¿Por qué cada vez más empresas eligen módulos integrados de articulación robótica?

En un sistema de articulación convencional con accionamiento distribuido, los desarrolladores deben seleccionar e integrar varios componentes, entre ellos el motor, el reductor, el acoplamiento, el servoaccionamiento y los encoders. También deben ocuparse de la alineación mecánica, el tendido de cables, el ajuste de los parámetros del servo y la puesta en marcha del sistema.

Un módulo integrado de articulación armónica para robots reúne componentes clave en una sola carcasa, como un motor de par sin bastidor, un reductor armónico, un rodamiento de rodillos cruzados en la salida, una placa de servoaccionamiento FOC, encoders absolutos (simple o doble) y un freno opcional.

Esta arquitectura integrada puede simplificar el diseño mecánico, reducir la complejidad de la instalación, mejorar la integración del sistema y acortar los ciclos de desarrollo de robots.

En este artículo se comparan los módulos integrados de articulación para robots con las soluciones tradicionales de accionamiento distribuido desde seis perspectivas: densidad de par y tamaño, fiabilidad del montaje, control de movimiento y seguridad, eficiencia del desarrollo de ingeniería, aplicaciones prácticas y posibles limitaciones.

1. Mayor densidad de par y diseño compacto: ventajas clave para robots humanoides y exoesqueletos

Menos componentes mecánicos intermedios

Un sistema de articulación convencional con accionamiento distribuido puede requerir varios componentes adicionales, como acoplamientos, soportes de montaje del motor, placas adaptadoras del reductor, carcasas externas para el servoaccionamiento y soportes de montaje del accionamiento.

Estos componentes ocupan espacio axial y radial adicional y aumentan el peso total del robot.

Por ejemplo, el módulo integrado de articulación para robots HONPINE HPJM-RI80-110-PRO-2 proporciona un par nominal de 133 Nm con un diámetro exterior de carcasa de 110 mm.

En comparación con una solución distribuida diseñada para un requisito de par similar, un módulo integrado puede eliminar muchos componentes independientes de montaje y transmisión. Según el diseño del motor, el reductor, el accionamiento y la estructura, el sistema resultante puede reducir considerablemente el espacio de instalación y el número de componentes.

Integración con eje hueco para un diseño de robot más compacto

Los módulos integrados de articulaciónsuelen tener una estructura de eje hueco que permite pasar por la abertura central de la articulación los cables de alimentación y comunicación, como EtherCAT y CAN.

Esto evita tener que tender todos los cables externamente alrededor de la articulación y ayuda a crear una disposición interna más ordenada.

Ejemplo de aplicación: robot humanoide T140A de ti5robot

El robot humanoide T140A de ti5robot utiliza aproximadamente 30 módulos integrados de articulación en todo el cuerpo. Los cables de los brazos y las piernas pueden pasar por las estructuras huecas de las articulaciones, lo que ayuda a mantener un aspecto exterior compacto.

Con una arquitectura de accionamiento distribuido, habría que alojar servoaccionamientos independientes y cableado adicional en las extremidades del robot. Esto podría aumentar las dimensiones de la carcasa, complicar la gestión de cables y añadir peso a las estructuras móviles.

Menor masa móvil y mejor rendimiento dinámico

En los sistemas robóticos, el peso de los componentes móviles afecta directamente a la inercia y al rendimiento dinámico.

En un diseño de articulación distribuido, los soportes adicionales del motor, las placas adaptadoras y otras estructuras de montaje pueden aumentar la masa de los eslabones móviles. Cuando estos componentes se sitúan alejados del eje de rotación de la articulación, también pueden incrementar el momento de inercia total.

Un módulo integrado de articulación concentra los componentes del accionamiento dentro de la carcasa de la articulación, lo que puede reducir el número de estructuras adicionales necesarias en los eslabones del robot.

Esto puede ayudar a reducir la masa móvil y mejorar la aceleración, la velocidad de respuesta y la eficiencia energética, según el diseño mecánico general.

Ejemplo de aplicación: exoesqueletos de rehabilitación de las extremidades inferiores

En los exoesqueletos de rehabilitación de las extremidades inferiores, el peso del dispositivo afecta directamente a la carga física de la persona que lo lleva.

