accionamiento debe configurarse y ajustarse. Los cables de alimentación y comunicación deben tenderse a través del robot. También se debe considerar la gestión térmica.

A medida que las estructuras robóticas se vuelven más pequeñas y están más integradas, el espacio disponible para estos componentes disminuye.

El resultado es un problema de ingeniería común: aunque los componentes individuales cumplan con sus especificaciones, integrarlos en una articulación robótica compacta y fiable se vuelve cada vez más difícil.

¿Por qué los módulos articulares integrados para robots están cambiando el diseño de los robots?

Un módulo de articulación robótica integrado adopta un enfoque diferente.

En lugar de tratar el motor, la transmisión, el codificador, el accionamiento y otras funciones como componentes completamente independientes, pueden diseñarse como partes de una unidad de movimiento coordinada.

El objetivo no es simplemente colocar varios productos dentro de la misma carcasa.

El objetivo real es optimizar las interfaces mecánicas, eléctricas y de control entre estas funciones.

Esto puede reducir la cantidad de componentes externos necesarios alrededor de la articulación y simplificar la arquitectura general del robot. Además, facilita a los fabricantes de robots la estandarización de sus interfaces mecánicas y eléctricas en diferentes plataformas robóticas.

Para las empresas que desarrollan varios tipos de robots, esto puede resultar especialmente valioso. Los diferentes ejes del robot pueden requerir distintos niveles de par, dimensiones, tecnologías de transmisión o configuraciones de sensores, aun utilizando un enfoque común para el desarrollo de módulos articulados.

Esto crea una forma más modular de desarrollar robots.

Un robot no necesita la misma arquitectura de articulaciones en todos los ejes.

Una de las consideraciones más importantes a la hora de seleccionar módulos de articulación para robots es que los diferentes ejes del mismo robot pueden tener requisitos completamente diferentes.

Una articulación del hombro puede requerir un par motor elevado y una gran rigidez estructural, ya que soporta varios eslabones posteriores. Una articulación del codo puede requerir un equilibrio entre par motor, velocidad, peso y respuesta dinámica. Una articulación de la muñeca puede priorizar la baja inercia y las dimensiones compactas, dado que se encuentra en el extremo del brazo robótico.

Los robots humanoides hacen que esta diferencia sea aún más evidente. Las articulaciones de la cadera y la rodilla pueden requerir una capacidad de torsión considerable, mientras que las articulaciones de la muñeca y la mano pueden priorizar la compacidad, el bajo peso y la capacidad de respuesta al movimiento.

El mismo principio se aplica a los robots industriales, los robots colaborativos, los sistemas médicos, los manipuladores móviles y los brazos robóticos de propósito especial.

Por lo tanto, la elección de una articulación robótica debe comenzar con la función del eje, en lugar de simplemente seleccionar el mismo actuador para todo el robot.

Los módulos de juntas armónicas y planetarias ofrecen diferentes opciones de diseño.

Una articulación robótica integrada no tiene por qué utilizar una tecnología de transmisión específica.

Las diferentes arquitecturas de transmisión pueden proporcionar distintas combinaciones de características de rendimiento, razón por la cual tanto los módulos de juntas armónicas como los planetarias desempeñan un papel importante en los sistemas robóticos.

Un módulo de unión armónica puede ser una solución eficaz cuando la aplicación requiere altas relaciones de reducción, dimensiones compactas, baja holgura y posicionamiento preciso. Estas características hacen que la transmisión armónica sea especialmente atractiva para muchas uniones robóticas donde el espacio de instalación y el rendimiento de posicionamiento son fundamentales.

Un módulo de junta planetaria proporciona otra alternativa para aplicaciones en las que el equilibrio requerido entre velocidad, par, eficiencia, rigidez y coste total del sistema se adapta mejor a la transmisión planetaria.

Lo importante es que los fabricantes de robots no necesitan empezar por decidir qué tecnología de caja de engranajes utilizar.

