El módulo de articulación robótica es el hardware central de los robots humanoides, actualmente dividido principalmente en dos categorías: rotativos y lineales. En los diseños de robots humanoides, la elección a menudo implica compensaciones basadas en el escenario de aplicación y el costo de fabricación.

La diferencia fundamental entre actuadores lineales y rotativos

Actuador rotativo: múltiples soluciones de reductores satisfacen los requisitos funcionales del cuerpo humanoide

• Un actuador rotativo consta de un motor (motor de par sin marco), un reductor (transmisión armónica, reductor de engranajes planetarios, reductor de rueda cicloidal), sensores (sensor de par), un codificador y rodamientos (rodamientos de rodillos cruzados, rodamientos de bolas de contacto angular).

• Reductor de engranajes planetarios de precisión: adecuado para partes del cuerpo con cargas altas y fuerte impacto; el proceso de fabricación es relativamente maduro. En términos de tecnología y equipos de procesamiento, se puede actualizar a soluciones de máquinas herramienta CNC de alta precisión.

• Reductor de rueda cicloidal: presenta una estructura que combina una etapa planetaria primaria y una etapa secundaria de rueda cicloidal, permitiendo un ajuste flexible para cumplir con los requisitos de diferentes partes del cuerpo. Existe una tendencia de aceleración en el diseño e iteración de nuevos modelos, con algunos fabricantes desarrollando procesos específicos de reducción de peso.

• Reductor de transmisión armónica: un reductor de alta precisión y bajo peso, adecuado para ubicaciones como las extremidades superiores de humanoides. Las innovaciones en los procesos de fabricación incluyen la aplicación de corte fino para componentes centrales del reductor y la fabricación de piezas de micro-reductores.

Actuador lineal: motor + componentes lineales - ¿Cómo el empuje/tracción permite el movimiento y la carga del robot?

Un actuador lineal consta de un motor (motor de par sin marco), un tornillo (tornillo de rodillos planetarios, tornillo de bolas) y sensores (sensor de par).

Debido a las dificultades existentes en el mecanizado, los micro-reductores para manos diestras utilizan principalmente tornillos de avance o tornillos de bolas. Los actuadores de mayor tamaño pueden utilizar soluciones de tornillos de rodillos planetarios.

La tecnología de tornillos de bolas es relativamente madura; la dificultad en el procesamiento radica en mecanizar la pista interna de la tuerca, especialmente evitando la interferencia de la muela en tuercas con grandes pasos.

Los tornillos de rodillos planetarios se categorizan en tipo estándar, tipo inverso, etc. Los procesos de mecanizado incluyen rectificado y torneado como sustituto del rectificado.

Diferencias en escenarios de aplicación para actuadores lineales y rotativos

• Los actuadores rotativos permiten la rotación alrededor de un solo eje, produciendo movimiento rotacional, lo que permite a los robots humanoides realizar diversas acciones de rotación en ángulo. Se utilizan típicamente en articulaciones que requieren alto par, como las articulaciones del hombro, la cintura y las caderas.

• Perspectiva de costos: dentro del actuador rotativo, la transmisión armónica, el sensor de par y el motor de par sin marco representan participaciones de costo relativamente altas, aproximadamente 36.0%, 30.0% y 13.5% respectivamente, lo que en conjunto representa alrededor del 79.5% del costo del actuador rotativo.

• Los actuadores lineales convierten el movimiento rotacional del motor en un movimiento lineal de salida, ofreciendo buen rendimiento de soporte y capacidad de carga. Se utilizan principalmente en escenarios con cargas altas y ángulos de movimiento rotacional pequeños, como las rodillas, codos y tobillos.

• Perspectiva de costos: en los actuadores lineales, el tornillo de rodillos planetarios, el sensor de fuerza y el motor de par sin marco representan participaciones de costo relativamente altas, aproximadamente 64.2%, 16.1% y 7.2% respectivamente, lo que en conjunto representa alrededor del 87.5% del costo del actuador lineal.

Ventajas y desventajas de los actuadores lineales y rotativos

Actuadores rotativos: La producción y aplicación de actuadores rotativos son relativamente maduras y han sido validadas en el mercado global. Son adecuados para articulaciones de rotación de gran ángulo como hombros y caderas. Ofrecen alta eficiencia de transmisión, y su precisión de transmisión puede cumplir con los requisitos de la mayoría de los robots humanoides. En comparación con los actuadores lineales, los actuadores rotativos poseen características dinámicas más fuertes y un alto grado de integración.

Actuadores lineales: El tornillo de rodillos planetarios en los actuadores lineales puede lograr fácilmente rigidez mantenida y transmisión sin juego mediante tuercas precargadas. Debido al contacto línea/área, los tornillos de rodillos planetarios mantienen una buena rigidez, lo que es más beneficioso para operaciones delicadas y estables de las extremidades superiores.

Sin embargo, los actuadores lineales tienen características dinámicas más débiles: debido a la alta relación de reducción, la velocidad de salida es relativamente baja bajo la misma densidad de potencia, y la banda de paso es estrecha, lo que no favorece la realización de movimientos altamente dinámicos (en comparación con articulaciones de reductor planetario o accionamientos hidráulicos).

Además, la integración del sistema es relativamente baja y los costos son altos. El extremo de la articulación no puede percibir fuerzas externas mediante el método de bucle de corriente; el control de fuerza debe depender de un sensor de fuerza adicional instalado en el extremo de la articulación, lo que resulta en una menor integración del sistema y mayores costos.Actualmente, la configuración RVI (Tornillo de Rodillos Planetarios Invertido) utilizada por Tesla presenta desafíos significativos en la tecnología de mecanizado.

Tanto los actuadores lineales como los rotativos tienen sus propias ventajas en términos de forma de movimiento, características estructurales, parámetros de rendimiento y escenarios de aplicación. Actualmente, los actuadores rotativos, especialmente los de transmisión armónica, siguen siendo la opción predominante en el mercado. Seleccionar el actuador correcto es una decisión clave en la investigación y desarrollo de robots humanoides.