El módulo integrado de articulación HONPINE HPJM-RI60-80-PRO-2 proporciona un par nominal de 53 Nm. Su diseño integrado puede ayudar a reducir la necesidad de componentes adicionales de montaje y transmisión del motor, y facilitar el desarrollo de exoesqueletos más compactos y ligeros.

En una solución de accionamiento distribuido, los servoaccionamientos externos y las estructuras de montaje pueden requerir carcasas más grandes para las extremidades, lo que aumenta el peso que deben cargar los usuarios al caminar y durante los ejercicios de rehabilitación.

2. Mayor precisión y fiabilidad del montaje: reducción de los errores introducidos durante la integración

La integración y calibración en fábrica reducen los riesgos del montaje

Uno de los principales desafíos de un sistema de articulación distribuido es la precisión que requiere el montaje mecánico.

Los desarrolladores deben garantizar la alineación correcta entre el motor y el reductor armónico, instalar correctamente el encoder y cumplir las tolerancias mecánicas requeridas. Una alineación o un montaje incorrectos pueden provocar vibraciones, ruidos anómalos, desgaste acelerado del reductor y lecturas imprecisas del encoder.

En un módulo integrado de articulación armónica, los procedimientos clave de montaje y calibración pueden completarse en las instalaciones del fabricante antes de la entrega.

Según el proceso de control de calidad del fabricante, estos procedimientos pueden incluir:

• Alineación coaxial del motor y el reductor armónico.

• Montaje del reductor y ajustes relacionados con la precarga.

• Instalación y calibración del encoder.

• Inspección de vibraciones y ruido.

• Pruebas funcionales antes del envío.

Esto traslada muchas tareas de montaje de precisión de la línea de producción del cliente al fabricante del módulo.

Por ejemplo, algunos clientes experimentan ruidos anómalos o vibraciones cuando la planitud de la brida de montaje o los elementos de posicionamiento de su sistema de articulación autoensamblado no cumplen las tolerancias requeridas.

Un módulo integrado de articulación con un elemento de posicionamiento de salida estandarizado, como un ajuste H7/h7 cuando así lo especifica el diseño, puede simplificar la instalación mecánica. El cliente principalmente debe fabricar una brida de carga compatible, en lugar de montar y alinear los componentes internos del reductor.

Los rodamientos de rodillos cruzados integrados reducen la necesidad de estructuras de soporte adicionales

Muchos módulos integrados de articulación armónicaincorporan rodamientos de rodillos cruzados en el extremo de salida.

Estos rodamientos están diseñados para soportar cargas radiales y axiales combinadas, de modo que la carga externa puede ser soportada directamente por la estructura de rodamientos del módulo de articulación, dentro de los límites de carga especificados.

En un diseño distribuido, los desarrolladores quizá deban añadir rodamientos de soporte externos para soportar fuerzas radiales y momentos de vuelco.

Sin embargo, una disposición de rodamientos externos mal diseñada puede introducir restricciones redundantes, errores de instalación, vibraciones y ruidos anómalos.

Por otro lado, si no se proporciona un soporte de salida adecuado, las cargas externas excesivas pueden transferirse a componentes que no están diseñados para soportarlas, lo que puede afectar a la vida útil del acoplamiento y al rendimiento del reductor.

Una estructura integrada de rodamientos en la salida puede simplificar el diseño mecánico, siempre que las capacidades admisibles del módulo para carga radial, carga axial y momento sean adecuadas para la aplicación.

Conexiones eléctricas y gestión de cables simplificadas

Los módulos integrados de articulación pueden agrupar las interfaces de alimentación, comunicación y realimentación en una tapa trasera o un conjunto de conectores más compacto.

Según la configuración, las interfaces disponibles pueden incluir CAN, EtherCAT y conexiones de alimentación. Algunas versiones EtherCAT también admiten conexiones IN-OUT para la comunicación en cadena entre varias articulaciones.

En una arquitectura distribuida, cada motor puede requerir cables de alimentación independientes, cables del encoder del motor, cables del encoder de salida y conexiones a un servoaccionamiento externo.

A medida que aumenta el número de articulaciones, el mazo de cables se vuelve más complejo y aumenta el número de conectores y de posibles puntos de fallo eléctrico.

En los robots humanoides con decenas de articulaciones, el tendido de cables, la instalación de conectores y el mantenimiento pueden convertirse en importantes desafíos de ingeniería.