Un enfoque de ingeniería más adecuado consiste en definir primero los requisitos de la articulación y, a continuación, seleccionar la arquitectura de actuador apropiada.

Esto convierte a la tecnología de transmisión en parte de la solución, en lugar de ser la limitación inicial.

¿Qué problemas puede resolver un módulo de articulación robótica integrada?

El valor de un módulo de articulación robótica integrado se hace más evidente cuando se analiza desde la perspectiva de los problemas de ingeniería que puede resolver.

Uno de los principales desafíos es la integración mecánica. Cuando varios componentes se diseñan como un solo actuador, se requieren menos interfaces mecánicas externas. Esto puede simplificar la carcasa de la articulación y facilitar el diseño de la estructura del robot circundante.

Otro desafío es el cableado. Los robots modernos pueden contener cables de alimentación, conexiones de codificadores, líneas de comunicación, tuberías neumáticas y cableado de sensores. Las arquitecturas de juntas de eje hueco y los conectores integrados ofrecen opciones de enrutamiento más prácticas, especialmente en robots con múltiples ejes rotatorios.

Un tercer desafío es la integración del control. Cuando la electrónica de accionamiento y las interfaces de comunicación se integran en la junta, la arquitectura de control externa puede volverse potencialmente más compacta y más fácil de estandarizar.

También está el problema del peso y la inercia. Los componentes ubicados más lejos de la base del robot pueden influir significativamente en la carga dinámica de todo el sistema. Por lo tanto, una articulación integrada más ligera puede ofrecer ventajas que van más allá de la propia articulación.

Finalmente, los módulos integrados pueden reducir la cantidad de trabajo de ingeniería repetitivo necesario durante el desarrollo de robots. En lugar de integrar la misma combinación de motor, reductor, codificador y accionamiento para cada nueva plataforma robótica, los fabricantes pueden trabajar a partir de una arquitectura de módulo articulado ya establecida.

¿Por qué las articulaciones ligeras son más importantes en los robots compactos?

La reducción de peso cobra especial importancia cuando el robot tiene varios eslabones móviles.

Una articulación situada cerca del extremo del brazo de un robot no solo contribuye con su propio peso, sino que también afecta a la carga que soportan las articulaciones más cercanas a la base.

Esto es especialmente importante para los robots humanoides y los brazos robóticos compactos, donde el par motor disponible y la capacidad de la batería son limitados.

Por ejemplo, reducir la masa de una articulación de la muñeca puede influir en los requisitos de carga de las articulaciones del codo y del hombro. El mismo principio se aplica a los robots colaborativos compactos y a los manipuladores médicos ligeros.

Por eso, el diseño ligero no debe evaluarse únicamente teniendo en cuenta el peso de un solo actuador.

La pregunta más útil es cómo la articulación seleccionada influye en la distribución de masa y el rendimiento dinámico del robot en su conjunto.

La plataforma TCHL de HONPINE está diseñada en torno a este requisito, combinando una estructura compacta con sensores integrados y opciones de instalación mecánica flexibles para aplicaciones donde el espacio y el peso son especialmente limitados.

¿Cuándo se priorizan el par motor y la rigidez?

El diseño ligero no siempre es la máxima prioridad.

Los robots industriales, los manipuladores de alta resistencia, los sistemas de soldadura, los equipos de paletización y otras máquinas de alta carga pueden requerir un par motor y una rigidez estructural sustancialmente mayores.

En estas aplicaciones, seleccionar un actuador extremadamente pequeño simplemente para reducir el peso puede generar un problema diferente.

La articulación debe ser capaz de soportar la carga requerida manteniendo una rigidez y un posicionamiento adecuados.

La plataforma HAG de HONPINE satisface este tipo de requisitos al proporcionar diferentes tamaños de juntas y niveles de par, junto con funciones configurables como el frenado y la detección de par.

HPJM-PRO proporciona otra arquitectura integrada para aplicaciones de alto rendimiento donde la densidad de par, la retroalimentación precisa, la respuesta dinámica y la integración del accionamiento son importantes.

Por lo tanto, el objetivo no es hacer que cada articulación del robot sea lo más pequeña o ligera posible.

El objetivo es encontrar el equilibrio adecuado entre capacidad de torsión, rigidez, velocidad, peso, precisión e integración del sistema para cada eje específico.

La detección de par añade otra capa de inteligencia a la articulación del robot.

Algunas aplicaciones robóticas requieren más información de la que pueden proporcionar los datos de posición y velocidad.

Cuando un robot realiza tareas de ensamblaje de precisión, pulido, rectificado, manipulación flexible o interacción física con humanos, el sistema de control puede necesitar comprender la fuerza o el par que actúa sobre la articulación.

Esto genera demanda de sensores de par integrados.

En lugar de añadir una estructura independiente de detección de par alrededor de la articulación del robot, se puede diseñar un actuador con la medición de par integrada en su arquitectura general.

El módulo de unión TCHL de HONPINE ofrece un ejemplo de este enfoque, con un sensor de par de salida integrado en la estructura de la unión.

La ventaja no reside simplemente en que el robot adquiera un sensor adicional.

La principal ventaja es que la detección de fuerza pasa a formar parte del propio actuador, lo que facilita el desarrollo de un control de fuerza y posición de bucle cerrado para aplicaciones que requieren una interacción física con capacidad de respuesta.

Esto puede resultar especialmente valioso para robots colaborativos, robots médicos, robots humanoides, plataformas de investigación y otros sistemas en los que el contacto con el entorno es una parte importante de la tarea.

La instalación mecánica flexible puede ser fundamental para diseños de robots especiales.

No todos los robots pueden utilizar una estructura de montaje de articulaciones convencional.

Los brazos robóticos de uso especial, los equipos médicos, las plataformas de investigación y los sistemas de automatización personalizados pueden presentar limitaciones mecánicas inusuales.

Es posible que sea necesario instalar el actuador desde una dirección específica.

Es posible que el cable deba pasar por el centro de la junta.

Es posible que la articulación deba conectarse directamente a un enlace robótico personalizado.

En estas situaciones, la interfaz mecánica de la unión puede llegar a ser tan importante como sus especificaciones de par y velocidad.

Un módulo conjunto con múltiples configuraciones de instalación puede brindar a los ingenieros mayor libertad a la hora de desarrollar la estructura del robot circundante.

Esta es una de las razones por las que la plataforma TCHL de HONPINE incorpora configuraciones de instalación flexibles en lugar de estar diseñada en torno a un único método de montaje.

En el caso de robots personalizados, este tipo de flexibilidad puede reducir la cantidad de rediseño mecánico necesario alrededor del actuador.

¿Cuándo debe integrarse el accionamiento en la articulación del robot?

La decisión de integrar el accionamiento en la articulación depende de la arquitectura del robot.

Para algunos robots, los servomotores externos ofrecen suficiente flexibilidad y pueden ser preferibles porque el fabricante ya cuenta con un armario de control y una arquitectura eléctrica establecidos.

Sin embargo, en el caso de los robots compactos, los accionamientos externos pueden generar requisitos adicionales de espacio y cableado.

Un accionamiento integrado permite trasladar parte de la electrónica al propio actuador, reduciendo así la cantidad de equipos que deben instalarse alrededor de la articulación.

Esto puede resultar útil para robots con arquitecturas distribuidas, sistemas de control compactos o espacio de instalación limitado.

Las plataformas de articulaciones integradas de HONPINE proporcionan diferentes niveles de integración de accionamiento y comunicación, lo que permite seleccionar la arquitectura del actuador según los requisitos de control del robot, en lugar de obligar a todas las aplicaciones a utilizar la misma configuración.

¿Por qué una plataforma de módulos conjuntos es más valiosa que un modelo de un solo conjunto?

Los fabricantes de robots rara vez desarrollan un único robot de forma indefinida.