Los módulos integrados pueden ayudar a reducir la complejidad del cableado y simplificar la integración de sistemas multieje.

Ejemplo de aplicación: manos diestras de cinco dedos

El módulo integrado de articulación compacto HONPINE HPJM-RI30-40-PRO-2 está diseñado para aplicaciones como el accionamiento de los dedos en manos robóticas diestras de cinco dedos.

El espacio interno de un dedo robótico es extremadamente limitado. Puede resultar difícil alojar dentro de la estructura del dedo una combinación convencional de motor independiente, acoplamiento y reductor armónico.

Al integrar los componentes clave del accionamiento en una carcasa compacta, un módulo integrado de articulación ofrece una solución práctica para diseñar manos robóticas pequeñas con múltiples articulaciones.

3. Mayor control del movimiento y funciones de seguridad: accionamientos integrados y realimentación de encoders

Realimentación con doble encoder para un control en bucle cerrado más completo

Algunos módulos integrados de articulación armónica admiten configuraciones con doble encoder: uno en el lado del motor y otro en el lado de salida.

Por ejemplo, la versión con doble encoder HONPINE HPJM-2E-EC utiliza:

Encoder del lado del motor: mide la posición y la velocidad del motor.

Encoder del lado de salida: mide la posición angular real de la brida de salida.

Las dos señales de realimentación permiten al sistema de control supervisar el movimiento tanto del lado del motor como del lado de salida.

Esto resulta especialmente útil en sistemas de accionamiento armónico, en los que la deformación elástica bajo carga puede provocar diferencias entre la posición del lado del motor y la posición real de salida.

Al medir directamente la brida de salida, una configuración con doble encoder puede mejorar la realimentación de la posición de salida y ayudar a compensar las desviaciones de posición relacionadas con la transmisión.

En un sistema distribuido, para lograr una funcionalidad similar se necesitan encoders independientes para el motor y la salida, cableado adicional, hardware de accionamiento compatible y el desarrollo de la lógica de control y realimentación correspondiente.

Un módulo integrado con doble encoder puede simplificar este proceso al proporcionar una arquitectura de hardware y realimentación más estandarizada.

Control integrado de posición, velocidad y corriente con protección contra fallos

Un servoaccionamiento integrado puede admitir tres bucles de control principales:

• Bucle de posición: controla la posición angular objetivo de la articulación.

• Bucle de velocidad: regula la velocidad de rotación.

• Bucle de corriente: controla la corriente del motor y contribuye a regular el par.

Según la configuración del accionamiento, las funciones de protección integradas pueden incluir:

• Detección de error de seguimiento.

• Protección contra sobretensión y subtensión.

• Protección contra sobrecorriente.

• Supervisión y protección de temperatura.

• Comprobaciones de coherencia entre los dos encoders.

En las versiones EtherCAT, la información de fallos puede estar disponible a través del diccionario de objetos CiA 402 correspondiente, incluido el objeto de código de error 0x603F. Las versiones basadas en CAN pueden proporcionar el estado de fallo mediante los objetos de comunicación compatibles.

Estas funciones integradas reducen la cantidad de desarrollo básico de accionamiento y gestión de fallos que debe realizar el cliente.

En un sistema distribuido, los desarrolladores deben configurar el servoaccionamiento externo, ajustar los bucles de control e implementar la lógica necesaria para gestionar los fallos.

Por ejemplo, si una articulación del robot queda bloqueada mecánicamente, una función de protección contra errores de seguimiento configurada adecuadamente puede ayudar a detectar un movimiento anómalo y activar una respuesta de protección. Sin una supervisión y una protección adecuadas, la continuidad de la salida del motor podría dañar el reductor armónico u otros componentes mecánicos.

Frenado regenerativo y gestión de la energía

Durante la desaceleración del robot, el motor puede funcionar como generador y devolver energía al bus de CC, según la arquitectura del accionamiento.

Los servoaccionamientos integrados pueden admitir la gestión de energía regenerativa como parte del sistema de alimentación general.

Sin embargo, cuando varias articulaciones desaceleran simultáneamente, puede aumentar la tensión del bus de CC. Por lo tanto, el sistema debe contar con una capacidad adecuada para absorber, regenerar o disipar energía.

En un sistema multieje distribuido, los desarrolladores también deben tener en cuenta cómo gestionan la energía regenerada los accionamientos individuales y cómo controla la fuente de alimentación compartida la tensión del bus de CC.

Un módulo integrado de articulación puede simplificar la integración a nivel del accionamiento, pero el frenado regenerativo sigue requiriendo una gestión de la alimentación adecuada a nivel del sistema y hardware compatible.

4. Ciclos de desarrollo de ingeniería más cortos y menor complejidad de integración

Desarrollo más rápido de robots mediante la integración modular

Los módulos integrados de articulación para robotspueden acortar el proceso de desarrollo al proporcionar interfaces mecánicas y protocolos de comunicación estandarizados.

Según la configuración del producto, las interfaces de comunicación compatibles pueden incluir CANopen y EtherCAT.

Los desarrolladores pueden centrarse más en el diseño de la estructura de carga, la disposición de las articulaciones, el tendido de cables y el control del movimiento del robot, en lugar de construir desde cero cada componente del accionamiento.

Un proceso típico de desarrollo de una articulación distribuida puede incluir:

• Selección del motor.

• Selección del reductor armónico.

• Selección y verificación del acoplamiento.

• Diseño del montaje del motor y de la brida adaptadora.

• Montaje y alineación mecánicos.

• Instalación y calibración del encoder.

• Configuración y ajuste de parámetros del servoaccionamiento.

• Comunicación multieje y puesta en marcha del sistema.

Cada etapa requiere recursos de ingeniería, y el montaje mecánico y la depuración del sistema pueden llevar bastante tiempo.

Con un módulo integrado de articulación estandarizado, muchas de estas tareas se completan antes de que el producto llegue al cliente.

Ejemplo de aplicación: investigación y desarrollo de robots humanoides

Para los equipos de investigación universitarios y las empresas emergentes de robótica que desarrollan robots humanoides, los módulos integrados de articulación pueden ayudar a acelerar el desarrollo de prototipos.

Un proyecto que utilice articulaciones integradas estandarizadas puede completar la integración mecánica y eléctrica inicial en un plazo de dos a tres meses, según la complejidad del robot y los recursos de desarrollo.

Un proyecto comparable que utilice una arquitectura de accionamiento completamente distribuida puede requerir bastante más tiempo para la selección de componentes, el diseño mecánico, el montaje, la calibración y la puesta en marcha multieje.

Estos plazos son ilustrativos y no están garantizados, ya que los ciclos de desarrollo reales dependen del alcance del proyecto, la experiencia del equipo y la complejidad del sistema.

Menos componentes en la BOM y una cadena de suministro simplificada

Un módulo integrado de articulaciónpuede agrupar varios componentes del accionamiento en una sola unidad de producto.

En una solución distribuida, la lista de materiales puede incluir:

• Servomotor.

• Reductor armónico.

• Acoplamiento.

• Encoder de salida.

• Servoaccionamiento externo.

• Soporte de montaje del motor.

• Brida adaptadora.

• Carcasa del accionamiento.

Varios conjuntos de cables y conectores.

Esto aumenta el número de artículos individuales que deben comprarse, inspeccionarse, almacenarse y gestionarse.

Al integrar estos componentes en un módulo de articulación estandarizado, los fabricantes pueden simplificar las compras, la gestión de inventario y la inspección de calidad de los materiales recibidos.

Pruebas estandarizadas y mayor uniformidad del producto

Los módulos integrados de articulación pueden someterse a pruebas estandarizadas antes del envío.

Según el programa de pruebas y las especificaciones del producto del fabricante, los procedimientos de inspección pueden incluir:

• Pruebas de rendimiento de par y velocidad.

• Inspección de ruido.

• Pruebas de vibración.

• Calibración y verificación del encoder.

• Pruebas de seguridad eléctrica y ESD.

• Pruebas a temperaturas altas y bajas.

• Pruebas de funcionamiento.

En un sistema distribuido, el rendimiento de cada articulación montada puede verse afectado por las tolerancias de los componentes, la precisión del montaje, los procedimientos de calibración y la experiencia del operario.

El montaje y las pruebas estandarizados en fábrica ayudan a reducir estas variaciones y a mejorar la uniformidad entre módulos, lo que es especialmente importante al producir robots con múltiples articulaciones o fabricar equipos por lotes.

5. ¿Dónde se utilizan los módulos integrados de articulación para robots?