Una empresa puede comenzar con un brazo robótico ligero y posteriormente desarrollar un robot colaborativo de mayor tamaño. Otra empresa puede desarrollar una plataforma humanoide con diferentes requisitos para la cadera, la rodilla, el hombro, el codo y la muñeca.

Si cada nuevo robot requiere una arquitectura de actuador completamente nueva, el tiempo de desarrollo y los recursos de ingeniería pueden aumentar significativamente.

Una plataforma modular conjunta ofrece otro enfoque.

El fabricante puede seleccionar diferentes tamaños y configuraciones de actuadores manteniendo un marco de desarrollo común.

Por ejemplo, un eje robótico compacto puede usar una arquitectura de articulación ligera, mientras que un eje con mayor carga utiliza una articulación más grande con mayor capacidad de torsión. Una articulación que requiere interacción física puede incorporar detección de torsión, mientras que otro eje puede priorizar la velocidad y la baja inercia.

Esto permite al fabricante de robots crear una familia de productos basada en una arquitectura de articulaciones escalable.

Esa es una de las principales razones por las que el concepto de plataforma de módulo de articulación robótica está adquiriendo cada vez más importancia.

Enfoque del módulo de articulación robótica integrada de HONPINE

HONPINE aborda el desarrollo de articulaciones robóticas desde la perspectiva de los diferentes requisitos del robot, en lugar de basarse en una única tecnología de transmisión.

La cartera de soluciones conjuntas integradas de la empresa incluye módulos de unión armónica y soluciones de módulos de unión planetaria, lo que permite considerar diferentes arquitecturas de transmisión según la aplicación.

Para estructuras robóticas muy compactas y ligeras, la plataforma TCHL se centra en la integración compacta, la instalación flexible y la detección de par opcional.

Para aplicaciones robóticas de alto rendimiento, HPJM-PRO combina las funciones de motor, transmisión, retroalimentación y accionamiento en una arquitectura de articulación compacta diseñada para cumplir con los exigentes requisitos de control de movimiento.

Para robots industriales y aplicaciones de carga elevada, la plataforma HAG ofrece una gama más amplia de capacidades de par y funciones configurables como el frenado y la detección de par.

HONPINE también desarrolla soluciones de módulos de juntas planetarias para aplicaciones en las que una arquitectura de transmisión planetaria se adapta mejor al rendimiento y al diseño del sistema requeridos.

El objetivo de esta estrategia de producto no es que todos los robots utilicen la misma articulación.

El objetivo es proporcionar a los fabricantes de robots diferentes arquitecturas de actuadores para que puedan seleccionar la articulación según los requisitos reales de cada eje del robot.

Los módulos articulares integrados pueden cambiar la forma en que se desarrollan los robots.

El cambio más importante que aportan los módulos articulados integrados para robots no es simplemente la integración del producto.

Se trata de un cambio en el proceso de ingeniería.

Con un enfoque tradicional basado en componentes, los ingenieros mecánicos, eléctricos y de control a menudo necesitan coordinar varios componentes independientes durante el desarrollo conjunto.

Con un módulo de articulación integrado, se pueden definir más de estas interfaces a nivel del actuador.

Esto permite al fabricante de robots centrarse más en las funciones principales del robot, como la estructura mecánica, la planificación del movimiento, los algoritmos de control, la percepción, el software y el desarrollo de aplicaciones.

Para las empresas que se adentran en un nuevo mercado de robótica, esto puede resultar especialmente valioso.

Una empresa puede tener sólidas capacidades en inteligencia artificial, visión artificial, automatización logística, software industrial o ingeniería de aplicaciones, sin tener una amplia experiencia en el desarrollo de motores, reductores, codificadores, variadores y actuadores robóticos desde cero.

Un módulo de articulación robótica integrado puede proporcionar una base de hardware más completa para la construcción de la plataforma robótica.

¿Cómo seleccionar la articulación rotativa adecuada para un robot?

La articulación rotativa correcta del robot debe seleccionarse de acuerdo con todos los requisitos del eje del robot.

La primera consideración suele ser el par de salida, pero el par por sí solo no es suficiente.

La velocidad requerida, la aceleración, el peso admisible, el espacio de instalación, el rendimiento de posicionamiento, la rigidez estructural, la arquitectura de transmisión y el ciclo de trabajo influyen en la selección final.

También debe tenerse en cuenta la arquitectura de control. Algunos robots pueden requerir un accionamiento externo, mientras que otros pueden beneficiarse de un accionamiento integrado y una interfaz de comunicación.

Si el robot realiza interacción física, la detección de fuerza o par puede convertirse en un requisito importante. Si la articulación está instalada en un eje vertical, también puede ser necesario un freno por seguridad.

Tampoco debe pasarse por alto la instalación mecánica. El trazado del eje hueco, la ubicación del conector, la dirección de montaje y el espacio disponible para la instalación pueden afectar significativamente la funcionalidad de una unión.

Por este motivo, la selección de una articulación robótica es, en última instancia, una decisión de ingeniería a nivel de sistema, más que una simple comparación de especificaciones individuales.

El futuro de las articulaciones rotativas para robots

Es probable que el desarrollo futuro de las articulaciones rotativas para robots evolucione hacia una mayor integración, modularidad y configuración específica para cada aplicación.

Sin embargo, esto no significa que una tecnología de transmisión vaya a reemplazar a todas las demás.

La transmisión armónica seguirá desempeñando un papel importante en aplicaciones que requieren dimensiones compactas, altas relaciones de reducción, baja holgura y movimiento de precisión.

La transmisión planetaria seguirá siendo valiosa allí donde sus características proporcionen una mejor combinación de velocidad, par motor, eficiencia, rigidez y relación coste-beneficio.

Al mismo tiempo, los motores, codificadores, accionamientos, interfaces de comunicación, frenos y tecnologías de detección se integrarán cada vez más en plataformas completas a nivel de articulación.

Por lo tanto, la industria está pasando de la selección de componentes a la selección de arquitecturas conjuntas.

Este es un cambio importante para los fabricantes de robots.

En lugar de preguntarse qué componente individual debe instalarse en un robot, los ingenieros pueden comenzar definiendo qué función debe cumplir la articulación completa.

Conclusión: Elección de la arquitectura de articulación robótica adecuada

Una articulación rotativa de un robot moderno es mucho más que un motor conectado a una caja de engranajes.

Puede tratarse de una unidad de movimiento completa que combina generación de energía, transmisión, retroalimentación, control, detección, comunicación, frenado e integración mecánica.

Para algunos ejes del robot, un módulo de articulación armónica integrado puede proporcionar la combinación más adecuada de precisión, compacidad y relación de reducción.

Para otras aplicaciones, un módulo de junta planetaria puede proporcionar un mejor equilibrio entre velocidad, par, eficiencia, rigidez y requisitos del sistema.

Lo importante no es obligar a todos los robots a utilizar la misma arquitectura de actuadores.

El enfoque más adecuado consiste en seleccionar la arquitectura de articulación apropiada para cada eje según los requisitos reales del robot.

Esta es la dirección que HONPINE está siguiendo con su cartera de módulos integrados para articulaciones de robots.

Al combinar módulos de juntas armónicas, soluciones de módulos de juntas planetarias, diferentes rangos de par, opciones de detección, configuraciones de accionamiento e interfaces mecánicas, HONPINE puede ayudar a los fabricantes de robots que buscan algo más que un motor o una caja de engranajes individual.

El objetivo es proporcionar una solución integral para las articulaciones del robot que pueda adaptarse a la estructura, el sistema de control y los requisitos de la aplicación del robot.

El futuro de las articulaciones rotativas para robots no reside en encontrar un actuador universal, sino en elegir la arquitectura de articulación adecuada para cada robot.