Las ventajas de los módulos integrados de articulación armónica los hacen adecuados para una amplia variedad de aplicaciones robóticas.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen:

Robots humanoides: el diseño compacto, la alta densidad de par, el tendido de cables por el eje hueco y la realimentación con doble encoder facilitan el desarrollo de estructuras robóticas con múltiples articulaciones.

Exoesqueletos de rehabilitación: los componentes de accionamiento integrados pueden ayudar a reducir la complejidad del montaje de las articulaciones y facilitar diseños portátiles más compactos.

Robots colaborativos: el control de movimiento integrado y las configuraciones con freno opcional pueden simplificar la integración de articulaciones en brazos robóticos compactos.

Brazos robóticos industriales: los módulos de articulación estandarizados ayudan a reducir la carga de trabajo de integración mecánica y eléctrica.

Manos robóticas diestras: los módulos integrados compactos pueden proporcionar soluciones de accionamiento para las articulaciones de los dedos donde el espacio es limitado.

Manipuladores móviles: los módulos integrados de articulación pueden simplificar el diseño mecánico y eléctrico de los brazos robóticos montados en plataformas móviles.

El módulo adecuado depende del par, la velocidad, el tamaño, el peso, el diámetro del eje hueco, la configuración de realimentación, el protocolo de comunicación y las condiciones de funcionamiento requeridos.

6. ¿Son siempre mejores los módulos integrados de articulación para robots que los sistemas de accionamiento distribuido?

Aunque los módulos integrados de articulación ofrecen ventajas significativas, no son necesariamente la mejor opción para todos los diseños de robots.

En determinadas aplicaciones, una arquitectura distribuida puede seguir siendo preferible.

Por ejemplo:

Selección flexible de componentes: un diseño distribuido permite a los desarrolladores seleccionar los motores, reductores y accionamientos de forma independiente, de acuerdo con requisitos específicos.

Gestión térmica especializada: separar la electrónica del accionamiento del motor puede facilitar la gestión del calor en determinadas aplicaciones de alta potencia o funcionamiento continuo.

Estrategias de mantenimiento y sustitución: según el diseño, los componentes individuales de un sistema distribuido pueden sustituirse sin cambiar el conjunto completo de la articulación.

Compatibilidad con sistemas existentes: algunas plataformas robóticas consolidadas ya utilizan servoaccionamientos externos estandarizados y quizá no obtengan suficientes beneficios de un cambio completo de arquitectura.

Requisitos operativos especiales: ciertas aplicaciones requieren estructuras mecánicas, electrónica de potencia o configuraciones de control personalizadas que no están disponibles en los módulos integrados estándar.

Por lo tanto, la decisión debe basarse en los objetivos generales de diseño del robot, incluida la densidad de par, el espacio de instalación, el rendimiento térmico, los requisitos de mantenimiento, la arquitectura de control y el coste total del sistema.

Conclusión: ¿Por qué cada vez más empresas eligen módulos integrados de articulación para robots?

La creciente adopción de módulos integrados de articulación para robotsrefleja una tendencia más amplia en la robótica: pasar de integrar componentes individuales a utilizar sistemas de movimiento estandarizados, modulares y altamente integrados.

Al combinar en una unidad compacta el motor de par sin bastidor, el reductor armónico, el rodamiento de salida, el servoaccionamiento, la realimentación de los encoders y un freno opcional, los módulos integrados de articulación pueden ayudar a los fabricantes a:

• Reducir el número de componentes mecánicos y el espacio de instalación.

• Mejorar la integración de las articulaciones y simplificar el tendido de cables.

• Reducir el trabajo de alineación y calibración relacionado con el montaje.

• Facilitar un control de movimiento en bucle cerrado más completo.

• Simplificar la comunicación multieje y la integración del sistema.

• Acortar los ciclos de desarrollo de robots y agilizar la gestión de la cadena de suministro.

Para robots humanoides, exoesqueletos, robots colaborativos y otros sistemas robóticos con múltiples articulaciones, estas ventajas pueden convertir los módulos integrados de articulación en una alternativa atractiva a las arquitecturas tradicionales de accionamiento distribuido.

La elección no se limita simplemente a optar entre un módulo integrado y componentes independientes. Se trata de seleccionar una arquitectura de articulación que se ajuste mejor a los requisitos de rendimiento del robot, los recursos de desarrollo y los objetivos de producción a largo plazo.